[发明专利]模拟地下洞室地震动力反应的试验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，该试验装置用于对地下洞室进行地应力静负荷和地震动负荷统一加载的高仿真模拟，包括加载框架、地下洞室模型、静力加载装置、动力加载装置及测量装置；

所述地下洞室模型包括上覆模型、下伏模型；所述上覆模型设置于所述下伏模型上部，且与所述下伏模型构成凸体结构，所述上覆模型与所述下伏模型胶结固定；

所述静力加载装置包括法向加载装置、侧向加载装置；所述法向加载装置设置于所述上覆模型的顶部，且所述法向加载装置的上端与所述加载框架的顶板固定连接，所述法向加载装置包括法向驱动装置和法向垫板，所述法向驱动装置通过所述法向垫板施力作用于所述上覆模型的顶部；所述侧向加载装置设置于所述上覆模型的周侧，且所述侧向加载装置远离所述上覆模型的端部与所述加载框架的侧板固定连接，所述侧向加载装置包括侧向驱动装置和侧向垫板，所述侧向驱动装置通过所述侧向垫板施力作用于所述上覆模型的四周侧壁；

所述动力加载装置包括模型箱，承载平台，及驱动所述模型箱、承载平台振动的动载驱动装置；所述模型箱设置于所述承载平台，所述模型箱的内部设置有容纳所述下伏模型的腔室，并且所述下伏模型与所述模型箱高度一致，所述下伏模型的周侧与所述模型箱通过硅胶连接；

所述测量装置包括负荷测量装置和变形测量装置；所述负荷测量装置包括用于测量所述上覆模型顶部负荷值的法向负荷测量装置、用于测量所述上覆模型周侧负荷值的侧向负荷测量装置；所述变形测量装置包括法向变形测量装置和侧向变形测量装置，所述法向变形测量装置用于实时测量所述法向垫板与所述加载框架的相对位移值，所述侧向变形测量装置用于检测所述侧向垫板与所述加载框架的相对位移值。

2.根据权利要求1所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述上覆模型的内部设置有用于模拟原位地下洞室的孔洞；所述孔洞为贯通型孔洞。

3.根据权利要求1所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述法向负荷测量装置为法向负荷传感器，所述侧向负荷测量装置为侧向负荷传感器；

所述法向垫板为钢制垫板；

所述侧向垫板为钢制垫板。

4.根据权利要求3所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述法向驱动装置为法向油缸，所述法向油缸固设于所述加载框架的顶板的中心；

所述侧向驱动装置为侧向油缸，所述侧向油缸包括左侧油缸、右侧油缸、前侧油缸和后侧油缸，所述左侧油缸、所述右侧油缸、所述前侧油缸和所述后侧油缸分别固设于所述加载框架左、右、前、后侧板的中心。

5.根据权利要求4所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述法向变形测量装置为法向变形传感器；所述法向变形传感器的一端固设于所述加载框架的顶部，另一端与所述法向垫板接触；

所述法向变形传感器为四个，四个所述法向变形传感器对称设置于所述法向油缸四周；

所述侧向变形测量装置为侧向变形传感器；所述侧向变形传感器的一端固设于所述加载框架的侧板，另一端与所述侧向垫板接触；

所述侧向变形传感器包括两个左侧变形传感器、两个右侧变形传感器、两个前侧变形传感器和两个后侧变形传感器；所述左侧变形传感器、所述右侧变形传感器、所述前侧变形传感器和所述后侧变形传感器分别对称设置于所述左侧油缸、所述右侧油缸、所述前侧油缸和所述后侧油缸的两侧，并分别用于测量所述上覆模型左侧、右侧、前侧、后侧的变形值。

6.根据权利要求1所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述模型箱为无盖长方体钢盒结构；所述模型箱与所述承载平台通过螺栓固定连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，还包括数控装置，所述数控装置与所述静力加载装置、动力加载装置通信连接，并用于实时记录所述地下洞室模型的负荷值和变形值。

8.一种模拟地下洞室地震动力反应的试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求7所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，包括以下步骤：

步骤S100，预设法向负荷值、第一水平负荷值、第二水平负荷值、地震动负荷值、地震动加载时间值、法向变形阈值及侧向变形阈值；

步骤S200，控制法向驱动装置对所述上覆模型施加垂向负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实垂向地应力环境；

步骤S300，控制侧向驱动装置中的前侧油缸、后侧油缸对所述上覆模型分别施加相同的第一水平负荷并保持恒定；

步骤S400，控制侧向驱动装置中的左侧油缸、右侧油缸对所述上覆模型分别施加相同的第二水平负荷并保持恒定；

步骤S500，控制所述动载驱动装置对所述下伏模型施加地震动负荷，通过所述下伏模型作用于所述上覆模型，以模拟原位地下洞室的真实地震动情况；

步骤S600，基于所述法向负荷测量装置、所述侧向负荷测量装置、所述法向变形测量装置和所述侧向变形测量装置实时采集的试验过程中所述上覆模型的负荷值和变形值，所述数控装置对试验进行实时调控，当地震动加载时间达到预设值、或地下洞室模型的上覆模型的法向变形值达到侧向垫板与上覆模型尺寸之差的二分之一、或上覆模型的单侧变形值达到法向垫板与上覆模型尺寸之差的二分之一时，试验停止，导出负荷和变形试验数据。