CN108918287A - 一种隧道蠕变模型试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道蠕变模型试验装置及试验方法,包括预留有若干个孔道的钢筋混凝土环和设在钢筋混凝土环内的两片环形钢板,在环形钢板之间上下装有若干片交错对接的弧形钢板和环形的支护结构,构成环形空间,在环形空间中填充有岩土相似材料;在孔道和弧形钢板之间定位有若干个液压千斤顶;在支护结构上分布有位移测量点、土压力计和应变片;通过控制系统控制若干个液压千斤顶对弧形钢板施加压力,测出支护结构所受压力以及其应变和位移,得到岩土相似材料的蠕变对隧道支护结构的影响。本发明能够有效模拟岩土材料的蠕变对隧道支护结构造成的影响,能够模拟实际隧道的不同受力情况。

Description

一种隧道蠕变模型试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程试验领域,具体涉及一种隧道蠕变模型试验装置及试验方法。
背景技术
随着我国交通事业的不断发展,越来越多的隧道投入建设或使用。岩土材料通常都具有蠕变特性。在岩土介质中开挖隧道,由于岩土材料的蠕变特性,隧道的变形以及作用在隧道支护结构上的压力可能会持续增加几个月或者几十年,才能达到稳定,并且极难预测,严重危机隧道运营安全。根据某些岩土介质蠕变特性明显的隧道的变形监测资料显示,形变压力也可能成为隧道支护压力的主要显现形式。因此,研究由于岩土材料的蠕变对隧道支护结构造成的影响显得十分必要。
目前,国内外已对岩土材料的蠕变行为进行了深入的研究,各种研究岩土材料蠕变性质的实验装置也复杂多样,如三轴蠕变仪,蠕变-多场耦合试验机等等。但是,目前而言仍没有一套针对岩土材料流变对隧道结构影响的试验设备被开发出来。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道蠕变模型试验装置及试验方法,通过该试验装置可有效模拟实际隧道围岩的蠕变对衬砌结构产生的影响,为隧道的设计提供重要参考,确保隧道的安全建设与运营。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明给出了一种隧道蠕变模型试验装置,包括预留有若干个孔道的钢筋混凝土环和设在钢筋混凝土环内的两片环形钢板,在所述环形钢板之间上下装有若干片交错对接的弧形钢板和环形的支护结构,构成环形空间,在所述环形空间中填充有岩土相似材料;
在所述孔道和弧形钢板之间定位有若干个液压千斤顶;在所述支护结构上环向分布有连接到控制系统的位移测量点、土压力计和应变片;
通过控制系统控制若干个液压千斤顶对弧形钢板施加压力,测出支护结构所受压力以及其应变和位移,得到岩土相似材料的蠕变对隧道支护结构的影响。
对于上述技术方案,本发明还有进一步优选的方案:
进一步,在所述两片环形钢板上分别对称环向间隔分布有贯通其钢板侧壁的多对螺栓,各片弧形钢板两端被每对螺栓夹持,并延伸出一段长度。
进一步,每对螺栓设在所述两片环形钢板的滑动槽中,各片弧形钢板与滑动槽相互垂直。
进一步,若干片弧形钢板通过其两侧的环形钢板对接构成环绕岩土相似材料的施力板;所述弧形钢板与所述液压千斤顶紧密接触。
进一步,所述位移测量点环向分布在支护结构内侧。
进一步,所述土压力计设在位移测量点外侧。
进一步,所述应变片贴在所述支护结构内环壁上。
本发明相应地给出了一种隧道蠕变模型试验方法,包括如下步骤:
步骤一:向弧形钢板与环形钢板间填充岩土相似材料;
步骤二:在填充有岩土相似材料的弧形钢板与环形钢板间布设位移测量点,并埋设土压力计和贴应变片,并安装支护结构;支护结构与环形钢板的内部轮廓线留有足够变形富余量;
步骤三:启动液压千斤顶,向弧形钢板传递压力,环形钢板再向岩土相似材料传递均匀压力,模拟地应力;液压千斤顶施加压力达到设定数值后,用螺栓固定好环形钢板,防止滑动;
步骤四:位移测量仪器量读取土压力计和应变片的初始数据;以环形钢板中心点为参考点,测出位移测量点到参考点的初始距离;
步骤五:每隔一段时间,读取土压力计和应变片的数据,以及位移测量点到参考点的距离,得到岩土材料的蠕变对隧道支护结构的影响。
通过上述隧道蠕变模型试验装置及方法,能够有效模拟岩土材料的蠕变对隧道支护结构造成的影响。
本发明具有以下优点:
1)利用分布较密集的千斤顶向弧形钢板传递压力,并通过弧形钢板向岩土材料传递均匀压力,有效防止了压力传递过程中的应力集中;
2)在千斤顶施加压力的时候,弧形钢板能够沿径向移动,避免了弧形钢板承担千斤顶的压力而造成的压力损失;
3)通过对不同的弧形钢板施加大小不同的压力,能够模拟实际隧道的不同受力情况。
附图说明
图1为本发明提供的结构示意图;
图2为本发明隧道蠕变装置横段面示意图;
图中:1.钢筋混凝土环;2.预留孔道;3.环形钢板;4.液压千斤顶;5.弧形钢板;6.岩土相似材料;7.螺栓;8.土压力计;9.滑动槽10.支护结构;11.应变片;12.位移测量点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1和图2,本发明隧道蠕变模型试验装置,包括钢筋混凝土环1,在钢筋混凝土环1内壁预留有若干个孔道2,24个液压千斤顶4通过预留孔道2定位并安装在钢筋混凝土环1上。在钢筋混凝土环1内设有两片环形钢板3,在环形钢板3之间上下装有若干片交错对接的弧形钢板5和环形的支护结构10,构成环形空间,在环形空间中填充有岩土相似材料。
其中,在两片环形钢板3上分别对称环向间隔分布有贯通其钢板侧壁的多对螺栓,各片弧形钢板5两端被每对螺栓夹持,并延伸出一段长度。若干片弧形钢板5通过其两侧的环形钢板3对接构成环绕岩土相似材料的施力板;弧形钢板5与液压千斤顶4紧密接触。在支护结构10上分布有连接到控制系统的位移测量点12、土压力计8和应变片11。通过控制系统控制若干个液压千斤顶4对弧形钢板5施加压力,测出支护结构10所受压力以及其应变和位移,得到岩土相似材料的蠕变对隧道支护结构的影响。
分布较密集的千斤顶向弧形钢板传递压力,并通过弧形钢板向岩土材料传递均匀压力,能够有效防止压力传递过程中的应力集中。
环形钢板3上设有8个滑动槽9,每个滑动槽9中穿过两个螺栓7,上下两片环形钢板3通过螺栓7连接;弧形钢板5与环形钢板3垂直连接,保证岩土相似材料受力为垂直方向。每片弧形钢板5的两端分别通过环形钢板上相邻的滑动槽,并沿环形钢板3伸出一定的长度,每一片弧形钢板5的两端部分别穿过并卡在滑动槽9中两个相邻螺栓7中间;且弧形钢板5与液压千斤顶4接触。在千斤顶施加压力的时候,弧形钢板能够沿径向移动,避免了弧形钢板承担千斤顶的压力而造成的压力损失。
在两片环形钢板3上设有环形的支护结构10,土压力计8设在支护结构10的外侧,与岩土相似材料6接触;应变片11贴在支护结构10内环壁上;并在支护结构10上设置位移测量点12,位移测量点12环向分布在支护结构10内侧并连接到位移测量仪器,土压力计8、应变片11分别连接到控制系统,通过测出位移测量点到参考点的距离得到岩土材料的蠕变对隧道支护结构的影响。
受岩土相似材料6的挤压作用,支护结构能够径向收缩。通过土压力计、位移测量点以及应变片的设置可以实时观测支护结构的荷载变形情况,得到基于岩土的流变对支护结构产生的影响的有效数据。
上述隧道蠕变模型试验装置的操作方法,包括以下步骤:
步骤一:定位并安装好千斤顶4与环形钢板3和弧形钢板5,向里填充岩土相似材料6;
步骤二:在填充有岩土相似材料6的弧形钢板5与环形钢板3间布设位移测量点12,并埋设土压力计8和贴应变片11,并安装支护结构10;支护结构与环形钢板的内部轮廓线留有足够变形富余量;
步骤三:启动液压千斤顶4,按照设计要求,利用液压千斤顶4向弧形钢板5传递压力,环形钢板5再向岩土相似材料6传递均匀压力,模拟地应力;液压千斤顶施加压力达到规定数值后,用螺栓7固定好环形钢板5,防止滑动;
步骤四:读取土压力计8和应变片11的初始数据,并做好记录;以环形钢板中心点为参考点,利用位移测量仪器量测出位移测量点12到参考点的初始距离;
步骤5:每隔一段时间,读取土压力计8和应变片11的数据,以及位移测量点12到参考点的距离,做好记录,得到岩土材料的蠕变对隧道支护结构的影响。
利用上述方案能够有效模拟岩土材料的蠕变对隧道支护结构造成的影响,从而预测隧道的变形以及作用在隧道支护结构上的压力,该方案对研究由于岩土材料的蠕变对隧道支护结构造成的影响有一定的指导作用。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种隧道蠕变模型试验装置,其特征在于,包括预留有若干个孔道(2)的钢筋混凝土环(1)和设在钢筋混凝土环(1)内的两片环形钢板(3),在所述环形钢板(3)之间上下装有若干片交错对接的弧形钢板(5)和环形的支护结构(10),构成环形空间,在所述环形空间中填充有岩土相似材料;
在所述孔道(2)和弧形钢板(5)之间定位有若干个液压千斤顶(4);在所述支护结构(10)上环向分布有连接到控制系统的位移测量点(12)、土压力计(8)和应变片(11);
通过控制系统控制若干个液压千斤顶(4)对弧形钢板(5)施加压力,测出支护结构(10)所受压力以及其应变和位移,得到岩土相似材料的蠕变对隧道支护结构的影响。
2.根据权利要求1所述的一种隧道蠕变模型试验装置,其特征在于,在所述两片环形钢板(3)上分别对称环向间隔分布有贯通其钢板侧壁的多对螺栓,各片弧形钢板(5)两端被每对螺栓夹持,并延伸出一段长度。
3.根据权利要求2所述的一种隧道蠕变模型试验装置,其特征在于,每对螺栓设在所述两片环形钢板(3)的滑动槽(9)中,各片弧形钢板(5)与滑动槽(9)相互垂直。
4.根据权利要求1所述的一种隧道蠕变模型试验装置,其特征在于,若干片弧形钢板(5)通过其两侧的环形钢板(3)对接构成环绕岩土相似材料的施力板;所述弧形钢板(5)与所述液压千斤顶(4)紧密接触。
5.根据权利要求1所述的一种隧道蠕变模型试验装置,其特征在于,所述位移测量点(12)环向分布在支护结构(10)内侧。
6.根据权利要求1所述的一种隧道蠕变模型试验装置,其特征在于,所述土压力计(8)设在位移测量点(12)外侧。
7.根据权利要求1所述的一种隧道蠕变模型试验装置,其特征在于,所述应变片(11)贴在所述支护结构(10)内环壁上。
8.一种权利要求1-7任一项所述的隧道蠕变模型试验方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:向弧形钢板与环形钢板间填充岩土相似材料;
步骤二:在填充有岩土相似材料的弧形钢板与环形钢板间布设位移测量点,并埋设土压力计和贴应变片,并安装支护结构;支护结构与环形钢板的内部轮廓线留有足够变形富余量;
步骤三:启动液压千斤顶,向弧形钢板传递压力,环形钢板再向岩土相似材料传递均匀压力,模拟地应力;液压千斤顶施加压力达到设定数值后,用螺栓固定好环形钢板,防止滑动;
步骤四:位移测量仪器量读取土压力计和应变片的初始数据;以环形钢板中心点为参考点,测出位移测量点到参考点的初始距离;
步骤五:每隔一段时间,读取土压力计和应变片的数据,以及位移测量点到参考点的距离,得到岩土材料的蠕变对隧道支护结构的影响。
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