本发明属于振动台试验手段技术领域，尤其涉及一种用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统及其制作方法。
背景技术：
随着我国高速铁路在西部地区的大规模建设，因西部地区地形的特殊性，隧道在线路中所占的比例越来越高，洞口隧道在滑坡作用下产生的病害也越来越严重。但我国目前在隧道-洞口滑坡体系中还没有可供参考的受力变形模式，特别是对于隧道-滑坡体系的研究更是一片空白。在地震荷载作用下，隧道结构同一时刻往往受到入射、反射、绕射等多种地震波的激振，相互之间影响较大，由于围岩之间的相互影响，交叉段容易成为整条隧道最为薄弱的区段。另外，洞口隧道在滑坡与地震荷载共同作用下，可能会导致非常严重的后果发生。
在我国断裂发育、地震活跃的地质背景下，隧道-滑坡的抗震问题日益突出，因此深入研究不同地震激励作用下隧道-滑坡的动力响应特性，对于正确指导震区隧道的设计、施工和运营维护具有重要的现实意义。
在已有隧道动力响应研究成果中，研究手段主要为理论分析和数值模拟，虽然数值模拟可以对隧道的动力响应分析，但其模型建立复杂且无法完全满足实际需要，另外模型计算及分析需要花费大量的时间，同时，若建模参数选择不恰当，可能会导致模拟失败；对于理论分析而言，其往往都是在大量假设的前提下对模型进行简化，在一定程度上无法完全还原实际工程，分析计算误差较大，一般只能作为参考。而对于隧道结构抗震性能研究最优选的办法就是采用振动台试验方法，该方法可以再现以往的地震过程或者加载人工地震波，是研究结构动力特性、破坏机理、抗震措施最直接的途径。但目前针对隧道振动台试验研究分析的成果较少，且对于隧道围岩监测的途径较为单一，也未有较为系统的全面监测方法。
技术实现要素：
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统及其制作方法，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统，包括可视化模型箱，所述可视化模型箱的框架由u型钢板制成，所述框架的前后侧面为u型钢板制成的网格状，并在前后侧面的网格状u型钢板上固定有机玻璃板，所述框架的左右侧面及底面固定钢板，且左侧钢板低于框架高度，框架的顶面敞开，所述框架的右侧面钢板内侧设置聚苯乙烯泡沫板；所述可视化模型箱内填筑有围岩材料，并在可视化模型箱内左侧修筑坡体，所述坡体下设置模拟滑坡的滑带；所述可视化模型箱内的围岩材料中水平埋设两个立体交叉放置的隧道模型，所述隧道模型周围布设有若干加速度传感器和若干动态应变片，所述坡体坡面上、滑带上下两侧及围岩材料内布设有若干加速度传感器和动态土压力计。
优选地，所述可视化模型箱中两隧道模型的交叉角度为0-90°。
优选地，所述可视化模型箱中的一个隧道模型前后横穿围岩材料放置，且前后横穿放置的隧道模型的两端洞口位于围岩材料的边界处，并在两端洞口处设置聚苯乙烯泡沫板；所述可视化模型箱中的另一个隧道模型立体交叉埋设于前后横穿放置的隧道模型的上方，并且上方隧道模型的一端洞口穿出所述坡体，另一端洞口置于围岩材料内部且朝向可视化模型箱右侧的聚苯乙烯泡沫板。
优选地，所述可视化模型箱中两个隧道模型正交放置，且前后横穿放置的隧道模型与可视化模型箱的前后侧面垂直。
优选地，所述隧道模型交叉段截面的拱顶和仰拱处布设加速度传感器，且以所述拱顶和仰拱为中心在两侧沿轴向以一定间距布设加速度传感器；所述隧道模型交叉段的中线上沿竖向方向布设若干加速度传感器；所述前后横穿放置的隧道模型的拱腰两外侧一定距离处布设与坡体竖向方向一致的一排加速度传感器和一排动态土压力计；所述隧道去模型交叉段中心断面的环向及轴向布设若干动态应变片；所述隧道模型交叉段中心断面两侧以一定间距布置若干环形断面，所述环形断面的拱顶、仰拱和拱腰处分别布设动态应变片。
优选地，所述隧道模型交叉段中心断面的环向及轴向的拱顶、拱腰和仰拱处布设动态应变片。
优选地，所述滑带由特氟纶塑料与草木灰以一定配比制成。
本发明进一步提供了一种用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统的制作方法，该方法包括以下步骤：
(1)准备填筑材料及隧道模型
选取填筑原料进行模型土体拌和，形成围岩材料备用；选用隧道模型浇筑材料浇筑隧道模型并进行养护；
(2)制作可视化模型箱
采用u型钢板焊接制成可视化模型箱框架，所述框架前后侧面通过u型钢板连接成网格状，并在框架前后侧面的u型钢板上固定有机玻璃板，所述框架的左右侧面及底面固定钢板，且左侧钢板低于框架高度，可视化模型箱的顶面敞开，框架右侧钢板内侧固定聚苯乙烯泡沫板，清理可视化模型箱内外壁；
(3)放置隧道模型及填筑围岩材料
按照分层填筑的方式在可视化模型箱中进行围岩材料的填筑并逐层进行夯实，同时，在加速度传感器和动态应变片的布设位置处分别安装加速度传感器和动态应变片，并将浇筑养护完成的两隧道模型在相应位置按照一定的角度立体交叉放置于可视化模型箱中，围岩材料填筑及夯实至一定高度时，在可视化模型箱内前端进行坡体修筑，并在坡体下方布置滑带，并在坡体坡面上及滑带上下两侧均布设加速度传感器和动态土压力计；
(4)填筑完成后，对加速度传感器、动态应变片、动态土压力计的线路进行分类及整理，并将其连接到相应采集仪上，振动台试验系统准备完毕。
优选地，所述围岩材料的原料包括铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏及甘油。
优选地，所述ⅰ号隧道模型和ⅱ号隧道模型使用石膏或细粒混凝土进行浇筑。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统及其制作方法，振动台试验系统中设计了隧道-滑坡体系模型，同时在模型箱中布设了加速度传感器、动态应变片和动态土压力计，通过合理的布设位置及方式，可以全方位动态监测隧道衬砌、隧道整体及周边围岩的动力响应情况及应变响应变化，同时也可以通过不同截面的对比来分析隧道特有的动态响应特征，能够掌握在不同工况下隧道衬砌及周边围岩的动力响应情况，且易于埋设；
(2)本发明提供的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统可以在试验过程中对隧道洞口及坡面在滑坡及地震荷载耦合作用下的变形特征和破坏模式进行研究，并在试验过程中达到“三位一体”：即隧道、围岩、边坡在地震荷载作用下的动力响应共同监测，不仅可以节约成本，而且可以同时对隧道及边坡的动力响应进行同阶段监测及分析。
附图说明
图1是本发明实施例提供的振动台试验系统的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的振动台试验系统主视方向上隧道模型的放置示意图。
图3是本发明实施例提供的振动台试验系统俯视方向上隧道模型的放置示意图。
图4是本发明实施例提供的隧道模型周围加速度传感器与动态应变片布置图。
图5是本发明实施例提供的坡体处、滑带处及围岩材料填筑内部加速度传感器和动态土压力计布置图。
图中：1-可视化模型箱，2-u型钢板，3-有机玻璃板，4-聚苯乙烯泡沫板，5-ⅰ号隧道模型，6-ⅱ号隧道模型，7-围岩材料，8-坡体，9-滑带，10-加速度传感器，11-动态应变片，12-动态土压力计，13-螺丝，14-钢板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，另外，文中涉及的“左、右”仅以说明书附图中的图示方向为准，便于理解，并不用以限定本发明。
实施例1
本发明提供的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统，参照图1-5，包括由u型钢板2、有机玻璃板3和钢板14制成的顶面敞开的可视化模型箱1，其中，u型钢板2焊接构成可视化模型箱1的框架，框架的前后侧面为u型钢板2制成的网格状，框架的左右侧面及底面为钢板14，且左侧钢板14低于框架高度，目的是在箱体内左侧修筑坡体8，左侧钢板14的高度根据坡体8的坡面下边缘确定，制作时将左侧钢板14的顶边与坡体8的坡面下边缘齐平即可。有机玻璃板3通过u型钢板2上预留螺丝孔及螺丝13固定于框架的前后侧面，构成可视化模型箱1的前后侧壁，可视化模型箱1右侧钢板14的内侧壁设置聚苯乙烯泡沫板4，以减小振动波的反射，限制减小箱底和围岩材料的相对位移。
可视化模型箱1内填筑有围岩材料7，并在可视化模型箱1的左侧修筑坡体8，坡体8下方设置由特氟纶塑料与草木灰以一定配比制成用于模拟滑坡的滑带9。可视化模型箱1内的围岩材料7中水平埋设立体交叉的ⅰ号隧道模型5和ⅱ号隧道模型6，其立体交叉角度为0-90°，包含0°和90°，图1-5中的两隧道模型放置的立体交叉角度为90°，其中将ⅰ号隧道模型5在围岩材料7内垂直于可视化模型箱的前后侧面放置，其两端位于围岩材料7的边界处且两端洞口分别设置与洞口形状贴合的聚苯乙烯泡沫板4，可以消除箱体侧壁的摩擦约束，减小振动波的反射，防止隧道受箱体影响而产生振动，减小其边界效应的影响。ⅱ号隧道模型6在围岩材料7内放置于ⅰ号隧道模型5的上方，ⅱ号隧道模型6的一端洞口穿出坡体8，另一端洞口置于围岩材料7内部且朝向可视化模型箱1右侧的聚苯乙烯泡沫板4。
参照图4，ⅰ号隧道模型5和ⅱ号隧道模型6交叉段截面的拱顶和仰拱处布设加速度传感器10，且以该拱顶和仰拱为中心沿中心两侧轴向以一定间距布设加速度传感器10，ⅰ号隧道模型5和ⅱ号隧道模型6交叉段的中线上沿竖向方向布设若干加速度传感器10，ⅰ号隧道模型5和ⅱ号隧道模型6交叉段中心断面的环向及轴向布设有若干动态应变片11，优先采用将动态应变片11布设于交叉段中心断面环向及轴向的拱顶、拱腰和仰拱处的方式。同时，在ⅰ号隧道模型5和ⅱ号隧道模型6交叉段中心断面两侧以一定间距布置若干环形断面，环形断面的拱顶、仰拱和拱腰处分别布设动态应变片11。
参照图5，在坡体8坡面上及滑带9上下两侧均间隔一定距离布设若干加速度传感器10和动态土压力计12。另外，在距离ⅰ号隧道模型5拱腰两外侧一定距离处布设与坡体8竖向方向一致的一排加速度传感器10和一排动态土压力计12。
实施例2
本发明提供用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统的具体制作方法如下：
(1)准备填筑材料及隧道模型
试验开始前，首先按照实际工程需要对隧道围岩进行配比研究，对于隧道围岩模型材料主要通过铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏及甘油等的不同配比来选择适合隧道围岩的材料参数。根据选取的填筑原料进行模型土体拌和，形成围岩材料备用。同时，按照相似比例对不同工况下的隧道模型(ⅰ号隧道模型5和ⅱ号隧道模型6)浇筑并养护，按照隧道模型使用石膏或细粒混凝土进行隧道浇筑，一般优选采用石膏，并对围岩衬砌进行浇筑，浇筑完成后将隧道模型静置于干燥常温环境下养护7～15天，使其正好具有一定的强度且不会因养护时间过长而开裂。
(2)制作可视化模型箱
采用u型钢板2焊接制成顶面敞开的可视化模型箱1的框架，u型钢板在框架的前后侧面连接成网格状，有利于观察隧道及坡体变形的具体位置，在u型钢板2上预留螺丝孔，框架的前后侧面通过螺丝13将有机玻璃板3固定于u型钢板2上，形成可视化模型箱1的前后侧壁，框架的左右侧面及底面固定钢板14，且左侧钢板低于框架高度。可视化模型箱1的后侧面钢板14内侧壁固定80-150mm厚的聚苯乙烯泡沫板4，若泡沫板太薄则不能起到减小边界效应的作用，其厚度优选100mm，箱体制成后清理可视化模型箱的内外壁。
(3)放置隧道模型及填筑围岩材料
开始进行围岩材料7(即土体)的填筑，按照分层填筑的方式在可视化模型箱1中进行围岩材料7的填筑并逐层进行夯实，由下至上填筑的过程中在加速度传感器10和动态应变片11的布设位置处分别安装加速度传感器10和动态应变片11，并将浇筑养护完成的ⅰ号隧道模型5和ⅱ号隧道模型6在相应位置按照一定的角度立体交叉放置于可视化模型箱1中，两隧道模型净间距为200mm，在ⅰ号隧道模型5的两端洞口分别放置50mm厚的聚苯乙烯泡沫板4来减小边界效应，围岩材料7填筑及夯实至一定高度时，在可视化模型箱1内前端进行坡体8修筑，并在坡体8下方布置滑带9，同时，ⅱ号隧道模型6的一端洞口穿出坡体8，并在坡体8坡面上及滑带9上下两侧均布设加速度传感器10和动态土压力计12。填筑过程中加速度传感器10、动态应变片11和动态土压力计12的具体布设位置及方式如下：
①隧道模型周围加速度传感器10的布设位置及方式：分别以下穿ⅰ号隧道模型5和上跨ⅱ号隧道模型6交叉段截面的拱顶及仰拱处布设加速度传感器10，以该拱顶及仰拱为中心沿中心两侧轴向各布设1个加速度传感器10，布设间距宜为200-500mm，同时在两隧道模型交叉段中线位置沿竖向布置2个加速度传感器10，由于两隧道净间距为200mm，此处传感器间距为70mm；在ⅱ号隧道模型6的拱顶及ⅰ号隧道模型5的仰拱底沿竖向分别布设2个加速度传感器，为了与隧道交叉段形成对比，此处布设间距为70mm；共布设20个加速度传感器。
②动态应变片11布设位置及方式：分别在下穿ⅰ号隧道模型5和上跨ⅱ号隧道模型6交叉段中心断面沿其环向及轴向布置8个动态应变片，具体为拱顶，拱腰及仰拱处各布置2个；同时在下穿ⅰ号隧道模型5和上跨ⅱ号隧道模型6交叉段中心断面两侧间距200-500mm布置环形断面，每侧可布设3个环形断面，环形断面的拱顶、仰拱和拱腰处分别布设2个动态应变片11，环形断面处共布设48个动态应变片。
③填筑土体内加速度传感器10和动态土压力计12的布设位置及方式：为了研究坡体8内部响应及围岩状态，距ⅰ号隧道模型5拱腰两外侧一定距离各沿坡体8竖向布置一排加速度传感器10和动态土压力计12，其布设位置与两隧道交叉段截面沿竖向布置方式相同，根据对围岩之间相互影响范围的研究，其布置间距为300mm，各布设20个加速度传感器10及动态土压力计12。
④坡体8坡面处加速度传感器10和动态土压力计12的布设位置及方式：为了研究隧道洞口及坡面在滑坡及地震荷载耦合作用下的破坏特征，在坡体8坡面以200-500mm的间距布置多个加速度传感器及动态土压力计，各布设16。
⑤滑带9上下侧加速度传感器10和动态土压力计12的布设位置及方式：为了研究滑坡中滑带在地震荷载作用下的破坏特征及动力响应，在滑带9上、下侧相距200-500mm的距离布置加速度传感器及动态土压力计，各布设12个。
(4)填筑完成后，对加速度传感器10、动态应变片11、动态土压力计12的线路进行分类及整理，并将其按照一定规律连接到相应采集仪上，振动台试验系统准备完毕。
开始振动台试验时，按照提前设计好的工况进行不同形式地震波的加载，并在每次工况结束后，对模型进行观察并做好相应记录，另外在试验过程中实时影像记录。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统，其特征在于，包括可视化模型箱，所述可视化模型箱的框架由u型钢板制成，所述框架的前后侧面为u型钢板制成的网格状，并在前后侧面的网格状u型钢板上固定有机玻璃板，所述框架的左右侧面及底面固定钢板，且左侧钢板低于框架高度，框架的顶面敞开，所述框架的右侧面钢板内侧设置聚苯乙烯泡沫板；所述可视化模型箱内填筑有围岩材料，并在可视化模型箱内左侧修筑坡体，所述坡体下设置模拟滑坡的滑带；所述可视化模型箱内的围岩材料中水平埋设两个立体交叉放置的隧道模型，所述隧道模型周围布设有若干加速度传感器和若干动态应变片，所述坡体坡面上、滑带上下两侧及围岩材料内布设有若干加速度传感器和动态土压力计。
2.如权利要求1所述的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统，其特征在于，所述可视化模型箱中两隧道模型的交叉角度为0-90°。
3.如权利要求2所述的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统，其特征在于，所述可视化模型箱中的一个隧道模型前后横穿围岩材料放置，且前后横穿放置的隧道模型的两端洞口位于围岩材料的边界处，并在两端洞口处设置聚苯乙烯泡沫板；所述可视化模型箱中的另一个隧道模型立体交叉埋设于前后横穿放置的隧道模型的上方，并且上方隧道模型的一端洞口穿出所述坡体，另一端洞口置于围岩材料内部且朝向可视化模型箱右侧的聚苯乙烯泡沫板。
4.如权利要求3所述的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统，其特征在于，所述可视化模型箱中两个隧道模型正交放置，且前后横穿放置的隧道模型与可视化模型箱的前后侧面垂直。
5.如权利要求1-4任一项所述的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统，其特征在于，所述隧道模型交叉段截面的拱顶和仰拱处布设加速度传感器，且以所述拱顶和仰拱为中心在两侧沿轴向以一定间距布设加速度传感器；所述隧道模型交叉段的中线上沿竖向方向布设若干加速度传感器；所述前后横穿放置的隧道模型的拱腰两外侧一定距离处布设与坡体竖向方向一致的一排加速度传感器和一排动态土压力计；所述隧道模型交叉段中心断面的环向及轴向布设若干动态应变片；所述隧道模型交叉段中心断面两侧以一定间距布置若干环形断面，所述环形断面的拱顶、仰拱和拱腰处分别布设动态应变片。
6.如权利要求5所述的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统，其特征在于，所述隧道模型交叉段中心断面的环向及轴向的拱顶、拱腰和仰拱处布设动态应变片。
7.如权利要求1所述的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统，其特征在于，所述滑带由特氟纶塑料与草木灰以一定配比制成。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)准备填筑材料及隧道模型
选取填筑原料进行模型土体拌和，形成围岩材料备用；选用隧道模型浇筑材料浇筑隧道模型并进行养护；
(2)制作可视化模型箱
采用u型钢板焊接制成可视化模型箱框架，所述框架前后侧面通过u型钢板连接成网格状，并在框架前后侧面的u型钢板上固定有机玻璃板，所述框架的左右侧面及底面固定钢板，且左侧钢板低于框架高度，可视化模型箱的顶面敞开，框架右侧钢板内侧固定聚苯乙烯泡沫板，清理可视化模型箱内外壁；
(3)放置隧道模型及填筑围岩材料
按照分层填筑的方式在可视化模型箱中进行围岩材料的填筑并逐层进行夯实，同时，在加速度传感器和动态应变片的布设位置处分别安装加速度传感器和动态应变片，并将浇筑养护完成的两隧道模型在相应位置按照一定的角度立体交叉放置于可视化模型箱中，围岩材料填筑及夯实至一定高度时，在可视化模型箱内前端进行坡体修筑，并在坡体下方布置滑带，并在坡体坡面上及滑带上下两侧均布设加速度传感器和动态土压力计；
(4)填筑完成后，对加速度传感器、动态应变片、动态土压力计的线路进行分类及整理，并将其连接到相应采集仪上，振动台试验系统准备完毕。
9.如权利要求8所述的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统的制作方法，其特征在于，所述围岩材料的原料包括铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏及甘油。
10.如权利要求8所述的用于隧道-滑坡体系的振动台试验系统的制作方法，其特征在于，所述ⅰ号隧道模型和ⅱ号隧道模型使用石膏或细粒混凝土进行浇筑。
技术总结