CN110686980A - 一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，包括约束结构，约束结构用于固定试样，试样固定设置在约束结构的内部；加压系统包括第一和第二加压系统，第一加压系统和第二加压系统对称设置在试样的左右两侧，第一或第二加压系统用于提供均匀荷载；第一或第二加压系统与试样之间均设置有荷载转化系统，荷载转化系统用于第一加压系统或第二加压系统的均匀荷载转化为非均匀荷载；本发明通过在通过在第一加压系统或第二加压系统与试样之间设置荷载转化系统，将加压系统施加的均匀荷载转化为非均匀荷载，减小了非均匀荷载的梯度，更好的模拟隧道开挖中岩体的实际受力状况，确保试验数据的准确性，为实际施工提供更加可靠的理论支撑。

Description

一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置

技术领域

本发明涉及隧道开挖模型试验技术领域，特别涉及一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置。

背景技术

随着公路工程迅速发展，山岭地区公路修建已成为交通网发展的总体趋势；因而，隧道开挖后围岩稳定性已成为主要课题，其室内模型试验主要以均匀侧向荷载为主，单向、双向与三向加载均已实现，加压方式以液压为主，实现对隧道开挖导致围岩变形和应力变化状况的模拟，指导隧道施工。

为进一步模拟隧道实际受力状况，将模型侧向均布荷载转化为梯形或三角形荷载；目前，采用在模型侧边竖向布设多个千斤顶，通过不同千斤顶加载实现对侧向不均匀荷载的施加；而施加的阶梯状荷载的梯度较大，试验数据的质疑性较大，试验结果误差较大。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，以解决现有技术中施加的阶梯状荷载梯度较大，试验数据质疑性较大的技术问题。

为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，包括约束结构、加压系统及荷载转化系统；约束结构用于固定试样，试样固定设置在约束结构的内部；

加压系统包括第一加压系统和第二加压系统，第一加压系统和第二加压系统对称设置在试样的左右两侧，第一加压系统及第二加压系统用于提供均匀荷载；

第一加压系统或第二加压系统与试样之间均设置有荷载转化系统，荷载转化系统的一端与第一加压系统或第二加压系统连接，荷载转化系统的另一端与试样的侧壁连接，荷载转化系统用于第一加压系统或第二加压系统的均匀荷载转化为非均匀荷载。

进一步的，荷载转化系统包括上撑板、下撑板、左侧约束板、右侧约束板、固定杆、若干垫条及活动加载板；上撑板和下撑板上下平行间隔设置，左侧约束板和右侧约束板竖向间隔平行设置在上撑板与下撑板之间，上撑板、下撑板、上撑板及下撑板组合形成中空箱体结构，上撑板与下撑板之间通过固定杆固定连接；若干垫条水平设置在中空箱体结构中，垫条的轴线方向与试样的侧壁垂直；若干垫条的刚度不同，不同刚度的垫条按照从上到下刚度依次递增的方式布设；活动加载板竖向设置在垫条的一端，且位于远离试样的一端；活动加载板的上下两端分别与上撑板及下撑板滑动连接。

进一步的，加压系统还包括第三加压系统和第四加压系统；第三加压系统设置在试样的顶部中心，第四加压系统设置在试样的后端中心处；第三加压系统或第四加压系统的一端与约束结构固定连接，另一端与试样连接；第三加压系统和第四加压系统均采用液压系统，液压系统与试样之间设置有固定加载板。

进一步的，第一加压系统和第二加压系统均采用液压系统，液压系统的一端与约束结构连接，液压系统的另一端与荷载转化系统的一端连接。

进一步的，约束结构包括环形闭合梁、第一约束横梁、第二约束横梁及底座；

环形闭合梁设置在试样的外侧，第一约束横梁设置在试样的前端，第二约束横梁设置在试样的后端，第一约束横梁或第二约束横梁的两端分别与环形闭合梁固定连接；底座设置荷载转化系统及试样的下方，荷载转化系统及试样均通过底座与环形闭合梁固定连接。

进一步的，还包括应力监测装置，应力监测装置对称布设在试样的侧壁上。

进一步的，应力监测装置采用应变片、应力盒或应力百分表。

进一步的，还包括带孔加载板，带孔加载板固定设置在试样的前端。

进一步的，垫条与上撑板或下撑板之间设置有滚筒，滚筒的两端转动连接在上撑板或下撑板上，滚筒的轴线与垫条的轴线垂直。

进一步的，活动加载板与上撑板或下撑板之间设置有润滑剂。

与现有技术比，本发明的有益效果有：

本发明提供了一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，通过在第一加压系统或第二加压系统与试样之间设置荷载转化系统，通过荷载转化系统，将加压系统施加的均匀荷载转化为非均匀荷载，减小了非均匀荷载的梯度，更好的模拟隧道开挖中岩体的实际受力状况，确保了试验数据的准确性，为实际施工提供了更加可靠的理论支撑。

进一步的，荷载转化装置中通过均匀布设的不同刚度的垫条，基于微分原理，利用垫条将加压系统施加的均匀何在转化为三角形或梯形荷载，降低了非均匀荷载的梯度值，达到均匀递变荷载的效果，更好地模拟隧道实际受力情况，提高了试验数据的准确性。

进一步的，通过设置在试样的顶部和后端设置加压系统，实现了模拟装置的三向加载，更加准确地模拟了地下隧道的实际受力情况。

进一步的，通过设置环形闭合梁及约束横梁，实现了对试样的固定，确保了试验过程中试样的稳定性，提高了试验结果的准确行。

进一步的，通过在试样的表面设置应力监测装置，实现了对试样的破坏应力及变形特征的实时监测。

进一步的，通过试样的前端设置带孔加载板，钻机通过带孔加载板上的预留孔，对试样进行钻孔，更加准确的模拟实际开挖过程，提高了装置的模拟度，确保了试验数据的真实性和实际性。

进一步的，通过在垫条与撑板之间设置滚筒，将垫条与撑板之间的刚性摩擦转化为活动摩擦，使垫条的变形更加均匀，降低了装置的误差。

进一步的，通过在撑板与活动加载板之间设置润滑剂，降低了撑板与活动加载板之间的刚性摩擦。

附图说明

图1为本发明所述的隧道开挖模拟装置的整体结构主视示意图；

图2为图1中Ⅰ-Ⅰ处的剖视结构示意图；

图3为图1中Ⅱ-Ⅱ处的剖视结构示意图；

图4为本发明所述的隧道开挖模拟装置中的荷载转化系统的主视示意图；

图5为图4中Ⅲ-Ⅲ处的剖视结构示意图；

图6为本发明所述的隧道开挖模拟装置中的加载结构俯视示意图；

图7为本发明所述的隧道开挖模拟装置中的应力监测装置布置及荷载分布示意图。

其中，1约束结构，2加压系统，3荷载转化系统，4应力监测装置，5带孔加载板，6试样；11环形闭合梁，12第一约束横梁，13第二约束横梁，14约束板，15第一底座，16第二底座，17第三底座；21第一加压系统，22第二加压系统，23第三加压系统，24第四加压系统，25固定加载板，26带孔加载板；31上撑板，32下撑板，33左侧约束板，34右侧约束板，35固定杆，36滚筒，37垫条，38活动加载板。

具体实施方式

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如附图1-7所示，本发明提供了一种非均匀荷载下隧道开挖模拟装置，包括约束结构1、加压系统2、荷载转化系统3、应力监测装置4及带孔加载板5，约束结构1用于固定试样6，试样6固定设置在约束结构1的内部。

加压系统2包括第一加压系统21、第二加压系统22、第三加压系统23、第四加压系统24、固定加载板25及带孔加载板26；第一加压系统21和第二加压系统22对称设置在试样6的左右两侧；第一加压系统21及第二加压系统22用于提供均匀荷载，第一加压系统21或第二加压系统22与试样6之间设置有荷载转化系统3，荷载转化系统3的一端与第一加压系统21或第二加压系统22连接，荷载转化系统3的另一端与试样6的侧壁连接，荷载转化系统3用于第一加压系统21或第二加压系统22的均匀荷载转化为非均匀荷载。

第一加压系统21的一端与约束结构1固定连接，第一加压系统21的另一端与其中一个荷载转化系统3连接；第二加压系统22的一端与约束结构1固定连接，第二加压系统22的另一端与另一个荷载转化系统3连接；第三加压系统23设置在试样6的顶部中心，第三加压系统23的一端与约束结构1固定连接，另一端与试样6的顶面连接；第三加压系统23与试样6之间设置有固定加载板25。第四加压系统24设置在试样6的后端中心处，第四加压系统24的一端与约束结构1固定连接，另一端与试样6的后端连接，第四加压系统23与试样6之间设置有固定加载板25。第一加压系统21、第二加压系统22、第三加压系统23及第四加压系统24均采用液压系统。

约束结构1包括环形闭合梁11、第一约束横梁12、第二约束横梁13、约束板14、第一底座15、第二底座16及第三底座17，环形闭合梁11设置在试样6的外侧；第一约束横梁12水平设置在试样6的前端，第一约束横梁12的两端与环形闭合梁11固定连接；第二约束横梁13设置在第四加压系统24的后侧，第四加压系统24的一端通过固定加载板25与试样6的后端连接，第四加压系统24的另一端与第二约束横梁13连接；第四加压系统24与第二约束横梁13之间设置有约束板14；通过设置第一约束横梁12及第二约束横梁13，实现了对试样6在前后方向上的固定限位作用，确保了试验过程中试样6的稳定性。试样6的下端通过第一底座15与环形闭合梁11固定连接，两个荷载转化系统3分别通过第二底座16及第三底座17固定安装在环形闭合梁11上。

荷载转化系统3包括上撑板31、下撑板32、左侧约束板33、右侧约束板34、固定杆35、滚筒36、若干垫条37及活动加载板38；上撑板31和下撑板32上下平行间隔设置，左侧约束板33和右侧约束板34竖向间隔平行设置在上撑板31与下撑板32之间，上撑板31、下撑板32、上撑板31及下撑板32组合形成中空箱体结构，上撑板31与下撑板32的两端分别通过固定杆35固定连接；若干垫条32水平设置在中空箱体结构中，垫条35的轴线方向与试样6的侧壁垂直；若干垫条32的刚度不同，垫条32按照从上到下刚度依次递增的方式布设；活动加载板36竖向设置在垫条35的一端，且位于远离试样6的一端；活动加载板36的上下两端分别与上撑板31及下撑板32滑动连接；垫条37与上撑板31或下撑板32之间设置有滚筒36，滚筒36的两端转动连接在上撑板31或下撑板32上，滚筒36的轴线与垫条37的轴线垂直。

应力监测装置4对称布设在试样6的侧壁上，应力监测装置4采用应变片、应力盒或应力百分表。

带孔加载板5固定设置在试样6的前端，带孔加载板5均匀布设有预留通孔，通过预留通孔，采用钻机向试样6施加模拟施工荷载。

工作原理及使用方法

利用本发明所述的一种非均匀侧向荷载下隧道模拟装置进行模拟试验时，包括以下试验步骤：制备试样→荷载转化系统组装→加压系统安装→预加压固定→开挖模拟。

制备试样

利用混凝土或石膏浇筑试样6，试样6采用正方体形结构；试样6的内部可预设裂隙或节理，或添加纤维材料提高试样的强度，进行可对比性研究；或采用成型岩块作为试样6；试样6的重量较大时，采用叉车进行试样安装。

荷载转化系统组装

将上撑板31、下撑板32、左侧约束板33及右侧约束板34合围成中空箱体结构，在靠近上撑板31及下撑板32处分别设置滚筒36，滚筒36的轴线方向与左侧约束板或右侧约束板垂直；选取不同刚度的若干垫条37，按垫条刚度的递增，从上到下依次设置在上撑板31和下撑板32，并采用左侧约束板33及右侧约束板34进行侧向约束，使若干垫条37均匀设置在上撑板31、下撑板32、左侧约束板33及右侧约束板34组合成的中空箱体内；然后将活动加载板38活动安装在上撑板31及下撑板32之间；活动加载板38与上撑板31或下撑板32之间设置润滑剂，最上端的垫条37与上撑板31之间设置润滑剂，最下端的垫条37与下撑板32之间设置润滑剂；通过在垫条与上撑板或下撑板之间设置润滑剂及滚筒，减小了垫条与上下撑板之间的刚性摩擦；滚筒的滚筒轴与上下撑板之间刚性连接，滚筒与滚筒轴之间通过轴承进行活动性连接，最后将固定杆穿过上撑板和下撑板两端的预留孔内，利用螺丝将其固定，使垫条37在施加荷载同时约束侧向变形。

约束结构安装

将第二约束横梁13水平穿设在环形闭合梁的预留固定成型孔内，便于第四加压系统的安装，在通过螺杆将约束板14与第二约束横梁13固定形成整体，约束板14上设置有预留安装孔，用于安装第四加压系统；为减小耗材并减轻设备重量，将第二底座16和第三底座17设置为等尺寸结构，第一底座15、第二底座16及第三底座17的横截面均为矩形；试样6的横截面与第一底座15的横截面相匹配；第一底座15、第二底座16及第三底座17依次紧贴设置，并采用螺栓与环形闭合梁连接；底座与环形闭合梁11可拆卸连接，便于不同尺寸试样试验时，更换不同的底座。

加压系统安装

通过环形闭合梁的预留孔，分别将第一加压系统、第二加压系统、第三加压系统及第四加压系统安装在试样的左右两侧、顶部及后端，第一加压系统、第二加压系统、第三加压系统及第四加压系统的液压伸缩杆与试验之间预设间隙，便于试样安装和调整。

预加载固定成型

将试样放置在第一底座顶部，保证试验与第一底座的尺寸吻合齐边，再将组装成型的两个荷载转化系统分别放置第二底座和第三底座的顶部；分别通过第一加压系统和第二加压系统对试样左右固定；将带孔加载板与后侧加载板放置在第一底座的顶部，随后将第一约束横梁穿过环形闭合梁的预留孔进行固定，再通过第四加压系统初压将试样进行前后固定，最后通过第三加压系统将试样进行上下固定，进而使得试样处于三向受力状态；为方便固定加载板的安装，固定加载板与加压系统之间均采用活动连接，便于不同尺寸试样进行多组对比试验。

开挖模拟

首先，进行试样的上下与前后的均布荷载的施加，并将该均布荷载设定为某一特定值，随后进行左右两侧非均匀荷载的加压，通过荷载转化系统将第一加压系统或第二加压系统产生的均布荷载转化为梯形或三角形的非均匀荷载，利用垫条的竖向刚度曲线得到转换后较准确的荷载值；在试样加载面设置上微型压力盒和百分表，进行应力与位移的监测；待三向加压系统稳定之后，利用钻具设备通过前端带孔加载板的预留孔进行试样钻孔，进一步模拟隧道开挖卸载过程，其中，前部带孔加载板预留孔有多个尺寸，且预留孔的位置改变，可模拟出不同隧道断面的开挖力学特性。

本发明所述的一种非均匀荷载下隧道开挖模拟装置中的荷载转化系统包括若干垫板和固定组合构件；垫板可利用不同材料或含碳量不同的钢材进行制作，垫板的厚度的选择需结合试样尺寸进行设计，基于微分原理，当垫条的厚度尽可能的小，以达到非均匀荷载的均匀递变效果。本发明中对已初步加载稳定后的试样，通过钻孔设备进行钻孔，进而模拟隧道实际开挖特性。

本发明所述的一种非均匀荷载下隧道开挖模拟装置，通过不同刚度的垫条组合体系，将均匀何在转化为非均匀荷载，模拟了隧道两侧在地下的实际受力状况；同时，通过在试样的顶端和后端分别设置加压系统，实现了对试样的三向加载，更加真实的模拟隧道在地下的实际受力；本发明中将现有的阶梯状或均匀加载方式替换为非均匀加载方式，使试样的受力更加符合实际；本发明所述的模拟装置为构件组合而成，若改变试样尺寸，只需更换加载板即可，而底座可随着试样大小进行调整，且利用钻孔模拟实际开挖，通过在试样表面布设应变片、压力盒以及百分表，进行试样破坏应力、变形特征的实时监测。

以上述依据本发明的实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，包括约束结构(1)、加压系统(2)及荷载转化系统(3)；约束结构(1)用于固定试样(6)，试样(6)固定设置在约束结构(1)的内部；

加压系统(2)包括第一加压系统(21)和第二加压系统(22)，第一加压系统(21)和第二加压系统(22)对称设置在试样(6)的左右两侧，第一加压系统(21)及第二加压系统(22)用于提供均匀荷载；

第一加压系统(21)或第二加压系统(22)与试样(6)之间均设置有荷载转化系统(3)，荷载转化系统(3)的一端与第一加压系统(21)或第二加压系统(22)连接，荷载转化系统(3)的另一端与试样(6)的侧壁连接，荷载转化系统(3)用于第一加压系统(21)或第二加压系统(22)的均匀荷载转化为非均匀荷载。

2.根据权利要求1所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，荷载转化系统(3)包括上撑板(31)、下撑板(32)、左侧约束板(33)、右侧约束板(34)、固定杆(35)、若干垫条(37)及活动加载板(38)；上撑板(31)和下撑板(32)上下平行间隔设置，左侧约束板(33)和右侧约束板(34)竖向间隔平行设置在上撑板(31)与下撑板(32)之间，上撑板(31)、下撑板(32)、上撑板(31)及下撑板(32)组合形成中空箱体结构，上撑板(31)与下撑板(32)之间通过固定杆(35)固定连接；若干垫条(37)水平设置在中空箱体结构中，垫条(37)的轴线方向与试样(6)的侧壁垂直；若干垫条(37)的刚度不同，不同刚度的垫条(37)按照从上到下刚度依次递增的方式布设；活动加载板(38)竖向设置在垫条(37)的一端，且位于远离试样(6)的一端；活动加载板(38)的上下两端分别与上撑板(31)及下撑板(32)滑动连接。

3.根据权利要求1所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，加压系统(2)还包括第三加压系统(23)和第四加压系统(24)；第三加压系统(23)设置在试样(6)的顶部中心，第四加压系统(24)设置在试样(6)的后端中心处；第三加压系统(23)或第四加压系统(24)的一端与约束结构(1)固定连接，另一端与试样(6)连接；第三加压系统(23)和第四加压系统(24)均采用液压系统，液压系统与试样(6)之间设置有固定加载板(25)。

4.根据权利要求1所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，第一加压系统(21)和第二加压系统(22)均采用液压系统，液压系统的一端与约束结构(1)连接，液压系统的另一端与荷载转化系统(3)的一端连接。

5.根据权利要求1所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，约束结构(1)包括环形闭合梁(11)、第一约束横梁(12)、第二约束横梁(13)及底座；

环形闭合梁(11)设置在试样(6)的外侧，第一约束横梁(12)设置在试样(6)的前端，第二约束横梁(13)设置在试样(6)的后端，第一约束横梁(12)或第二约束横梁(13)的两端分别与环形闭合梁(11)固定连接；底座设置荷载转化系统(3)及试样(6)的下方，荷载转化系统(3)及试样(6)均通过底座与环形闭合梁(11)固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，还包括应力监测装置(4)，应力监测装置(4)对称布设在试样(6)的侧壁上。

7.根据权利要求6所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，应力监测装置(4)采用应变片、应力盒或应力百分表。

8.根据权利要求1所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，还包括带孔加载板(5)，带孔加载板(5)固定设置在试样(6)的前端。

9.根据权利要求2所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，垫条(37)与上撑板(31)或下撑板(32)之间设置有滚筒(36)，滚筒(36)的两端转动连接在上撑板(31)或下撑板(32)上，滚筒(36)的轴线与垫条(37)的轴线垂直。

10.根据权利要求2所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，活动加载板(38)与上撑板(31)或下撑板(32)之间设置有润滑剂。

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