CN106169267A - 离心场中隧道地层损失模拟系统 - Google Patents
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Abstract
一种离心场中隧道地层损失模拟系统，其模型箱安装在离心机上，模型箱中设有隧道模型组件，隧道模型组件包括一个左右两段旋向相反的滚珠丝杆、两个对称套装在滚珠丝杆上的丝杆螺母、两个对称固定在丝杆螺母上的六角内核；六角内核的六个面上分别固定有六个外高内低的楔形导板，楔形导板上均固定有线性滑轨，六个拱形盖板通过线性滑台安装在对应的线性滑轨上构成隧道模型；传动机构带动滚珠丝杆转动，使两个对称的丝杆螺母相互分离，从而带动两个六角内核以及相互对称的线性滑轨向两端分离运动，迫使六个拱形盖板向滚珠丝杆轴心收缩，实现对土层损失的模拟。本发明可以克服现有土工模拟控制系统上的缺陷，精确控制土层损失的形状和大小。
Description
技术领域：
本发明属于隧道地层模拟系统技术领域，具体涉及一种离心场中隧道地层损失模拟系统。
背景技术：
隧道的开挖不可避免的会产生隧道地层损失，所谓的隧道地层损失就是在隧道开挖过程中对土层造成了扰动，随之而来的会出现不同程度的土层下陷，这样的下陷会对地下空间周边的建筑造成或多或少的影响。研究清楚隧道开挖对周边建筑的影响对隧道施工有着至关重要的意义。现有的研究方法主要分为三大类：数值模拟、现场检测和土工离心模型实验。土工离心模型实验技术是近二三十年迅速发展起来的一项崭新的土工物理模型技术。通过施加在模型上的离心惯性力使模型的重度变大，从而使模型的应力与原型一致，这样就可以用模型反映、表示原型。数值模拟的方法需要对所研究的土层性质具有深入的了解，同时将这些土层性质转化成参数再利用数学计算来模拟，其中土力学参数对结果的影响非常大，并且参数的获取和测试相对费时且可靠性值得探讨。现场检测的方法局限性在于仪器的误差，人为造成的误差以及需要大量的人力物力和资金支持。
土工离心机提供了一个快速可靠稳定的解决方案，将所研究的土层材料直接放进离心机，通过离心场模拟真实情况从而得到可靠稳定的数据。离心模拟的难点在于准确稳定的模拟土层损失。目前现有的模拟方法难以准确控制土层损失的大小和形状。
发明内容：
本发明提供一种离心场中隧道地层损失模拟系统，可以克服现有土工模拟控制系统上的缺陷，精确控制土层损失的形状和大小。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种离心场中隧道地层损失模拟系统，包括模型箱，所述模型箱安装在离心机上，所述模型箱中设有隧道模型组件，所述隧道模型组件包括一个左右两段旋向相反的滚珠丝杆、两个对称套装在滚珠丝杆上的丝杆螺母、两个对称固定在丝杆螺母上的六角内核，所述六角内核的六个面上分别固定有六个外高内低的楔形导板，两个六角内核上共固定有十二个两两对称的楔形导板，形成六组楔形导板；所述楔形导板上均固定有线性滑轨，十二个线性滑轨两两对称形成六组线性滑轨；六个拱形盖板分别对应六组楔形导板，且每个拱形盖板内侧均具有与所对应的那组楔形导板斜度相同的两个斜面，所述斜面上均固定有线性滑台，所述线性滑台安装在对应的线性滑轨上，使六个拱形盖板分别位于六组线性滑轨上构成隧道模型；所述模型箱前后两侧均设有丝杆支撑，所述滚珠丝杆的两端安装在丝杆支撑中，并使拱形盖板的两端抵在模型箱的内壁上；所述滚珠丝杆的后端联接有传动机构，所述传动机构通过数控机构控制；所述传动机构带动滚珠丝杆转动，使两个对称的丝杆螺母相互分离，从而带动两个六角内核以及相互对称的线性滑轨向两端分离运动，迫使六个拱形盖板向滚珠丝杆轴心收缩，实现对土层损失的模拟。
所述位于六角内核底部的楔形导板的楔形角度为0-3°，位于六角内核下部两侧的楔形导板的楔形角度为1-4°，位于六角内核上部两侧的楔形导板的楔形角度为1-4°，位于六角内核顶部第五楔形导板的楔形角度为2-5°。
所述传动机构包括直角行星减速机、步进电机，所述直角行星减速机的动力输入轴与步进电机联接，动力输出轴与滚珠丝杆的后端通过联轴器相联接；所述数控机构包括步进电机驱动器、数据采集器和数控电脑；所述步进电机驱动器的输出接口与步进电机相连接，数据采集器的输出端口与步进电机驱动器的输入接口相连接，数据采集器的输入端口与数控电脑相连接控制步进电机的转动角度。
所述的模型箱包括底板、左右侧板、后盖板、透明观察窗以及前挡板框；所述后盖板底端与底板固定，所述左右侧板固定在后盖板两侧；所述前挡板框两侧与左右侧板固定，底端与底板固定；所述透明观察窗固定在前挡板框中央；所述拱形盖板的两端抵在透明观察窗和后盖板的内侧不能进行水平方向的移动；所述后盖板、透明观察窗上对应六角内核的位置具有通孔，使两个六角内核以及相互对称的线性滑轨向两端分离运动时能自通孔中通过。
本发明与现有技术比较具有的优点和效果：
1、本发明通过机械传动的隧道收缩系统在离心场中模拟隧道地层损失，克服了现有土工模拟控制系统难以精确控制土层损失的形状和大小的缺陷。
2、本发明六对可拆卸楔形导板具有4个不同的角度，且每一个楔形导板的角度都可以自由控制大小，从而实现对每一个弧形盖板向丝杆轴心方向位移大小的控制，实现模拟地层损失上大下小的形状，且收缩形状可以根据科研要求进行调整，从而尽可能接近真实地层损失之后的隧道形状，也满足了不同地质条件下隧道地层损失模拟实验。
附图说明：
图1为显示本发明后部结构的立体示意图，
图2为显示本发明前部结构的立体示意图，
图3为显示本发明隧道模型组件整体结构的剖视图，
图4为显示本发明隧道模型组件截面结构的示意图，
图5为显示本发明拱形盖板结构的立体图。
具体实施方式：
下面结合附图1、2、3、4、5和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种离心场中隧道地层损失模拟系统，包括模型箱1，所述模型箱1安装在离心机上，所述模型箱1中设有隧道模型组件2，所述隧道模型组件2包括一个左右两段旋向相反的滚珠丝杆4、两个对称套装在滚珠丝杆4上的丝杆螺母5、两个对称固定在丝杆螺母5上的六角内核6，所述六角内核6的六个面上分别固定有六个外高内低的楔形导板7，两个六角内核6上共固定有十二个两两对称的楔形导板7，形成六组楔形导板；所述楔形导板7上均固定有线性滑轨8，十二个线性滑轨8两两对称形成六组线性滑轨；六个拱形盖板10分别对应六组楔形导板7，且每个拱形盖板10内侧均具有与所对应的那组楔形导板7斜度相同的两个斜面25，所述斜面上均固定有线性滑台9，所述线性滑台9安装在对应的线性滑轨8上，使六个拱形盖板10分别位于六组线性滑轨上构成隧道模型；所述模型箱1前后两侧均设有丝杆支撑11，所述滚珠丝杆4的两端安装在丝杆支撑11中，并使拱形盖板10的两端抵在模型箱1的内壁上；所述滚珠丝杆4的后端联接有传动机构12，所述传动机构12通过数控机构13控制；所述传动机构12带动滚珠丝杆4转动，使两个对称的丝杆螺母5相互分离，从而带动两个六角内核6以及相互对称的线性滑轨8向两端分离运动，迫使六个拱形盖板10向滚珠丝杆4轴心收缩，实现对土层损失的模拟。
所述位于六角内核6底部的楔形导板7的楔形角度为0°，位于六角内核6下部两侧的楔形导板7的楔形角度为2°，位于六角内核6上部两侧的楔形导板7的楔形角度为3°，位于六角内核6顶部的楔形导板7的楔形角度为4°。
所述传动机构12包括直角行星减速机14、步进电机15，所述直角行星减速机14的动力输入轴与步进电机15联接，动力输出轴与滚珠丝杆4的后端联接；所述数控机构13包括步进电机驱动器16、数据采集器17和数控电脑18；所述步进电机驱动器16的输出接口与步进电机15相连接，数据采集器17的输出端口与步进电机驱动器16的输入接口相连接，数据采集器17的输入端口与数控电脑18相连接控制步进电机15的转动角度。
所述的模型箱1包括底板19、左右侧板20、后盖板21、透明观察窗22以及前挡板框23；所述后盖板21底端与底板19固定，所述左右侧板20固定在后盖板21两侧；所述前挡板框23两侧与左右侧板20固定，底端与底板19固定；所述透明观察窗22固定在前挡板框23中央；所述拱形盖板10的两端抵在透明观察窗22和后盖板21的内侧不能进行水平方向的移动；所述后盖板21、透明观察窗22上对应六角内核6的位置具有通孔24，使两个六角内核6以及相互对称的线性滑轨8向两端分离运动时能自通孔24中通过。
本发明装配时首先将两个对称设置的线性滑台9安装在对应的两个线性滑轨8上，然后将拱形盖板10固定在线性滑台9上，与线性滑台9组成一个整体，通过线性滑台9与线性滑轨8配合，约束拱形盖板10的自由度，使拱形盖板10只能沿着与线性滑轨8的平行方向移动。线性滑轨8共有十二个，每两个线性滑轨分别对称安装在两个对称的六角内核6上，在线性滑轨8与六角内核6之间夹有楔形导版7，楔形导板7总共有十二个，两个为一对，共有六对分别与对称的两个线性滑轨相匹配。六对楔形导板具有4个不同的角度，从而可以实现模拟地层损失上大下小的形状。
地层损失模拟原理：本发明实验时所述的模型箱1安装在土工离心机的吊篮上。外部数控电脑18通过离心机电刷与数据采集器17相连接。工作时，步进电机驱动器16负责给步进电机15供电，数据采集器17通过给步进电机驱动器发射脉冲信号来控制步进电机的转动角度，数控电脑18控制数据采集器的电信号输出频率和时间。由步进电机15驱动滚珠丝杆产生转动，使两个对称的丝杆螺母5相互分离，从而带动两个六角内核6以及相互对称的线性滑轨8向两端分离运动，由于拱形盖板10的两端抵在了模型箱透明观察窗和后盖板内侧不能进行水平方向的移动，随着两个带有角度的楔形导板上的线性滑轨的分离，迫使六个拱形盖板10向滚珠丝杆4轴心收缩，实现对土层损失的模拟。由于本发明的楔形导板可拆卸，使每一个楔形导板的角度都可以改变，从而实现对每一个弧形盖板向丝杆轴心方向位移大小的控制。特别是本发明可根据隧道地层损失真实形状的不同而改变每一个楔形导板的角度，从而尽可能真实的还原地层损失之后的隧道形状。
本发明的实验模拟过程详细说明如下：在六个拱形盖板形成的圆柱形隧道收缩系统外侧包裹两层乳胶膜，确保灰尘和沙土不会通过缝隙进入滚珠丝杆内部，将包裹好的隧道收缩系统安装在模型箱内部，两侧通过丝杆支撑固定，手动转动滚珠丝杆使线性滑台移动到初始位置。将实验所需要的土样放入模型箱内部。将安装好的模型箱固定在离心机的承载吊篮(payload bracket)上，锁紧底板防止转动过程中模型箱滑落。打开数控电脑通过离心机电刷与数据采集器信号控制端相连接。检查无误后开始正式实验。
正式实验分为两个阶段，土层固结和土层损失模拟。离心机开始转动加速时保持步进电机供电但不输入任何信号确保步进电机不发生任何转动。当离心机达到要求的离心加速度之后，通过数控电脑发射脉冲信号给步进电机驱动器驱使步进电机转动所需要的角度，从而实现对地层损失的模拟。隧道模型收缩位移通过步进电机脉冲电信号的数量计算出步进电机所转动的角度进行控制，由此可以计算出滚珠丝杆的转动角度和丝杆螺母水平方向的位移，从而推算出每一个拱形盖板向丝杆轴心移动的大小，得出隧道地层损失的大小。当隧道模型收缩达到设计值时，停止发出脉冲信号。
当然也可在实验过程中，通过在模型箱前方的透明观察窗一侧设置高速摄像机，获取模型在加载过程中土层位移的图像，通过压力敏感元件检测土层水平竖直方向压力的变化等，实时收集相关数据。通过进行后期数据处理分析，获得隧道地层损失的相关数据。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等同变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。
Claims (4)
1.一种离心场中隧道地层损失模拟系统，包括模型箱(1)，所述模型箱(1)安装在离心机上，其特征在于：所述模型箱(1)中设有隧道模型组件(2)，所述隧道模型组件(2)包括一个左右两段旋向相反的滚珠丝杆(4)、两个对称套装在滚珠丝杆(4)上的丝杆螺母(5)、两个对称固定在丝杆螺母(5)上的六角内核(6)，所述六角内核(6)的六个面上分别固定有六个外高内低的楔形导板(7)，两个六角内核(6)上共固定有十二个两两对称的楔形导板(7)，形成六组楔形导板；所述楔形导板(7)上均固定有线性滑轨(8)，十二个线性滑轨(8)两两对称形成六组线性滑轨；六个拱形盖板(10)分别对应六组楔形导板(7)，且每个拱形盖板(10)内侧均具有与所对应的那组楔形导板(7)斜度相同的两个斜面(25)，所述斜面上均固定有线性滑台(9)，所述线性滑台(9)安装在对应的线性滑轨(8)上，使六个拱形盖板(10)分别位于六组线性滑轨上构成隧道模型；所述模型箱(1)前后两侧均设有丝杆支撑(11)，所述滚珠丝杆(4)的两端安装在丝杆支撑(11)中，并使拱形盖板(10)的两端抵在模型箱(1)的内壁上；所述滚珠丝杆(4)的后端联接有传动机构(12)，所述传动机构(12)通过数控机构(13)控制；所述传动机构(12)带动滚珠丝杆(4)转动，使两个对称的丝杆螺母(5)相互分离，从而带动两个六角内核(6)以及相互对称的线性滑轨(8)向两端分离运动，迫使六个拱形盖板(10)向滚珠丝杆(4)轴心收缩，实现对土层损失的模拟。
2.根据权利要求1所述的离心场中隧道地层损失模拟系统，其特征在于：所述位于六角内核(6)底部的楔形导板(7)的楔形角度为0-3°，位于六角内核(6)下部两侧的楔形导板(7)的楔形角度为1-4°，位于六角内核(6)上部两侧的楔形导板(7)的楔形角度为1-4°，位于六角内核(6)顶部第五楔形导板(7)的楔形角度为2-5°。
3.根据权利要求1或2所述的离心场中隧道地层损失模拟系统，其特征在于：所述传动机构(12)包括直角行星减速机(14)、步进电机(15)，所述直角行星减速机(14)的动力输入轴与步进电机(15)联接，动力输出轴与滚珠丝杆(4)的后端通过联轴器(26)相联接；所述数控机构(13)包括步进电机驱动器(16)、数据采集器(17)和数控电脑(18)；所述步进电机驱动器(16)的输出接口与步进电机(15)相连接，数据采集器(17)的输出端口与步进电机驱动器(16)的输入接口相连接，数据采集器(17)的输入端口与数控电脑(18)相连接控制步进电机(15)的转动角度。
4.根据权利要求3所述的离心场中隧道地层损失模拟系统，其特征在于：所述的模型箱(1)包括底板(19)、左右侧板(20)、后盖板(21)、透明观察窗(22)以及前挡板框(23)；所述后盖板(21)底端与底板(19)固定，所述左右侧板(20)固定在后盖板(21)两侧；所述前挡板框(23)两侧与左右侧板(20)固定，底端与底板(19)固定；所述透明观察窗(22)固定在前挡板框(23)中央；所述拱形盖板(10)的两端抵在透明观察窗(22)和后盖板(21)的内侧不能进行水平方向的移动；所述后盖板(21)、透明观察窗(22)上对应六角内核(6)的位置具有通孔(24)，使两个六角内核(6)以及相互对称的线性滑轨(8)向两端分离运动时能自通孔(24)中通过。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |