CN103471915A - 深埋隧洞简易模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构简单，并可进行大比例尺模型试验的深埋隧洞简易模型试验装置，其特征在于包括V型槽、侧挡板、加载垫块、液压囊和类梯形试件；本发明可以模拟围岩在工程现场的平面应变受力状态，用于系统研究深部隧洞开挖后围岩的受力、变形、破坏等性质；由于本发明取深埋隧洞围岩的一部分进行分析，并且通过特制的液压囊直接施加弧形应力边界条件，相对于现有全断面模型试验装置，可以开展大比例尺的模型试验；本发明有充分的力学理论依据，有助于试验和理论的结合，促进工程理论的发展；本发明在常规压力实验机上即可加载，具有结构简单，试验成本低的特点。

Description

深埋隧洞简易模型试验装置

技术领域

本发明涉及深部地下工程围岩变形和破坏的实验室模拟领域，具体地说是一种针对深埋隧洞的新型简易模型试验装置。

背景技术

随着国民经济的快速发展，地下工程建设不断向深部发展。在高地应力等深部条件下，地下硐室围岩结构的力学特性和工程响应展现出了新的科学现象和变化规律，如分区破裂、大变形、冲击破坏等。传统地下工程理论体系在解决深部地下工程问题中遇到了越来越多的挑战，建立深部岩体力学理论的新体系势在必行。因此，深部地下工程问题引起了国际和国内岩石力学与工程领域专家学者的极大关注，成为近年来该领域研究的热点问题。

针对深部地下洞室开挖过程中岩体的力学响应和变形特性，一方面要开展理论研究，另一方面，要更多深入开展工程实践和理论相结合的模型试验研究。根据深部洞室模型试验的要求，国内外专家开发出多种高地应力加载模型试验系统，包括专利200810016641.0，200810138981.0，201110038876.1等。但是，目前存在的模型试验系统均为全断面模拟系统，存在结构复杂、体积庞大、可模拟硐室尺寸小的问题，难以开展大比例尺硐室的模型试验，且难以对试验结果进行有效的理论比较和分析。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单并可进行大比例尺模型试验的深埋隧洞简易模型试验装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种深埋隧洞简易模型试验装置，包括V型槽、侧挡板、加载垫块、液压囊和类梯形试件；

所述的V型槽为整体结构，包括底板和两个侧壁，侧壁又包括倾斜部分和竖直部分，其倾斜部分的内表面与类梯形试件两个斜面匹配，底板下表面与试验机加载装置接触，承受试验机压力；

所述的侧挡板固定在V型槽的前后两侧，其外部轮廓与V型槽外沿相匹配，内表面和类梯形试件的前后表面接触，其作用在于防止类梯形试件发生轴向变形以满足平面应变状态的要求，同时防止V型槽的侧壁向两侧变形；

所述的加载垫块，分为上下两部分，下半部分的四个侧面与V型槽和侧挡板的内表面紧密接触，下表面与液压囊接触；上半部分呈柱形，其上表面与试验机加载装置接触，承受试验机压力；

所述的液压囊，为中空结构，内部充满液压油，其作用是将加载垫块的平面力转换为弧面力，由于液压囊是柔性构件，它在加载垫块的压力作用下可以挤压类梯形试件，并发生一定的变形；

所述的类梯形试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，左右侧面与V型槽侧壁的倾斜部分内表面接触，前后侧面与侧挡板内表面接触，四个侧面均涂有润滑材料，以减小其受到的剪应力，下表面和V型槽底板内表面之间预留变形空间。

为了防止加载时类梯形试件变形引起预留变形空间内的气压升高，本发明的一种优选方案是在侧挡板底侧中心位置处设置一个通气孔。

本发明所述的侧挡板，制作材料除了选用钢材外，还可以全部或部分选用高强度透明材料，从而在实验过程中随时观察记录试件的变形破坏情况。

本发明的原理是：

目前施工的深埋地下隧洞很大一部分采用圆形或类圆形断面；由于高应力条件下蠕变的原因，深埋岩体原岩应力状态多接近于静水压力状态；同时，对于高应力岩体，其局部重力的影响可忽略不计。根据上述三方面原因，深埋隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以认为是轴对称问题。对于轴对称问题，可以取其一部分（即本发明所述类梯形试件）进行试验即可反映围岩整体的性质。

对于轴对称问题，在平面应变条件下，围岩的应力和位移解如式（1）和（2）所示，

， 

，  

（1）

， 

（2）

其中，

为径向应力，为切向应力，

和

为剪应力，

为径向位移，为切向位移，

为原岩应力，为隧洞半径。根据公式可知，围岩只受到径向应力和切向应力，不受剪应力；只产生径向位移，不产生切向位移。

本发明通过V形槽来限制试件的切向变形，通过加载垫块和液压囊促使试件发生径向变形，侧挡板则限制了试件的轴向变形，这样就满足了平面应变轴对称问题的位移边界条件；由于液压囊和试件上表面之间可以近似认为只有径向应力，而试件和V形槽之间也可以近似认为只有切向应力（在润滑材料的作用下，二者之间的剪应力可以忽略不计），这样就满足了轴对称问题的应力边界条件。综上所述，本发明完全模拟了围岩在工程现场的平面应变受力状态。

本发明可以用于系统研究深部围岩在平面应变状态下的受力、变形、破坏等性质；由于本发明取深埋隧洞围岩的一部分进行分析，并通过液压囊直接施加弧形应力边界条件，因此相对于现有全断面模型试验装置，可以开展超大比例尺的模型试验；本发明针对理想条件下的圆形隧洞进行研究，取得的试验结果可以方便的和现有的理论成果进行比较分析和验证；本发明在常规压力实验机上即可加载，具有结构简单，试验成本低的特点。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明的力学原理图；

图2为本发明的主体结构示意图。

具体实施方式

结合附图1，本发明的原理是：深埋隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以认为是轴对称问题；对于轴对称问题，可以取其一部分（即图1所示的类梯形试件5）进行试验即可反映围岩整体的性质；根据力学分析可知，围岩只受到径向应力和切向应力，不受剪应力和；只产生径向位移，不产生切向位移。

结合附图2，一种深埋隧洞简易模型试验装置，包括V型槽1、侧挡板、加载垫块3、液压囊4和类梯形试件5。

所述的V型槽1为整体结构，包括底板和两个侧壁，侧壁又包括倾斜部分和竖直部分，其倾斜部分的内表面与类梯形试件两个斜面匹配，底板下表面与试验机加载装置接触，承受试验机压力。

所述的侧挡板固定在V型槽1的前后两侧，其外部轮廓与V型槽1外沿相匹配，内表面和类梯形试件5的前后表面接触，其作用在于防止类梯形试件5发生轴向变形以满足平面应变状态的要求，同时防止V型槽1的侧壁变形。

所述的加载垫块3，分为上下两部分，下半部分四个侧面与V型槽1和侧挡板的内表面紧密接触，下表面与液压囊4接触；上半部分呈柱形，其上表面与试验机加载装置接触，承受试验机压力。

所述的液压囊4，内部充满液压油，其作用是将加载垫块的平面力转换为弧面力，由于液压囊是柔性构件，在加载垫块的压力作用下可以挤压类梯形试件5，并发生一定的变形。

所述的类梯形试件5，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，左右侧面与V型槽1侧壁的倾斜部分接触，前后侧面与侧挡板接触，四个侧面均涂有润滑材料，以减小其受到的剪应力，下表面和V型槽1底板内表面之间预留变形空间6。

为了防止加载时类梯形试件变形引起预留变形空间的气压升高，本发明的一种优选方案是在侧挡板底侧中心位置处设置一个通气孔。

本发明所述的侧挡板，制作材料除了选用钢材外，还可以全部或部分选用高强度透明材料，从而在实验过程中随时观察记录试件的变形破坏情况。

本发明通过V形槽1的侧壁来限制试件的切向变形，通过加载垫块3和液压囊4促使试件发生径向变形，侧挡板则限制了试件的轴向变形，这样就满足了平面应变轴对称问题的位移边界条件；由于液压囊4和试件上表面之间可以近似认为只有径向应力，而试件和V形槽1之间也可以近似认为只有切向应力（在润滑材料的作用下，二者之间的剪应力可以忽略不计），这样就满足了轴对称问题的应力边界条件。综上所述，本发明完全模拟了围岩在工程现场的平面应变受力状态。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种深埋隧洞简易模型试验装置，其特征在于：包括V型槽、侧挡板、加载垫块、液压囊和类梯形试件；

所述的V型槽，包括底板和两个侧壁，侧壁又包括倾斜部分和竖直部分，其倾斜部分的内表面与类梯形试件两个斜面匹配，底板下表面与试验机加载装置接触；

所述的侧挡板，固定在V型槽的前后两侧，其外部轮廓与V型槽外沿相匹配，内表面和类梯形试件的前后表面接触；

所述的加载垫块，分为上下两部分，下半部分的四个侧面与V型槽和侧挡板的内表面接触，下表面与液压囊接触；上半部分呈柱形，其上表面与试验机加载装置接触；

所述的液压囊，为中空结构，内部充满液压油；

所述的类梯形试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，左右侧面与V型槽侧壁的倾斜部分接触，前后侧面与侧挡板接触，四个侧面均涂有润滑材料。

2.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞简易模型试验装置，其特征在于所述的侧挡板，底侧中心位置处设置一个通气孔。

3.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞简易模型试验装置，其特征在于所述的侧挡板，制作材料除了选用钢材外，还可以全部或部分选用高强度透明材料。

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