CN113848101A - 一种考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统及使用方法 - Google Patents

一种考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统及使用方法，包括四套相互独立的加载系统、四套可拆卸挡板、两块盖板、支撑架、支撑铰接及第一液压千斤顶，四套可拆卸挡板和两块盖板围合形成一个内部为空腔的长方体；底部的可拆卸挡板位于支撑架上，四套相互独立的加载系统分别位于四套可拆卸挡板外侧，并能够给可拆卸挡板施加压力；底部的可拆卸挡板的一端通过支撑铰接与其对应的加载系统的一端连接，另一端通过第一液压千斤顶与其对应的加载系统的另一端连接。本发明将模型制作及加载装置相结合，可实现不同倾角及不同厚度岩层的浇筑，同时通过调整岩层的凝固时间达到控制岩层层间强度的目的。

Description

一种考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟 实验系统及使用方法
技术领域
本发明涉及岩土工程学科相似材料物理模拟实验领域，特别是涉及一种制作复合地层相似模拟的模型实验装置。
背景技术
目前，在相似模拟实验领域，制作复合岩层相似材料物理模型时，普通的实验装置由于本身的局限性，浇筑带有一定倾角的复合岩层难度大、实验结果不甚理想。有关于复合岩层的相似材料模拟实验大多仅考虑水平或垂直倾角工况。因此，为了模拟不同倾角复合地层中隧道失稳破坏过程，本发明提出了将模型制作及加载装置相结合的思路。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统及使用方法，以解决不同倾角及厚度复合岩层制作较困难的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统，包括四套相互独立的加载系统、四套可拆卸挡板、两块盖板、支撑架、支撑铰接及第一液压千斤顶，其中：四套可拆卸挡板和两块盖板围合形成一个内部为空腔的长方体，四套可拆卸挡板分别作为该长方体的上下左右四个面，两块盖板分别作为该长方体的前后两面，该长方体内部的空腔中用于浇筑复合地层；底部的可拆卸挡板位于支撑架上，四套相互独立的加载系统分别位于四套可拆卸挡板外侧，并能够给可拆卸挡板施加压力；底部的可拆卸挡板的一端通过支撑铰接与其对应的加载系统的一端连接，另一端通过第一液压千斤顶与其对应的加载系统的另一端连接。
所述的四套相互独立的加载系统中，底部的加载系统固定，左右两侧及上侧的加载系统可移动，每套加载系统包括若干组独立的第二液压千斤顶和后端钢板，第二液压千斤顶通过后端钢板固定并提供反力；所有第二液压千斤顶连接同一个液压伺服机，提供相同的压力；每个第二液压千斤顶处均设置有位移传感器。
所述的四套可拆卸挡板中，每套可拆卸挡板为若干节，分别与其对应的加载系统中的若干第二液压千斤顶一一对应，每套可拆卸挡板的两端分别设置有一个可拆卸小块，可拆卸挡板和可拆卸小块的一面均设置有插槽，通过一块钢板将若干节可拆卸挡板和可拆卸小块连接为一个整体。
所述的四套可拆卸挡板中，上端的可拆卸挡板中的可拆卸小块拆卸后作为出线孔。
所述的盖板为钢板，浇筑时，盖板通过螺栓与可拆卸挡板固定，加载时，盖板与后端钢板固定。
所述的盖板上开设有小窗，该小窗能够打开或关闭。
一种考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统的使用方法，包括以下步骤：
(1)设置设备倾角：将左右侧及上侧的加载系统移开，使用第一液压千斤顶将四套可拆卸挡板组成的模具调整至预设倾角，此时两块盖板通过螺栓与可拆卸挡板连接固定，此时小窗关闭；
(2)复合地层浇筑：根据浇筑深度，对右侧的可拆卸挡板进行安装，同时根据右侧的可拆卸挡板的数量调整钢板，浇筑具有圆形隧道的复合地层，浇筑时将传感器布置在复合地层中，并将上端可拆卸块作为传感器的出线口；
(3)加载：当浇筑的复合地层达到设定强度后，使用第一液压千斤顶调整四套可拆卸挡板组成的模具至平整，平整后底部的可拆卸挡板放置在支撑架上，并将左右侧及上侧加载系统归位，使用螺栓将四套独立加载系统固定，将可拆卸挡板中的钢板抽出，并将盖板与可拆卸挡板分离，将盖板固定在加载系统中的后端钢板上，将布置在复合地层中传感器通过导线连接到数据采集系统，小窗打开，按照设定的路径进行加载。
所述步骤(2)中，浇筑具有圆形隧道的复合地层时，浇筑材料为不同配比相似材料，用于模拟不同强度岩层；通过分层浇筑实现复合岩层的浇筑，利用重力实现表面水平，当一层岩体浇筑完成并达到一定强度后，开始下一层岩体浇筑；当浇筑至隧道处，放置隧道模具继续浇筑，浇筑完成后，拆除隧道模具即形成隧道。
所述步骤(3)中，加载时将可拆卸小块拆除，避免加载过程中可拆卸挡板之间的接触。
有益效果：本发明将模型制作及加载装置相结合，使用仪器自身进行调节角度，可实现不同倾角及不同厚度岩层的浇筑，同时通过调整岩层的凝固时间达到控制岩层层间强度的目的。同时可对倾角及层厚进行精确控制，一定程度上减少了试验难度及误差。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明可拆卸挡板与钢板之间的位置关系；
图3为本发明的可拆卸挡板局部放大图；
图4为本发明的可拆卸挡板与支撑架的位置关系；
图5为本发明的可拆卸挡板、加载系统及位移传感器的位置关系；
图6为本发明的复合地层浇筑过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明将浇筑系统与加载系统结合，可实现不同倾角复合地层的浇筑模拟。
如图1所示，本发明的一种考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统，包括四套相互独立的加载系统1、四套可拆卸挡板4、两块盖板6、支撑架8、支撑铰接9及第一液压千斤顶10。
如图1所示，四套可拆卸挡板4和两块盖板6围合形成一个内部为空腔的长方体，四套可拆卸挡板4分别作为该长方体的上下左右四个面，两块盖板6分别作为该长方体的前后两面，该长方体内部的空腔中用于浇筑复合地层；底部的可拆卸挡板4位于支撑架8上，四套相互独立的加载系统1分别位于四套可拆卸挡板4外侧，并能够给可拆卸挡板4施加压力；底部的可拆卸挡板4的一端通过支撑铰接9与其对应的加载系统1的一端连接，另一端通过第一液压千斤顶10与其对应的加载系统1的另一端连接。
四套相互独立的加载系统1中，底部的加载系统1固定，左右两侧及上侧的加载系统1可移动，如图5所示，每套加载系统1包括若干组独立的第二液压千斤顶2和后端钢板3，第二液压千斤顶2通过后端钢板3固定并提供反力；所有第二液压千斤顶2连接同一个液压伺服机，提供相同的压力；每个第二液压千斤顶2处均设置有位移传感器14。
四套可拆卸挡板4中，每套可拆卸挡板4为若干节，分别与其对应的加载系统1中的若干第二液压千斤顶2一一对应。如图2至4所示，每套可拆卸挡板4的两端分别设置有一个可拆卸小块5，可拆卸挡板4和可拆卸小块5的一面均设置有插槽15，通过一块钢板11将若干节可拆卸挡板4和可拆卸小块5连接为一个整体。上端的可拆卸挡板4中的可拆卸小块5拆卸后作为出线孔。
盖板6为钢板，浇筑时，盖板6通过螺栓与可拆卸挡板4固定，加载时，盖板6与后端钢板3固定，限制平面方向上的位移。
盖板6上开设有小窗7，方便破裂过程观测，该小窗7能够打开或关闭。
本发明的考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统的使用方法，包括以下步骤：
(1)设置设备倾角：将左右侧及上侧的加载系统1移开，使用第一液压千斤顶10将四套可拆卸挡板4组成的模具调整至预设倾角，此时两块盖板6通过螺栓与可拆卸挡板4连接固定，此时小窗7关闭；
(2)复合地层浇筑：根据浇筑深度，对右侧的可拆卸挡板4进行安装，同时根据右侧的可拆卸挡板4的数量调整钢板11，浇筑具有圆形隧道的复合地层12，浇筑时将传感器布置在复合地层12中，并将上端可拆卸块5拆卸，作为传感器的出线口；
其中，浇筑材料为不同配比相似材料，用于模拟不同强度岩层；通过分层浇筑实现复合岩层12的浇筑，利用重力实现表面水平，当一层岩体浇筑完成并达到一定强度后，开始下一层岩体浇筑；当浇筑至隧道处，放置隧道模具13继续浇筑，浇筑完成后，拆除隧道模具13即形成隧道；
(3)加载：当浇筑的复合地层12达到设定强度后，使用第一液压千斤顶10调整四套可拆卸挡板4组成的模具至平整，平整后底部的可拆卸挡板4放置在支撑架8上，并将左右侧及上侧加载系统1归位，使用螺栓将四套独立加载系统固定，将可拆卸挡板4中的钢板11抽出，并将盖板6与可拆卸挡板4分离，将盖板6固定在加载系统1中的后端钢板3上，将加载时将可拆卸小块5拆除，避免加载过程中可拆卸挡板4之间的接触，将布置在复合地层12中传感器通过导线连接到数据采集系统，小窗7打开，按照设定的路径进行加载。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统，其特征在于：包括四套相互独立的加载系统(1)、四套可拆卸挡板(4)、两块盖板(6)、支撑架(8)、支撑铰接(9)及第一液压千斤顶(10)，其中：四套可拆卸挡板(4)和两块盖板(6)围合形成一个内部为空腔的长方体，四套可拆卸挡板(4)分别作为该长方体的上下左右四个面，两块盖板(6)分别作为该长方体的前后两面，该长方体内部的空腔中用于浇筑复合地层；底部的可拆卸挡板(4)位于支撑架(8)上，四套相互独立的加载系统(1)分别位于四套可拆卸挡板(4)外侧，并能够给可拆卸挡板(4)施加压力；底部的可拆卸挡板(4)的一端通过支撑铰接(9)与其对应的加载系统(1)的一端连接，另一端通过第一液压千斤顶(10)与其对应的加载系统(1)的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统，其特征在于：所述的四套相互独立的加载系统(1)中，底部的加载系统(1)固定，左右两侧及上侧的加载系统(1)可移动，每套加载系统(1)包括若干组独立的第二液压千斤顶(2)和后端钢板(3)，第二液压千斤顶(2)通过后端钢板(3)固定并提供反力；所有第二液压千斤顶(2)连接同一个液压伺服机，提供相同的压力；每个第二液压千斤顶(2)处均设置有位移传感器(14)。
3.根据权利要求2所述的考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统，其特征在于：所述的四套可拆卸挡板(4)中，每套可拆卸挡板(4)为若干节，分别与其对应的加载系统(1)中的若干第二液压千斤顶(2)一一对应，每套可拆卸挡板(4)的两端分别设置有一个可拆卸小块(5)，可拆卸挡板(4)和可拆卸小块(5)的一面均设置有插槽(15)，通过一块钢板(11)将若干节可拆卸挡板(4)和可拆卸小块(5)连接为一个整体。
4.根据权利要求3所述的考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统，其特征在于：所述的四套可拆卸挡板(4)中，上端的可拆卸挡板(4)中的可拆卸小块(5)拆卸后作为出线孔。
5.根据权利要求2所述的考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统，其特征在于：所述的盖板(6)为钢板，浇筑时，盖板(6)通过螺栓与可拆卸挡板(4)固定，加载时，盖板(6)与后端钢板(3)固定。
6.根据权利要求5所述的考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统，其特征在于：所述的盖板(6)上开设有小窗(7)，该小窗(7)能够打开或关闭。
7.一种权利要求1-6任一所述的考虑平面应变状态下实现复合地层圆形隧道的相似模拟实验系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)设置设备倾角：将左右侧及上侧的加载系统(1)移开，使用第一液压千斤顶(10)将四套可拆卸挡板(4)组成的模具调整至预设倾角，此时两块盖板(6)通过螺栓与可拆卸挡板(4)连接固定，此时小窗(7)关闭；
(2)复合地层浇筑：根据浇筑深度，对右侧的可拆卸挡板(4)进行安装，同时根据右侧的可拆卸挡板(4)的数量调整钢板(11)，浇筑具有圆形隧道的复合地层(12)，浇筑时将传感器布置在复合地层(12)中，并将上端可拆卸块(5)作为传感器的出线口；
(3)加载：当浇筑的复合地层(12)达到设定强度后，使用第一液压千斤顶(10)调整四套可拆卸挡板(4)组成的模具至平整，平整后底部的可拆卸挡板(4)放置在支撑架(8)上，并将左右侧及上侧加载系统(1)归位，使用螺栓将四套独立加载系统固定，将可拆卸挡板(4)中的钢板(11)抽出，并将盖板(6)与可拆卸挡板(4)分离，将盖板(6)固定在加载系统(1)中的后端钢板(3)上，将布置在复合地层(12)中传感器通过导线连接到数据采集系统，小窗(7)打开，按照设定的路径进行加载。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，浇筑具有圆形隧道的复合地层(12)时，浇筑材料为不同配比相似材料，用于模拟不同强度岩层；通过分层浇筑实现复合岩层(12)的浇筑，利用重力实现表面水平，当一层岩体浇筑完成并达到一定强度后，开始下一层岩体浇筑；当浇筑至隧道处，放置隧道模具(13)继续浇筑，浇筑完成后，拆除隧道模具(13)即形成隧道。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，加载时将可拆卸小块(5)拆除，避免加载过程中可拆卸挡板(4)之间的接触。
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