CN110749721A - 一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，该平台包括：自平衡框架子系统：包括构成平衡框架结构的左主框架和右主框架；模型试验箱子系统：包括带有万向轮的模型箱底板以及模型箱主体，所述的模型箱主体中设置岩土体和隧道模型；加载控制子系统：包括安装在上反力平台下表面用以通过伺服控制实现多工况加卸载组合的千斤顶模块，该千斤顶模块包括按照正交布置的多个千斤顶以及设置在千斤顶头部的加载钢板；自动化监测子系统：包括监测设备和采集仪。与现有技术相比，本发明具有模块化设计、加卸载组合多样、模拟多种复杂工况等优点。

Description

一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台
技术领域
本发明涉及土木工程试验技术领域，尤其是涉及一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台。
背景技术
随着城市的发展，近接运营轨道交通、市政隧道的施工，包括基坑开挖卸载、地面景观的大面积堆土加载以及桩基工程施工等案例越来越多。由于工程案例的不可重复性，为更进一步把握近接施工扰动机理，必须借助于模型试验。现有的模型试验系统多只能进行简单的加载工况，且加载多通过上部堆载实现，不仅试验执行难度较大，且加载能力有限。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，该平台包括：
自平衡框架子系统：包括构成平衡框架结构的左主框架和右主框架，左主框架和右主框架均包括前框架柱、后框架柱、上框架梁和下框架梁，左主框架和右主框架的上框架梁间通过上反力平台连接，下框架梁间通过下反力平台连接；
模型试验箱子系统：包括带有万向轮的模型箱底板以及模型箱主体，所述的模型箱主体中设置岩土体和隧道模型；
加载控制子系统：包括安装在上反力平台下表面用以通过伺服控制实现多工况加卸载组合的千斤顶模块，该千斤顶模块包括按照正交布置的多个千斤顶以及设置在千斤顶头部的加载钢板；
自动化监测子系统：包括监测设备和采集仪，用以实时自动化采集土体变形、水土压力以及隧道结构应力和变形相关试验数据，所述的监测设备包括微型土压力盒、水压力计、分层沉降仪、数字照相机、应变计和位移计。
所述的千斤顶设有9个，且按照3*3的方式布置成九宫格形状。
所述的上反力平台和下反力平台由H型钢和钢板连接组合成型。
所述的下反力平台上设有自动滑轨，所述的模型箱底板沿自动滑轨滑动定位。
所述的模型箱主体由钢板和高强钢化玻璃板制成，或全部高强钢化玻璃板制成。
所述的模型试验箱子系统用以模拟单洞、双洞平行、双洞交叉、分岔隧道以及多洞的情况。
所述的千斤顶通过伺服控制各自独立控制加卸载，用以模拟预加载、大面积加载、大面积卸载、局部加载、局部卸载、局部加/卸载同时进行的工况组合。
模拟的工况具体包括特定位置的土体开挖、隧道两侧土体的开挖、沿隧道方向单侧大范围的土体开挖、隧道两侧大范围的土体开挖、隧道上方的局部堆载、隧道上方沿隧道轴线条状堆载、隧道两侧的局部堆载、垂直于隧道方向的线状堆载、平行于隧道方向单侧大面积堆载以及平行于隧道方向双侧大面积堆载。
所述的模型箱主体在与模拟隧道模型相交位置处设有隧道横断面侧板开孔，当模拟隧道模型为平行、交叉复杂隧道型式时，侧板开孔数量根据需要设置。
该平台的模拟试验步骤如下：
1)根据相似比设计原则，进行模型试验岩土体的配比以及完成隧道结构模型设计；
2)完成自动化监测子系统的设计，包括监测设备和自动化采集仪，监测设备包括微型土压力盒、水压力计、分层沉降仪、数字照相机、应变计、位移计；
3)基于模型试验箱子系统，进行土体分层填筑、隧道模型就位、土体分层回填至相应的标高，完成考虑周边岩土体的小比例尺隧道模型，过程中完成模型监测系统的安装；
4)模型试验箱在自平衡框架子系统中就位，启动加载控制子系统进行预加载，进行试验数据的初步采集；
5)加载控制子系统进一步加载，获得隧道结构对应于近接施工扰动前的状态，进行试验数据的采集与记录；
6)通过加载控制子系统的加卸载工况设计，进行近些施工状态模拟，试验过程中完成监测数据的采集工作，对近接施工情况下隧道结构受力和变形情况进行研究。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出一种可考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，主要包括自平衡框架子系统、模型试验箱子系统、加载控制子系统、自动化监测子系统。所提出加载子系统采用模块化设计，依托于自平衡框架子系统，加载子系统设置平面呈九宫格布置的九个可独立加卸载的千斤顶，通过千斤顶端部设置的加载板可实现不同的加卸载组合，能完成近接运营隧道施工复杂工况的模拟，包括隧道顶部整体(局部)开挖(加载)、侧边整体(局部)开挖(加载)。
附图说明
图1为本发明中隧道模型试验平台透视图。
图2为本发明中隧道模型试验平台正视图。
图3为本发明中隧道模型试验平台侧视图。
图4为本发明中隧道模型试验平台俯视图。
图5为在模拟单线隧道特定位置土体开挖时各千斤顶的加卸载情况。
图6为在模拟单线隧道两侧土体的开挖时各千斤顶的加卸载情况。
图7为在模拟单线隧道单侧大范围土体开挖时各千斤顶的加卸载情况。
图8为在模拟单线隧道两侧大范围土体开挖时各千斤顶的加卸载情况。
图9为在模拟单线隧道上方局部堆载时各千斤顶的加卸载情况。
图10为在模拟单线隧道上方沿隧道轴线条状堆载时各千斤顶的加卸载情况。
图11为在模拟单线隧道两侧局部堆载时各千斤顶的加卸载情况。
图12为在模拟单线隧道垂直于隧道方向的线状堆载时各千斤顶的加卸载情况。
图13为在模拟单线隧道平行于隧道方向单侧大面积堆载时各千斤顶的加卸载情况。
图14为在模拟单线隧道平行于隧道方向双侧大面积堆载时各千斤顶的加卸载情况。
图中标记说明：
1、下框架梁，2、上框架梁，3、前框架柱，4、后框架柱，5、下反力平台，6、上反力平台，7、上钢板，8、下钢板，9、千斤顶，10、加载钢板，11、模型箱前后板，12、模型箱侧板，13、侧板开孔，14、模型箱底板，15、自动滑轨。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1-4所示，本发明提出一种可考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，用于考虑近接运营隧道施工复杂工况的模拟，该平台包括自平衡框架子系统、模型试验箱子系统、加载控制子系统、自动化监测子系统。
加载子系统采用模块化设计，依托于自平衡框架子系统，加载子系统包括平面呈九宫格布置的九个可独立加卸载的千斤顶，通过千斤顶端部设置的加载板可实现不同的加卸载组合，能完成近接运营隧道施工复杂工况的模拟，包括隧道顶部整体(局部)开挖(加载)、侧边整体(局部)开挖(加载)。
自平衡框架子系统的平衡框架结构包括左、右对称两个主框架，主框架由前后框架柱和上下框架梁组成，框架柱和框架梁的连接可采用螺栓连接或连接，上下反力平台通过上下框架梁与左右主框架相连，下反力平台5上设置自动滑轨15。
模型试验箱子系统配置带万向轮的移动模型箱底板14，模型试验箱子系统通过自动滑轨15与自平衡框架子系统和加载控制子系统进行对接。
模型试验箱可采用高强钢化玻璃与钢板，或完全采用高强钢化玻璃制作。
通过面板开洞以及隧道模型的设计，模型试验箱用以模拟单洞、双洞平行、双洞交叉、分岔隧道以及多洞复杂关系情况，加载控制子系统设置9个各自独立的自动控制液压千斤顶9，通过运行加载控制子系统，可模拟模型预加载、大面积加载、大面积卸载、局部加载、局部卸载、局部加、卸载同时进行的多种复杂工况组合。
信息采集子系统用以实现对应力、变形等试验数据的实时自动化采集，并引入数字照相技术等先进的试验手段。
具体模拟试验的主要步骤包括：
(1)根据相似比设计原则，进行模型试验岩土体的配比；
(2)根据相似比设计原则，完成隧道结构模型设计；
(3)完成模型监测系统的设计；
(4)基于模型试验箱子系统，进行土体分层填筑、隧道模型就位、土体分层回填至相应的标高，完成考虑周边岩土体的小比例尺隧道模型，过程中完成模型监测系统的安装；
(5)模型试验箱在自平衡框架子系统中就位，启动加载控制子系统进行预加载，进行试验数据的初步采集；
(6)采用加载控制子系统，进一步加载，获得隧道结构对应于近接施工扰动前的状态，进行试验数据的采集与记录；
(7)基于需要模拟的工况，如近接基坑开挖、隧道上方或周边堆土等工况及其组合，设计加载工况，运行加载控制子系统，通过对应位置单个千斤顶或多个千斤顶联动的加载或卸载工况的模拟；试验过程中实时进行监测数据的采集工作，对近接施工情况下隧道结构受力和变形情况进行研究。
以单线隧道为例，如图5所示，中下部对应位置千斤顶的卸载可以模拟该处土体的开挖；如图6所示，模型隧道中部两侧对应位置千斤顶的卸载可以模拟隧道两侧土体的开挖；如图7所示，对应下部三个千斤顶的整体卸载，可以模拟沿隧道方向单侧大范围的土体开挖工况；图8则模拟了隧道两侧大范围的土体开挖工况。如图9所示，正中千斤顶的加载，可以模拟隧道上方的局部堆载；如图10所示，沿隧道轴线方向中部三个千斤顶的整体加载，可以模拟隧道上方沿隧道轴线条状堆载工况；如图11所示，对称于隧道轴线的模型中部隧道两侧千斤顶加载，可以模拟隧道两侧的局部堆载工况；如图12所示，表示垂直于隧道方向的线状堆载工况；如图13所示，表示平行于隧道方向单侧大面积堆载；如图14所示，表示平行于隧道方向双侧大面积堆载；而整体九个千斤顶在预加载后继续进行加载，则可以模拟隧道上方大范围堆载工况。同时，千斤顶加载大小的不同，也可以用于模拟隧道周边环境的情况。另外双线隧道、交叉隧道、分岔隧道等工况，可见本专利平台能够模拟的复杂工况较多，能够实现多种不同工况的模拟。

Claims (10)

1.一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，该平台包括：
自平衡框架子系统：包括构成平衡框架结构的左主框架和右主框架，左主框架和右主框架均包括前框架柱(3)、后框架柱(4)、上框架梁(2)和下框架梁(1)，左主框架和右主框架的上框架梁(2)间通过上反力平台(6)连接，下框架梁(1)间通过下反力平台(5)连接；
模型试验箱子系统：包括带有万向轮的模型箱底板(14)以及模型箱主体，所述的模型箱主体中设置岩土体和隧道模型；
加载控制子系统：包括安装在上反力平台(6)下表面用以通过伺服控制实现多工况加卸载组合的千斤顶模块，该千斤顶模块包括按照正交布置的多个千斤顶(9)以及设置在千斤顶头部的加载钢板(10)；
自动化监测子系统：包括监测设备和采集仪，用以实时自动化采集土体变形、水土压力以及隧道结构应力和变形相关试验数据，所述的监测设备包括微型土压力盒、水压力计、分层沉降仪、数字照相机、应变计和位移计。
2.根据权利要求1所述的一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，所述的千斤顶(9)设有9个，且按照3*3的方式布置成九宫格形状。
3.根据权利要求1所述的一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，所述的上反力平台(6)和下反力平台(5)由H型钢和钢板连接组合成型。
4.根据权利要求1所述的一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，所述的下反力平台(5)上设有自动滑轨(15)，所述的模型箱底板(14)沿自动滑轨(15)滑动定位。
5.根据权利要求1所述的一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，所述的模型箱主体由钢板和高强钢化玻璃板制成，或全部高强钢化玻璃板制成。
6.根据权利要求1所述的一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，所述的模型试验箱子系统用以模拟单洞、双洞平行、双洞交叉、分岔隧道以及多洞的情况。
7.根据权利要求2所述的一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，所述的千斤顶(9)通过伺服控制各自独立控制加卸载，用以模拟预加载、大面积加载、大面积卸载、局部加载、局部卸载、局部加/卸载同时进行的工况组合。
8.根据权利要求7所述的一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，模拟的工况具体包括特定位置的土体开挖、隧道两侧土体的开挖、沿隧道方向单侧大范围的土体开挖、隧道两侧大范围的土体开挖、隧道上方的局部堆载、隧道上方沿隧道轴线条状堆载、隧道两侧的局部堆载、垂直于隧道方向的线状堆载、平行于隧道方向单侧大面积堆载以及平行于隧道方向双侧大面积堆载。
9.根据权利要求6所述的一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，所述的模型箱主体在与模拟隧道模型相交位置处设有隧道横断面侧板开孔(13)，当模拟隧道模型为平行、交叉复杂隧道型式时，侧板开孔数量根据需要设置。
10.根据权利要求1所述的一种考虑复杂加卸载工况的隧道模型试验平台，其特征在于，该平台的模拟试验步骤如下：
1)根据相似比设计原则，进行模型试验岩土体的配比以及完成隧道结构模型设计；
2)完成自动化监测子系统的设计，包括监测设备和自动化采集仪，监测设备包括微型土压力盒、水压力计、分层沉降仪、数字照相机、应变计、位移计；
3)基于模型试验箱子系统，进行土体分层填筑、隧道模型就位、土体分层回填至相应的标高，完成考虑周边岩土体的小比例尺隧道模型，过程中完成模型监测系统的安装；
4)模型试验箱在自平衡框架子系统中就位，启动加载控制子系统进行预加载，进行试验数据的初步采集；
5)加载控制子系统进一步加载，获得隧道结构对应于近接施工扰动前的状态，进行试验数据的采集与记录；
6)通过加载控制子系统的加卸载工况设计，进行近些施工状态模拟，试验过程中完成监测数据的采集工作，对近接施工情况下隧道结构受力和变形情况进行研究。
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