一种全尺寸隧道足尺模型试验装备及试验方法与流程

1.本发明涉及试验装备技术领域，尤其是涉及一种全尺寸隧道足尺模型试验装备及试验方法。


背景技术：

2.在隧道工程领域，由于假定少、结果直观，足尺模型试验一直是最有效的研究手段之一。隧道足尺模型试验是采用真实隧道结构构件进行的大规模试验，离不开试验装备及配套方法的支撑。
3.目前的主流的隧道足尺模型试验将隧道试件水平放置，采用垂直试件弧面的液压千斤顶进行试验加载，千斤顶反力有两种方式进行平衡：1、千斤顶反力作用于试件外侧闭合的反力系统(反力框架或反力基坑)实现平衡，例如专利cn205562159u、cn110618037a；2、千斤顶反力通过拉杆传递到位于试件中心的闭合环形结构，通过千斤顶反力的对称张拉实现平衡，例如专利cn203465148u、cn105910838a。
4.隧道足尺模型试验装备在支撑足尺模型试验的同时，也对足尺模型试验产生诸多限制，与如今隧道外径、形状、受力工况日益多样化的发展趋势相矛盾：1、早期试验装备灵活性不佳，进行不同形状、尺寸隧道试件试验或移动、转动、增加加载点位时，需要新增设备构件甚至重新制作试验核心构件；2、早期试验装备试验荷载施加后，不能根据试验试件变形实时反馈调整试验荷载，与隧道受力-变形-荷载反馈的真实情况相悖。


技术实现要素：

5.本发明的第一目的在于提供一种全尺寸隧道足尺模型试验装备，该试验装备能够解决现有技术中存在的问题；
6.本发明的第二目的在于提供一种全尺寸隧道足尺模型试验方法，其采用如以上所述的全尺寸隧道足尺模型试验装备进行足尺模型试验。
7.本发明提供了一种全尺寸隧道足尺模型试验装备，其包括反力结构和加载设备，所述加载设备与反力结构连接；
8.所述反力结构包括多个模块构件，通过调整模块构件的长度，及多个模块构件组合形成反力结构。
9.优选的，所述加载设备通过延长杆与反力结构连接，延长杆与反力结构拆卸连接，且两者之间的角度可调。
10.优选的，所述反力结构在竖直方向上分层设置，在水平方向上，每一层均为闭合环状结构。
11.优选的，所述模块构件包括直线段模块和曲线段模块，直线段模块和曲线段模块拼接组成环状结构。
12.优选的，所述直线段模块为长度可调结构。
13.优选的，所述直线段模块包括多段直线段构件，且相邻直线段构件之间为伸缩连
接结构。
14.优选的，各层反力结构之间通过立柱连接，且底层反力结构与地面之间设置有底座。
15.优选的，所述加载设备包括千斤顶及控制系统，且千斤顶加载导致试件变形时，通过加载控制系统实时反馈调整各个千斤顶的荷载。
16.每层反力结构内侧均对应的设置有一层千斤顶层。
17.优选的，所述延长杆通过快速接头与反力结构连接，所述快速接头与延长杆、反力结构均拆卸连接。
18.优选的，所述快速接头包括固定座和活络端，所述活络端相对于固定座角度可调。
19.千斤顶延长杆与反力结构的角度调整是通过设置活络端，以及在快速接头固定座与反力结构之间增加垫板实现的，使千斤顶延长杆与反力结构的角度调整在试验全过程均可实现；
20.试验前：增加垫块等方式改变快速接头固定座与反力结构夹角。
21.一种全尺寸隧道足尺模型试验方法，该方法采用如以上所述的全尺寸隧道足尺模型试验装备进行试验，其包括以下步骤：
22.水平放置试验试件；
23.通过模块构件长度变化及模块构件之间的组合，形成试验试件所需的竖直方向分层、水平方向闭合的反力结构；
24.试验试件外侧垂直试件弧面安装加载设备，加载设备的千斤顶固定端通过延长杆固定于反力结构，延长杆与反力结构通过快速接头连接；
25.试验过程中，使千斤顶对隧道试件施加预定试验荷载，模拟预定隧道状态；
26.千斤顶加载导致试件变形时，通过加载控制系统实时反馈调整各个千斤顶的荷载，进而模拟隧道变形后地层的抗力作用；
27.当试件变形导致千斤顶偏位时，通过快速接头活络端和底座之间转动进行修正。
28.有益效果：
29.通过构件模块化组合、构件长度可变的反力结构设计，可在大部分构件交叉使用的前提下，形成适应不同隧道形状(圆形、矩形、类矩形、马蹄形等)、不同外径的试验试件的反力结构，构造简单，分形合理，可大幅提高足尺模型试验装备形状适应能力。
30.千斤顶延长杆与反力结构角度可调，试验前可根据试件形状调整加载设备与反力结构水平方向夹角、净距，试验过程中可自动修正试件变形导致的加载设备的千斤顶偏位，进一步提高足尺模型试验装备形状适应能力和试验准备阶段工作效率。
31.在试验方法中，加载控制系统可编程输入千斤顶荷载-位移增量关系曲线，当特定荷载下试验试件发生明显变形时，实时反馈调整各个千斤顶的荷载，进而模拟隧道变形后地层的抗力作用，大幅提高了足尺模型试验荷载模拟质量。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前
提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明的具体实施方式提供的全尺寸隧道足尺模型试验装备的整体方案三维示图；
34.图2为本发明的具体实施方式提供的全尺寸隧道足尺模型试验装备整体方案平面图；
35.图3为本发明的具体实施方式提供的全尺寸隧道足尺模型试验装备整体方案断面图；
36.图4为本发明的具体实施方式提供的全尺寸隧道足尺模型试验装备的断面加强方案断面图；
37.图5为本发明的具体实施方式提供的反力结构模块的俯视图，其中图5a为曲线段模块，图5b为直线段模块；
38.图6为本发明的具体实施方式提供的反力结构模块的正视图；
39.图7为本发明的具体实施方式提供的直线段模块改变长度示意图，其中图7a为展开状态的俯视图，图7b为展开状态的正视图，图7c为收回状态的俯视图；
40.图8为本发明的具体实施方式提供的千斤顶台架工作示意图，图8a是台架一个工作状态正视图，图8b是图8a台架工作状态俯视图；图8c是台架另一个工作状态正视图，图8d是图8c台架工作状态俯视图；
41.图9为本发明具体实施方式提供的延长杆-反力结构快速接头俯视图；
42.图10为本发明具体实施方式提供的一种组合方案及覆盖试件对象示意图，其中图10a为外径为6m的圆形试件，图10b为外径为7.6m的圆形试件；
43.图11为本发明具体实施方式提供的另一种组合方案及覆盖试件对象示意图，其中图11a为外径为8m的圆形试件，图11b为外径为12.6m的圆形试件，图11c为马蹄形试件其尺寸为11.5
×
10.6m，图11d矩形试件其尺寸为12
×
10m；
44.图12为本发明具体实施方式提供的另一种组合方案及覆盖试件对象示意图(其为外径为17.6的圆形试件)；
45.图13为本发明具体实施方式提供的另一种组合方案及覆盖试件对象示意图，其中，13a为类矩形试件其尺寸为11.5
×
7m，图13b为矩形试件其尺寸为12
×
6m；
46.图14为本发明具体实施方式提供的另一种组合方案及覆盖试件对象示意图(矩形试件其尺寸为17
×
11m)。
47.附图标记说明：
48.1、直线段模块；
49.1-1、第一直线段构件；1-2、第二直线段构件；1-3抗剪键；
50.2、曲线段模块；3、反力结构模块连接节点；
51.4、快速接头；
52.4-1、固定座；4-2、活络端；4-3、抗剪键；
53.5-1、延长杆；5-2、千斤顶；
54.6、试验试件；7、立柱；8、水平拉杆；9、竖向约束柱；10、加劲肋；11、快速接头安装孔；12、可移动千斤顶台架；13、可升降千斤顶托板。
具体实施方式
55.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
56.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
57.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
58.如图1至图14所示，本实施方式提供了一种全尺寸隧道足尺模型试验装备，包括反力结构和加载设备，加载设备与反力结构连接。
59.反力结构包括多个模块构件，通过调整模块构件的长度，及多个模块构件组合形成反力结构。
60.在本实施方式中，通过构件模块化组合、构件长度可变的反力结构设计，可在大部分构件交叉使用的前提下，形成适应不同隧道形状(圆形、矩形、类矩形、马蹄形等)、不同外径的试验试件的反力结构，构造简单，分形合理，可大幅提高足尺模型试验装备形状适应能力。
61.加载设备通过延长杆5-1与反力结构连接，延长杆5-1与反力结构拆卸连接，且两者之间的角度可调。
62.延长杆与反力结构角度可调，试验前可根据试件形状调整加载设备与反力结构水平方向夹角、净距，试验过程中可自动修正试件变形导致的加载设备的千斤顶偏位，进一步提高足尺模型试验装备形状适应能力和试验准备阶段工作效率。
63.反力结构
64.具体的，反力结构在竖直方向上分层设置，在水平方向上，每一层均为闭合环状结构。
65.根据试件环数的不同，沿竖向分为若干层水平方向闭合的反力结构。
66.每一层反力结构是由模块构件拼接组成，且模块之间采用螺栓连接等可重复拆装使用的连接形式进行连接，以便于模块构件的重复使用。
67.参照图3，模块构件包括直线段模块1和曲线段模块2，直线段模块1和曲线段模块2拼接组成环状结构。直线段模块1和曲线段模块2的连接处为反力结构模块连接点3。该反力结构模块连接点3通过螺栓连接。需要说明的是：连接点3通过螺栓连接仅是本实施方式中
的一种实施方案，在其它情况下可以采用其它等效的方式进行连接。
68.根据试件的形状特征，选取直线段模块1长度，根据不同的曲线段模块2、直线段模块1拼装组合方案，可形成与不同形状、外径试验试件对应的反力结构。
69.选取直线段模块1长度，可以通过设置不同长度的直线段模块1实现，或者通过将直线段模块1设置成长度可调的结构，本实施方式中，作为优选的，直线段模块1采用长度可调结构。
70.如，直线段模块包括多段直线段构件，且相邻直线段构件之间为伸缩连接结构。也就是说直线段模块1采用的是可伸缩结构，伸缩后，能够在设定位置进行定位的结构。
71.在本实施方式中，提供了一种直线段模块1长度可调的具体结构形式，具体的，如以下所示：
72.参照图7，直线段模块1包括第一直线段构件1-1、第二直线段构件1-2和抗剪键1-3。
73.第二直线段构件1-2的两端均套接一个第一直线段构件1-1，第一直线段构件1-1和第二直线段构件1-2滑动连接，且第一直线段构件1-1和第二直线构件1-2通过抗剪键1-3连接。
74.进一步的，在第一直线段构件1-1和第二直线构件1-2上设置多个定位孔，第一直线段构件1-1和第二直线构件1-2相对滑动后，实现调整直线段模块长度调整，通过将抗剪键1-3插接在不同定位孔内，实现调整第一直线段构件1-1和第二直线段构件1-2相对位置的固定。
75.各层反力结构之间通过立柱7连接，且底层反力结构与地面之间设置有底座。
76.根据需要还可以在反力结构的外侧设置竖向约束柱9，相对设置的竖向约束柱9之间通过水平拉杆8连接。
77.延长杆5-1通过快速接头4与反力结构，反力结构模块每300～500mm预留快速接头4的安装位置，使千斤顶5-2可灵活放置于反力结构各角度。
78.加载设备
79.加载设备包括千斤顶及加载控制系统，每层反力结构内侧均对应的设置有一层千斤顶层。千斤顶加载导致试件变形时，通过加载控制系统实时反馈调整各个千斤顶的荷载，进而模拟隧道变形后地层的抗力作用。
80.具体的，根据试件环数的不同，沿竖向设置若干层千斤顶，每层千斤顶对应一层千斤顶外侧水平闭合的反力结构。
81.所有千斤顶5-2设置溢流阀或其他荷载控制设备，并入加载控制系统统一控制。所有千斤顶5-2可独立/编组控制荷载，进而模拟各试件区域预定荷载工况。
82.加载控制系统可编程输入千斤顶荷载-位移增量关系曲线，当试件发生变形时，实时反馈调整各个千斤顶的荷载，进而模拟隧道变形后地层的抗力作用。
83.进一步的，在试验过程中，加载控制系统可编程输入千斤顶荷载-位移增量关系曲线，当特定荷载下试验试件发生明显变形时，实时反馈调整各个千斤顶的荷载，进而模拟隧道变形后地层的抗力作用，大幅提高了足尺模型试验荷载模拟质量。
84.千斤顶5-2固定端与延长杆5-1刚接，轴线保持一致。延长杆5-1长度可通过替换/伸缩等方式进行改变，使千斤顶5-2荷载反力切实传递到反力结构。
85.参照图3，延长杆5-1通过快速接头4与反力结构连接，快速接头4与延长杆5-1、反力结构均拆卸连接。
86.参照图9，快速接头4包括固定座4-1和活络端4-2，活络端4-2相对于固定座4-1角度可调。延长杆5-1与活络端4-2之间通过抗剪键4-3连接。
87.快速结构的安装方式为：
88.试验前，根据试件及反力结构形状，采用在快速接头固定座4-1与反力结构之间增加垫板等方式，调整千斤顶与反力结构水平方向的夹角，并将底座与反力结构刚接。
89.综上所述，千斤顶延长杆与反力结构的角度调整是通过设置活络端4-2，以及在快速接头固定座4-1与反力结构之间增加垫板实现的，使千斤顶延长杆与反力结构的角度调整在试验全过程均可实现；
90.试验前：增加垫块等方式改变快速接头固定座4-1与反力结构夹角；
91.试验过程中，快速接头活络端4-2和底座4-1之间可小角度转动，以修正试件变形导致的千斤顶偏位情况。
92.在本实施方式中，还提供了一种全尺寸隧道足尺模型试验方法，该方法采用如以上所述的全尺寸隧道足尺模型试验装备进行试验，其包括以下步骤：
93.水平放置试验试件6；
94.通过模块构件长度变化及模块构件之间的组合，形成试验试件所需的竖直方向分层、水平方向闭合的反力结构；
95.试验试件外侧垂直试件弧面安装加载设备，加载设备的千斤顶固定端通过延长杆固定于反力结构，延长杆与反力结构通过快速接头连接；需要说明的是，在此步骤中，加载设备的安装除了千斤顶的安装，还包括千斤顶配套组件、油路等安装。
96.试验过程中，使千斤顶对隧道试件施加预定试验荷载，模拟预定隧道状态；在此过程中，千斤顶的工作是在加载控制系统的控制下进行的。
97.试件变形时，实时反馈调整各个千斤顶的荷载，进而模拟隧道变形后地层的抗力作用；
98.当试件变形导致千斤顶偏位时，通过快速接头活络端和底座之间转动进行修正。
99.在试验方法中，加载控制系统可编程输入千斤顶荷载-位移增量关系曲线，当特定荷载下试验试件发生明显变形时，实时反馈调整各个千斤顶的荷载，进而模拟隧道变形后地层的抗力作用，大幅提高了足尺模型试验荷载模拟质量。
100.为了对上述全尺寸隧道足尺模型试验装备及试验方法进行进一步的说明，还提供了试验装备及试验方法的具体实施例，如以下所述：
101.实施例1：圆形隧道
102.圆形是最常见的隧道形状及大部分足尺模型试验设备的试验对象，外径从6～17m不等。试验设备以可转动角度的千斤顶-反力结构快速接头4、可改变长度的直线段构件1和千斤顶延长杆5-1为基础，通过模块构件的不同组合方案，提供6～17m外径圆形试件的试验条件。
103.1、试件安装：
104.将试件6水平放置在地面或底座上。
105.2、反力结构组合方案确定：
106.①
根据试件外径，考虑设备安装空间，如图7所示通过改变第一直线段构件1-1、第二直线段构件1-2的交叉范围改变直线段长度，并通过抗剪键1-3进行固定。(也可直接定制特定长度直线段)
107.②
根据试件外径以及直线段模块1长度，考虑设备安装空间，选用图10～13的反力框架模块的反力框架平面组合方案：
108.1)圆形试件外径小于8m时，采用图10组合方案，反力结构由4个曲线段模块2组合构成；
109.2)圆形试件外径8～13m时，采用图11方案，反力框架由4个曲线段模块2及4个直线段模块1对称组合构成；
110.3)圆形试件外径13～17m时，采用图9方案，反力框架由4个曲线段模块2及8个直线段模块1对称组合构成。
111.3、反力结构断面加强方案确定：
112.根据试验工况进行反力结构的承载力、变形验算，如果不满足试验要求，则如图4所示按需设置水平拉杆8、竖向约束柱9以及加劲肋10。
113.4、反力框架安装：
114.如图3所示，根据预先确定的组合及加强方案，在地面设置反力结构底座，然后将各层反力结构模块安装定位，并固定模块连接节点3。在反力结构层间设置立柱7。
115.5、加载设备安装，如图8所示：
116.①
安装可移动千斤顶台架12及可升降托板13，并将千斤顶5-2置于托板13上。
117.②
通过台架将千斤顶5-2移动到预定的安装位置，延长杆5-1通过反力结构层间推入并与千斤顶5-2连接。
118.③
在底座4-1后增加倾斜垫块等方式调整角度，然后将快速接头底座4-1及活络端4-2安装到反力结构1/2预留安装位置，并固定。
119.④
通过台架12移动千斤顶5-1及延长杆5-2至预定加载轴线位置，通过托板13抬升就位，并对位套入快速接头4的活络端4-2，然后通过剪力键4-3进行快速固定。
120.⑤
所有千斤顶5-2接入油路及加载控制系统，控制千斤顶5-2活络端靠近试件表面。
121.6、试验调试：
122.①
启动千斤顶5-1，使活络端压紧试验试件6表面，并施加调试荷载，测试试验装备各项功能，取试验最大荷载10％。
123.②
设置千斤顶荷载-位移增量关系曲线，施加关系曲线最大荷载10％，测试试验试件变形-千斤顶荷载反馈情况并进行调试。
124.7、正式试验：
125.①
根据试验工况设计，控制加载系统，通过千斤顶5-1向试验试件6施加试验荷载，获取对应试验数据及现象。
126.②
试验过程中，试件发生变形，千斤顶5-1根据预先设定的千斤顶荷载-位移增量关系曲线提供荷载反馈。
127.③
试验过程中，当试件变形导致千斤顶5-1及延长杆5-2加载轴线出现偏位时，快速接头4的活络端4-2可相对底座4-1小角度转动，修正试件变形导致的偏位的情况。
128.8、试验后：
129.①
控制千斤顶5-1回位，抽出快速接头4的抗剪键4-3，使千斤顶5-1、延长杆5-2与快速接头4分离。
130.②
降低托板13，移动台架12，使延长杆5-2插入反力结构1/2层间，千斤顶5-1远离试件6。
131.③
当前组合方案可适应新试验试件：替换新试验试件6后，重复上述步骤再次进行试验。
132.④
当前组合方案不适应新试验试件：拆解试验设备，根据新试验试件所需组合方案重新组合。
133.实施例2：非圆形隧道
134.针对各类非圆形隧道足尺模型试验需求，本实施例提供的试验设备仍然采用多个直线段模块1、曲线段模块2组合的方式，提供试验条件，除反力框架组合方案外的其他步骤同实施例1。
135.反力框架组合方案确定：根据试件外径以及直线段模块1长度，考虑设备安装空间，选用图10～14的反力框架模块的反力框架平面组合方案：
136.1)图10组合方案，反力框架由4个曲线段模块2组合构成，可进行最大外尺寸小于6～8m的长宽接近1:1的矩形、马蹄形隧道足尺模型试验，一般为单线地铁隧道或输水隧道；
137.2)图11组合方案，反力框架由4个曲线段模块2及4个直线段模块1对称组合构成，可进行最大外尺寸8～13m的长宽接近1:1的矩形、马蹄形隧道试验，一般为双线铁路隧道、双层四车道公路隧道或地下室联络通道；
138.3)图12组合方案，反力框架由4个曲线段模块2及8个直线段模块1对称组合构成，可进行最大外尺寸13～16m的长宽接近的矩形、马蹄形隧道试验；
139.4)图13组合方案，反力框架由4个曲线段模块2及2个直线段模块1非对称组合构成，可进行最大外尺寸12
×
7m的长宽比较大的矩形、类矩形隧道试验，一般为双线地铁隧道、双车道公路隧道或地下室联络通道；
140.5)图14组合方案，反力框架由4个曲线段模块2及6个直线段模块1非对称组合构成，可进行最大外尺寸17
×
11m的长宽比大的矩形、类矩形隧道试验，一般为双线六车道公路隧道。
141.综上所述，本发明实施例提供了一种构件模块化组合、构件长度及夹角可变的隧道足尺模型试验装备，具有试件形状尺寸适应能力强、加载设备进行荷载-变形反馈控制的特点，可适用于多种形状(圆形、矩形、类矩形、马蹄形等)和外径(6～17m)隧道试件，大幅提高足尺模型试验设备试验能力。
142.除进行隧道足尺模型试验，本上述试验装备和方法也可用于桥梁、建筑领域的大型结构试验。
143.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。