[发明专利]一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置

说明书

本发明公开了一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，包括混凝土底座，所述混凝土底座上设置有模型箱框架，所述模型箱框架内置有围岩、沙子、路基，所述围岩、沙子之间设置有模拟超前棚架结构的棚架结构，所述路基上方设置有由作动器进行加载的传力杆，所述模型箱框架内还设置有采集用传感器。本发明首次在管棚土拱效应试验中引入加载设备，同时采用各种监测设备对试验过程中的变形及应力应变进行监测，更加真实的反映了实际工程中的动态土拱效应。基于本发明可进一步得到管棚参数与交通荷载幅值频率之间的相互关系，为管棚参数的设计优化提供建议，从而保证隧道开挖过程中的施工安全。

技术领域

本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置。

背景技术

土拱效应是土木工程领域普遍存在的一种现象，广泛存在于岩土-结构相互作用中。土体在荷载或自重的作用下发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，进而在一定范围土层中产生“拱效应”。

当前采用超前棚架技术是一种常见的下穿既有交通线路的暗挖施工方法，而棚架结构由于钢管自身较大的抗弯刚度及较高的嵌固效应，其上部岩土体在自重及附加应力下降时产生一定程度的不均匀沉降变形，使得钢管上部呈现一定的“土拱效应”。棚架结构依靠自身刚度及超前嵌入段围岩或覆盖层岩土所提供的支撑抗力共同支承上部岩土体自重及附加应力，而由混凝土或水泥浆填充的钢管构件是结构的基本承载单元，其布置间距及钢管直径不仅影响工程投资，还直接影响施工期间上部岩土体覆盖层的变形控制效果，直接关系到上部铁路的运营安全。

针对棚架结构动态土拱效应的研究目前仍处于起步阶段，大多数研究仅局限于整体抗震及爆破振动领域，并未对其在列车激励荷载作用下的动态土拱效应给出更多的结论。然而在列车激励荷载作用下棚架结构钢管及钢管间岩土体会产生不均匀变形，使得管棚间产生一定的动态土拱效应，嵌入到前方掌子面内的部分钢管在列车循环荷载作用时与围岩反复作用，其嵌固支承的岩土抗力也将受到一定程度的累计损伤，继而影响棚架结构的整体承载特性。因此亟待探求超前棚架结构与岩土体之间的相互作用机理，对列车激励荷载作用下棚架结构的动态土拱效应开展深入研究。

若运用现场实测或足尺试验对其展开分析测试，有工期较长、造价较高、安全性较差、无法展开多工况分析等一系列问题，最终结论可控性较差。相对而言，室内模型试验可以控制主要试验参数而不受环境条件的限制与影响，减小试验规模，便于改变试验参数进行对比试验，从而对不同设计工况进行模拟，具有经济性好、针对性强、数据准确的特点。基于此针对性提出一种模拟棚架结构动态土拱效应的室内模型试验装置。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置。

本发明的技术方案是：一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，包括混凝土底座，所述混凝土底座上设置有模型箱框架，所述模型箱框架内置有围岩、沙子、路基，所述围岩、沙子之间设置有模拟超前棚架结构的棚架结构，所述路基上方设置有由作动器进行加载的传力杆，所述模型箱框架内还设置有采集用传感器。

更进一步的，所述作动器设置在横梁上，所述横梁固定在两根型钢框架立柱之间。

更进一步的，所述型钢框架立柱上部形成多排对横梁高度进行调节安装的装配孔，高强螺栓穿过装配孔拧入到横梁进行固定。

更进一步的，所述作动器的安装座与横梁滑动连接，从而避免填充干扰。

更进一步的，所述棚架结构包括固定在混凝土底座上的钢支撑，所述钢支撑上设置有管棚，所述管棚背部固定在定位挡板上，所述管棚包括固定在卡槽中的钢管。

更进一步的，所述定位挡板与模型箱框架之间设置有支撑用的钢管框架。

更进一步的，所述采集用传感器包括置于沙子中的土压力盒、加速度传感器，所述土压力盒采集所在位置的动土压力，所述加速度传感器采集测量所在位置的加速度。