CN107023301B - 用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置及方法，由数据收集系统与数据处理平台组成。高强度钢化玻璃与基座组成顶部不封闭的箱体式结构，结构内设压力承载台与应力测量网，玻璃侧壁设有刻度用以调节模拟吹砂厚度，所述数据处理平台与数据收集系统通过数据传输束相连，以一高性能计算机接收并处理随时间变化的应力、压力数据。本发明操作简单，能够真实还原落石对吹砂层冲击的物理过程；且具有足够强度，又能为冲击—缓冲过程的可视化提供条件；应力及冲击压力的量测结果可在计算机上实时显示并存储，可进一步处理研究吹砂缓冲的力学机理，为吹砂法处置溶洞、塌方提供施工参数优化。

Description

用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于隧道工程吹砂缓冲模型试验的试验装置及方法。

背景技术

隧道工程具有隐蔽性，在施工过程中，常常遇到塌方现象，虽然采取多种措施预防塌方，但是由于种种原因，此类现象仍难以避免；同时，我国岩溶发育分布较广，在岩溶地区修建隧道，常常遭遇溶洞。为保障隧道工程的施工安全、施工质量，吹砂法常被用以处理塌方及溶洞，其原理是在混凝土结构上吹以一定厚度的砂层减小垮塌落石的冲击力。

目前，对吹砂参数的确定主要依托于工程经验，对吹砂缓冲机理的研究方法主要是数值计算与模型试验。数值计算方法中广泛应用的有限元法将土体简化为连续介质，这是其固有的弊端，违背了土体的不连续性与各向异性。运用模型试验，不仅可以真实还原吹砂工法对落石冲击力的缓冲，亦能为数值计算提供计算参数与合理性验证。

针对上述问题，亟需发明一种模型试验装置，能够揭示吹砂缓冲机理，优化吹砂工法，确定数值计算参数，验证数值计算结果，提高隧道塌方与溶洞处置的施工质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种模型试验装置及方法，能够克服现有技术的不足，此装置结构简单，易于组装，能够直观观察落石冲击吹砂层的冲击过程，亦能够量测冲击应力波随时间、空间的变化规律，并可控制吹砂厚度、砂土种类、级配以进行施工参数优化。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置，包括数据收集系统与数据处理平台；

所述数据收集系统包括基座、紧固螺栓、应力测量网、压力测量台、应力传感器；

所述基座由紧固螺栓固定于地面，所述基座的四个面上分别设置一个钢化玻璃板，四个钢化玻璃板形成一个上部开口的箱体式结构；在其中两个相对的钢化玻璃板上设有刻度标码；所述应力测量网置于箱体结构的内部，应力测量网网格交叉处均匀布设应力传感器；所述压力测量台置于高强度钢化玻璃所构成的箱体结构底部；

所述数据处理平台与所述的压力测量台、应力测量网通过数据传输束相连，以一高性能计算机接收并处理随时间变化的应力、压力数据。

进一步的，所述应力测量网可沿深度方向按刻度标码设置多个监测断面，以研究应力的三维传播规律。

进一步的，所述应力测量网为多个“米字和口字”形成的网格结构，沿网格结构中线、对角线在网格线交界处均匀布设应力传感器；可测得同一横截面上不同方位的应力大小，进而推断应力传播路径与应力在不同空间位置的变化规律。

进一步的，所述的压力测量台为一密闭箱体构造，其顶面为承压结构，与缓冲砂接触；箱体内设高精度压电压力传感器，在受到上覆砂体重力与冲击力落石冲击力作用时，可输出不同压力值。

进一步的，所述数据处理平台与数据收集系统通过数据传输束相连，数据传输束置于套管之内。

进一步的，在仪器底部设置压力测量台，可测得上覆砂体自重与冲击压力。其测量原理为：仅上覆砂体时，压力测量台中压力传感器输出数据为上覆砂体自重；进行落实模拟冲击时，压力传感器输出的峰值压力减去上覆砂体自重即最大冲击力。

测量网结构固定：优选的，测量网可以是金属网，保证足够强度；

本发明提供三种优选的应力测量网与箱体的连接方式：测量网与箱体结构连接可以是焊接；可以是高强玻璃胶粘结；可以在玻璃箱体上焊接悬挂钩，将测量网悬挂于悬挂钩上。

优选的，应力传感器可以采用强力胶固定在测量网上。

本发明采用的方法如下：

A.对试验装置连线进行检查；

B.将指定级配及种类的砂从高强度钢化玻璃构成的试验箱顶部倒入，根据刻度标码调整至指定吹砂层厚度；

C.压力测量台输出砂体自重数据由数据传输束传至计算机存储；

D.在一定高度以一定初速度v将试验落石沿竖直方向下落冲击，应力测量网和压力测量台由数据传输束向计算机传输数据；同时，可用动态观察冲击-缓冲过程；

E.计算机对数据进行处理，得到应力传播随空间位置的变化规律、应力-时间图像，承载压力-时间图像，并根据所得数据对吹砂缓冲能力进行评估。

本发明的有益效果：

1)操作简单，能够真实还原落石对吹砂层冲击的物理过程；

2)高强度钢化玻璃在保证试验装置强度的同时，亦为冲击—缓冲过程的可视化提供了条件；

3)设置刻度，可对吹砂层厚度进行调整，为参数分析创造了条件；

4)沿深度布设应力测量网可用以测量同一平面应力随深度的变化规律，同时亦可测量应力在平面内的传播规律，二者结合可测量应力的空间传播规律；

5)底部承载板内置压力传感器可方便地记录压力随时间的变化规律。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置前视图；

图2一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置俯视图；

图3一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置应力测量网示意图；

图中，1—基座；2—紧固螺栓；3—高强度钢化玻璃；4—刻度标码；5—应力测量网；6—压力测量台；7—数据传输束；8—计算机；9—应力传感器；10—试验用砂；11—试验落石。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1、图2所示空间位置，基座1通过紧固螺栓2固定于地面，保持模型试验装置的稳定性；模型试验箱顶面不封闭，其四壁由高强度钢化玻璃3组成，可透过高强度钢化玻璃3直观观察落石冲击吹砂层的过程；模型试验箱最底端设压力测量台6，用以记录承载压力；应力测量网5结构形态如图3所示，网格交叉处设置应力传感器9，用以记录应力的数值与传播路径；应力测量网及压力测量台所测数据由数据传输束7传输于计算机8中进行存储与数据处理。

所述高强度钢化玻璃3左右面设置刻度标码4。

所述刻度标码4用以标定吹砂层厚度。

所述压力测量台6内设高精度压电压力传感器，用以记录压力。

所述应力测量网5中网格可以是钢网，以提高强度。

优选的，所述应力测量网5可沿深度方向按刻度标码4设置多个监测断面，以研究应力的三维传播规律。

优选的，数据传输束7可将各传输线集中置于一套管中，用于保护数据传输通道。

优选的，可以通过压力测量台所测的不同吹砂层厚度下的最大实测压力对吹砂层厚度进行优化调整。

进一步的，在仪器底部设置压力测量台，可测得上覆砂体自重与冲击压力。其测量原理为：仅上覆砂体时，压力测量台中压力传感器输出数据为上覆砂体自重；进行落实模拟冲击时，压力传感器输出的峰值压力减去上覆砂体自重即最大冲击力。

测量网结构固定：优选的，测量网可以是金属网，保证足够强度；

下面，结合一实施例对本发明进行进一步的描述。

A.对试验装置连线进行检查；

B.将指定级配及种类的砂从高强度钢化玻璃3构成的试验箱顶部倒入，根据刻度标码4调整至指定吹砂层厚度；

C.压力测量台6输出砂体自重数据由数据传输束7传至计算机8存储；

D.在一定高度以一定初速度v将试验落石11沿竖直方向下落冲击，应力测量网5和压力测量台6由数据传输束7向计算机8传输数据；同时，可用动态观察冲击-缓冲过程；

E.计算机8对数据进行处理，得到应力传播随空间位置的变化规律、应力-时间图像，承载压力-时间图像，并根据所得数据对吹砂缓冲能力进行评估。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

1)操作简单，能够真实还原落石对吹砂层冲击的物理过程；

2)高强度钢化玻璃在保证试验装置强度的同时，亦为冲击—缓冲过程的可视化提供了条件；

3)设置刻度，可对吹砂层厚度进行调整，为参数分析创造了条件；

4)沿深度布设应力测量网可用以测量同一平面应力随深度的变化规律，同时亦可测量应力在平面内的传播规律，二者结合可测量应力的空间传播规律；

5)底部承载板内置压力传感器可方便地记录压力随时间的变化规律。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置，其特征在于，包括数据收集系统与数据处理平台；

所述数据收集系统包括基座、紧固螺栓、应力测量网、压力测量台、应力传感器；

所述基座由紧固螺栓固定于地面，所述基座的四个面上分别设置一个钢化玻璃板，四个钢化玻璃板形成一个上部开口的箱体式结构；在其中两个相对的钢化玻璃板上设有刻度标码；所述应力测量网置于箱体结构的内部，应力测量网网格交叉处均匀布设应力传感器；所述压力测量台置于高强度钢化玻璃所构成的箱体结构底部；

所述数据处理平台与所述的压力测量台、应力测量网通过数据传输束相连，以一高性能计算机接收并处理随时间变化的应力、压力数据；

所述的压力测量台为一密闭箱体构造，其顶面为承压结构，与缓冲砂接触；箱体内设高精度压电压力传感器，在受到上覆砂体重力与冲击力落石冲击力作用时，可输出不同压力值；

所述应力测量网可沿深度方向按刻度标码设置多个监测断面，以研究应力的三维传播规律。

2.如权利要求1所述的一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置，其特征在于，所述应力测量网为多个“米字和口字”形成的网格结构，沿网格结构中线、对角线在网格线交界处均匀布设应力传感器。

3.如权利要求1所述的一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置，其特征在于，所述基座的材料密度应大于尺身材料密度。

4.如权利要求1所述的一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置，所述数据处理平台与数据收集系统通过数据传输束相连，数据传输束置于套管之内。

5.利用权利要求1-4任一所述的一种用于研究隧道工程吹砂缓冲机理的模型试验装置进行试验的方法，其特征在于：

A.对试验装置连线进行检查；

B.将指定级配及种类的砂从高强度钢化玻璃构成的试验箱顶部倒入，根据刻度标码调整至指定吹砂层厚度；

C.压力测量台输出砂体自重数据由数据传输束传至计算机存储；

D.在一定高度以一定初速度v将试验落石沿竖直方向下落冲击，应力测量网和压力测量台由数据传输束向计算机传输数据；同时，可用动态观察冲击-缓冲过程；

E.计算机对数据进行处理，得到应力传播随空间位置的变化规律、应力-时间图像，承载压力-时间图像，并根据所得数据对吹砂缓冲能力进行评估。