CN103512766B - 用于隧道模型试验的地层位移调节装置及其安装调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置及其安装调节方法，该装置包括支架系统、隧道变形系统和传动系统，其中：所述支架系统中设置有支撑架，其上开孔并有滚珠轴承安装传动螺杆；所述传动螺杆上装有控制隧道组合片收放的变形控制块，变形控制块上开有控制隧道组合片运动的导向槽；所述隧道变形系统包括变形控制块与隧道组合片，隧道组合片外包裹通过固定螺钉连接的塑胶薄膜；所述传动螺杆一端装有旋转把手，通过把手固定螺钉与螺杆相连。本发明构造简单、投入成本低、操作简便、可精确调节隧道直径变化，为模拟隧道施工对引起地层变形的模型试验提供了准确、高效的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩土工程室内模型试验设备，特别涉及进行隧道施工引起地层变形的模型试验时所用的地层位移调节装置以及安装方法，属于土木工程地下工程施工模型试验领域。
背景技术
随着我国城市基础设施建设的飞速发展，隧道已经成为城市基础设施不可缺少的一部分，而且隧道线路越来越靠近各种构筑物，对周边环境产生不利影响的可能性越来越大。因此对隧道施工进行试验，尤其是模型试验的研究越来越多。
进行模型试验时，如何较好地反映由于隧道施工引起的沉降是一个关键点。由于隧道开挖施工方法的复杂性以及土体性质的不确定性等因素，直接复制实际隧道开挖过程的试验往往出现试验装置复杂、成本高、操作难，很难保证试验结果达到预期等问题。因此，在针对隧道施工的研究中引入了位移控制法。
位移控制法就是不考虑隧道施工的实际过程，直接在隧道边缘施加位移边界条件以模拟开挖过程的一种方法。由于隧道顶部收缩要大于隧道底部收缩，故位移控制法中的隧道收缩边界位移条件为非均匀收缩，顶部收缩最大，底部收缩为0，隧道开挖面以底部相切的“同底圆”方式收缩至设计尺寸，如图1所示，g代表最大地层位移损失，R代表隧道断面设计半径。
基于位移控制法进行隧道施工模型试验时，考虑到试验装置设计与加工的限制，会假定隧道开挖面以圆心重合的“同心圆”方式收缩至设计尺寸，如图2所示，g代表最大地层位移损失，R代表隧道断面设计半径。隧道顶部收缩与底部收缩大小相同，隧道收缩边界位移条件为均匀收缩。
位移控制法虽然不能模拟隧道各个施工环节，但意义明确且能够模拟任意给定的地层位移损失，简单易行且容易控制，在研究隧道施工对环境影响中具有广泛的应用前景。但是隧道施工研究中对位移控制法的应用多见于有限元模拟等理论分析中，未见于应用于模型试验，也没有相应的用于隧道模型试验的地层位移调节装置，对现有技术的文献检索尚未发现相关报道。
发明内容
针对现有技术中的空白，本发明的目的是提供一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置及其安装调节方法，该装置构造简单、造价低、操作简便、可精确调节模型隧道的直径，为基于位移控制法的隧道施工模型试验提供了准确、高效的设备。
本发明的一个目的是提供一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，该装置包括支架系统、隧道变形系统和传动系统，其中：
所述传动系统包括传动螺杆，所述传动螺杆一端装有旋转把手，旋转把手通过把手固定螺钉与所述传动螺杆相连；
所述支架系统中设置有支撑架，支撑架上开孔，孔内有滚珠轴承，所述传动螺杆通过滚珠轴承安装在支撑架上；
所述隧道变形系统包括能形成完整模拟隧道的隧道组合片、变形控制块和塑胶薄膜，所述控制隧道组合片收放的变形控制块安装在所述传动螺杆上，变形控制块上开有控制隧道组合片运动的导向槽，隧道组合片外包裹塑胶薄膜。
优选地，所述支撑架上的孔为圆形孔。
优选地，所述隧道组合片为扇形截面，共12片，全部收起时可组成一个完整的模拟隧道。
优选地，所述隧道组合片外侧弧面沿垂直于扇形截面方向均匀开有若干螺孔，用于固定螺钉与塑胶薄膜相连，塑胶薄膜为圆筒形，底面直径等于隧道组合片全部收起时组成的模拟隧道外径。
优选地，所述变形控制块为大直径圆柱、圆台、小直径圆柱的依次组合，大直径圆柱上开有控制隧道组合片运动的导向槽，直径等于隧道组合片全部张开时模拟隧道内径与导向槽深度两倍之和，小直径圆柱直径等于隧道组合片全部收起时模拟隧道内径，圆台上下底直径分别与小直径圆柱和大直径圆柱相同，圆台上开有与大直径圆柱上相同的导向槽。
优选地，所述变形控制块沿纵轴开有通长螺孔，尺寸与传动螺杆相同，使用前旋入传动螺杆。
优选地，所述传动螺杆由等长的左旋螺杆和右旋螺杆端部焊接而成。
优选地，所述支撑架均为钢板材质；所述隧道组合片、变形控制块为黄铜材质。
本发明的另一个目的是本发明提供一种上述用于隧道模型试验的地层位移调节装置的安装调节方法，包括如下步骤：
（1）、使用固定螺钉将所有隧道组合片与塑胶薄膜相连；
（2）、将传动螺杆插入塑胶薄膜，使塑胶薄膜位于传动螺杆中间位置；
（3）、将变形控制块从传动螺杆两端分别旋入，至变形控制块的小直径圆柱部分外沿及圆台部分的导向槽均与隧道组合片的下缘接触时停止；
（4）、将隧道变形系统放入模型试验容器中，并将传动螺杆的一端插入支撑架上的滚珠轴承中，再将传动螺杆的另一端采用同样方法安装到另一侧支撑架上；
（5）、在传动螺杆的一端用把手固定螺钉安装好旋转把手；
（6）、慢慢转动旋转把手，同时反向旋转变形控制块，使隧道组合片沿变形控制块的导向槽运动，至塑胶薄膜外径达到试验对模拟隧道最大外径的要求时停止；
（7）、向模型试验容器中装填模型土体材料，试验开始后，反向转动旋转把手，至塑胶薄膜外径达到试验堆模拟隧道最小外径的要求时停止。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明基于位移控制法原理，可根据试验需要的地层位移损失大小，直接通过转动旋转把手旋入和旋出变形控制块，获得模型试验开始和结束时模型隧道的外径大小；通过更换不同尺寸的变形控制块和不同长度的隧道组合片，理论上可进行任意地层位移损失大小、任意直径、任意长度的隧道施工模拟，适用范围极广；
2、本发明中的变形控制块，通过转动旋转把手带动沿螺杆旋入和旋出，调节简单省力，可精确控制；
3、本发明中的试验装置简单实用，成本低，易操作，适用于所有类型隧道施工的模型试验。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有隧道开挖面以底部相切的“同底圆”方式收缩至设计尺寸示意图；
图2为现有隧道开挖面以圆心重合的“同心圆”方式收缩至设计尺寸示意图；
图3为本发明隧道组合片完全收起时纵剖面示意图；
图4为本发明隧道组合片完全张开时纵剖面示意图；
图5为本发明隧道组合片完全收起时横剖面（A-A）示意图；
图6为本发明隧道组合片完全张开时横剖面（B-B）示意图；
图7为本发明支撑架横剖面（C-C）示意图。
图中：
1为支架系统，2为隧道变形系统，3为传动系统；
11为滚珠轴承，12为支撑架；
21为变形控制块，22为隧道组合片，23为塑胶薄膜，24为固定螺钉；
31为传动螺杆，32为旋转把手，33为把手固定螺钉。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图3-7所示，本实施例提供一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，用于模拟隧道施工引起地层变形的模型试验。包括：支架系统1、隧道变形系统2和传动系统3，其中：
所述传动系统包括传动螺杆31、旋转把手32与把手固定螺钉33，旋转把手32设置在所述传动螺杆31的一端，旋转把手32通过把手固定螺钉33与传动螺杆31相连。
所述隧道变形系统2包括变形控制块21、隧道组合片22和塑胶薄膜23，隧道组合片22外包裹通过固定螺钉24连接的塑胶薄膜23；所述控制隧道组合片22收放的变形控制块21安装在所述传动螺杆31上，变形控制块21上开有控制隧道组合片22运动的导向槽；
所述支架系统1中设置有支撑架12，其上开孔并用滚珠轴承11连接传动螺杆31；所述传动螺杆31上装有控制隧道组合片收放的变形控制块21；
本实施例所述支架系统1中设置有支撑架12，开圆形孔，内有滚珠轴承11，传动螺杆31通过滚珠轴承11安装在支撑架12上。
本实施例所述隧道组合片22为扇形截面，共12片，全部收起时可组成一个完整的模拟隧道。
本实施例所述隧道组合片22外侧弧面沿垂直于扇形截面方向均匀开有若干螺孔，通过固定螺钉24与塑胶薄膜23相连，塑胶薄膜23为圆筒形，底面直径等于隧道组合片全部收起时组成的模拟隧道外径。
本实施例所述变形控制块21为大直径圆柱、圆台、小直径圆柱的依次组合，大直径圆柱上开有控制隧道组合片22运动的导向槽，直径等于隧道组合片22全部张开时模拟隧道内径与导向槽深度两倍之和，小直径圆柱直径等于隧道组合片22全部收起时模拟隧道内径，圆台上下底直径分别与小直径圆柱和大直径圆柱相同，圆台上开有与大直径圆柱上相同的导向槽。
本实施例所述变形控制块21沿纵轴开有通长螺孔，尺寸与传动螺杆31相同，使用时旋入传动螺杆31。
本实施例所述传动螺杆31由等长的左旋螺杆和右旋螺杆端部焊接而成，传动螺杆31的一端装有旋转把手32，通过把手固定螺钉33与传动螺杆31相连。
本实施例所述支撑架12均为钢板材质；所述隧道组合片22、变形控制块21为黄铜材质。
本实施例上述用于隧道模型试验的地层位移调节装置的安装调节方法，步骤如下：
1、使用固定螺钉24将所有隧道组合片22与塑胶薄膜23相连；
2、将传动螺杆3插入塑胶薄膜23，使塑胶薄膜23位于传动螺杆3中间位置；
3、将变形控制块21从传动螺杆31两端分别旋入，至变形控制块21的小直径圆柱部分外沿及圆台部分的导向槽均与隧道组合片22的下缘接触时停止；
4、将隧道变形系统2放入模型试验容器（如模型箱）中，并将传动螺杆31的一端插入支撑架12上的滚珠轴承11中，再将传动螺杆31的另一端采用同样方法安装到另一侧支撑架12上；
5、在传动螺杆31的一端用把手固定螺钉33安装好旋转把手32；
6、慢慢转动旋转把手32，同时反向旋转变形控制块21，使隧道组合片22沿变形控制块21的导向槽运动，至塑胶薄膜23外径达到试验对模拟隧道最大外径的要求时停止；
7、向模型试验容器中装填模型土体材料，试验开始后，反向转动旋转把手32，至塑胶薄膜23外径达到试验堆模拟隧道最小外径的要求时停止。
本实施例提供的一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其操作简单，可根据试验需要的地层位移损失大小，直接通过转动旋转把手带动变形控制块沿螺杆旋入和旋出，获得模型试验开始和结束时模型隧道的外径大小；适用范围极广，通过更换不同尺寸的变形控制块和不同长度的隧道组合片，理论上可进行任意地层位移损失大小、任意直径、任意长度的隧道施工模拟。
本发明构造简单、投入成本低、操作简便、可精确调节隧道直径变化，为模拟隧道施工对引起地层变形的模型试验提供了准确、高效的设备。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其特征在于该装置包括支架系统、隧道变形系统和传动系统，其中：
所述传动系统包括传动螺杆，所述传动螺杆一端装有旋转把手，所述旋转把手通过把手固定螺钉与所述传动螺杆相连；
所述支架系统中设置有支撑架，该支撑架上开孔，孔内有滚珠轴承，所述传动螺杆通过滚珠轴承安装在所述支撑架上；
所述隧道变形系统包括隧道组合片、变形控制块和塑胶薄膜，所述隧道组合片能形成完整模拟隧道，控制隧道组合片收放的所述变形控制块安装在所述传动螺杆上，所述变形控制块上开有控制隧道组合片运动的导向槽，所述隧道组合片外包裹塑胶薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其特征在于，所述隧道组合片为扇形截面，共12片，全部收起时组成一个完整的模拟隧道。
3.根据权利要求2所述的一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其特征在于，所述隧道组合片外侧弧面沿垂直于扇形截面方向均匀开有若干螺孔，用于固定螺钉与塑胶薄膜相连，塑胶薄膜为圆筒形，底面直径等于隧道组合片全部收起时组成的模拟隧道外径。
4.根据权利要求1所述的一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其特征在于，所述变形控制块为大直径圆柱、圆台、小直径圆柱的依次组合，大直径圆柱上开有控制隧道组合片运动的导向槽，直径等于隧道组合片全部张开时模拟隧道内径与导向槽深度两倍之和，小直径圆柱直径等于隧道组合片全部收起时模拟隧道内径，圆台上下底直径分别与小直径圆柱和大直径圆柱相同，圆台上开有与大直径圆柱上相同的导向槽。
5.根据权利要求4所述的一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其特征在于，所述变形控制块沿纵轴开有通长螺孔，尺寸与传动螺杆相同，使用前旋入传动螺杆。
6.根据权利要求1所述的一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其特征在于，所述传动螺杆由等长的左旋螺杆和右旋螺杆端部焊接而成。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其特征在于，所述变形控制块通过转动旋转把手带动沿螺杆旋入和旋出，根据试验需要的地层位移损失大小，转动旋转把手旋入和旋出变形控制块获得模型试验开始和结束时模型隧道的外径大小，通过更换不同尺寸的变形控制块和不同长度的隧道组合片可满足不同试验对的模型隧道的比例和尺寸的要求。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其特征在于，所述支撑架均为钢板材质。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种用于隧道模型试验的地层位移调节装置，其特征在于，所述隧道组合片、变形控制块为黄铜材质。
10.一种权利要求4所述的用于隧道模型试验的地层位移调节装置的安装调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、使用固定螺钉将所有隧道组合片与塑胶薄膜相连；
(2)、将传动螺杆插入塑胶薄膜，使塑胶薄膜位于传动螺杆中间位置；
(3)、将变形控制块从传动螺杆两端分别旋入，至变形控制块的小直径圆柱部分外沿及圆台部分的导向槽均与隧道组合片的下缘接触时停止；
(4)、将隧道变形系统放入模型试验容器中，并将传动螺杆的一端插入支撑架上的滚珠轴承中，再将传动螺杆的另一端采用同样方法安装到另一侧支撑架上；
(5)、在传动螺杆的一端用把手固定螺钉安装好旋转把手；
(6)、慢慢转动旋转把手，同时反向旋转变形控制块，使隧道组合片沿变形控制块的导向槽运动，至塑胶薄膜外径达到试验对模拟隧道最大外径的要求时停止；
(7)、向模型试验容器中装填模型土体材料，试验开始后，反向转动旋转把手，至塑胶薄膜外径达到试验堆模拟隧道最小外径的要求时停止。
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