CN108956940B - 模拟隧道开挖的物理模型试验设备及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备及其方法，该设备包括：包括拱架、主轴管、囊体以及应变片；其中：主轴管置于拱架的内部区域，拱架的内部区域通过主轴管至少分隔成两个部分，其中一部分为处于主轴上侧、与拱架的弧形拱顶围合而成的弧形区域，另一部分为处于主轴下侧、与弧形拱顶两端的支撑墙围合而成的方形区域；囊体具有两种形状，分别为弧形囊、方形囊；弧形囊置放于弧形区域，而方形囊则置放于方形区域；每一个囊体均具有进孔、出孔，且每一个囊体的进孔、出孔均各自配装一根引流管；拱架的外侧具有若干检测自身形变的应变片；采用本装置，具有可实现室内隧道开挖模拟，为岩土工程室内模型试验提供有力的测试工具。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备，属于岩土工程领域中一种能够真实模拟隧道开挖时结构内力变化和土体变形的物理模型试验装置。
背景技术
随着我国经济的高速发展，我国公路、建筑和水利建设事业也随之蓬勃发展，基坑工程是所有工程都需要重视的，因为支护结构的不稳定常常会给施工带来灾难性的后果。工程的建设离不开室内试验，尤其是室内模型试验可以通过缩小构件的比例尺来模拟工程建设和使用中的受力情况和变形情况，这对于工程项目建成以后的稳定性和适用性具有很大的指导意义。隧道开挖所需的时间长，开挖时，需要分为若干个小断面开挖，而且每个断面开挖时，一般并不是同时施工，而是分台阶开挖的，由于模型较小，以往的室内物理模型试验都是每个断面同时开挖的。。
发明内容
技术问题： 本发明的目的是针对现有隧道开挖模拟扰动大和不能分断面、分台阶开挖模拟而设计一种能够真实模拟隧道开挖过程设备。本发明可以根据试验需要，实现隧道开挖的真实模拟，而且还可以模拟分断面、分台阶开挖，此设备制造简单、造价低廉，是岩土工程领域一种经济、实用的物理模型试验设备。
技术方案： 为实现上述发明目的，本发明所述的模拟隧道开挖的物理模型试验设备，可采用如下技术方案：
一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备，包括拱架（5）、主轴管（2）、囊体以及应变片（6）；其中：
主轴管（2）置于拱架（5）的内部区域，拱架（5）的内部区域通过主轴管至少分隔成两个部分，其中一部分为处于主轴上侧、与拱架的弧形拱顶围合而成的弧形区域，另一部分为处于主轴下侧、与弧形拱顶两端的支撑墙围合而成的方形区域；
囊体具有两种形状，分别为弧形囊（1）、方形囊（4）； 弧形囊（1）置放于弧形区域，而方形囊（4）则置放于方形区域；
每一个囊体均具有进孔（7）、出孔（8），且每一个囊体的进孔、出孔均各自配装一根引流管；
拱架（5）的外侧具有若干检测自身形变的应变片（6）；
当弧形囊（1）通过进孔（7）充满气体或者液体时，弧形囊（1）能够与弧形区域的内壁契合；
当弧形囊（1）通过出孔（8）排出自身内部填充的气体或者液体时，拱架（5）发生应力变化，并通过应变片（6）检测反馈；
当方形囊（4）通过进孔（7）充满气体或者液体时，方形囊（4）能够与方形区域的内壁契合；
当方形囊（4）通过出孔（8）排出自身内部填充的气体或者液体时，拱架（5）发生应力变化，并通过应变片（6）检测反馈；
作为本发明的进一步改进，所述主轴管包括中部位置处的空心管状本体以及均匀分布在该空心管状本体外侧的翼缘；
所述的翼缘，包括对称地横向分布在空心管状本体外侧的左翼缘以及右翼缘；
拱架（5）的弧形区域、方形区域之间通过左翼缘、右翼缘而分隔开，
所述的空心管状本体，管壁开设引流管穿行孔；各引流管的一端与囊体连接，另一端则穿过引流管穿行孔后，由空心管状本体的管口引出。
作为本发明的进一步改进，所述的翼缘，还包括对称地竖向分布在空心管状本体外侧的上翼缘以及下翼缘；
上翼缘、下翼缘沿着拱架的中线布置，且上翼缘的上端与弧形拱顶的顶部相触；
拱架（5）的弧形区域通过上翼缘分隔为两部分，分别为左上侧区域、右上侧区域；而拱架（5）的方形区域通过下翼缘分隔为两部分，分别为左下侧区域、右下侧区域；
弧形囊（1）具有两个，分别对应地安置于左上侧区域、右上侧区域；方形囊（4）具有两个，分别对应地安置于左下侧区域、右下侧区域。
作为本发明的进一步改进，囊体均为薄膜囊状结构；材质为塑料或橡胶，壁厚为0.075mm~0.15mm；大小为5cm~50cm，厚度为2cm~200cm；弧形囊（1）形状为半圆形或者椭圆形或者马蹄形，方形囊（4）为正方形或者长方形；。
作为本发明的进一步改进，进孔（7）和出孔（8）形状为圆形、方形、菱形或者任意多边形小孔，大小为5mm~20mm。
作为本发明的进一步改进，引流管（3）大小为5mm~20mm，并与进孔（7）或出孔（8）适应。
作为本发明的进一步改进，空心管状本体为圆形或椭圆形或方形或多边形，材质为木质或塑料或金属，管壁厚1mm~10mm；翼缘的材质为木质或塑料或金属，高度为5cm~50cm，长度为2cm~200cm，并与弧形囊（1）和方形囊（4）相匹配。
作为本发明的进一步改进，拱架（5）的材质为木质或塑料或金属，壁厚为1mm~10mm，宽度为1mm~50mm，高度为5cm~50cm，并与弧形囊（1）和方形囊（4）相匹配。
本发明的另一个技术目的是提供一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备的使用方法，包括以下步骤：
一、试验设备组装
1.1、在拱架（5）外侧粘贴应变片（6），应变片（6）通过导线与应变监测仪连接；
1.2、埋置拱架（5）到试验位置，在拱架（5）内部安装主轴管（2）；
1.3、主轴管（2）安装完毕后，安装囊体；囊体包括两个弧形囊（1）和两个方形囊（4）；两个弧形囊（1）分别为第一个弧形囊、第二个弧形囊，两个方形囊（4）分别为第一个方形囊、第二个方形囊；安装时，分块进行；
1.4、在主轴管（2）与囊体上进孔、出孔相应的位置处打上引流管穿行孔；引流管的一端与囊体连接，另一端则穿过引流管穿行孔后，由空心管状本体的管口引出，以与压力泵连接；完成整个设备组装；
（二）开挖过程模拟
2.1、打开压力泵和进孔（7）的引流管（3），使弧形囊（1）和方形囊（4）充满气体或液体；
2.2、依次打开各引流管（3），使得与该引流管（3）连接的囊体内的液体或者气体排出，以模拟隧道分段开挖过程，具体是：
2.2.1、先打开与第一个弧形囊出孔连接的引流管（3），使第一个弧形囊内部的液体或气体排出；
2.2.2、打开与第二个弧形囊出孔连接的引流管（3），使第二个弧形囊内部的液体或气体排出；
2.2.3、然后打开与第一个方形囊出孔连接的引流管（3），使第一个方形囊内部的液体或气体排出；
2.2.4、打开与第二个方形囊出孔连接的引流管（3），使第二个方形囊内部的液体或气体排出。
有益效果： 与传统测试技术相比，本发明具有如下的优点：
1、本发明采用充有液体或者气体的囊体模拟隧道拱架内部的土方，并通过逐步排出囊体内充填的液体或者气体，对拱架造成的应变情况，来模拟实际隧道开挖过程中，土方挖出后，拱架的受力情况和变形情况，由此可知，本发明能够较为真实地模拟隧道开挖过程中，土和内衬构件应力应变的变化情况；另外，本发明可以根据实际工程调整开挖进程，且开挖过程中不容易扰动土体。
2、本发明在拱架内安装主轴管，以将拱架的内部区域至少分隔成两个区域，每个区域相互独立，模拟开挖时，可以独立地将某个区域的囊体中充有的液体或者气体的排出，模拟实际隧道开挖该部分，可以根据需要模拟开挖不同的部位。由此可知，本发明能够较为真实地模拟隧道分断面、分台阶开挖时，拱架的受力情况和变形情况。
3、本发明将主轴管设置成中部的管状结构，外侧布置翼缘，使得中部的管状结构同时具有引流管“布线”的作用，结构巧妙，外侧翼缘分隔拱架内部区域，使得模拟隧道分段开挖，成为现实。
附图说明
图1是本发明用于一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备的结构示意图。
其中有：弧形囊1、主轴管2、引流管3、方形囊4、拱架5、应变片6、进孔7、出孔8。
图2是本发明用于一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备的拱架示意图。
其中有：拱架5、应变片6。
图3是本发明用于一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备的弧形囊示意图。
其中有：弧形囊1、引流管3。
图4是本发明用于一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备的方形囊示意图。
其中有：方形囊4、引流管3。
图5是本发明用于一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备的主轴管示意图。
其中有：主轴管2、引流管穿行孔1-2、翼缘1-1。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明所述的模拟隧道开挖的物理模型试验设备，包括拱架、主轴管、囊体以及应变片；其中：
主轴管置于拱架的内部区域，拱架的内部区域通过主轴管至少分隔成两个部分，其中一部分为处于主轴上侧、与拱架的弧形拱顶围合而成的弧形区域，另一部分为处于主轴下侧、与弧形拱顶两端的支撑墙围合而成的方形区域；
囊体具有两种形状，分别为弧形囊、方形囊； 弧形囊置放于弧形区域，而方形囊则置放于方形区域；
每一个囊体均具有进孔、出孔，且每一个囊体的进孔、出孔均各自配装一根引流管；
拱架的外侧具有若干检测自身形变的应变片；
当弧形囊通过进孔充满气体或者液体时，弧形囊能够与弧形区域的内壁契合；
当弧形囊通过出孔排出自身内部填充的气体或者液体时，拱架发生应力变化，并通过应变片检测反馈；
当方形囊通过进孔充满气体或者液体时，方形囊能够与方形区域的内壁契合；
当方形囊通过出孔排出自身内部填充的气体或者液体时，拱架发生应力变化，并通过应变片检测反馈；
主轴管包括中部位置处的空心管状本体以及均匀分布在该空心管状本体外侧的翼缘；
所述的翼缘，包括对称地横向分布在空心管状本体外侧的左翼缘以及右翼缘；
拱架的弧形区域、方形区域之间通过左翼缘、右翼缘而分隔开，
所述的空心管状本体，管壁开设引流管穿行孔；各引流管的一端与囊体连接，另一端则穿过引流管穿行孔后，由空心管状本体的管口引出。
图1-5公开的是本发明的一个具体实施例。以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
请参阅图1所示，本发明公开的模拟隧道开挖的物理模型试验设备，主要包括：弧形囊1、主轴管2、引流管3、方形囊4、拱架5、应变片6、进孔7、出孔8。其中：
弧形囊和方形囊为薄膜囊状结构，优选地，弧形囊形状为半圆形，大小为10~20cm，厚度为10~20cm。优选地，方形囊为长方形，大小为10~20cm，厚度为10~20cm。优选地，两者的材质为塑料高分子材料，壁厚为0.075mm~0.15mm。里面填充气体或者液体。
弧形囊和方形囊均具有两个孔，一个为进孔，另一个为出孔。优选地，进孔和出孔形状为圆形小孔，大小为5mm~20mm。进孔和出孔各自连接一根引流管。优选地，引流管大小为5mm~20mm，并与进孔和出孔适应。
优选地，主轴管中部为方形金属材质空心管，管壁厚1mm~10mm，主轴管有2~4个翼缘，翼缘将弧形囊和方形囊分隔开来，金属翼缘高度为5cm~20cm，长度为2cm~20cm，并与弧形囊和方形囊相匹配。
弧形囊和方形囊外侧有拱架，优选地，拱架为金属材料，其壁厚为1mm~10mm，宽度为1mm~50mm，高度为5cm~20cm，并与弧形囊和方形囊相匹配。拱架上有检测变形的应变片。
下面通过具体的试验实施例说明本发明一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备的使用方法，包括以下步骤：
一、试验设备组装
1.1、在拱架5外侧粘贴应变片6，应变片6通过导线与应变监测仪连接；
1.2、埋置拱架5到试验位置，在拱架5内部安装主轴管2；
1.3、主轴管2安装完毕后，安装囊体；囊体包括两个弧形囊1和两个方形囊4；两个弧形囊1分别为第一个弧形囊、第二个弧形囊，两个方形囊4分别为第一个方形囊、第二个方形囊；安装时，分块进行；
1.4、在主轴管2与囊体上进孔、出孔相应的位置处打上引流管穿行孔；引流管的一端与囊体连接，另一端则穿过引流管穿行孔后，由空心管状本体的管口引出，以与压力泵连接；完成整个设备组装；
二、开挖过程模拟
2.1、打开压力泵和进孔7的引流管3，使弧形囊1和方形囊4充满气体或液体；
2.2、依次打开各引流管3，使得与该引流管3连接的囊体内的液体或者气体排出，以模拟隧道分段开挖过程，具体是：
2.2.1、先打开与第一个弧形囊出孔连接的引流管3，使第一个弧形囊内部的液体或气体排出；
2.2.2、打开与第二个弧形囊出孔连接的引流管3，使第二个弧形囊内部的液体或气体排出；
2.2.3、然后打开与第一个方形囊出孔连接的引流管3，使第一个方形囊内部的液体或气体排出；
2.2.4、打开与第二个方形囊出孔连接的引流管3，使第二个方形囊内部的液体或气体排出。
Claims (4)
1.一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备，其特征在于：包括拱架（5）、主轴管（2）、囊体以及应变片（6）；其中：主轴管（2）置于拱架（5）的内部区域，拱架（5）的内部区域通过主轴管至少分隔成两个相互独立的部分，其中一部分为处于主轴上侧、与拱架的弧形拱顶围合而成的弧形区域，另一部分为处于主轴下侧、与弧形拱顶两端的支撑墙围合而成的方形区域；囊体具有两种形状，分别为弧形囊（1）、方形囊（4）；弧形囊（1）置放于弧形区域，而方形囊（4）则置放于方形区域；每一个囊体均具有进孔（7）、出孔（8），且每一个囊体的进孔、出孔均各自配装一根引流管；拱架（5）的外侧具有若干检测自身形变的应变片（6）；当弧形囊（1）通过进孔（7）充满气体或者液体时，弧形囊（1）能够与弧形区域的内壁契合；当弧形囊（1）通过出孔（8）排出自身内部填充的气体或者液体时，拱架（5）发生应力变化，并通过应变片（6）检测反馈；当方形囊（4）通过进孔（7）充满气体或者液体时，方形囊（4）能够与方形区域的内壁契合；当方形囊（4）通过出孔（8）排出自身内部填充的气体或者液体时，拱架（5）发生应力变化，并通过应变片（6）检测反馈；
所述主轴管包括中部位置处的空心管状本体以及均匀分布在该空心管状本体外侧的翼缘；所述的翼缘，包括对称地横向分布在空心管状本体外侧的左翼缘以及右翼缘；拱架（5）的弧形区域、方形区域之间通过左翼缘、右翼缘而分隔开，所述的空心管状本体，管壁开设引流管穿行孔；各引流管的一端与囊体连接，另一端则穿过引流管穿行孔后，由空心管状本体的管口引出；
所述的翼缘，还包括对称地竖向分布在空心管状本体外侧的上翼缘以及下翼缘；上翼缘、下翼缘沿着拱架的中线布置，且上翼缘的上端与弧形拱顶的顶部相触；拱架（5）的弧形区域通过上翼缘分隔为两部分，分别为左上侧区域、右上侧区域；而拱架（5）的方形区域通过下翼缘分隔为两部分，分别为左下侧区域、右下侧区域；弧形囊（1）具有两个，分别对应地安置于左上侧区域、右上侧区域；方形囊（4）具有两个，分别对应地安置于左下侧区域、右下侧区域。
2.根据权利要求1所述的模拟隧道开挖的物理模型试验设备，其特征在于：空心管状本体为圆形或椭圆形或方形，材质为木质或塑料或金属，管壁厚1mm-10mm；翼缘的材质为木质或塑料或金属，高度为5cm-50cm，长度为2cm-200cm，并与弧形囊（1）和方形囊（4）相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的模拟隧道开挖的物理模型试验设备，其特征在于：拱架（5）的材质为木质或塑料或金属，壁厚为1mm-10mm，宽度为1mm-50mm，高度为5cm-50cm，并与弧形囊（1）和方形囊（4）相匹配。
4.一种模拟隧道开挖的物理模型试验设备的使用方法，基于权利要求1所述的模拟隧道开挖的物理模型试验设备而实现，其特征在于，包括以下步骤：
（一）、试验设备组装
1.1、在拱架（5）外侧粘贴应变片（6），应变片（6）通过导线与应变监测仪连接；
1.2、埋置拱架（5）到试验位置，在拱架（5）内部安装主轴管（2）；
1.3、主轴管（2）安装完毕后，安装囊体；囊体包括两个弧形囊（1）和两个方形囊（4）；两个弧形囊（1）分别为第一个弧形囊、第二个弧形囊，两个方形囊（4）分别为第一个方形囊、第二个方形囊；安装时，分块进行；
1.4、在主轴管（2）与囊体上进孔、出孔相应的位置处打上引流管穿行孔；引流管的一端与囊体连接，另一端则穿过引流管穿行孔后，由空心管状本体的管口引出，以与压力泵连接；完成整个设备组装；
（二）开挖过程模拟
2.1、打开压力泵和进孔（7）的引流管（3），使弧形囊（1）和方形囊（4）充满气体或液体；
2.2、依次打开各引流管（3），使得与该引流管（3）连接的囊体内的液体或者气体排出，以模拟隧道分段开挖过程，具体是：
2.2.1、先打开与第一个弧形囊出孔连接的引流管（3），使第一个弧形囊内部的液体或气体排出；
2.2.2、打开与第二个弧形囊出孔连接的引流管（3），使第二个弧形囊内部的液体或气体排出；
2.2.3、然后打开与第一个方形囊出孔连接的引流管（3），使第一个方形囊内部的液体或气体排出；
2.2.4、打开与第二个方形囊出孔连接的引流管（3），使第二个方形囊内部的液体或气体排出。
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