CN117213988A - 一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统 - Google Patents

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CN117213988A CN202311220884.7A CN202311220884A CN117213988A CN 117213988 A CN117213988 A CN 117213988A CN 202311220884 A CN202311220884 A CN 202311220884A CN 117213988 A CN117213988 A CN 117213988A
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毕发江
张建平
曹立
王如宾
黄威
王新越
徐卫亚
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Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Co ltd
Hohai University HHU
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Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Co ltd
Hohai University HHU
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Abstract

本发明公开了一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,具体涉及结构模型试验技术领域,包括计算机控制平台,还包括:模型框架,包括试验框架以及设置于试验框架内的密封箱,所述密封箱中填筑有相似材料;应力加载系统,包括多个液压千斤顶、液压油管、电动液压泵站、分流阀、油压表,所述液压千斤顶底座固定在模型框架四周的横梁和立柱上,多个千斤顶通过分流阀及与电动液压泵站连接,油压表安装在液压油管接口处,液压千斤顶工作时活塞杆与模型框架顶部和两个侧面接触加载。本发明能较好的解决双向加载与模型密封性的冲突,可用于深埋隧洞高外水压力的物理模型试验。

Description

一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统
技术领域
本发明涉及结构模型试验技术领域,具体涉及一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统。
背景技术
物理模型试验是依据相似原理针对特定工程问题进行缩尺研究的方法,是地下工程重大科技难题研究的重要方法之一,对工程问题灾变演化、复杂地质条件下的力学规律及现象的研究有突出的优势,其中模型与实际工程问题的相似是解决问题的关键。模型相似并不是简单复制,而是抓住主要问题进行相似模拟,针对深埋隧洞的高外水压力问题,模型试验的重点是保证材料的力学参数、应力场、外水压力大小、断层、裂隙等地质构造及导水通道与现场情况相似。
现有的模型试验存在以下问题:
1、现有的模型试验装置大多数为传统的地质力学模型试验装置,由于渗流加载系统与箱体密封存在冲突,模型试验装置均未考虑水封性,不能同时进行应力加载和水压加载;
2、现有模型试验装置的尺寸一般不可调整,即使可调整,操作也比较繁琐,对实验的进行造成较大干扰;而且结构组装复杂,不方便拆分,不能进行多次重复试验;
3、现有模型试验装置只能模拟平面加载过程或只能模拟三维加载过程,功能单一,不能进行改装。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,其结构组成简单、加载过程好控制、能模拟现场真实情况的渗流场及应力场、能较好的解决双向加载与模型密封性的冲突,可应用于深埋隧洞高外水压力的物理模型试验研究,以解决背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,包括计算机控制平台,还包括:
模型框架,包括试验框架以及设置于试验框架内的密封箱,所述密封箱中填筑有相似材料;
应力加载系统,包括多个液压千斤顶、液压油管、电动液压泵站、分流阀、油压表,所述液压千斤顶底座固定在模型框架四周的横梁和立柱上,多个千斤顶通过分流阀及与电动液压泵站连接,油压表安装在液压油管接口处,液压千斤顶工作时活塞杆与模型框架顶部和两个侧面接触加载;
渗流加载系统,包括稳压水箱、变频离心水泵、PVC硬管、止流阀以及压力表,稳压水箱放置在模型框架旁边,通过PVC硬管与变频离心水泵相连,试验框架的背面设有若干个进水口,变频离心水泵通过PVC硬管与进水口连接,止流阀设置在进水口接口处;
数据采集系统,包括光纤光栅应力计、光纤光栅位移计、光纤光栅渗压计、光纤电缆、光纤光栅解调仪,光纤光栅传感器可按照监测需求埋设于相似材料不同位置处,光纤电缆用PVC软管保护穿过模型框架上预设的孔将光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪连接,光纤光栅解调仪与计算机平台连接;
实时监测显示系统,实时监测显示系统包括可视化界面、自动数据处理和分析系统、报警和预警系统、数据存储和提取系统、远程访问和控制系统,实时监测显示系统设置在试验框架顶端,通过线路与数据采集系统和计算机控制平台相连;
计算机控制平台与各部分通过线路连接,实现整个装置的自动化监测、预警、采集、处理、显示、分析功能。
优选的,所述试验框架包括前后刚板、两侧的侧边墙、底座以及顶盖,所述前后钢板、两侧的侧边墙、底板和顶盖之间均通过高强螺栓连接组成,所述前后钢板采用网格镂空结构并在侧面开有多个螺纹孔,所述侧边墙与前后钢板侧面通过螺栓连接。
优选的,前后钢板与侧边墙连接处加有3-5cm橡胶垫,高强螺栓先穿过侧边墙,再穿过橡胶垫,并在前后钢板侧面孔内拧紧,侧边墙开的孔不带螺纹,高强螺栓选择用非全螺纹类,螺纹与前后钢板所打的孔内螺纹相匹配,螺栓螺纹长度要保证在非加载状态下螺杆拧进前后钢板后头部与侧边墙紧密接触受力。
优选的,应力加载各部位紧密受力时,对顶板四周与模型接触部位及橡胶垫处用高强防水胶进行防水处理。
优选的,所述模型框架两侧立有两根钢架立柱,立柱上端通过螺栓固定高强度工字截面钢架横梁,立柱与横梁上均固定多个限位千斤顶底座,工作时限位千斤顶活塞杆与模型框架顶部和侧向贴合。
优选的,所述密封箱内侧附着有防爆膜,密封箱通过有机玻璃胶分别与试验框架的底座、前后钢板、两侧的侧边墙以及顶盖粘结,所述密封箱前后侧设有马蹄型开口,所述马蹄型开口与相似材料填筑后衬砌形状、大小及位置相对应。
优选的,所述侧边墙内侧制作一个凸起平台,凸起平台高度为1cm,其宽度比前后框架间宽度缩小0.5cm-1cm,长度比顶板与底板间距离缩小0.5cm-1cm,所述凸起平台与框架内相似材料直接接触。
优选的,PVC硬管与进水口连接处需利用高强防水胶进行防水处理,光纤电缆用PVC软管保护穿过模型框架上预设的孔处利用高强防水胶进行防水处理。
有益效果
1、本加载系统能较好的解决双向加载与模型密封性的冲突,可用于深埋隧洞高外水压力的物理模型试验。
2、加载过程简单、可控、可实现不均匀加载;
3、加载系统可有效作用于框架内的相似材料上,结合材料内部的应力传感器验证应力加载是否模拟准确;
4、采用实时监测显示系统,能够清楚地反映不同工况下隧洞周边渗透压力的分布规律;能够提供实时关键数据,反应围岩-灌浆圈-衬砌复合系统与水压之间的互馈作用过程;
5、压力水箱注水装置设有压力指示表,结合减流阀对水压加载进行控制,操作简单,实用性强;
6、模型试验台架完全采用螺栓固定,拆卸简单,便于填料、压实、埋置传感器,针对不同问题方便对部分结构进行功能化改进。
附图说明
图1是本发明试验框架三维示意图;
图2是本发明试验框架顶板示意图;
图3是本发明试验框架侧边墙示意图;
图4是深埋隧洞高外水压力模型试验应力加载系统各部位组合示意图。
其中:1、试验框架;2、前后钢板;3、底座;4、侧边墙;5、顶盖;6、横梁;7、立柱;8、高强螺栓;9、进水口;10、传感器接线口;11、密封箱;12、马蹄型洞口;13、千斤顶;14、稳压水箱;15、变频离心水泵;16、计算机控制平台;17、橡胶垫;18、吊环;19、镂空结构。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
对比例
如图1-4所示,本发明提供了一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,包括计算机控制平台,还包括:
模型框架,包括试验框架1以及设置于试验框架1内的密封箱2,试验框架1采用高强度刚性试验框架,密封箱2采用高强度钢化玻璃密封箱;
应力加载系统,包括多个液压千斤顶13、液压油管、电动液压泵站、分流阀、油压表,所述液压千斤顶底座固定在模型框架四周的横梁6和立柱7上,多个千斤顶13通过分流阀及与电动液压泵站连接,油压表安装在液压油管接口处,液压千斤顶工作时活塞杆与模型框架顶盖和侧边墙4接触加载;
渗流加载系统,包括稳压水箱14、变频离心水泵15、PVC硬管、止流阀以及压力表,稳压水箱14放置在模型框架旁边,通过PVC硬管与变频离心水泵相连15;试验框架的背面设有若干个进水口9,变频离心水泵通过PVC硬管与进水口9连接,连接处需利用高强防水胶进行防水处理,止流阀设置在进水口接口处;
实时监测显示系统,实时监测显示系统包括可视化界面、自动数据处理和分析系统、报警和预警系统、数据存储和提取系统、远程访问和控制系统,实时监测显示系统设置在试验框架1顶端,通过线路与数据采集系统和计算机控制平台16相连;
计算机控制平台16与各部分通过线路连接,实现整个装置的自动化监测、预警、采集、处理、显示、分析功能。
作为本申请优选的技术方案,所述试验框架1包括前后刚板2、两侧的侧边墙4、底座3以及顶盖5,所述前后钢板2、两侧的侧边墙4、底板3和顶盖5之间均通过高强螺栓8连接组成,所述前后钢板2采用网格镂空结构19并在侧面开有多个螺纹孔,所述侧边墙4与前后钢板2通过高强螺栓8连接,其间夹有防止漏水的橡胶垫17,试验框架1顶端设置有多个吊环18。
作为本申请优选的技术方案,所述试验框架1两侧立有两根钢架立柱7,立柱7上端通过螺栓固定高强度工字截面钢架横梁6,立柱7与横梁6均固定多个限位千斤顶13底座,限位千斤顶13活塞杆与模型框架顶盖5和侧边墙4贴合。
作为本申请优选的技术方案,所述密封箱11内侧附着有防爆膜并在前侧钢板位置处开有马蹄形洞口12,密封箱11通过有机玻璃胶分别与试验框架1的底座3、前后钢板2、两侧橡胶垫17以及顶盖5粘结。
实施例
本实施例在对比例1的基础上,增设了数据采集系统,数据采集系统包括光纤光栅应力计、光纤光栅位移计、光纤光栅渗压计、光纤电缆、光纤光栅解调仪,光纤光栅传感器可按照监测需求埋设于相似材料不同位置处,光纤电缆用PVC软管保护穿过模型框架上预设的接线口10将光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪连接,接线口10处利用高强防水胶进行防水处理,光纤光栅解调仪与计算机平台16连接;
本实施例在对比例1的模型框架中填筑有相似材料;应力加载过程能直接作用在相似材料上,通过埋设于相似材料中的数据采集系统验证,应力加载过程的模拟与准确性和可靠性高;应力加载过程中侧边墙与前后钢板间的橡胶垫被挤压使模型框架密封性很好,可实现高外水压力与应力加载共同模拟。
作为本申请优选的技术方案,所述密封箱前后侧设有马蹄型开口,所述马蹄型开口与相似材料填筑后衬砌开口大小、位置相对应。
作为本申请优选的技术方案,所述侧边墙内侧制作一个凸起平台,凸起平台高度为1cm,其宽度比前后框架间宽度缩小0.5cm-1cm,长度比顶板与底板间距离缩小0.5cm-1cm,所述凸起平台与试验框架1内相似材料直接接触。
计算机控制平台下达指令,启动电动液压泵站,各千斤顶对模型框架开始加载,其中侧向的千斤顶加载速率和工作压力的梯形分布可借助分流阀进行控制。
变频离心水泵工作将压力水箱中的水抽出,按照需要的水压将水流经输水管输入铺设有若干层相似材料的试验框架内部进行模拟试验,其中输水部位分布在模型框架四周,可以更好的模拟天然渗流过程。
相似材料中铺设有光纤光栅应力计、光纤光栅位移计、光纤光栅渗压计,通过光纤电缆与计算机控制平台相连,计算机控制平台将数据记录,并分析处理,并将数据传输给与计算机控制平台通过线路相连的实时监测显示系统,实时监测显示系统显示应力、位移、渗压数据,并对于高于设定的应力、位移、渗压限制值的极端数据做出预警,预防试验风险,可用于反应围岩-灌浆圈-衬砌复合系统与水压之间的互馈作用过程。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,其特征在于:包括计算机控制平台,还包括:
模型框架,包括试验框架以及设置于试验框架内的密封箱,所述密封箱中填筑有相似材料;
应力加载系统,包括多个液压千斤顶、液压油管、电动液压泵站、分流阀、油压表,所述液压千斤顶底座固定在模型框架四周的横梁和立柱上,多个千斤顶通过分流阀及与电动液压泵站连接,油压表安装在液压油管接口处,液压千斤顶工作时活塞杆与模型框架顶部和两个侧面接触加载;
渗流加载系统,包括稳压水箱、变频离心水泵、PVC硬管、止流阀以及压力表,稳压水箱放置在模型框架旁边,通过PVC硬管与变频离心水泵相连,试验框架的背面设有若干个进水口,变频离心水泵通过PVC硬管与进水口连接,止流阀设置在进水口接口处;
数据采集系统,包括光纤光栅应力计、光纤光栅位移计、光纤光栅渗压计、光纤电缆、光纤光栅解调仪,光纤光栅传感器可按照监测需求埋设于相似材料不同位置处,光纤电缆用PVC软管保护穿过模型框架上预设的孔将光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪连接,光纤光栅解调仪与计算机平台连接;
实时监测显示系统,实时监测显示系统包括可视化界面、自动数据处理和分析系统、报警和预警系统、数据存储和提取系统、远程访问和控制系统,实时监测显示系统设置在试验框架顶端,通过线路与数据采集系统和计算机控制平台相连;
计算机控制平台与各部分通过线路连接,实现整个装置的自动化监测、预警、采集、处理、显示、分析功能。
2.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,其特征在于:所述试验框架包括前后刚板、两侧的侧边墙、底座以及顶盖,所述前后钢板、两侧的侧边墙、底板和顶盖之间均通过高强螺栓连接组成,所述前后钢板采用网格镂空结构并在侧面开有多个螺纹孔,所述侧边墙与前后钢板侧面通过螺栓连接。
3.根据权利要求2所述的一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,其特征在于:前后钢板与侧边墙连接处加有3-5cm橡胶垫,高强螺栓先穿过侧边墙,再穿过橡胶垫,并在前后钢板侧面孔内拧紧,侧边墙开的孔不带螺纹,高强螺栓选择用非全螺纹类,螺纹与前后钢板所打的孔内螺纹相匹配,螺栓螺纹长度要保证在非加载状态下螺杆拧进前后钢板后头部与侧边墙紧密接触受力。
4.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,其特征在于:应力加载各部位紧密受力时,对顶板四周与模型接触部位及橡胶垫处用高强防水胶进行防水处理。
5.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,其特征在于:所述模型框架两侧立有两根钢架立柱,立柱上端通过螺栓固定高强度工字截面钢架横梁,立柱与横梁上均固定多个限位千斤顶底座,工作时限位千斤顶活塞杆与模型框架顶部和侧向贴合。
6.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,其特征在于:所述密封箱内侧附着有防爆膜,密封箱通过有机玻璃胶分别与试验框架的底座、前后钢板、两侧的侧边墙以及顶盖粘结,所述密封箱前后侧设有马蹄型开口,所述马蹄型开口与相似材料填筑后衬砌形状、大小及位置相对应。
7.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,其特征在于:所述侧边墙内侧制作一个凸起平台,凸起平台高度为1cm,其宽度比前后框架间宽度缩小0.5cm-1cm,长度比顶板与底板间距离缩小0.5cm-1cm,所述凸起平台与框架内相似材料直接接触。
8.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞高外水压力模型试验的应力加载系统,其特征在于:PVC硬管与进水口连接处需利用高强防水胶进行防水处理,光纤电缆用PVC软管保护穿过模型框架上预设的孔处利用高强防水胶进行防水处理。
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