CN116558976A - 一种隧道三维模拟实验系统及其试验件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道三维模拟实验系统及其试验件的制备方法，包括反力框架、模型箱体和加载系统，所述模型箱体设置在所述反力框架内；所述模型箱体内放置有试验件，且所述试验件的外侧板与所述模型箱体的内侧板贴合；本发明通过设置反力框架和加载系统，并通过钢结构反力框架和加载系统对隧道模型施加围岩边界加载，更接近实际隧道所处的地应力环境，且该系统可以通过调整加载系统的加载参数，模拟不同地应力条件下的隧道结构受力和变形特性，从而为工程设计和施工提供有针对性的参考数据；通过安装监测系统，可以实时获取隧道模型的变形、受力等数据，方便进行数据分析和研究。
Description
技术领域
本发明涉及隧道模拟实验领域，具体涉及一种隧道三维模拟实验系统及其试验件的制备方法。
背景技术
隧道工程是基础设施建设中的重要组成部分，涉及交通、水利、能源等多个领域。隧道施工过程中，受地下岩土条件、地应力、施工方法等多种因素的影响，隧道结构可能发生变形、破坏或其他安全问题。为了确保隧道工程的安全、高效进行，对隧道结构在施工过程中的受力、变形特性及围岩环境的影响进行研究和模拟至关重要。
在过去的研究中，人们主要通过数值模拟和现场实测相结合的方法来研究隧道结构的受力和变形特性。然而，这些方法存在一定局限性，如数值模拟方法受限于模型的准确性、现场实测数据难以获取等。因此，研究者们开始寻求新的方法，以更好地模拟隧道结构的受力和变形特性，如采用实验模型进行物理模拟等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何研究隧道结构的受力和变形特性，目的在于提供一种隧道三维模拟实验系统及其试验件的制备方法，以更好地模拟隧道结构的受力和变形特性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种隧道三维模拟实验系统，包括：
反力框架，其具有上梁、下梁、左梁和右梁，所述上梁和所述下梁水平平行设置，所述左梁和所述右梁竖直平行设置，所述左梁的上端和所述右梁的上端分别与所述上梁的两端垂直固定连接，所述左梁的下端和所述右梁的下端分别与所述下梁的两端垂直固定连接；
模型箱体，其具有上侧板、下侧板、左侧板、右侧板、前侧板和后侧板，所述模型箱体设置在所述反力框架内；
加载系统，其包括上加载组件、下加载组件、左加载组件和右加载组件，所述左加载组件与所述左梁固定连接，且对所述左侧板施加向右的作用力；所述右加载组件与所述右梁固定连接，且对所述右侧板施加向左的作用力；所述上加载组件与所述上梁固定连接，且对所述上侧板施加向下的作用力；所述下加载组件与所述下梁固定连接，且对所述上侧板施加向上的作用力；
所述模型箱体内放置有试验件，且所述试验件的外侧板与所述模型箱体的内侧板贴合。
可选地，所述模型箱体包括框架横梁和框架立柱，四个所述框架横梁呈矩形分布，且所述框架横梁的前端与所述前侧板的四角连接，所述框架横梁的后端与所述后侧板的四角连接；
四个所述框架立柱呈矩形分布，且两个所述框架立柱分别与所述前侧板的左侧边和右侧边固定连接，另外两个所述框架立柱分别与所述后侧板的左侧边和右侧边固定连接；
所述左侧板和所述右侧板通过滑动连接组件与所述前侧板和所述后侧板可滑动连接，且所述左侧板和所述右侧板的滑动方向为左右方向；
所述上侧板通过滑动连接组件与所述前侧板和所述后侧板可滑动连接，且所述上侧板的滑动方向为上下方向。
作为一个实施方式，所述滑动连接组件包括伸缩杆，所述伸缩杆的第一端与所述左侧板/所述右侧板/所述上侧板垂直固定连接；所述伸缩杆的第二端与所述前侧板/所述后侧板平行且固定连接。
作为另一个实施方式，所述滑动连接组件包括：内连接杆、连接横杆和外伸缩杆；
所述内连接杆的第一端与所述左侧板/所述右侧板/所述上侧板垂直固定连接；所述外伸缩杆的固定端与所述前侧板/所述后侧板平行且固定连接；所述连接横杆的两端分别与所述内连接杆的第二端和所述外伸缩杆的移动端固定连接；
所述连接横杆的大于所述前侧板/所述后侧板的厚度，移动时，所述前侧板/所述后侧板位于所述内连接杆和所述外伸缩杆之间。
可选地，所述左侧板和所述右侧板的活动范围为15cm，所述上侧板活动范围为10cm。
可选地，所述上加载组件/所述下加载组件/所述左加载组件/所述右加载组件包括呈矩阵分布的多个油压千斤顶，所述油压千斤顶的液压缸与所述上梁/所述下梁/所述左梁/所述右梁垂直固定连接，所述油压千斤顶的液压杆向所述上侧板/所述下侧板/所述左侧板/所述右侧板施加作用力；
所述液压千斤顶通过比例电磁阀、电磁球阀、电磁换向阀、油管与油压泵站连通，控制器通过信号线控制比例电磁阀、电磁球阀、电磁换向阀。
进一步，还包括运输组件，所述运输组件包括台架、滑动轨道和行走机构，所述台架竖直固定在所述下梁的上侧面，两个所述滑动轨道水平平行设置，且其一端与所述台架连通，所述行走机构设置在所述滑动轨道上，并可以沿所述滑动轨道滑动只所述台架；所述模型箱体设置在所述行走机构上，所述下加载组件位于所述台架之间。
更进一步，还包括用于测量所述上侧板、所述左侧板和所述右侧板位移量的位移测量装置；
用于测量试验件内部应力变化且设置在试验件内部的应变片；
用于测量接触压力的振弦式压力计，其设置在所述上侧板、所述下侧板、所述左侧板、所述右侧板的内侧面。
一种隧道三维模拟实验系统的试验件的制备方法，制备放置在如上所述的一种隧道三维模拟实验系统的模型箱体内的试验件，包括：
确定模型箱体的尺寸，并确定与待模拟隧道的几何相似比CL＝a和容重相似比Cγ＝b；
根据几何相似比确定泊松比相似比Cv、应力相似比Cσ、弹性模量相似比CE、粘聚力相似比CC、内摩擦角相似比应变相似比Cε、位移相似比Cδ、体积力相似比CX、面力相似比弯矩相似比CM和轴力相似比CN；
确定待模拟隧道的岩性；
根据相似比和待模拟隧道的岩性，确定相似材料的岩性。
配置相似材料中的各个配料，浇筑试件，并在试件脱模后置于模拟养护环境进行养护。
可选地，Cσ＝CE＝CXCL＝CγCL＝a，Cδ＝CL＝a，/>Cc＝CL＝a。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过设置反力框架和加载系统，并通过钢结构反力框架和加载系统对隧道模型施加围岩边界加载，更接近实际隧道所处的地应力环境，且该系统可以通过调整加载系统的加载参数，模拟不同地应力条件下的隧道结构受力和变形特性，从而为工程设计和施工提供有针对性的参考数据；通过安装监测系统，可以实时获取隧道模型的变形、受力等数据，方便进行数据分析和研究。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是根据本发明所述的一种隧道三维模拟实验系统的结构示意图。
图2是根据本发明所述的一种隧道三维模拟实验系统的工作示意图。附图标记：11-上梁，12-下梁，13-左梁，14-右梁，21-上侧板，22-下侧板，23-左侧板，24-右侧板，25-观察孔，31-上加载组件，32-下加载组件，33-左加载组件，34-右加载组件，41-振弦式压力计，42-应变片，52-台架，53-行走机构，51-滑动轨道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
实施例以
如图1和图2所示，提供一种隧道三维模拟实验系统，包括：反力框架、模型箱体和加载系统，该系统通过反力框架、模型箱体和加载系统来模拟隧道在地应力环境下的受力和变形情况。
反力框架具有上梁11、下梁12、左梁13和右梁14，上梁11和下梁12水平平行设置，左梁13和右梁14竖直平行设置，左梁13的上端和右梁14的上端分别与上梁11的两端垂直固定连接，左梁13的下端和右梁14的下端分别与下梁12的两端垂直固定连接；上梁11、下梁12、左梁13和右梁14均为钢结构，并通过焊接的方式构成矩形结构，且为了增加稳定性，在安装时，通过膨胀螺钉等连接装置将下梁12固定连接在地面上。
模型箱体具有上侧板21、下侧板22、左侧板23、右侧板24、前侧板和后侧板，模型箱体设置在反力框架内；6个侧板构成六面体，用于放置试验件，模型箱体内放置有试验件，且试验件的外侧板与模型箱体的内侧板贴合，同时，为了便于观察内部试验件的情况，可以在前侧板或后侧板上设置观察孔25。
加载系统包括上加载组件31、下加载组件32、左加载组件33和右加载组件34，左加载组件33与左梁13固定连接，且对左侧板23施加向右的作用力；右加载组件34与右梁14固定连接，且对右侧板24施加向左的作用力；上加载组件31与上梁11固定连接，且对上侧板21施加向下的作用力；下加载组件32与下梁12固定连接，且对上侧板21施加向上的作用力；
通过加载系统对模型箱的上侧板21、下侧板22、左侧板23、右侧板24施加作用力，从而实现对试验件施加压力的目的。
使用时，首先，将隧道试验件放置在模型箱体内，使试验件的外侧板与模型箱体的内侧板贴合。
然后，启动加载系统，上加载组件31、下加载组件32、左加载组件33、右加载组件34分别对模型箱体的上侧板21、下侧板22、左侧板23和右侧板24施加作用力，以模拟隧道在地应力环境下的受力情况。
最后，通过监测系统对隧道试验件的变形和受力进行实时测试。
本实施例通过利用反力框架和加载系统对模型箱体施加不同方向的作用力，模拟隧道在地应力环境下的受力情况。在加载过程中，试验件与模型箱体的内侧板贴合，以确保试验件受到的作用力与实际隧道工程中的受力相近。通过监测系统对试验件的变形和受力进行实时测试，可以为隧道工程设计和施工提供重要参考数据。
隧道所处地应力环境的模拟，包含自重应力场及构造应力场，通过设定垂直和水平向不同的压力值，开展不同侧压力系数下的隧道试验，开展深部围岩的地应力环境模拟，即H≥1000m。
复杂隧道结构开挖及受力模拟，通过制作不同隧道试验件和复杂隧道结构试验件，开展不同断面、不同结构形式的隧道试验，以及不同类型的近接隧道之间的相互影响。
为了实现模型箱体的6个侧板之间的连接，设定模型箱体包括框架横梁和框架立柱，通过框架横梁和框架立柱来实现固定。
本实施例中上侧板21、左侧板23和右侧板24具有移动性，才能实现对试验件的加压，因此将下侧板22、前侧板、右侧板24与框架横梁和框架立柱连接即可。且为了方便试验件的安装，可以将前侧板设定成为可拆卸的结构，在放置试验件进入模型箱体后，将前侧板与框架横梁连接即可。
四个框架横梁呈矩形分布，且框架横梁的前端与前侧板的四角连接，框架横梁的后端与后侧板的四角连接；
四个框架立柱呈矩形分布，且两个框架立柱分别与前侧板的左侧边和右侧边固定连接，另外两个框架立柱分别与后侧板的左侧边和右侧边固定连接；
左侧板23和右侧板24通过滑动连接组件与前侧板和后侧板可滑动连接，且左侧板23和右侧板24的滑动方向为左右方向；
上侧板21通过滑动连接组件与前侧板和后侧板可滑动连接，且上侧板21的滑动方向为上下方向。
将上侧板21、左侧边和右侧板24设置成为可滑动的，具有至少两个功能：
一，在加载组件对试验件加载时，通过侧板的移动避免侧板对加载系统产生反作用力。
二，可以根据不同的隧道试验件大小进行调整。左侧板23和右侧板24可在左右方向上滑动，上侧板21可在上下方向上滑动，这样可以方便地调整模型箱体的尺寸，以适应各种尺寸的试验件。
实施例二
为了实现上侧板21、左侧边和右侧板24的滑动，通过设置滑动组件将其与前侧板和后侧面连接。
实施例①
滑动连接组件包括伸缩杆，伸缩杆的第一端与左侧板23/右侧板24/上侧板21垂直固定连接；伸缩杆的第二端与前侧板/后侧板平行且固定连接。
在本实施例中，直接将需要滑动的侧板与固定的侧板连接，并通过伸缩杆的伸缩功能来实现滑动连接。这种设计简单实用，伸缩杆可以根据需要调整长度，实现左侧板23、右侧板24和上侧板21的滑动。
实施例②
滑动连接组件包括：内连接杆、连接横杆和外伸缩杆；
内连接杆的第一端与左侧板23/右侧板24/上侧板21垂直固定连接；外伸缩杆的固定端与前侧板/后侧板平行且固定连接；连接横杆的两端分别与内连接杆的第二端和外伸缩杆的移动端固定连接；
连接横杆的大于前侧板/后侧板的厚度，移动时，前侧板/后侧板位于内连接杆和外伸缩杆之间。
在本实施例中，通过将内连接杆、连接横杆和外伸缩杆连接成功U型结构，并将前侧板/后侧板设置在U型结构的空隙之间，这种设计更加稳定，可以在滑动过程中保持良好的连接，同时可以避免移动的侧板产生较大的位移。
左侧板23和右侧板24的活动范围为15cm，上侧板21活动范围为10cm。
实施例三
上加载组件31/下加载组件32/左加载组件33/右加载组件34包括呈矩阵分布的多个油压千斤顶，油压千斤顶的液压缸与上梁11/下梁12/左梁13/右梁14垂直固定连接，油压千斤顶的液压杆向上侧板21/下侧板22/左侧板23/右侧板24施加作用力；
在本实施例中，采用3×3或2×3的结构来实现加载的功能，可以实现对隧道模型边界的均匀加载，更好地模拟实际隧道所处的地应力环境。
液压千斤顶通过比例电磁阀、电磁球阀、电磁换向阀、油管与油压泵站连通，控制器通过信号线控制比例电磁阀、电磁球阀、电磁换向阀。
左右与上下部每个面固定6～9个液压千斤顶，左右面千斤顶输出压力大于上下面，用以模拟较高侧压力情况。
控制器和油管输出油压力作用于液压千斤顶，随着油压的变化控制液压千斤顶控制液压千斤顶的伸缩及稳定状态，同时通过模型箱体实现对隧道试验件的加载、卸载。
模型箱体具有足够的强度，保证在加载、卸载过程中，箱体变形在0.1mm范围内。
并且通过控制器可以使每个面的千斤顶实现联动，并进行压力的控制，采集系统实现对试验过程的压力控制以及实时信息的采集，确保模型地应力环境的稳定。
采集系统包括还包括用于测量上侧板21、左侧板23和右侧板24位移量的位移测量装置，通过监测位移量，可以实时了解试验过程中各侧板的移动情况，从而更好地模拟地应力环境，并为进一步调整加载组件提供依据。
用于测量接触压力的振弦式压力计41，其设置在上侧板21、下侧板22、左侧板23、右侧板24的内侧面。振弦式压力计41是一种应变式压力传感器，具有高精度、高稳定性等特点，适用于测量各侧板与试验件之间的接触压力。通过实时监测接触压力，可以了解试验过程中隧道模型受到的实际应力状况，为进一步优化实验参数提供数据支持。
用于测量试验件内部应力变化且设置在试验件内部的应变片42；其在制备试验件时便设置在试验件内部，可以在进行实验时对试验件的内部情况进行测量。
在实际中，主要用到的采集仪器和设备还可能有：应变片428对，采集二次衬砌应变；百分表或千分表6支，采集二次衬砌位移；振弦式压力计4112支，采集加载压力；电阻式压力计16支，采集围岩压力；动静态应变采集仪1台。
实施例四
为了方便试验件的拆装，本实施例还设置运输组件，可以在装载试验件时，将模型箱体滑动至反力框架外；在实验时，将模型滑动至反力框架内，并通过加载组件加压。
运输组件包括台架51、滑动轨道53和行走机构52，台架51竖直固定在下梁12的上侧面，两个滑动轨道53水平平行设置，且其一端与台架51连通，行走机构52设置在滑动轨道53上，并可以沿滑动轨道53滑动只台架51；模型箱体设置在行走机构52上，下加载组件32位于台架51之间。
台架51作为运输组件的基础结构，用于支撑滑动轨道53和行走机构52，确保整个运输组件的稳定性。滑动轨道53为行走机构52提供了平滑且稳定的运动路径，使得试验件在拆装过程中能够顺利地移动至反力框架内外。行走机构52可以是手动推拉或电动驱动，以实现试验件在装载和拆卸过程中的平稳运动。
实施例五
一种隧道三维模拟实验系统的试验件的制备方法，制备放置在如上的一种隧道三维模拟实验系统的模型箱体内的试验件，包括：
确定模型箱体的尺寸，并确定与待模拟隧道的几何相似比CL＝a和容重相似比Cγ＝b；
确定模型箱体的尺寸，并确定与待模拟隧道的几何相似比和容重相似比。这一步骤主要是为了确定试验件的基本形状和尺寸，以便在后续试验中能够更好地模拟实际隧道的情况。
根据几何相似比确定泊松比相似比Cv、应力相似比Cσ、弹性模量相似比CE、粘聚力相似比CC、内摩擦角相似比应变相似比Cε、位移相似比Cδ、体积力相似比CX、面力相似比弯矩相似比CM和轴力相似比CN；/>Cσ＝CE＝CXCL＝CγCL＝a，Cδ＝CL＝a，Cc＝CL＝a。
确定待模拟隧道的岩性；
根据相似比和待模拟隧道的岩性，确定相似材料的岩性。
例如：选择a＝1，b＝30，根据工程调研资料显示，发生隧底隆起病害的10余座隧道中，围岩分级多为Ⅲ级～Ⅳ级，其岩性多为砂岩、泥岩、灰岩和白云岩等岩层。其中，稍硬岩层的强度大多为15-30MPa，稍软岩层的强度为5-10MPa，岩层厚度大多为薄层～中厚层，厚层以上的底隆病害案例非常少。隧道初期支护为C25～C30喷射混凝土，二次衬砌多为C30混凝土～C35钢筋混凝土。
为更真实的模拟硬岩的脆性断裂以及软岩的弹塑性变形，对岩层的强度进行一定的提升，硬岩岩层的强度设计为30-60MPa，软岩岩层的强度设计为5-15MPa，其弹性模量按《铁路隧道设计规范》TB10003-2016取值，将硬岩按Ⅲ级围岩取值，软岩层按Ⅳ级围岩取值。
根据上节内容所示的工程原型材料参数以及相似比b，可得出相似材料的参数
相似材料模型实验存在其自身的局限性，即相似材料的参数不能与工程原型材料的参数完全相似，围岩的非匀质性和非连续性不能完全相似，且相似模型的尺寸效应也与实际工程不能完全符合相似理论。实验过程中，需要根据实验目的对不同材料选择特定的相似物理参数。根据以上相似关系，围岩主要是考虑破坏状态和变形情况，因此围岩主要满足弹性模量、黏聚力、内摩擦角、强度等参数，二次衬砌主要考虑变形情况，因此弹性模量应尽量与原型相似。其他的如泊松比、重度等可不作为主要控制因素，但应尽量与工程原型材料保持相似。
通过文献调研可知，硬岩和软岩的相似材料可由水、石膏、河砂、重晶石粉的混合材料按不同配比构成。其中石膏为主要的胶凝材料，对其强度和弹性模量的发展起着至关重要的作用，而河砂和重晶石粉则通过改变其掺量，从而调整相似材料的重度和强度等参数。
配置相似材料中的各个配料，浇筑试件，并在试件脱模后置于模拟养护环境进行养护。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，包括：
反力框架，其具有上梁(11)、下梁(12)、左梁(13)和右梁(14)，所述上梁(11)和所述下梁(12)水平平行设置，所述左梁(13)和所述右梁(14)竖直平行设置，所述左梁(13)的上端和所述右梁(14)的上端分别与所述上梁(11)的两端垂直固定连接，所述左梁(13)的下端和所述右梁(14)的下端分别与所述下梁(12)的两端垂直固定连接；
模型箱体，其具有上侧板(21)、下侧板(22)、左侧板(23)、右侧板(24)、前侧板和后侧板，所述模型箱体设置在所述反力框架内；
加载系统，其包括上加载组件(31)、下加载组件(32)、左加载组件(33)和右加载组件(34)，所述左加载组件(33)与所述左梁(13)固定连接，且对所述左侧板(23)施加向右的作用力；所述右加载组件(34)与所述右梁(14)固定连接，且对所述右侧板(24)施加向左的作用力；所述上加载组件(31)与所述上梁(11)固定连接，且对所述上侧板(21)施加向下的作用力；所述下加载组件(32)与所述下梁(12)固定连接，且对所述上侧板(21)施加向上的作用力；
所述模型箱体内放置有试验件，且所述试验件的外侧板与所述模型箱体的内侧板贴合。
2.根据权利要求1所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述模型箱体包括框架横梁和框架立柱，四个所述框架横梁呈矩形分布，且所述框架横梁的前端与所述前侧板的四角连接，所述框架横梁的后端与所述后侧板的四角连接；
四个所述框架立柱呈矩形分布，且两个所述框架立柱分别与所述前侧板的左侧边和右侧边固定连接，另外两个所述框架立柱分别与所述后侧板的左侧边和右侧边固定连接；
所述左侧板(23)和所述右侧板(24)通过滑动连接组件与所述前侧板和所述后侧板可滑动连接，且所述左侧板(23)和所述右侧板(24)的滑动方向为左右方向；
所述上侧板(21)通过滑动连接组件与所述前侧板和所述后侧板可滑动连接，且所述上侧板(21)的滑动方向为上下方向。
3.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述滑动连接组件包括伸缩杆，所述伸缩杆的第一端与所述左侧板(23)/所述右侧板(24)/所述上侧板(21)垂直固定连接；所述伸缩杆的第二端与所述前侧板/所述后侧板平行且固定连接。
4.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述滑动连接组件包括：内连接杆、连接横杆和外伸缩杆；
所述内连接杆的第一端与所述左侧板(23)/所述右侧板(24)/所述上侧板(21)垂直固定连接；所述外伸缩杆的固定端与所述前侧板/所述后侧板平行且固定连接；所述连接横杆的两端分别与所述内连接杆的第二端和所述外伸缩杆的移动端固定连接；
所述连接横杆的大于所述前侧板/所述后侧板的厚度，移动时，所述前侧板/所述后侧板位于所述内连接杆和所述外伸缩杆之间。
5.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述左侧板(23)和所述右侧板(24)的活动范围为15cm，所述上侧板(21)活动范围为10cm。
6.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述上加载组件(31)/所述下加载组件(32)/所述左加载组件(33)/所述右加载组件(34)包括呈矩阵分布的多个油压千斤顶，所述油压千斤顶的液压缸与所述上梁(11)/所述下梁(12)/所述左梁(13)/所述右梁(14)垂直固定连接，所述油压千斤顶的液压杆向所述上侧板(21)/所述下侧板(22)/所述左侧板(23)/所述右侧板(24)施加作用力；
所述液压千斤顶通过比例电磁阀、电磁球阀、电磁换向阀、油管与油压泵站连通，控制器通过信号线控制比例电磁阀、电磁球阀、电磁换向阀。
7.根据权利要求1所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，还包括运输组件，所述运输组件包括台架(51)、滑动轨道(53)和行走机构(52)，所述台架(51)竖直固定在所述下梁(12)的上侧面，两个所述滑动轨道(53)水平平行设置，且其一端与所述台架(51)连通，所述行走机构(52)设置在所述滑动轨道(53)上，并可以沿所述滑动轨道(53)滑动只所述台架(51)；所述模型箱体设置在所述行走机构(52)上，所述下加载组件(32)位于所述台架(51)之间。
8.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，还包括用于测量所述上侧板(21)、所述左侧板(23)和所述右侧板(24)位移量的位移测量装置；
用于测量试验件内部应力变化且设置在试验件内部的应变片(42)；
用于测量接触压力的振弦式压力计(41)，其设置在所述上侧板(21)、所述下侧板(22)、所述左侧板(23)、所述右侧板(24)的内侧面。
9.一种隧道三维模拟实验系统的试验件的制备方法，其特征在于，制备放置在如权利要求1-8中任意一项所述的一种隧道三维模拟实验系统的模型箱体内的试验件，包括：
确定模型箱体的尺寸，并确定与待模拟隧道的几何相似比CL＝a和容重相似比Cγ＝b；
根据几何相似比确定泊松比相似比Cv、应力相似比Cσ、弹性模量相似比CE、粘聚力相似比CC、内摩擦角相似比应变相似比Cε、位移相似比Cδ、体积力相似比CX、面力相似比/>弯矩相似比CM和轴力相似比CN；
确定待模拟隧道的岩性；
根据相似比和待模拟隧道的岩性，确定相似材料的岩性。
配置相似材料中的各个配料，浇筑试件，并在试件脱模后置于模拟养护环境进行养护。
10.根据权利要求9所述的一种隧道三维模拟实验系统的试验件的制备方法，其特征在于，Cσ＝CE＝CXCL＝CγCL＝a，Cδ＝CL＝a，/>Cc＝CL＝a。
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| CN202310503050.0A CN116558976A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 一种隧道三维模拟实验系统及其试验件的制备方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117554144A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 中国矿业大学(北京) | 一种隧道物理模型试验装置 |
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2023
- 2023-05-06 CN CN202310503050.0A patent/CN116558976A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117554144A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 中国矿业大学(北京) | 一种隧道物理模型试验装置 |
| CN117554144B (zh) * | 2024-01-11 | 2024-03-22 | 中国矿业大学(北京) | 一种隧道物理模型试验装置 |
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