CN106596153B - 一种可实现高水压模拟的离心模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现高水压模拟的离心模型试验装置，包括离心机和安装在离心机上的离心模型试验箱，所述离心模型试验箱中设有一个“凸”型水箱，所述“凸”型水箱包括“口”型底板箱、凸出型加水箱和侧板，所述“口”型底板箱和凸出型加水箱完全连通，所述侧板与“口”型底板箱连接，所述“口”型底板箱低于离心模型试验箱，所述侧板与离心模型试验箱的高度相同。与现有技术相比，本发明具有有效实现高水压、实际加水量少、安全性能高以及水压控制精确等优点。

Description

一种可实现高水压模拟的离心模型试验装置

技术领域

本发明涉及土工离心模拟试验，尤其是涉及一种可实现高水压模拟的离心模型试验装置。

背景技术

国内外进行离心机试验对隧道的研究主要集中在隧道开挖对既有结构的影响以及对地层的影响，这两个方面的研究较多。对于隧道开挖面的稳定性和极限支护压力以及隧道的动力学响应研究也有涉及，总体来讲也研究较少。但是无论上述那个方面，都没有针对高水压下隧道的研究。而目前对于高水压条件下隧道的研究，采用的方法主要分为理论研究(包含流固耦合理论解、数值模拟)以及模型试验。理论研究方面大量研究针对隧道施工中渗流场和应力场的耦合研究，不同学者结合不同的工程条件，进行再该环境条件约束下的理论解推导，得出了许多适用于不同情况的流固耦合解析解，同时，辅助以数值模拟的结果进行理论解的验证和规律的研究。模型试验由于所需空间大，模型体量大，耗费人力物力多，研究进行的不多。现状是，高水压条件下隧道的研究无法与离心模型试验进行结合，将理论研究结果与高水压下离心机试验结果进行对比研究。

在其他领域，比如边坡、水利领域的研究，设计的离心模型试验供水装置均在模型箱内供水排水，只能提供常规水位，无法实现高水压的模拟。

造成这一现状的主要原因是虽然隧道的离心机实验相较模型实验具有更准确模拟应力场，用较短的模型实验时间模拟隧道多年实际工作时间的优点，但是现有离心试验装置无法实现对高水压条件的准确模拟。受制于模型箱一般为边长1m左右的立方体，实现高水压模拟需要将水头放大N倍，则需要离心机产生N倍的重力加速度，又考虑到模型试验的边界效应，颗粒尺寸效应等问题，1m的高度无法全部利用，因此能放大产生的水压有限。如果强行提高重力加速度的倍数N，则试验精确度会下降，并且离心机也有最大离心加速度的限制，很难实现。因此如何对现有离心试验装置进行合理可靠的改造与设计，在室内离心模型试验条件下实现对现场高水压作用的真实还原是一个亟待解决的技术瓶颈难题。

然而，现在随着国家经济的发展，在隧道及地下工程领域，目前在规划的几条越江越海长大隧道，工程难度高，环境复杂，成为地下工程研究的新趋势。这几条在规划中的隧道，结构上都面临着长距离，大断面的困难。工程水文地质条件也极为复杂，水深、风大、浪高、流急、地质构造复杂、火山活动与地震活动频繁。隧道结构在如此复杂的水文地质条件下，其受力变形情况将与环境的影响密不可分。而海底隧道的最大特点是水位深，隧道承受的水压力大，水体巨量，作用强烈，并且水量供给无限。而普通模型试验无法模拟如此巨大的水位，在此特点下，高水压条件下的离心模型试验值得研究。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种可实现高水压模拟的离心模型试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可实现高水压模拟的离心模型试验装置，包括离心机和安装在离心机上的离心模型试验箱，所述离心模型试验箱中设有一个“凸”型水箱，所述“凸”型水箱包括“口”型底板箱、凸出型加水箱和侧板，所述“口”型底板箱和凸出型加水箱完全连通，所述侧板与“口”型底板箱连接，所述“口”型底板箱低于离心模型试验箱，所述侧板与离心模型试验箱的高度相同。

所述“口”型底板箱的正面设有方形玻璃窗口。

所述凸出型加水箱侧部设有通过电磁阀控制的排水孔，所述排水孔的数量不少于2个。

所述排水孔与流量计连接。

所述排水孔侧部贴有刻度标尺。

所述凸出型加水箱侧部设有支撑杆，所述支撑杆包括斜支撑杆和横支撑杆，所述斜支撑杆和横支撑杆均与侧板连接。

所述“凸”型水箱和离心模型试验箱之间设有侧壁支撑杆，所述侧壁支撑杆分别与“凸”型水箱的侧板和离心模型试验箱的内壁连接。

所述凸出型加水箱上部不封闭。

所述“口”型底板箱底部设有放水孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过设置“凸”型水箱，有效增加水箱内的水位高度，进而实现高水压的模拟。

(2)“凸”型水箱的形状，使得其克服了离心模型试验箱和主机转臂的尺寸限制，与传统的采用口字型水箱加水在高离心加速度下实现高水压模拟的方法相比，大大提升了离心模拟试验的安全程度。

(3)“口”型底板箱的正面设有方形玻璃窗口，便于对试验情况进行实时观察，增加了试验的方便程度。

(4)凸出型加水箱侧部设有通过电磁阀控制的排水孔，便于控制水压，可以应用于水压发生变化的试验，适用范围广。

(5)排水孔与流量计连接，且排水孔侧部贴有刻度标尺，可以实现对水位变化的精确控制，控制精度高。

(6)水箱侧部设有斜支撑杆和横支撑杆，同时水箱和离心模型试验箱之间还设有侧壁支撑杆，防止在高重力加速度下水箱上部由于水产生的巨大侧压力而造成的强度破坏，进一步提升了安全性。

(7)凸出型加水箱上部不封闭，便于进行加水，提高了试验的方便程度。

(8)“口”型底板箱底部设有放水孔，方便在试验完毕后将剩余的水放出，进一步提高了试验的方便性。

附图说明

图1为可实现高水压模拟的离心模型试验装置的结构示意图；

图2为可实现高水压模拟的离心模型试验装置的立面图；

图3为可实现高水压模拟的离心模型试验装置的立面剖切图；

图4为可实现高水压模拟的离心模型试验装置的右视图；

图5为可实现高水压模拟的离心模型试验装置的右视剖切图；

图6为实施例中的隧道监测点布置图；

其中，1为离心模型试验箱，2为“凸”型水箱，3为方形玻璃窗口，4为斜支撑杆，5为横支撑杆，6为侧壁支撑杆，7为排水孔，8为放水孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～5所示为本实施例中提供的一种可实现高水压模拟的离心模型试验装置，包括离心机和安装在离心机上的离心模型试验箱1，所述离心模型试验箱1中设有一个“凸”型水箱2，所述“凸”型水箱2包括“口”型底板箱、凸出型加水箱和侧板，“口”型底板箱和凸出型加水箱完全连通，侧板与“口”型底板箱连接，“口”型底板箱低于离心模型试验箱1，侧板与离心模型试验箱1的高度相同。其中，“口”型底板箱的正面设有方形玻璃窗口3，本实施例中方形玻璃窗口3采用的是有机玻璃材料，“凸”型水箱2的其余部分则采用的是Q235钢材。凸出型加水箱侧部设有通过电磁阀控制的排水孔7，排水孔7的数量不少于2个。排水孔与流量计连接。排水孔侧部贴有刻度标尺，本实施例中，在刻度标尺上每隔10cm的整数刻度设置一个排水孔。凸出型加水箱侧部设有支撑杆，支撑杆包括斜支撑杆4和横支撑杆5，斜支撑杆4和横支撑杆5均与侧板连接。“凸”型水箱2和离心模型试验箱1之间设有侧壁支撑杆6，侧壁支撑杆6分别与“凸”型水箱2的侧板和离心模型试验箱1的内壁连接。凸出型加水箱上部不封闭。“口”型底板箱底部设有放水孔8。

上述离心模型试验装置之所以可以实现高水压模拟，是因为液体压强的固有特性，即在液体内某一深度处液体产生的压强与液体密度和高度有关，和容器形状无关，即

p＝ρgh

式中p为液体压强；ρ为液体密度；g为重力加速度；h为液面一下深度；

而液体在某一深度处对接触面产生的压力为

F＝ρghS

式中S为接触面面积。显然可见接触面所受压力只与该接触面面积和液体在该处产生的压强有关，与上部液体的重力无关。

离心机原型与模型尺寸比等于离心机提供的N倍重力加速度的倍数N，离心机内液体压强为

利用此原理，离心机提供的N不能太大，太大容易使试验数据失去准确性，想要提高水压力，必须提高水位高度h，因此设计水箱上部为窄长型，形成“凸”型。上部水箱较窄的部分只需要加少量水便可以提供很高的水位，并且减少了加入水的质量，但并不减少产生的压力。凸型设计还突破了离心机模型箱和离心转臂的尺寸限制，离心机模型箱设计的高度一般都在一米以下，本实施例的“凸”型设计，利用离心机转臂孔隙的空间，可以提高模型箱的使用高度。如果试验需要，还可以增加外接软管，继续提升水位。

基于上述原理，本装置可以实现高水压的模拟，具体的试验过程如下：

S1)将“凸”型水箱2安装在离心模型试验箱1中，在“凸”型水箱2的“口”型底板箱内防止试验用的仪器和材料，向不封闭上部的凸出型加水箱内加水至试验所需刻度；

S2)开始进行高水压离心模型试验，并判断该试验是否需要水压变化，若是则进入步骤S3)，若否则正常进行试验；

S3)在试验中通过电磁阀控制排水孔7打开以实现整数刻度水位的排水，如果需要整数刻度以内的精确水位控制，则计算所需排出的水量，并预设流量计的流量同时控制排水时间，打开排水孔7完成精确排水。

将上述装置和方法应用于海底隧道离心模型试验中，如图6所示，研究目标为高水压条件下盾构隧道管片与地层的相互作用，设置60m、50m，40m，30m，20m水位条件下的离心模拟试验。拟设计隧道管片外径为10m，厚度为350mm。依据现场隧道的实际尺寸、模量相似关系、模型箱的净空尺寸以及测量仪器的精度，并结合同济大学TLJ-150型土工离心机的工作条件，试验选择模型率为100，即试验过程中离心机稳定运转时加速度为100g。模型中地层模拟采用标准砂模拟，隧道埋深15cm。

表1模型尺寸对照表

试验前，在水箱内安放好试验用砂土、隧道模型，安装好测试仪器仪表。按照试验方案，模型比100，试验最低水位60m，经过换算在水箱内注入至60厘米刻度处水位。将“凸”型水箱2吊装安放在离心模型试验箱1内，固定侧壁支撑杆6。开始试验，待离心机转动稳定后，进行数据监测，30分钟后，砂土变形基本稳定，开始进行下一水位试验。控制电磁阀打开50cm处排水孔7，进行放水，监测流量计流量为零时，表明水位达到50cm，进行下一组试验。同理，之后几组试验按照相同方法进行。试验完毕后，残余的用水通过放水孔8排出。

Claims (5)

1.一种可实现高水压模拟的离心模型试验装置，包括离心机和安装在离心机上的离心模型试验箱，其特征在于，所述离心模型试验箱中设有一个“凸”型水箱，所述“凸”型水箱包括“口”型底板箱、凸出型加水箱和侧板，所述“口”型底板箱和凸出型加水箱完全连通，所述侧板与“口”型底板箱连接，所述“口”型底板箱低于离心模型试验箱，所述侧板与离心模型试验箱的高度相同，所述凸出型加水箱侧部设有支撑杆，所述支撑杆包括斜支撑杆和横支撑杆，所述斜支撑杆和横支撑杆均与侧板连接；

所述凸出型加水箱侧部设有通过电磁阀控制的排水孔，所述排水孔的数量不少于2个；所述排水孔与流量计连接；所述排水孔侧部贴有刻度标尺。

2.根据权利要求1所述的可实现高水压模拟的离心模型试验装置，其特征在于，所述“口”型底板箱的正面设有方形玻璃窗口。

3.根据权利要求1所述的可实现高水压模拟的离心模型试验装置，其特征在于，所述“凸”型水箱和离心模型试验箱之间设有侧壁支撑杆，所述侧壁支撑杆分别与“凸”型水箱的侧板和离心模型试验箱的内壁连接。

4.根据权利要求1所述的可实现高水压模拟的离心模型试验装置，其特征在于，所述凸出型加水箱上部不封闭。

5.根据权利要求1所述的可实现高水压模拟的离心模型试验装置，其特征在于，所述“口”型底板箱底部设有放水孔。