CN110702440A - 一种参数可调式体外排水隧道的缩尺模型及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种参数可调式体外排水隧道的缩尺模型及其试验方法，缩尺模型包括模型箱，还包括隧道安装组件和排水洞安装组件，所述模型箱中相对的两个壁面上均设有与隧道安装组件和排水洞安装组件的安装位置适配的安装通孔，所述隧道安装组件和排水洞安装组件通过卡设于安装通孔中实现与模型箱可拆分连接。本发明的缩尺模型及其试验方法具有简单实用、拆装方便快捷和可根据需要随时调整参数等优点。

Description

一种参数可调式体外排水隧道的缩尺模型及其试验方法

技术领域

本发明涉及模型试验领域，尤其涉及一种参数可调式体外排水隧道的缩尺模型及其试验方法。

背景技术

隧道缩尺模型试验是探究隧道工程领域科学问题的主要研究手段之一。从隧道缩尺模型试验出发，对体外排水方式进行试验研究，能够较好地揭示体外排水隧道布设参数对隧道渗流场、隧道排水能力、隧道结构应力应变的规律性特征。

然而，目前常用的试验模型，大多采用固定隧道断面形状和尺寸的模型试验箱，这种单一的模型试验箱仅能完成一种布设参数的隧道试验研究。而开展体外排水方式的多种布设参数优选探究时，不得不制作多个不同开口形式的模型试验箱，方能适宜不同隧道模型参数及体外排水洞模型参数的开口需求，最终造成试验过程中人力、物力、财力的大量浪费。

发明内容

本发明所要解决的问题是，针对现有技术存在的问题，提供一种简单实用、拆装方便快捷和可根据需要随时调整参数的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，以及采用该模型进行试验的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，包括模型箱，还包括隧道安装组件和排水洞安装组件，所述模型箱中相对的两个壁面上均设有与隧道安装组件和排水洞安装组件的安装位置适配的安装通孔，所述隧道安装组件和排水洞安装组件通过卡设于安装通孔中实现与模型箱可拆分连接。

作为上述缩尺模型的进一步改进：

所述隧道安装组件包括第一安装板和隧道模型，所述第一安装板上设有与隧道模型外围对应的第一安装孔，所述隧道模型沿轴向固定于第一安装孔中；所述第一安装板为两块，分别套设于隧道模型中与模型箱上两个安装通孔的位置对应处。

所述第一安装板中除与排水洞安装组件相邻的侧面外的三个侧面上均设有第一限位条，所述第一限位条一侧与第一安装板的一端面平齐，另一侧与第一安装板的另一端面的距离为模型箱的壁面厚度。

所述排水洞安装组件包括第二安装板和排水洞模型，所述第二安装板上设有与排水洞模型外围对应的第二安装孔，所述排水洞模型沿轴向固定于第二安装孔中；所述第二安装板为两块，分别套设于排水洞模型中与模型箱上两个安装通孔的位置对应处。

所述第二安装板中除与隧道安装组件相邻的侧面外的三个侧面上均设有两根第二限位条，两根所述第二限位条分别与第二安装板的两端面平齐，两根所述第二限位条的间距为模型箱的壁面厚度。

所述第二安装板的两端面上均设有与第二安装孔同轴的套管，一端的套管的内径等于第二安装孔内径，另一端的套管的内径不小于第二安装孔的内径。

所述隧道安装组件和排水洞安装组件与模型箱连接后，所述模型箱的内部形成用于容置地层等效材料的容置空间。

本发明提供的一种用上述参数可调式体外排水隧道的缩尺模型进行试验的试验方法，其步骤包括：

S1：确定待试验的隧道模型和排水洞模型的全部试验参数；

S2：根据试验参数制作全部隧道安装组件和排水洞安装组件；

S3：根据试验参数选择模型箱尺寸，并在模型箱上开设安装通孔；

S4：根据待试验的试验参数组合，选择相应的隧道安装组件和排水洞安装组件安装至安装通孔中，并用防水固态粘接剂填充粘结各接缝；

S5：对安装完成的缩尺模型进行包括高水压作用下隧道结构的外侧水压力、隧道结构内应力以及隧道结构变形的试验并收集数据；

S6：拆除防水固态粘接剂、排水洞安装组件和隧道安装组件；确定下一组的待试验的试验参数组合，重复步骤S4～S6，直至完成待试验缩尺模型的全部试验参数组合。

作为上述试验方法的进一步改进：

所述步骤S4包括：

S41：将两块第二安装板对准两个安装通孔的位置，沿安装通孔侧壁向下按压直至第二安装板的底面的第二限位条卡紧安装通孔；

S42：将待测的排水洞模型穿设并固定于两块第二安装板上的第二安装孔中，并用防水固态粘接剂进行接缝填充粘接；

S43：将两块第一安装板的不与第一限位条平齐的端面对准两个安装通孔的位置，沿安装通孔轴向推入，直至第一限位条与模型箱外板面卡紧；

S44：将待测的隧道模型固定于两块第一安装板的第一安装孔中，并用防水固态粘接剂进行接缝填充粘接；

S45：用防水固态粘接剂对隧道安装组件、排水洞安装组件和安装通孔之间的各接缝填充粘结。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，将模型箱内部进行了拆分，把原本固定的隧道安装组件和排水洞安装组件设置为与模型箱可拆卸连接的结构。在使用时，可以根据试验参数的变化以及需求，方便快捷的对隧道安装组件、排水洞安装组件和模型箱进行组合，相比于以往的固定隧道断面形状和尺寸的模型试验箱来说，本发明大大提高了模型箱的重复利用率，不仅实现了试验参数易调节，还提高了试验效率；此外，本装置成本低、结构简单、使用方便。

本发明还相应提供了使用该缩尺模型进行试验的试验方法，本发明的试验方法也具备上述缩尺模型的优点，并且步骤简单，操作方便，适用于多种体外排水隧道的缩尺模型试验。

附图说明

图1是本发明的缩尺模型的立体结构示意图；

图2是本发明的缩尺模型的透视结构示意图；

图3是本发明的缩尺模型的平面结构示意图；

图4是本发明的缩尺模型中模型箱的结构示意图；

图5是本发明的缩尺模型中第一安装板的立体结构示意图；

图6是本发明的缩尺模型中第一安装板的平面结构示意图；

图7是本发明的缩尺模型中第二安装板的立体结构示意图；

图8是本发明的缩尺模型中第二安装板的平面结构示意图。

图例说明：1、模型箱；11、安装通孔；2、隧道安装组件；21、第一安装板；211、第一安装孔；212、第一限位条；22、隧道模型；3、排水洞安装组件；31、第二安装板；311、第二安装孔；312、第二限位条；313、套管；32、排水洞模型。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

实施例：

如图1至图4所示，本实施例的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，包括模型箱1，还包括隧道安装组件2和排水洞安装组件3，模型箱1中相对的两个壁面上均设有与隧道安装组件2和排水洞安装组件3的安装位置适配的安装通孔11，隧道安装组件2和排水洞安装组件3通过卡设于安装通孔11中实现与模型箱1可拆分连接。

本实施例把原本固定的隧道安装组件2和排水洞安装组件3设置为与模型箱1可拆卸连接的结构。在使用时，可以根据试验参数的变化以及需求，方便快捷的对隧道安装组件2、排水洞安装组件3和模型箱1进行组合，相比于以往的固定隧道断面形状和尺寸的模型试验箱来说，本实施例大大提高了模型箱1的重复利用率，不仅实现了试验参数易调节，还提高了试验效率；此外，本装置成本低、结构简单、使用方便。

本实施例中，如图5和图6所示，隧道安装组件2包括第一安装板21和隧道模型22，第一安装板21上设有与隧道模型22外围对应的第一安装孔211，隧道模型22沿轴向固定于第一安装孔211中；第一安装板21为两块，分别套设于隧道模型22中与模型箱1上两个安装通孔11的位置对应处。第一安装板21中除与排水洞安装组件3相邻的侧面外的三个侧面上均设有第一限位条212，第一限位条212一侧与第一安装板21的一端面平齐，另一侧与第一安装板21的另一端面的距离为模型箱1的壁面厚度。在进行安装时，第一安装板21沿安装通孔11的轴向穿入安装通孔11中，第一限位条212起到限位作用，避免第一安装板21发生轴向移动，两块第一安装板21对称设置，进一步降低了轴向位移的可能性。

本实施例中，如图7和图8所示，排水洞安装组件3包括第二安装板31和排水洞模型32，第二安装板31上设有与排水洞模型32外围对应的第二安装孔311，排水洞模型32沿轴向固定于第二安装孔311中；第二安装板31为两块，分别套设于排水洞模型32中与模型箱1上两个安装通孔11的位置对应处。第二安装板31中除与隧道安装组件2相邻的侧面外的三个侧面上均设有两根第二限位条312，两根第二限位条312分别与第二安装板31的两端面平齐，两根第二限位条312的间距为模型箱1的壁面厚度。在进行安装时，以第二安装板31两侧面的第二限位条312对准安装通孔11对应位置的侧壁，沿侧壁向下按压直至排水洞安装组件3的底面的第二限位条312卡紧安装通孔11，使第二安装板31完全固定，防止移动造成试验数据不准确。

本实施例中，第二安装板31的两端面上均设有与第二安装孔311同轴的套管313，用于通水来模拟排水洞的工作情况。一端的套管313用作连接管，其内径不小于第二安装孔311的内径，使排水洞模型32能够套入其内，并且还能避免阻流现象；另一端的套管313用作排水量收集管，其内径等于第二安装孔311的内径。在安装时，用作连接管的套管313位于模型箱1内侧，用作排水量收集管的套管313位于模型箱外侧。

本实施例中，隧道安装组件2和排水洞安装组件3与模型箱1连接后，模型箱1的内部形成用于容置地层等效材料的容置空间，地层等效材料用于模拟隧道所处地层，为应力传递及地层渗流提供路径，地层等效材料优选试验用砂，也可根据需求对应调整。

由于隧道断面形式不是单纯的圆形，在制作隧道安装组件2和排水洞安装组件3时常规制作方法极易产生加工偏差，导致隧道模型22和排水洞模型32可能装不进去，或者留缝过大。因此本实施例采用3D打印制作隧道安装组件2和排水洞安装组件3，可以实现高精度制作，还能提前确认匹配情况并且加工价格相对低廉。本实施例选取价格便宜强度高的C-UV9400光敏树脂作为3D打印的材料。

本实施例还相应提供了使用该缩尺模型进行试验的试验方法，该试验方法也具备上述缩尺模型的优点，并且步骤简单，操作方便，适用于多种体外排水隧道的缩尺模型试验。其步骤包括：

S1：确定待试验的隧道模型22和排水洞模型32的全部试验参数；隧道模型22的试验参数包括不同断面形式及其具体参数；排水洞模型32的试验参数包括不同断面形式及其具体参数、不同埋置深度及其具体参数；

S2：根据试验参数制作全部隧道安装组件2和排水洞安装组件3；为保证高互换性，本实施例将全部隧道安装组件2的尺寸，在保证第一安装板21外围尺寸固定前提下，视隧道模型22尺寸，改变第一安装孔211制成一到三种型号；基于同样的流程，将全部排水洞安装组件3的第二安装板31的外围尺寸统一型号，视排水洞模型32尺寸，改变第二安装孔311、套管313尺寸，制成三到五种型号；

S3：根据试验参数选择模型箱1尺寸，并在模型箱1上开设安装通孔11；本实施例中由于全部隧道安装组件2、全部排水洞安装组件3的外围尺寸统一，因此各种试验参数及其安装组件能够完全组合；

S4：根据待试验的试验参数组合，选择相应的隧道安装组件2和排水洞安装组件3安装至安装通孔11中，并用防水固态粘接剂填充粘结各接缝；

S41：将两块第二安装板31对准两个安装通孔11的位置，沿安装通孔11侧壁向下按压直至第二安装板31的底面的第二限位条312卡紧安装通孔11；

S42：将待测的排水洞模型32穿设并固定于两块第二安装板31上的第二安装孔311中，并用防水固态粘接剂进行接缝填充粘接；

S43：将两块第一安装板21的不与第一限位条212平齐的端面对准两个安装通孔11的位置，沿安装通孔11轴向推入，直至第一限位条212与模型箱1外板面卡紧；

S44：将待测的隧道模型22固定于两块第一安装板21的第一安装孔211中，并用防水固态粘接剂进行接缝填充粘接；

S45：用防水固态粘接剂对隧道安装组件2、排水洞安装组件3和安装通孔11之间的各接缝填充粘结；

S5：对安装完成的缩尺模型进行包括高水压作用下隧道结构的外侧水压力、隧道结构内应力以及隧道结构变形的试验并收集数据；

S6：拆除防水固态粘接剂、排水洞安装组件3和隧道安装组件2；确定下一组的待试验的试验参数组合，重复步骤S4～S6，直至完成待试验缩尺模型的全部试验参数组合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，包括模型箱(1)，其特征在于：还包括隧道安装组件(2)和排水洞安装组件(3)，所述模型箱(1)中相对的两个壁面上均设有与隧道安装组件(2)和排水洞安装组件(3)的安装位置适配的安装通孔(11)，所述隧道安装组件(2)和排水洞安装组件(3)通过卡设于安装通孔(11)中实现与模型箱(1)可拆分连接。

2.根据权利要求1所述的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，其特征在于：所述隧道安装组件(2)包括第一安装板(21)和隧道模型(22)，所述第一安装板(21)上设有与隧道模型(22)外围对应的第一安装孔(211)，所述隧道模型(22)沿轴向固定于第一安装孔(211)中；所述第一安装板(21)为两块，分别套设于隧道模型(22)中与模型箱(1)上两个安装通孔(11)的位置对应处。

3.根据权利要求2所述的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，其特征在于：所述第一安装板(21)中除与排水洞安装组件(3)相邻的侧面外的三个侧面上均设有第一限位条(212)，所述第一限位条(212)一侧与第一安装板(21)的一端面平齐，另一侧与第一安装板(21)的另一端面的距离为模型箱(1)的壁面厚度。

4.根据权利要求3所述的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，其特征在于：所述排水洞安装组件(3)包括第二安装板(31)和排水洞模型(32)，所述第二安装板(31)上设有与排水洞模型(32)外围对应的第二安装孔(311)，所述排水洞模型(32)沿轴向固定于第二安装孔(311)中；所述第二安装板(31)为两块，分别套设于排水洞模型(32)中与模型箱(1)上两个安装通孔(11)的位置对应处。

5.根据权利要求4所述的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，其特征在于：所述第二安装板(31)中除与隧道安装组件(2)相邻的侧面外的三个侧面上均设有两根第二限位条(312)，两根所述第二限位条(312)分别与第二安装板(31)的两端面平齐，两根所述第二限位条(312)的间距为模型箱(1)的壁面厚度。

6.根据权利要求4所述的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，其特征在于：所述第二安装板(31)的两端面上均设有与第二安装孔(311)同轴的套管(313)，一端的套管(313)的内径等于第二安装孔(311)内径，另一端的套管(313)的内径不小于第二安装孔(311)的内径。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型，其特征在于：所述隧道安装组件(2)和排水洞安装组件(3)与模型箱(1)连接后，所述模型箱(1)的内部形成用于容置地层等效材料的容置空间。

8.一种用权利要求6至7中任一项所述的参数可调式体外排水隧道的缩尺模型进行试验的试验方法，其步骤包括：

S1：确定待试验的隧道模型(22)和排水洞模型(32)的全部试验参数；

S2：根据试验参数制作全部隧道安装组件(2)和排水洞安装组件(3)；

S3：根据试验参数选择模型箱(1)尺寸，并在模型箱(1)上开设安装通孔(11)；

S4：根据待试验的试验参数组合，选择相应的隧道安装组件(2)和排水洞安装组件(3)安装至安装通孔(11)中，并用防水固态粘接剂填充粘结各接缝；

S5：对安装完成的缩尺模型进行包括高水压作用下隧道结构的外侧水压力、隧道结构内应力以及隧道结构变形的试验并收集数据；

S6：拆除防水固态粘接剂、排水洞安装组件(3)和隧道安装组件(2)；确定下一组的待试验的试验参数组合，重复步骤S4～S6，直至完成待试验缩尺模型的全部试验参数组合。

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41：将两块第二安装板(31)对准两个安装通孔(11)的位置，沿安装通孔(11)侧壁向下按压直至第二安装板(31)的底面的第二限位条(312)卡紧安装通孔(11)；

S42：将待测的排水洞模型(32)穿设并固定于两块第二安装板(31)上的第二安装孔(311)中，并用防水固态粘接剂进行接缝填充粘接；

S43：将两块第一安装板(21)的不与第一限位条(212)平齐的端面对准两个安装通孔(11)的位置，沿安装通孔(11)轴向推入，直至第一限位条(212)与模型箱(1)外板面卡紧；

S44：将待测的隧道模型(22)固定于两块第一安装板(21)的第一安装孔(211)中，并用防水固态粘接剂进行接缝填充粘接；

S45：用防水固态粘接剂对隧道安装组件(2)、排水洞安装组件(3)和安装通孔(11)之间的各接缝填充粘结。

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