【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置与方法，该装置结合了偏压应力加载系统和冲击扰动加载系统，能够模拟隧道工程中受到的复杂应力环境，为隧道围岩、结构的稳定性和安全性研究提供了重要的实验平台，属于地下工程。
技术介绍
1、我国地下隧道工程建设得到了长足发展。其中，部分山岭隧道建设在山体边缘，由于地形不对称，隧道处于偏压受力状态，如图1所示，局部应力集中和过度变形可能导致隧道结构的剪切破坏，特别地，当采用钻爆法开挖双线隧道时，邻近隧洞爆破振动时常造成偏压隧道掉块、垮塌等动力灾害事故。因此，探究隧道围岩、结构在偏压应力以及随机冲击扰动应力下的稳定性对于隧道动力灾害事故的预防与控制具有重要意义。
2、目前，隧道围岩、结构静力稳定性的试验研究较多，但集中于分析均匀应力条件下的稳定性，较少考虑偏压应力试验条件；对于隧道围岩、结构动力稳定性的试验研究，存在的试验装置主要是霍普金森压杆(shpb)以及落锤或落球单向单一冲击扰动试验装置，不能实现隧道不同位置随机冲击扰动荷载的施加。因此，设计能够实现偏压应力加载和多方向随机冲击扰动应力加载的实验装置对于研究偏压隧道围岩、结构动静力学性质以及实现偏压隧道动力灾害的预防与控制十分必要。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供一种模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置与方法，可以同时对隧道围岩、结构施加静态偏压应力以及动态随机冲击扰动应力，进而有效地模拟隧道围岩、结构在复杂应力环境下的受力以及动态
2、本专利技术采用如下技术方案：
3、一方面，本专利技术提供一种模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，包括设备主框架、隧道衬砌、隧道围岩、加载板、偏压加载系统和随机冲击扰动系统；
4、所述设备主框架为长方形框架，由刚性板材制作而成，边角处采用桁架加固，定牢固不变形；隧道衬砌采用混凝土和钢筋网制作而成，与开挖隧道的形状和尺寸一致，可以为圆形或矩形、马蹄形等；所述隧道围岩的材质为开挖隧道材质一致，可以基于现场取样制作或根据相似配比材料制作而成，同时隧道围岩试样内部还应包含大量的节理、裂隙等构造，若围岩为块系结构，还可以采用块体拼装模式进行组装形成隧道围岩模型；隧道围岩优选采用圆环形试样；
5、所述加载板为刚性圆弧形板，可以保证与隧道围岩紧密接触，加载板数量为多个，多个刚性圆弧形板与隧道围岩紧密接触，多个刚性圆弧形板拼接后构成一完整圆环结构作用于隧道围岩周围；
6、每一加载板上均设置一偏压加载系统和一随机冲击扰动系统，偏压加载系统用于为加载板提供静态荷载，进而将偏压应力作用于隧道围岩，随机冲击扰动系统用于为隧道围岩提供随机冲击扰动荷载。
7、优选的，所述偏压加载系统包括滑杆、偏压加载器和偏压控制器，所述滑杆一端与加载板固定连接，滑杆另一端与偏压加载器配合，偏压控制器与偏压加载器通过信号线连接，偏压控制器用于向偏压加载器发出指令，偏压加载器将静态荷载作用于滑杆，通过加载板将压应力传递至隧道围岩。
8、所述偏压加载器可采用现有装置，如采用气压、液压等能够施加位移或力荷载的装置等，只要能根据偏压控制器的指令施加力荷载即可。加载板与滑杆整理类似于一个长杆压头，加载板与滑杆之间可以焊接或者采用球铰连接。
9、当需要加载偏压时，偏压控制器会发出控制命令，给6个偏压加载器不同的应力/加载力(kn)，如第一个滑杆加2kn，第二个滑杆加1kn，第三个滑杆加5kn等，实现静态荷载的施加。
10、优选的，所述偏压加载器和偏压控制器设置于设备主框架上。
11、优选的，所述随机冲击扰动系统包括扰动子弹、随机冲击扰动加载装置和随机冲击扰动控制器，所述扰动子弹套设于滑杆上，随机冲击扰动加载装置固定设置于滑杆上，扰动子弹吸附于随机冲击扰动加载装置上，随机冲击扰动控制器与随机冲击扰动加载装置通过信号线连接，随机冲击扰动控制器用于向随机冲击扰动加载装置发出指令，随机冲击扰动加载装置与扰动子弹之间的吸附力消失，并施加弹力将扰动子弹弹出，扰动子弹在滑杆上滑动并作用于加载板，通过加载板将冲击力传递至隧道围岩。
12、本专利技术中，滑杆要求具有足够的强度和刚度以及光滑度，其作用包括2个方面：一是传递偏压控制器提供给偏压加载器的静态荷载，二是作为扰动子弹的滑道。
13、优选的，所述随机冲击扰动加载装置设置有外壳和推杆，扰动子弹与外壳通过吸附力连接，当随机冲击扰动控制器发出指令后，推杆伸出将扰动子弹弹出。
14、本专利技术中的推杆可采用现有技术的常规结构，内部可设置弹簧等元件，可为电动、气压或液压推杆，在控制器的控制下能够提供推力即可，此处不再具体限定。
15、优选的，所述扰动子弹的端面为弧面，形状与加载板的形状相适应，扰动子弹采用刚性耐冲击板制作而成，通过高速运动为隧道围岩施加随机冲击扰动应力。
16、优选的，所述扰动子弹与外壳之间为电磁吸附，电磁力的消失与施加随机冲击荷载同步，这样可以保证扰动子弹弹射出去。
17、偏压加载系统固定在主框架上，可以为偏压加载器提供所需的静态荷载，控制精度在0.1％内；
18、扰动子弹可以吸附在随机冲击扰动加载装置上，也可以在滑杆上无摩擦滑动，扰动子弹与加载板的接触面也为圆弧形，通过高速运动为隧道围岩施加随机冲击扰动应力；随机冲击扰动加载装置可以吸附扰动子弹，为扰动子弹提供所需要的冲击动力，控制精度在0.1％内；随机冲击扰动控制器可以根据需要设置随机冲击扰动荷载特征，如振幅(即冲击力大小)、频率(频率与扰动子弹的长度相关，长度越长频率越小)、扰动次数等，扰动子弹作用到加载板上一次即为一次扰动，如需要多次扰动，需要将扰动子弹复位，此时可以手动复位，并恢复电磁力；加载板数量优选为6个，可实现6个随机冲击扰动系统的同步控制，控制精度在0.1％内。
19、随机冲击扰动系统工作时，在随机冲击扰动控制器中输入相关的参数，通过信号线将输入信号传递给随机冲击扰动加载装置，随机冲击扰动加载装置会按照指令输出相应的气压/液压作用于推杆，推杆作用于扰动子弹上，让扰动子弹产生冲击力，扰动子弹顺着滑杆作用于加载板上，随后作用于隧道围岩。
20、另一方面，本专利技术提供一种基于上述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置的实验方法，包括如下步骤：
21、(1)根据所研究隧道工程地质特征、地形地貌、支护等特征，制定隧道围岩、隧道衬砌，并确定偏压应力及随机冲击扰动应力实验加载方案；
22、(2)将加载板安装于隧道围岩外部，通过偏压加载系统对不同的加载板施加相同或不同的偏压应力(不对称力)，通过偏压控制器控制静态荷载大小；如偏压加载器通过液压施加力荷载，在实验过程中可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，包括设备主框架、隧道衬砌、隧道围岩、加载板、偏压加载系统和随机冲击扰动系统；
2.根据权利要求1所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，所述偏压加载系统包括滑杆、偏压加载器和偏压控制器，所述滑杆一端与加载板固定连接，滑杆另一端与偏压加载器配合，偏压控制器与偏压加载器通过信号线连接，偏压控制器用于向偏压加载器发出指令，偏压加载器将静态荷载作用于滑杆，通过加载板将压应力传递至隧道围岩。
3.根据权利要求2所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，所述偏压加载器和偏压控制器设置于设备主框架上。
4.根据权利要求2所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，所述随机冲击扰动系统包括扰动子弹、随机冲击扰动加载装置和随机冲击扰动控制器，所述扰动子弹套设于滑杆上，随机冲击扰动加载装置固定设置于滑杆上，扰动子弹吸附于随机冲击扰动加载装置上，随机冲击扰动控制器与随机冲击扰动加载装置通过信号线连接，随机冲击扰动控制器用于向随机
5.根据权利要求4所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，所述随机冲击扰动加载装置设置有外壳和推杆，扰动子弹与外壳通过吸附力连接，当随机冲击扰动控制器发出指令后，推杆伸出将扰动子弹弹出。
6.根据权利要求5所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，所述扰动子弹的端面为弧面，形状与加载板的形状相适应。
7.根据权利要求5所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，所述扰动子弹与外壳之间为电磁吸附。
8.一种基于权利要求7所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置的实验方法，其特征在于，隧道围岩中设置有多个传感器，用于捕捉径向、轴向的变形破坏以及振动特征。
10.根据权利要求8所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置的实验方法，其特征在于，高速摄像机对准隧道围岩的环形主视图。
...【技术特征摘要】
1.一种模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，包括设备主框架、隧道衬砌、隧道围岩、加载板、偏压加载系统和随机冲击扰动系统；
2.根据权利要求1所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，所述偏压加载系统包括滑杆、偏压加载器和偏压控制器，所述滑杆一端与加载板固定连接，滑杆另一端与偏压加载器配合，偏压控制器与偏压加载器通过信号线连接，偏压控制器用于向偏压加载器发出指令，偏压加载器将静态荷载作用于滑杆，通过加载板将压应力传递至隧道围岩。
3.根据权利要求2所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，所述偏压加载器和偏压控制器设置于设备主框架上。
4.根据权利要求2所述的模拟隧道受偏压应力及随机冲击扰动应力的实验装置，其特征在于，所述随机冲击扰动系统包括扰动子弹、随机冲击扰动加载装置和随机冲击扰动控制器，所述扰动子弹套设于滑杆上，随机冲击扰动加载装置固定设置于滑杆上，扰动子弹吸附于随机冲击扰动加载装置上，随机冲击扰动控制器与随机冲击扰动加载装置通过信号线连接，随机冲击扰动控制器用于向随机冲击扰动加载装置发出指令，随机冲击扰动加载装置与扰动子弹之间的吸附力...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓，陈绍杰，孙文斌，蒋邦友，郝建，李文鑫，侯晓风，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：
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