CN108007760A - 隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置 - Google Patents

隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其包括箱体，箱体内设置有动力部，动力部包括通过安装架设置的液压千斤顶，液压千斤顶的下端与加载部连接，加载部包括加载板，加载板下方固定连接有支架，支架的末端活动安装有加载条带；箱体的左右两侧内壁上对称布置安装槽，安装槽内设置有隔板安装槽，隔板安装槽上安装有隔板；箱体前后两侧内壁上对称设置有模型支座；箱体的底板上安装有监测部，监测部包括位移传感器。本发明可以实现土体均匀、非均匀加载，对隧道衬砌结构正穿不同产状软硬互层或断裂破碎带等地质条件下的纵向受力及变形特征进行研究，还可模拟隧道结构存在的隧道上浮等局部加载的情况。

Description

隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置
技术领域
本发明涉及一种试验装置，特别涉及一种隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置。
背景技术
隧道在施工或运营期间，因隧道所处软硬互层地层条件以及断裂破碎带、溶洞、风化囊槽等地质缺陷、既有地下及地表建构筑物基础、地表局部集中荷载等，使得隧道纵向受力及变形状态复杂，极易导致隧道结构物的不均匀沉降变形、局部应力集中，产生重大的安全隐患，进行相关研究是非常必要的。目前，既有的研究主要集中在隧道纵向开挖掘进对周围地层的影响方面，针对隧道结构纵向力学特性的研究多为数值模拟方式，而相关的试验研究开展较少，导致研究隧道纵向力学特性的相关试验设备功能也较为简单，难以满足目前研究需求。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供了一种能够对隧道衬砌结构正穿不同产状软硬互层或断裂破碎带等地质条件下的纵向受力及变形特征进行研究的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
提供了一种隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其包括箱体，箱体内设置有动力部，动力部包括设置于箱体内的安装架，安装架的上部设置有横杆，横杆上设置有液压千斤顶，液压千斤顶的下端与加载部连接，加载部包括加载板，加载板下方固定连接有支架，支架的末端活动安装有加载条带；箱体与安装架平行的两侧内壁上对称布置安装槽，安装槽内设置有隔板安装槽，隔板安装槽上安装有隔板；箱体未设置安装槽的两侧内壁上对称设置有模型支座；箱体的底板上安装有监测部，监测部包括位移传感器。
上述技术方案中，优选的，安装架上平行设置有若干液压千斤顶，液压千斤顶的下端固定安装有卡盘。
上述技术方案中，优选的，还包括用于固定隧道模型端部并套设于模型支座上的固定带，模型支座呈U形，箱体上位于模型支座的U形结构内侧的位置处设置有观察孔；箱体外壁上设置有固定架。
上述技术方案中，优选的，加载板由若干块平板组成，加载板与箱体底面平行。
上述技术方案中，优选的，加载板上设置有用于与卡盘连接的卡盘固定扣；支架上套设有保护套筒。
上述技术方案中，优选的，支架的末端设置有锁扣部，锁扣部包括支架下端一侧延伸出的短杆，支架下端的另一侧开设有安装孔，安装孔内通过弹簧安装有伸缩柱，短杆末端连接有横向连杆，横向连杆的上端设置有锁扣固定柱，锁扣固定柱上端与伸缩柱的下端相接触。
上述技术方案中，优选的，安装槽内安装有可调整卡板，可调整卡板上通过螺栓安装有隔板安装槽，所述隔板安装槽中部设置有用于安装螺栓的条形卡孔。
上述技术方案中，优选的，隔板与箱体底面呈倾斜方向设置，隔板安装槽平行设置有两个。
上述技术方案中，优选的，隔板的中部通过铰链对称设置有两块活动板，两块活动板相接处的上部设置有相互配合的固定插销，活动板相接处的下部设置有弧形开口，两块活动板的弧形开口共同构成用于套接隧道模型的通过孔。
上述技术方案中，优选的，监测部包括用于与隧道模型相接触的传递导杆，传递导杆上各套设有一个环形的导杆保护筒，传递导杆的末端与位移传感器连接，位移传感器固定设置于传感器支撑架上。
本发明提供的上述隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置的主要有益效果为：
通过设置动力部和加载部，并通过液压千斤顶末端的卡盘与卡盘固定扣连接，将液压千斤顶的压力通过加载板、支架和加载条带，将局部压力施加于隧道模型上，进而可以模拟土体表面非均匀加载或管片上浮等结构局部加载等情况下隧道的纵向受力变形的情况进行模拟。
通过设置隔板及模型支座，将隧道模型放置于模型支座上，再将隔板套设于隧道模型上，再向箱体内填筑土体，通过隔板将箱体内的空间分为多个部分，进而可以向不同部分内填充不同类型的土体，从而模拟隧道衬砌结构正穿不同产状软硬互层或断裂破碎带等地质条件下的纵向受力及变形特征。
通过设置监测部，将传递导杆与隧道模型相接触，根据隧道模型在土体的压力或液压千斤顶通过加载条带施加的纵向压力作用下发生的形变，引起传递导杆的相对位移，从而通过位移传感器获得相应的位移数据，即可分析隧道模型的纵向受力及变形特征。
通过在箱体外壁上设置固定架，可以将本试验装置用于振动台模型试验，在试验过程中可同时利用液压千斤顶加载，进而模拟在超载情况下隧道纵向振动特性。
附图说明
图1是本发明隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置的半剖视图。
图2是箱体与动力部的结构示意图。
图3是本实验装置的俯视图。
图4是模型支座部分的连接关系示意图。
图5是可调整卡槽部分的结构示意图。
图6是加载部的结构示意图。
图7是锁扣部与加载条带的连接关系示意图。
图8是锁扣部的结构示意图。
图9是加载部与隧道模型的连接关系示意图。
图10是隔板与隧道模型的连接关系示意图。
图11是隔板的结构示意图。
图12是另一种隔板的结构示意图。
图13是监测部的结构示意图。
其中，1、动力部，11、横杆，12、液压千斤顶，121、卡盘，2、箱体，21、模型支座，211、固定带，22、安装槽，23、观察孔，24、固定架，3、加载部，31、加载板，311、卡盘固定扣，32、支架，321、锁扣固定柱，322、伸缩柱，323、横向连杆，33、保护套筒，34、加载条带，4、隧道模型，5、监测部，51、传递导杆，52、导杆保护筒，53、位移传感器，54、传感器支撑架，6、土体，7、可调整卡板，71、隔板安装槽，72、隔板，721、固定插销，722、活动板，723、通过孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，其为本发明隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置的半剖视图。
本发明的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置包括箱体2，箱体2外壁上设置有固定架24，箱体2前后两侧内壁上对称设置有模型支座21，模型支座21呈U形；当安装上隧道模型4时，本装置还包括用于固定隧道模型4端部并套设于模型支座21上的固定带211，固定带211类似常见皮带结构；箱体2位于模型支座21的上方邻近位置处设置有观察孔23。
箱体2底面上安装有动力部1，动力部1包括设置于箱体2底面的安装架，安装架的上部设置有横杆11，横杆11位于箱体2顶部上方，横杆11下部固定设置有若干液压千斤顶12，液压千斤顶12的下端与加载部3连接，加载部3包括加载板31，加载板31可以为一整块平板，此时本实验装置用于模拟土体表面对隧道模型4施加均匀纵向载荷时的纵向受力和形变特征；加载板31也可以由若干块平板组成，如图3所示，此时本实验装置用于模拟土体表面对隧道模型4施加非均匀载荷时的受力和形变特征；加载板31与箱体2底面平行。
加载板31下方固定连接有支架32，支架32的末端活动安装有加载条带34，加载条带34可以有一个或两个，当只有一个加载条带34时，加载条带34包覆隧道模型4的上半部分外壁或下半部分外壁，此时可以用于模拟管片上浮或下沉等结构局部单向加载情况下隧道的纵向受力变形的情况；当有两个加载条带34时，如图9所示，加载条带34从上下两个方向包覆隧道模型4的外壁，此时可以用于模拟管片上浮或下沉等结构局部加载情况下隧道的纵向受力变形的情况，且相比单个加载条带34时，更有利于固定隧道模型4，便于监测纵向形变数据。
箱体2的左右两侧内壁上对称布置安装槽22，安装槽22内设置有隔板安装槽71，隔板安装槽71上安装有隔板72；通过设置隔板72及模型支座21，将隧道模型4放置于模型支座上，再将隔板72套设于隧道模型4上，再向箱体2内填筑土体，通过隔板72将箱体2内的空间分为多个部分，进而可以向不同部分内填充不同类型的土体6，如图10所示，从而模拟隧道衬砌结构正穿不同产状软硬互层或断裂破碎带等地质条件下的纵向受力及变形特征。
箱体2的底板上安装有监测部5，监测部5包括用于与隧道模型4相接触的传递导杆51，传递导杆51上套设有若干环形的导杆保护筒52，导杆保护筒52便于传递导杆51在隧道模型4的纵向形变下发生位移时，不受包括传递导杆51的土体6的摩擦力影响测量的准确性；传递导杆51的末端与位移传感器53连接，位移传感器53固定设置于传感器支撑架54上。
通过设置监测部5，将传递导杆51与隧道模型4相接触，通过隧道模型4在土体6的压力或液压千斤顶12通过加载条带34施加的压力作用下发生的形变，引起传递导杆51的相对位移，从而通过位移传感器53获得相应的纵向位移数据，即可分析隧道模型4的纵向受力及变形特征。
通过在箱体2外壁上设置固定架24，可以将本试验装置用于振动台模型试验，在试验过程中可同时利用液压千斤顶12加载，进而模拟在超载情况下隧道纵向振动特性。
下面是本试验装置在实际使用中的步骤说明：
本试验装置在具体使用中通常包括四个步骤：
步骤一、填筑下部土体，首先将位移传感器53固定于传感器支撑架54，然后分层填筑土体至模型支座21下沿高度并压实，在土体过程中安装传递导杆51与导杆保护筒52。
步骤二、固定隧道模型，将拼装完毕的隧道模型4放入箱体2内并布置测试仪器，隧道模型4纵向端部安置于模型支座21上，并用固定带211进行端部固定，固定方式如图4所示，测试仪器数据线及位移传感器53均由观察孔23引出。
步骤三、填筑剩余土体，在隧道模型4上部位置分层填筑剩余土体至接近箱体2顶部位置并压实，然后在土层表面覆盖加载板31。
步骤四、分级施加荷载，根据试验需要利用液压阀控制液压千斤顶12依次施加各级荷载，在施加每级荷载至结构稳定后，立即获取应变、纵向位移等试验数据，后利用计算机进行处理。
下面是本试验装置的一个具体实施例：
本实施例和上述具体实施方式的区别在于，液压千斤顶12的下端固定安装有卡盘121，如图3所示，加载板31上设置有用于与卡盘121连接的卡盘固定扣311，如图6所示，通过将卡盘121与卡盘固定扣311连接，即可通过液压千斤顶12向加载板31施加载荷，通过将卡盘121与卡盘固定扣311拆开，即可方便的拆卸加载板31等部件；相比于上述具体实施方式中的结构，可实现隧道结构局部加载，且更便于试验装置各部件的安装和使用，提高效率。
下面是本试验装置的第二个具体实施例：
本实施例和上述具体实施方式的区别在于，如图8所示，支架32的末端设置有锁扣部，锁扣部包括支架32下端一侧延伸出的短杆，支架下端的另一侧开设有安装孔，安装孔内通过弹簧安装有伸缩柱322，短杆末端连接有横向连杆323，横向连杆323的上端设置有锁扣固定柱321，锁扣固定柱321上端与伸缩柱322的下端相接触。
通过压缩伸缩柱322，即可将加载条带34放入锁扣部，进而使支架32与加载条带34连接，且能保证加载条带34端部足够的活动空间，便于适应加载条带34包裹隧道模型4后，引起的加载条带34端部形变。
通过设置锁扣部，便于加载条带34的安装和拆卸，进而提高了工作效率。
下面是本试验装置的第三个具体实施例：
本实施例和上述具体实施方式的区别在于，支架32上套设有保护套筒33，保护套筒33的截面可以呈字母“C”型，如图6所示，也可以成包裹支架32的圆筒型，如图9所示。
通过设置保护套筒33，使得支架32在加载板31作用下，在土体6里上下移动，并带动加载条带34向隧道模型4施力时，减少土体6的摩擦力对支架32的影响，提高试验和测量的准确性。
下面是本试验装置的第四个具体实施例：
本实施例和上述具体实施方式的区别在于，安装槽22内安装有可调整卡板7，如图5所示，可调整卡板7上通过螺栓安装有隔板安装槽71，隔板安装槽71中部设置有用于安装螺栓的条形卡孔；隔板72呈与箱体2底面倾斜方向设置，隔板安装槽71平行设置有两个，每个隔板安装槽71内均安装有一个隔板72；此时，本试验装置可用于进行模拟隧道穿越断裂破碎带和模拟隧道穿越软硬互层的试验，其具体步骤如下：
其一、模拟隧道穿越断裂破碎带试验，在前述装置具体使用步骤的步骤三中，填筑剩余土体时进行断裂破碎带模拟。首先确定断裂破碎带的位置、形态，如图10所示，通过可改变调整卡槽板7位置并设置隔板72，将隧道模型4及上部填土区域分为左、中、右三个区域，其中断裂破碎带位于中间区域，利用模型土填筑左右两个区域至地表位置，拆除隔板72，然后利用细砂、粉细砂填筑中间区域至接近箱体2顶部位置，以此模拟断裂破碎带。
其二、模拟隧道穿越软硬互层，在前述装置具体使用步骤的步骤三中，填筑剩余土体6时进行软硬互层模拟。首先确定软硬互层交界面的位置、产状，通过可改变调整卡槽板7位置并设置隔板72，将隧道模型4及上部填土区域分为左、中、右三个区域，如图10所示，其中任选一个区域或两个区域为软土层，剩下区域为硬土层，利用模型土、软土与硬土分别填筑对应两个区域至接近箱体2顶部位置，最后拆除隔板72。
下面是本试验装置的第五个具体实施例：
本实施例和上述具体实施方式的区别在于，隔板72的中部通过铰链对称设置有两块活动板722，如图11所示，两块活动板722相接处的上部设置有相互配合的固定插销721，活动板722相接处的下部设置有弧形开口，两块活动板722的弧形开口共同构成用于套接隧道模型4的通过孔723。
通过将隔板72设置为此结构，能够方便的适用于需要调整隔板72倾斜角度的情况，以保证与隧道模型4连接的紧密性，从而更有效地模拟隧道衬砌结构正穿不同产状软硬互层或断裂破碎带等地质条件下的纵向受力及变形特征。
下面是本试验装置的第六个具体实施例：
本实施例和上述具体实施方式的区别在于，隔板72的下侧中部开设有倒U型结构，如图12所示，通过将隔板设置为这一结构，可适用于马蹄形隧道模型结构。
上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，包括箱体(2)，箱体(2)内设置有动力部(1)，所述动力部(1)包括设置于箱体(2)内的安装架，安装架的上部设置有横杆(11)，横杆(11)上设置有液压千斤顶(12)，液压千斤顶(12)的下端与加载部(3)连接，所述加载部(3)包括加载板(31)，加载板(31)下方固定连接有支架(32)，支架(32)的末端活动安装有加载条带(34)；
所述箱体(2)与安装架平行的两侧内壁上对称布置安装槽(22)，安装槽(22)内设置有隔板安装槽(71)，隔板安装槽(71)上安装有隔板(72)；箱体(2)未设置安装槽(71)的两侧内壁上对称设置有模型支座(21)；箱体(2)的底板上安装有监测部(5)，所述监测部(5)包括位移传感器(53)。
2.根据权利要求1所述的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，所述安装架上平行设置有若干液压千斤顶(12)，液压千斤顶(12)的下端固定安装有卡盘(121)。
3.根据权利要求1所述的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，还包括用于固定隧道模型(4)端部并套设于模型支座(21)上的固定带(211)，所述模型支座(21)呈U形，箱体(2)上位于模型支座(21)的U形结构内侧的位置处设置有观察孔(23)；箱体(2)外壁上设置有固定架(24)。
4.根据权利要求1所述的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，所述加载板(31)由若干块平板组成，加载板(31)与箱体(2)底面平行。
5.根据权利要求1所述的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，所述加载板(31)上设置有用于与卡盘(121)连接的卡盘固定扣(311)；所述支架(32)上套设有保护套筒(33)。
6.根据权利要求1所述的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，所述支架(32)的末端设置有锁扣部，所述锁扣部包括支架(32)下端一侧延伸出的短杆，支架下端的另一侧开设有安装孔，安装孔内通过弹簧安装有伸缩柱(322)，短杆末端连接有横向连杆(323)，横向连杆(323)的上端设置有锁扣固定柱(321)，锁扣固定柱(321)上端与伸缩柱(322)的下端相接触。
7.根据权利要求1所述的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，所述安装槽(22)内安装有可调整卡板(7)，可调整卡板(7)通过螺栓安装有隔板安装槽(71)，所述隔板安装槽(71)中部设置有用于安装螺栓的条形卡孔。
8.根据权利要求7所述的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，所述隔板(72)与箱体(2)底面倾斜方向设置，所述隔板安装槽(71)平行设置有两个。
9.根据权利要求1或8所述隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，所述隔板(72)的中部通过铰链对称设置有两块活动板(722)，两块活动板(722)相接处的上部设置有相互配合的固定插销(721)，活动板(722)相接处的下部设置有弧形开口，两块活动板(722)的弧形开口共同构成用于套接隧道模型(4)的通过孔(723)。
10.根据权利要求1所述的隧道衬砌结构纵向力学特型试验装置，其特征在于，所述监测部(5)包括用于与隧道模型(4)相接触的传递导杆(51)，传递导杆(51)上各套设有一个环形的导杆保护筒(52)，传递导杆(51)的末端与位移传感器(53)连接，位移传感器(53)固定设置于传感器支撑架(54)上。
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