CN106442308B - 隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台 - Google Patents

隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台 Download PDF

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Abstract

本发明属于颗粒土体力学研究领域，具体涉及一种隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台，实验仓为长方形的箱体，箱体包括前侧面、后侧面、两个端侧面、底面，上部顶面为开口，前侧面、后侧面底部为固定板，固定板上分别有活动门，活动门处分别安装挡板；挡板上分布有锚杆孔洞，锚杆孔洞下方为多个孔洞；孔洞用于插入长方体板；长方体板上分布有应变片；锚杆孔洞用于插入锚杆模拟器的锚杆。该平台利用板的受力与其形变相关的原理，将需要测量的区域分成许多长条形小区域，测出每个小板的变形量，利用计算或数值模拟近似得出区域内压强。这些区域大小可以改变，区域划分得越小，结果越精确。

Description

隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台
技术领域
本发明属于颗粒土体力学研究领域，具体涉及一种隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台。
背景技术
颗粒物质是存在于自然界和日常生活中，常常能见到的一类物质形态，如自然界中的砂子、石块、土壤、雪粒等，生活中常见的有糖粒、食盐、粮食等以及工业生产中常见到的有药品、矿石等。在力学中颗粒物质被定义为由大量颗粒以各种复杂连接方式所组成的物质体系，在该体系中颗粒的直径大于1μm。
近年来，随着我国国民经济的迅速发展，城市地下空间的开发和利用越来越受到重视，越来越多的城市规划和修建大量的地下铁道、市政隧道、地下车站等地下工程设施，尤其是随着城市地下综合管廊的数量逐渐增加，在我国大多数城市地下工程中，会遇到颗粒物质地层情况。
在工程领域，土体的物质成分、形成过程、历史变迁及其所处的自然环境极为复杂多变，使得土的组成和性质也千变万化。在进行地基或者地下结构的强度、承载力、变形、沉降、稳定等分析计算时，必须充分了解和掌握土体的成因、构造、物理组成、力学性质、变形特征及地下水等基本情况，才能较完善地解决工程实践中所遇到的各种问题。
在科研领域，颗粒土围岩稳定性细观力学特性及运移规律尚不确定；隧道围岩稳定性颗粒围岩分部开挖方式下隧道颗粒性质围岩细观破坏机理研究较少；颗粒性质围岩围岩塌落压力拱演化机理尚不明确；围岩破坏位置及时机不能准确地判断等问题。目前颗粒性质围岩荷载计算主要是以松散体压力理论为基础建立的，但理论推导时，人为规定了许多假设，致使计算结果与围岩实际荷载差别大。
根据现代隧道理论，隧道是集荷载、结构、材料三者为整体的结构物。其中，岩体作为支护结构承担的荷载的主要来源，自身也肩负着承载作用；支护结构则是为了维护围岩稳定而修建的人工辅助性结构。由围岩和支护结构共同作用的理论可知，理想状况是围岩和支护结构体系能作为一个安全、稳定的整体。研究围岩和支护结构如何相互作用也就成为隧道研究的应有之意。
发明内容
本发明的目的在于设计一套颗粒性质土综合实验平台。
具体技术方案为：
隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台，包括实验仓、反力架、锚杆模拟器；
所述的实验仓为长方体的箱体，箱体包括前侧面、后侧面、两个端侧面、底面，顶面为无顶盖，所述的箱体的底部两端有延伸板，延伸板上有斜支撑，所述的斜支撑与箱体的端侧面相连，形成三角形支撑架；
所述的前侧面和后侧面底部为固定板，所述的固定板上分别有活动门，活动门处分别安装挡板；
所述的挡板上分布有锚杆孔洞，锚杆孔洞下方为多个长方孔；所述的长方孔形状为长方形，多个长方孔组成的曲线与挡板下边缘围成一个封闭形状，长方孔用于插入长方体板；长方体板上分布有应变片；所述的锚杆孔洞用于插入锚杆模拟器的锚杆。
所述的实验仓的箱体四个垂直边分别有立柱，所述的立柱上有U形的凹槽，所述的箱体两个端侧面由插板插入到两个立柱的凹槽内形成端侧面和底面的面板；所述的箱体的前侧面和后侧面的固定板顶部也有插槽，所述的箱体的前侧面和后侧面分别有固定板和长插板组成，所述的长插板两端分别插入立柱的凹槽内，最下方一块长插板的下边缘插入所述的固定板的插槽内；所述的插板和长插板上分布有应变片。
所述的反力架包括压板，压板位于实验仓内。
所述反力架，包括支柱、横梁、升降系统、液压系统与传感器、压板、底座；所述的支柱安装在底座上，支柱之间安装有横梁，横梁两端连接有升降系统，所述的液压系统与传感器安装在横梁上，并且液压系统下方连接有压板。
所述的锚杆模拟器包括支架、横杆、基座、电机及传感器、锚杆；支架安装在基座上，横杆固定在支架上，电机及传感器安装在横杆上，电机与锚杆连接。
实验仓内装有土样，反力架的压板与土样接触；液压系统与传感器作用为通过压板向土样施加压力并测量压力大小。
锚杆模拟器的锚杆为按比例缩小的锚杆，穿过预留锚杆孔洞插入实验仓的土样中。
本发明提供的隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台，用于对土体底部压力、侧向压力、侧压力系数、锚杆摩擦系数、围岩与隧道相互作用等参数及现象的测定与观察，并能够进行地下结构的施工及运营阶段模拟，以得到准确的结果指导实际工程与研究。利用板的受力与其形变相关的原理，将需要测量的区域分成许多长条形小区域，测出每个小板的变形量，利用计算或数值模拟近似得出区域内压强。这些区域大小可以改变，区域划分得越小，结果越精确。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实验仓内部结构示意图；
图3是本发明的立柱结构示意图；
图4是本发明的挡板二维结构示意图；
图5是本发明的挡板三维结构示意图；
图6是本发明的长方体板的结构示意图；
图7是本发明的反力架结构示意图；
图8是本发明的锚杆模拟器结构示意图；
图9是本发明的实验仓布置插板和长插板后的内结构示意图；
图10是实施例模拟隧道模型示意图；
图11是实施例模拟隧道模型装上模型的实验仓剖面图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台，包括实验仓1、反力架2、锚杆模拟器3；
如图2所示，所述的实验仓1为长方形的箱体，箱体包括前侧面、后侧面、两个端侧面、底面，顶面为无顶盖，所述的箱体的底部两端有延伸板4，延伸板4上有斜支撑5，所述的斜支撑5与箱体的端侧面相连，形成三角形支撑架；
所述的前侧面和后侧面底部有活动板，所述的活动板上分别有活动门6，活动门6处分别安装挡板10；
如图4和图5所示，所述的挡板10上分布有锚杆孔洞11，锚杆孔洞11下方为多个长方孔12；所述的长方孔12形状为长方形，多个长方孔12组成的曲线与挡板10下边缘围成一个封闭形状，长方孔12用于插入长方体板13；如图6所示，长方体板13上分布有应变片14；所述的锚杆孔洞11用于插入锚杆模拟器3的锚杆25。
如图3所示，所述的实验仓1的箱体四个垂直边分别有立柱，所述的立柱上有U形的凹槽7，所述的箱体两个端侧面由插板插入到两个立柱的凹槽7内形成端侧面和底面的面板；所述的箱体的前侧面和后侧面的底边也有插槽9，所述的箱体的前侧面和后侧面分别有活动板和长插板组成，所述的活动板和长插板的两端分别插入立柱的凹槽7内，活动板位于最下方，活动板的下边缘插入所述的插槽9内；所述的插板和长插板上分布有应变片14。
所述的反力架2包括压板19，压板19位于实验仓1内。
如图7所示，所述反力架2，包括支柱15、横梁16、升降系统17、液压系统与传感器18、压板19、底座20；所述的支柱15安装在底座20上，支柱15之间安装有横梁16，横梁两端连接有升降系统17，所述的液压系统与传感器18安装在横梁16上，并且液压系统下方连接有压板19。
如图8所示，所述的锚杆模拟器3包括支架21、横杆22、基座23、电机及传感器24、锚杆25；支架21安装在基座23上，横杆22固定在支架21上，电机及传感器24安装在横杆22上，电机与锚杆25连接。
实验时，如图9所示，固定实验仓1，用活动板、插板和长插板拼装实验仓1的前侧面、后侧面、两个端侧面、底面。
如图10和图11所示，将长方体板13插入前后两块挡板10的长方孔12，根据隧道及地下结构的界面形式和尺寸，选用长方孔12分布不同的挡板。
向实验仓1中加入实验土体，记录不同高度土体对应的不同应变片读数。
如果受限于实验仓高度，可以使用反力架2，调整升降系统17，使压板19伸入实验仓1中并接触土体，启动液压系统与传感器18，向土体施加压力，并通过传感器测出压力大小。
使用锚杆模拟器3，先将其固定在前后挡板10附近并调节横杆22的高度使锚杆25对准前后挡板10的预留锚杆孔洞11，打开电机与传感器24将锚杆25旋转插入实验仓1的土体中，并记录过程中锚杆模拟器3的传感器读数。
模拟隧道施工，抽出长方体板13，记录土体塌落并记录其余应变片变化。

Claims (5)

1.隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台，其特征在于，包括实验仓(1)、锚杆模拟器(3)；
所述的实验仓(1)为长方体的箱体，箱体包括前侧面、后侧面、两个端侧面、底面，顶面无顶盖，所述的箱体的底部两端有延伸板(4)，延伸板(4)上有斜支撑(5)，所述的斜支撑(5)与箱体的端侧面相连，形成三角形支撑架；
所述的前侧面和后侧面底部有活动板，所述的活动板上分别有活动门(6)，活动门(6)处分别安装挡板(10)；
所述的挡板(10)上分布有锚杆孔洞(11)，锚杆孔洞(11)下方为多个长方孔(12)；所述的长方孔(12)形状为长方形，多个长方孔(12)组成的曲线与挡板(10)下边缘围成一个封闭形状，长方孔(12)用于插入长方体板(13)；长方体板(13)上分布有应变片(14)；所述的锚杆孔洞(11)用于插入锚杆模拟器(3)的锚杆(25)。
2.根据权利要求1所述的隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台，其特征在于，所述的实验仓(1)的箱体四个垂直边分别有立柱，所述的立柱上有U形的凹槽(7)，所述的箱体两个端侧面由插板插入到两个立柱的凹槽(7)内形成端侧面和底面的面板；所述的箱体的前侧面和后侧面的底边也有插槽(9)，所述的箱体的前侧面和后侧面分别有活动板和长插板组成，所述的活动板和长插板的两端分别插入立柱的凹槽(7)内，活动板位于最下方，活动板的下边缘插入所述的插槽(9)内；所述的插板和长插板上分布有应变片(14)。
3.根据权利要求1所述的隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台，其特征在于，还包括反力架(2)，所述的反力架(2)包括压板(19)，压板(19)位于实验仓(1)内。
4.根据权利要求3所述的隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台，其特征在于，所述反力架(2)，包括支柱(15)、横梁(16)、升降系统(17)、液压系统与传感器(18)、压板(19)、底座(20)；所述的支柱(15)安装在底座(20)上，支柱(15)之间安装有横梁(16)，横梁两端连接有升降系统(17)，所述的液压系统与传感器(18)安装在横梁(16)上，并且液压系统下方连接有压板(19)。
5.根据权利要求1所述的隧道颗粒土及支护结构相互作用实验平台，其特征在于，所述的锚杆模拟器(3)包括支架(21)、横杆(22)、基座(23)、电机及传感器(24)、锚杆(25)；支架(21)安装在基座(23)上，横杆(22)固定在支架(21)上，电机及传感器(24)安装在横杆(22)上，电机与锚杆(25)连接。
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