CN104748993A - 隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备，该设备是在位移限制面板上设置隧道衬砌，在隧道衬砌的外表面沿径向设置有加载机构，加载机构的另一端固定在外围挡板上；加载机构是由垫片、弹簧和液压千斤顶组成，垫片是沿着隧道衬砌的外壁设置，在垫片外壁沿径向设置有弹簧，通过弹簧与液压千斤顶连接，液压千斤顶沿着隧道衬砌外表面的法向布置，且其缸筒固定在外围挡板的内壁，本发明可以很好的对不同衬砌类型、不同衬砌厚度和不同受力情况等工况进行力学性状模拟，加载过程中采用数控液压千斤顶确保了衬砌受力的大小和位置明确，为后期数据分析研究带来便利，可有效模拟隧道衬砌结构力学性状变化。
Description
技术领域
本发明属于隧道衬砌室内模型模拟实验设备技术领域，具体涉及一种试验中模拟隧道衬砌结构力学性状的试验装置用加载设备。
背景技术
室内模型试验一直以来是土木工程界的重要研究手段，在隧道工程方面运用室内模型试验解决科学难题的成果也不断增加，但在隧道衬砌结构力学性状的研究方面，受限于隧道围岩初始应力场、隧道开挖、支护、预留变形量及应力释放控制等方面技术难以很好解决，隧道衬砌结构的力学行为研究成果始终与实际情况容易产生较大偏差。但是随着长、大、深隧道工程的不断出现，作为隧道中的最大结构物，隧道衬砌结构力学行为的深入研究极为迫切。而在一般的隧道衬砌室内试验中，试验设备主要为模型试验箱，衬砌研究受围岩影响较大，而围岩的离散性所带来的研究误差始终未能得到很好解决，目前尚未出现一种设备能够避开隧道围岩模拟误差来研究衬砌结构的力学性状。
发明内容
为了实现室内模型试验中隧道衬砌结构力学性状的模拟，本发明提供了一种结构简单，能够实现对隧道衬砌的精确化加载，真实地模拟隧道衬砌结构的受力和变形的隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备。
本发明的技术方案是在位移限制面板上设置隧道衬砌，在隧道衬砌的外表面沿径向设置有加载机构，加载机构的另一端固定在外围挡板上；
加载机构是由垫片、弹簧和液压千斤顶组成，垫片是沿着隧道衬砌的外壁设置，在垫片外壁沿径向设置有弹簧，通过弹簧与液压千斤顶连接，液压千斤顶沿着隧道衬砌外表面的法向布置，且其缸筒固定在外围挡板的内壁。
上述位移限制面板的上表面加工有用于安装隧道衬砌的限位槽，限位槽的槽形与隧道衬砌的轮廓相同。
上述外围挡板内壁上设置有加固构件，所述加固构件是沿着外围挡板内壁圆周设置的加固钢圈，在加固钢圈上还设置有竖向延伸的加强筋，一个加强筋与相邻一个加强筋之间的间距是60～90cm。
上述一个液压千斤顶沿着隧道衬砌的外表面法线方向设置。
上述垫片与衬砌的接触面积是千斤顶端头面积的3～4倍。
上述弹簧设置在垫片的中部，所述垫片设置在隧道衬砌的竖向中部位置。
上述位移限制面板的外边缘与外围挡板之间通过连接支撑连接固定。
本发明的隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备是通过液压千斤顶加载、外围挡板支护、位移限制面板固定组合，在确定隧道衬砌周边受力情况后，实现了对隧道衬砌的精确化加载，可以对不同衬砌类型、不同衬砌厚度和不同受力情况等工况进行力学性状模拟，很好地模拟隧道衬砌结构的受力和变形，适用于研究公路隧道和铁路隧道的衬砌结构在不同荷载等级、不同衬砌厚度及不同衬砌类型等工况下的力学性状，将数控液压千斤顶分布在隧道衬砌的关键位置，调节千斤顶压力可满足不同工况下衬砌所受压力的变化需求，在关键位置对衬砌模型进行精确加载，为后期数据分析研究带来便利，而且位移限制面板上加工限位槽，限制了隧道衬砌模型底端在周边作用力下的位移，避免了由于位移所产生的卸荷作用，保证衬砌模型加载准确，本发明的结构设计简单，实用性强，操作方便，可有效模拟隧道衬砌结构力学性状变化，并且满足不同衬砌类型和厚度需求，经多次试验验证，能够满足室内模型试验要求。
附图说明
图1为实施例1的加载设备结构示意图。
图2为图1的加载机构2的结构示意图。
图3为图1的加固构件6的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。
实施例1
如图1所示，本实施例的隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备是由位移限制面板1、外围挡板4、垫片2-1、弹簧2-2、液压千斤顶2-3、连接支撑5、加固钢圈6-2以及加强筋6-1连接构成。
本实施例的位移限制面板1是一个直径为150cm、厚度为3cm的圆钢板，在位移限制面板1的上表面加工有限位槽，该限位槽的槽深为3cm，槽宽为6cm，槽形与公路隧道衬砌3的截面形状即公路隧道衬砌3的轮廓相同，能够将公路隧道衬砌3固定在限位槽中，限制了隧道衬砌3底端在周边作用力下的位移，避免了由于位移所产生的卸荷作用，保证衬砌模型加载准确。该位移限制面板1的边沿用螺纹紧固件固定安装有连接支撑5，该连接支撑5沿着隧道衬砌3的径向布置，并且在同一圆周上平均分布，连接支撑5的另一端固定在位移限制面板1外侧的外围挡板4底边，将位移限制面板1与外围挡板4固定。本实施例的公路隧道衬砌3选择常规模型，其外轮廓线尺寸为宽1.18m，高0.96m。本实施例在公路隧道衬砌3的外壁上用强力胶粘结有15块钢制垫片2-1，每块垫片2-1的长为30cm、宽为10cm，厚度为1cm，固定在公路隧道衬砌3的竖向中部，在每个垫片2-1的中心位置加工有一个圆柱形凸起，在该圆柱形凸起上套装有高硬度的不锈钢弹簧2-2，确保公路隧道衬砌3受力循序渐进，避免由于瞬间受力过大造成的模型失真破坏，弹簧2-2沿着公路隧道衬砌3的外表面法向延伸，在弹簧2-2的另一端通过连接件连接有液压千斤顶2-3，即将弹簧2-2的另一端套装在连接件上，连接件固定在液压千斤顶2-3的端头上，保证弹簧2-2与液压千斤顶2-3可靠连接，该液压千斤顶2-3也是沿着公路隧道衬砌3的外表面法向布置。为了避免加载接触面积过小而产生应力集中现象，保证试验效果好，确保数据可靠，本实施例选择垫片2-1与衬砌的接触面积是千斤顶端头面积的3倍。液压千斤顶2-3的缸筒通过连接件固定安装在外围挡板4的内壁上，本实施例的外围挡板4是个内径为200cm的圆环板，其高度为2cm，采用钢板制成，液压千斤顶2-3固定在外围挡板4的中腰位置，参见图2，液压千斤顶2-3与弹簧2-2、垫片2-1组成了本实施例的加载机构2，对公路隧道衬砌3施加荷载。
为了加强外围挡板4的结构强度，在外围挡板4的外壁上焊接有加固构件6，参见图3，本实施例的加固构件6是由加固钢圈6-2和加强筋6-1，本实施例的加固钢圈6-2是分别沿着外围挡板4的外壁布设在不同高度的圆形钢筋，其分别在外围挡板4的1/3和2/3的高度位置，在加固钢圈6-2上焊接有竖向的加强筋6-1，加强筋6-1沿着加固钢圈6-2等间距分布，一个加强筋6-1与相邻一个加强筋6-1之间的间距是60cm。
本实施例的隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备在使用时需要与模型测试仪器、千斤顶数控仪等设备配合使用，其具体的步骤是：
步骤一，参照公路隧道衬砌3选择位移限制面板1，并设置与衬砌厚度一致的卡槽宽度；
步骤二，将位移限制面板1、外围挡板4和液压千斤顶2-3安装在试验平台面板上，按照位移限制面板1上已标出的衬砌加载关键位置安装液压千斤顶2-3，确保液压千斤顶2-3方向与公路衬砌的外表面法线方向一致；
步骤三，利用龙门吊将公路隧道衬砌3放置在位移限制面板1的限位槽内，检查公路隧道衬砌3的底端是否完全与面板底部接触，连接公路隧道衬砌3上的其他测试元件与测读仪器，查看测量度数是否正常，检查测试元件是否损坏；
步骤四，将垫片2-1紧贴衬砌模型外表面，弹簧2-2夹在垫片2-1与液压千斤顶2-3之间，检查液压千斤顶2-3的液压管是否有损坏，油缸是否有漏油，连接处是否牢靠，确保液压增大过程中试验人员安全；
步骤五，开启测试仪器，测试数据归零，千斤顶数控仪上输入各个千斤顶目标压力，同时开启模型测试仪器读数和千斤顶数控仪加压，试验开始。
实施例2
本实施例的位移限制面板1是一个直径为150cm、厚度为3cm的圆钢板，在位移限制面板1的上表面加工有限位槽，该限位槽的槽深为4cm，槽宽为6cm，槽形与铁路隧道衬砌3的截面形状即铁路隧道衬砌3的轮廓相同，能够将铁路隧道衬砌3固定在限位槽中，限制了铁路隧道衬砌3底端在周边作用力下的位移。该位移限制面板1的边沿用螺纹紧固件固定安装有连接支撑5，该连接支撑5沿着隧道衬砌3的径向布置，并且在同一圆周上平均分布，连接支撑5的另一端固定在位移限制面板1外侧的外围挡板4底边，将位移限制面板1与外围挡板4固定。本实施例的铁路隧道衬砌3选择常规模型，其外轮廓线尺寸为宽0.578m，高0.595m。在铁路隧道衬砌3的外壁上用强力胶粘结有13块钢制垫片2-1，在每个垫片2-1的中心位置加工有一个圆柱形凸起，在该圆柱形凸起上套装有高硬度的不锈钢弹簧2-2，弹簧2-2沿着铁路隧道衬砌3的外表面法向延伸，在弹簧2-2的另一端通过连接件连接有液压千斤顶2-3，该液压千斤顶2-3也是沿着铁路隧道衬砌3的外表面法向布置，垫片2-1与衬砌的接触面积是千斤顶端头面积的4倍。液压千斤顶2-3的缸筒通过连接件固定安装在外围挡板4的内壁上，本实施例的外围挡板4是个内径为180cm的圆环板，其高度为1.5cm，液压千斤顶2-3与弹簧2-2、垫片2-1组成了本实施例的加载机构2，对铁路隧道衬砌3施加荷载。本实施例的加固构件6是由加固钢圈6-2和加强筋6-1，本实施例的加固钢圈6-2是分别沿着外围挡板4的外壁布设在不同高度的圆形钢筋，其分别在外围挡板4的1/3和2/3的高度位置，在加固钢圈6-2上焊接有竖向的加强筋6-1，加强筋6-1沿着加固钢圈6-2等间距分布，一个加强筋6-1与相邻一个加强筋6-1之间的间距是75cm。
其他的部件及连接关系、工作原理均与实施例1相同。
实施例3
本实施例在隧道衬砌3的外壁上用强力胶粘结有18块钢制垫片2-1，在每个垫片2-1的中心位置加工有一个圆柱形凸起，在该圆柱形凸起上套装有高硬度的不锈钢弹簧2-2，弹簧2-2沿着铁路隧道衬砌3的外表面法向延伸，在弹簧2-2的另一端通过连接件连接有液压千斤顶2-3，该液压千斤顶2-3也是沿着铁路隧道衬砌3的外表面法向布置，垫片2-1与衬砌的接触面积是千斤顶端头面积的3.5倍。液压千斤顶2-3的缸筒通过连接件固定安装在外围挡板4的内壁上，本实施例的外围挡板4是个内径为180cm的圆环板，其高度为1.5cm，液压千斤顶2-3与弹簧2-2、垫片2-1组成了本实施例的加载机构2，对铁路隧道衬砌3施加荷载。本实施例的加固构件6是由加固钢圈6-2和加强筋6-1，本实施例的加固钢圈6-2是分别沿着外围挡板4的外壁布设在不同高度的圆形钢筋，其分别在外围挡板4的1/3和2/3的高度位置，在加固钢圈6-2上焊接有竖向的加强筋6-1，加强筋6-1沿着加固钢圈6-2等间距分布，一个加强筋6-1与相邻一个加强筋6-1之间的间距是90cm。
其他的部件及连接关系、工作原理均与实施例1相同。
上述实施例中未详细描述的连接件结构等均属于常规技术，其具体实施可以由本领域技术人员根据实际应用进行选择。
Claims (7)
1.一种隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备，其特征在于：在位移限制面板(1)上设置隧道衬砌(3)，在隧道衬砌(3)的外表面沿径向设置有加载机构(2)，加载机构(2)的另一端固定在外围挡板(4)上；
所述加载机构(2)是由垫片(2-1)、弹簧(2-2)和液压千斤顶(2-3)组成，垫片(2-1)是沿着隧道衬砌(3)的外壁设置，在垫片(2-1)外壁沿径向设置有弹簧(2-2)，通过弹簧(2-2)与液压千斤顶(2-3)连接，液压千斤顶(2-3)沿着隧道衬砌(3)外表面的法向布置，且其缸筒固定在外围挡板(4)的内壁。
2.根据权利要求1所述隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备，其特征在于：所述位移限制面板(1)的上表面加工有用于安装隧道衬砌(3)的限位槽，限位槽的槽形与隧道衬砌(3)的轮廓相同。
3.根据权利要求1所述隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备，其特征在于：所述外围挡板(4)内壁上设置有加固构件(6)，所述加固构件(6)是沿着外围挡板(4)内壁圆周设置的加固钢圈(6-2)，在加固钢圈(6-2)上还设置有竖向延伸的加强筋(6-1)，一个加强筋(6-1)与相邻一个加强筋(6-1)之间的间距是60～90cm。
4.根据权利要求1所述隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备，其特征在于：所述一个液压千斤顶(2-3)沿着隧道衬砌(3)的外表面法线方向设置。
5.根据权利要求1所述隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备，其特征在于：所述垫片(2-1)与衬砌的接触面积是千斤顶端头面积的3～4倍。
6.根据权利要求1所述隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备，其特征在于：所述弹簧(2-2)设置在垫片(2-1)的中部，所述垫片(2-1)设置在隧道衬砌(3)的竖向中部位置。
7.根据权利要求1所述隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备，其特征在于：所述位移限制面板(1)的外边缘与外围挡板(4)之间通过连接支撑(5)连接固定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150701 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |