本發明涉及隧道工程領域，具體而言，涉及一種隧道模型實驗裝置及隧道模型實驗系統。

背景技術：

隧道是修建在地下或水下或者在山體中，鋪設鐵路或修筑公路供機動車輛通行的建筑物。根據其所在位置可分為山嶺隧道、水下隧道和城市隧道三大類。隨著工程設備和技術的發展，隧道已成為一種十分常見的建筑形式。隧道相關技術的發展離不開模擬實驗。在模擬實驗中，需要滿足靜力效應等效、動力效應等效、邊界效應等效三個原則。

現有的隧道模型箱不能同時滿足以上三個原則，導致實驗結果與實際情況存在較大偏差。

技術實現要素：

本發明提供了一種隧道模型實驗裝置，旨在解決現有技術中隧道模型實驗裝置存在的上述問題。

本發明是這樣實現的：

一種隧道模型實驗裝置，包括側板組件、阻尼組件和端面板組件。側板組件與端面板組件圍成空腔。側板組件包括三個以上的側板，多個側板依次鉸接并使側板組件形成柱體結構。多個側板上相對設置的鉸接點之間通過阻尼組件相連。端面板組件包括第一端面板和第二端面板，第一端面板與第二端面板相對設置，第一端面板與側板組件一端相連，第二端面板與側板組件另一端相連。多個側板包括第一側板和連接于第一側板兩端的第二側板和第三側板，第一側板和第三側板可拆卸地相連。

在本發明的較佳的實施例中，側板組件還包括第四側板，第一側板和第四側板相對設置，第二側板和第三側板相對設置，側板組件上的各側板依次鉸接。第一端面板包括第一葉片和第一連接件，第一連接件上包括葉片連接部和兩個側板連接部，葉片連接部與第一葉片固定相連，其中一個側板連接部與第二側板鉸接，另一個側板連接部與第三側板鉸接。

在本發明的較佳的實施例中，第一側板上設有第一連接孔，第二側板上設有第二連接孔，隧道模型實驗裝置還包括第一轉軸，第一轉軸穿過第一連接孔和第二連接孔。

在本發明的較佳的實施例中，側板包括側板基體和兩個側板邊翼，兩個側板邊翼分設于側板基體兩側，側板邊翼與側板基體呈夾角地固定相連。

在本發明的較佳的實施例中，側板邊翼覆蓋于第一端面板和第二端面板。

在本發明的較佳的實施例中，第一端面板還包括第二葉片、第三葉片、第二連接件和第三連接件，第一葉片與第二葉片部分重疊，第二葉片與第三葉片部分重疊；

第二連接件與第二葉片固定相連，第二連接件與第二側板和第三側板鉸接；

第三連接件與第三葉片固定相連，第三連接件與第二側板和第三側板鉸接。

在本發明的較佳的實施例中，阻尼組件包括兩個阻尼器，兩個阻尼器的兩端分別連接于各側板間的鉸接軸上，兩個阻尼器交叉設置。

在本發明的較佳的實施例中，阻尼器兩端為鉤狀結構，阻尼器與各側板間的鉸接軸可拆卸相連。

在本發明的較佳的實施例中，第一端面板和第二端面板由透明材料制成。

一種隧道模型實驗系統，隧道模型實驗系統包括振動臺和上述的隧道模型實驗裝置，隧道模型實驗裝置設于振動臺上。

本發明的有益效果是：本發明通過上述設計得到的隧道模型實驗裝置，使用時，隧道模型實驗裝置為相對封閉的箱體結構，側板組件上的各側板用來模擬土體邊界，起到約束作用，從而滿足靜力效應等效的要求；側板組件的各側板之間鉸接，可在不對土體產生附加載荷的條件下，使模擬土體產生剪切變形，從而滿足動力效應等效和邊界效應等效的要求。本發明通過上述設計得到的隧道模型實驗裝置，可得到更接近實際的實驗效果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施方式的技術方案，下面將對實施方式中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1是本發明實施方式提供的隧道模型實驗裝置的結構示意圖；

圖2是本發明實施方式提供的隧道模型實驗裝置在剪切狀態下的結構示意圖；

圖3是本發明實施方式提供的第一側板的結構示意圖；

圖4是本發明實施方式提供的第一端面板的結構示意圖；

圖5是本發明實施方式提供的第一端面板在剪切狀態下的結構示意圖；

圖6是本發明實施方式提供的第一連接件的結構示意圖；

圖7是本發明實施方式提供的隧道模型實驗系統的結構示意圖。

圖標：100-隧道模型實驗裝置；110-側板組件；130-端面板組件；150-阻尼組件；111-第一側板；112-第二側板；113-第三側板；114-第四側板；131-第一端面板；133-第一連接件；134-第二連接件；135-第三連接件；1112-側板基體；1114-第一側板邊翼；1116-第二側板邊翼；1311-第一葉片；1312-第二葉片；1313-第三葉片；1314-連接座；1331-葉片連接部；1333-側板連接部；1118-第一連接孔；1128-第二連接孔；1119-第一轉軸；001-隧道模型實驗系統；200-振動臺。

具體實施方式

為使本發明實施方式的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施方式中的附圖，對本發明實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式?；诒景l明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發明保護的范圍。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施方式的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施方式。基于本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發明保護的范圍。

在本發明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置關系的術語為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的設備或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

實施例：

本實施例提供了一種隧道模型實驗裝置100，請參閱圖1，這種隧道模型實驗裝置100包括側板組件110、端面板組件130和阻尼組件150。側板組件110和端面板組件130圍成一空腔。

側板組件110包括第一側板111、第二側板112、第三側板113和第四側板114，第一側板111、第二側板112、第三側板113和第四側板114依次鉸接并圍成橫截面為矩形的柱體。

具體的，第一側板111與第四側板114相對設置，第二側板112與第三側板113相對設置。第一側板111一端與第二側板112相連，第一側板111另一端與第三側板113相連。

第一側板111上設有第一連接孔1118，第二側板112上設有第二連接孔1128，第一轉軸1119依次穿過第一連接孔1118和第二連接孔1128，從而實現第一側板111與第二側板112的轉動相連。

進一步的，第一側板111與第三側板113之間、第四側板114與第三側板113之間、第四側板114與第二側板112之間，均可采用與第一側板111和第二側板112相同的連接方式。

請參閱圖3，進一步的，第一側板111包括側板基體1112、第一側板邊翼1114和第二側板邊翼1116。第一側板邊翼1114和第二側板邊翼1116分設于側板基體1112兩端，第一側板邊翼1114與第二側板邊翼1116與側板基體1112相連。具體的，第一側板邊翼1114和第二側板邊翼1116垂直于側板基體1112。

進一步的，第二側板112、第三側板113和第四側板114均采用與第一側板111相同的結構。請參閱圖1及圖2，各側板上的側板邊翼可互不干擾地相對錯動。

端面板組件130包括第一端面板131和第二端面板(圖中未示出)。第一端面板131與第二端面板相對設置。第一端面板131連接于側板組件110一端，第二端面板連接于側板組件110另一端。

請參閱圖1及圖2，進一步的，第一側板111、第二側板112、第三側板113和第四側板114上的側板邊翼覆蓋于第一端面板131和第二端面板上。

請參閱圖4及圖5，進一步的，第一端面板131包括第一葉片1311、第二葉片1312和第三葉片1313。第一葉片1311通過第一連接件133與側板組件110相連。該連接具體是這樣實現的：

請參閱圖6，第一連接件133上設有兩個葉片連接部1331和兩個側板連接部1333，兩個葉片連接部1331和兩個側板連接部1333均布于桿狀結構的第一連接件133基體上，兩個側板連接部1333分布于兩個葉片連接部1331的兩端。葉片連接部1331與第一葉片1311固定相連，兩個側板連接部1333分別與第二側板112和第三側板113鉸接。

第二葉片1312和第三葉片1313以同樣的方式與側板組件110相連。第二葉片1312位于第一葉片1311與第三葉片1313之間，且第一葉片1311與第二葉片1312部分重疊，第二葉片1312與第三葉片1313部分重疊。

第二端面板與第一端面板131結構相同。

進一步的，第一端面板131與第二端面板均采用透明材料制成，從而方便實驗人員觀察隧道模型實驗裝置100的內部情況。

阻尼組件150包括兩個阻尼器。兩個阻尼器相互交叉地連接于側板組件110上各側板的鉸接軸上。即：其中一個阻尼器一端連接于第一側板111與第二側板112的鉸接軸上，另一端連接于第三側板113與第四側板114的鉸接軸上；另一個阻尼器一端連接于第一側板111與第三側板113的鉸接軸上，另一端連接于第三側板113與第二側板112間的鉸接軸上。

進一步的，阻尼器兩端為鉤狀結構，鉤狀結構與側板組件110上各側板間的鉸接軸配合，即實現阻尼器的連接。

具體的，阻尼器為彈性件。

本發明實施方式提供的隧道模型實驗裝置100的使用方法和工作原理在于：

實驗中，打開第一側板111，在隧道模型實驗裝置100中填充用于模擬地層或圍巖的材料，并將需要模擬實驗的地下結構模型(如：模擬隧道)放入隧道模型實驗裝置100中，對隧道模型實驗裝置100加以靜壓力或動態激勵，以進行模擬實驗。

請參閱圖7，隧道模型實驗裝置100既可以單獨使用，又可以放置于振動臺200上使用。該隧道模型實驗裝置100與振動臺200一起使用時，隧道模型實驗裝置100與振動臺200組成隧道模型實驗系統001，由振動臺200為隧道模型實驗裝置100提供動態的激勵。

在地下結構的動力實驗中，通常是將地層模型與待測試的地下結構模型置于隧道模型實驗裝置100之中，這是一種等效實驗方法，需要符合地下結構的地震響應特性，才能行之有效。隧道模型實驗裝置100需要滿足靜力效應等效、動力效應等效和邊界效應等效三個原則。

1.靜力效應等效

靜力效應等效要求隧道模型實驗裝置100能夠模擬土層的靜力狀態，要求可以在模擬地下結構的頂部施加豎向載荷，且隧道模型實驗裝置100的側壁能夠抵抗壓力而不變形。

本發明實施方式提供的隧道模型實驗裝置100為相對封閉的箱體結構，其第一側板111、第二側板112、第三側板113和第四側板114為剛性板，用來模擬圍巖邊界，起到約束作用，從而滿足靜力效應等效的要求。

2.動力效應等效

動力效應等效是指，隧道模型實驗裝置100要保證模擬地層在模擬地震作用下的響應等效性，即，隧道模型實驗裝置100應該能提供模擬地層的剪切變形。

請參閱圖2及圖5，本發明實施方式提供的隧道模型實驗裝置100的側板組件110上的各側板之間采用鉸接的方式連接，同時，第一端面板131和第二端面板均采用多級葉片重疊的結構，在動力的作用下，各級葉片的重疊寬度增大，第一端面板131在第一葉片1311到第三葉片1313的延伸方向上的尺寸變小，使得隧道模型實驗裝置100產生剪切變形，從而滿足動力效應等效的要求。

在剪切狀態下，第一端面板131上的各葉片兩端將會與側板組件110之間產生縫隙，由于側板組件110上各側板均具有側板邊翼，側板邊翼的設置可遮住側板組件110與葉片間的縫隙，防止剪切狀態下模擬土體從縫隙中漏出。

3.邊界效應等效

邊界效應等效是指，隧道模型實驗裝置100要滿足振動能量波在裝置壁面的反射、裝置壁面與模擬地層間的摩擦等符合實際情況。

本發明實施方式提供的隧道模型實驗裝置100上的各側板之間采用鉸接方式相連，可以相對自由轉動，并在動力作用下隨模擬土體協同運動，不對模擬土體產生附加載荷，從而更真實的模擬地震下的土體、地下結構運動狀態。

本發明實施方式提供的隧道模型實驗裝置100的有益效果在于：

與現有的隧道模型實驗裝置相比，本發明實施方式提供的隧道模型實驗裝置100可以滿足動力效應等效、靜力效應等效和邊界效應等效三個原則，能同時保證靜力加載和剪切變形的要求，從而更加貼近于真實情況，具有更佳的模擬效果；

本發明實施方式提供的隧道模型實驗裝置100上還包括兩個阻尼組件150，兩個阻尼組件150既可避免晃動失穩，又可通過調節阻尼組件150的參數來模擬不同的動力邊界條件。

需要說明的是：在本發明的其他的實施方式中，側板組件110上的側板個數不限于四個，凡能實現隧道模型實驗裝置100的剪切變形的側板個數，均應包含在本發明的保護范圍內；在本發明的其他實施方式中，第一端面板131上的葉片個數不限于三個，而是可以為任何正整數；

在本發明實施例中，設置阻尼組件150的目的是，為隧道模型實驗裝置100提供阻尼，實驗過程中，可以具體選用彈性阻尼、粘性阻尼、塑性阻尼、彈-黏-塑性組合性阻尼等阻尼形式的阻尼組件150，還可以將阻尼組件150設置為剛性索，當阻尼組件150設置為剛性索時，隧道模型實驗裝置100即為剛性箱；

第一端面板131和第二端面板設置為透明材料的目的是，便于實驗人員對隧道模型實驗裝置100內部情況進行觀察，當然，在本發明的其他的實施方式中，第一端面板131和第二端面板還可以設置為不透明材料。

以上所述僅為本發明的優選實施方式而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。