CN117606960B - 一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法及系统，涉及隧道病害试验技术领域。包括确定缩尺模型比例；根据实际隧道断面尺寸，按照缩尺比例制作缩尺模型；根据隧道断面形状制作紧靠型传感装置，将紧靠型传感装置安装于缩尺模型的隧道内壁处；安装主动加载装置，模拟多轴应力条件、动态加载条件、不同的环境因素；对模型主动加载模拟试验条件，记录不同试验条件的传感器数据，直至模型产生明显变形，获得隧道全生命周期的状态数据。本发明对模型主动加载模拟试验条件，记录不同试验条件的传感器数据，能够获得隧道全生命周期的状态数据，可精确控制试验条件，包括加载条件、温度、湿度、振动等，实现了高度可控的实验环境。
Description
技术领域
本发明属于隧道病害试验技术领域，尤其涉及一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着隧道运营年限的不断增长，在外部与内部条件变化的多重因素影响下，隧道结构易产生裂缝、劣损、变形沉降等各种病害。隧道工程监测研究一直是工程界的热点和难点。开展隧道结构长期性能观测，是解决数据不完备的复杂隧道结构系统与严密的力学模型之间严重脱节的关键，是隧道科学养护的基础。然而，目前对于隧道工程的监测还主要集中于施工期，而运营期隧道结构健康监测的实际应用例子还不多，仅有的运营监测以隧道变形为主，结构服役性能观测数据的应用与挖掘还存在不够系统、不够深入的问题，如何用以分析隧道服役性能的演化规律并开展有效评估还有待进一步研究。
此外，运营期的隧道也难以通过直接观察现有的长期监测数据分析隧道的现有性能状态。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法及系统，设计缩尺模型试验，利用多源传感器监测隧道全生命周期的状态数据，进行运营期隧道病害演化机理分析，确保隧道运营期的安全性和可靠性。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法。
一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法，包括以下步骤：
确定缩尺模型比例，根据相似性原理，计算缩尺模型中各物理量与实际隧道的相似比例；
根据实际隧道断面尺寸，按照缩尺比例制作缩尺模型；
根据隧道断面形状，制作紧靠型传感装置，将多源传感器布设于传感装置的不同位置，并将紧靠型传感装置安装于缩尺模型的隧道内壁处；
安装主动加载装置，模拟多轴应力条件、动态加载条件、不同的环境因素；
对模型主动加载模拟试验条件，记录不同试验条件的传感器数据，直至模型产生明显变形，获得隧道全生命周期的状态数据。
可选的，调研实际隧道的断面形状、尺寸及物理条件，包括弹性模量、应力、应变、泊松比；
确定缩尺模型的尺寸比例，根据尺寸比例计算缩尺模型各物理量的相似比，绘制隧道模板。
可选的，制作缩尺模型，包括：
制作隧道模型的外部侧壁和拱顶；
组装并加固侧壁和拱顶，形成封闭的隧道结构；
在组装好的隧道外部，根据模型衬砌厚度，制作一层相同的材料模型，模拟隧道外衬；
在双层衬砌的木板之间，确定连接位置，并预留连接孔或槽；
在隧道模型的底部和侧壁上，确定加载点的位置，并预留加载点的孔或槽；
制作底座模具，模拟隧道仰拱；
混合适当比例的混凝土，在底座模具倒入第一层混凝土，覆盖底座的底部；
等待底层模具稍微硬化，将隧道模型放置在第一层混凝土上，继续浇筑混凝土，填满底座空间及隧道衬砌模型；
静置浇筑好的隧道缩尺模型，直至模型完全硬化，最后将木质材料拆除，完成模型制作。
可选的，紧靠型传感装置制作过程为：
根据隧道模型的尺寸和形状设计紧靠型传感装置，紧靠型传感装置的形状与隧道模型的形状相同，宽度为设定值；
确保紧靠型传感装置能够容纳所需数量的传感器；
将多个紧靠型传感装置以一定的间隔安装于隧道模型内衬处的不同位置。
可选的，所述多源传感器包括应变计、加速度计、裂缝计、静力水准仪、位移传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器。
可选的，将多源传感器布设于传感装置的不同位置，具体为：
在隧道模型的两个侧边位置分别设置应变片和土压力计；
在隧道模型的两个拱腰位置分别设置静力水准仪、位移计、裂缝计，加速度计、应变片和土压力计；
在隧道模型的拱顶位置设置静力水准仪、位移计、裂缝计，加速度计、应变片和土压力计；
在隧道模型顶部两侧分别设置温度传感器和湿度传感器。
可选的，所述主动加载装置包括多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置和控制系统，安装主动加载装置，包括：
将多轴加载装置安装于隧道模型的支撑结构上，所述多轴加载装置包括多个机械臂，每个机械臂上均安装力传感器和位移传感器，分别施加荷载到拱顶和两侧拱腰，模拟多轴应力条件；
将动态加载装置安装于隧道模型的底部，模拟交通振动或地震引起的动态加载条件；
将温湿度加载装置安装于隧道衬砌模型内壁处；
将多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置分别与控制系统相连接。
可选的，对模型主动加载模拟试验条件，具体为：
求得隧道模型的最大应力，使多轴加载装置以最大应力极限参数对隧道模型持续加载，模拟实际工程的多轴应力条件；
通过控制系统，周期性地依次改变动态加载装置和温湿度加载装置的参数，模拟承受的振动荷载和气候环境变化，记录每组对照实验的持续时间和参数设置情况；
持续通过多轴加载装置加载，直至隧道产生明显变形，结束模拟试验。
还包括设计集中式数据传输结构，采集多源传感器监测数据。
本发明第二方面提供了一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验系统。
一种基于第一方面所述模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法的系统，包括隧道衬砌模型、隧道结构化底座模型、紧靠型传感装置和主动加载装置，所述隧道衬砌模型设置于隧道结构化底座模型上方，所述紧靠型传感装置均匀分布于隧道衬砌模型的内壁上，所述主动加载装置包括多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置和控制系统，多轴加载装置通过机械臂与隧道衬砌模型上方连接，动态加载装置设置于隧道结构化底座模型底部，温湿度加载装置安装于隧道衬砌模型中心位置的内壁处，多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置与控制系统电连接。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明提供了一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法及系统，设计缩尺模型试验，利用多源传感器监测隧道全生命周期的状态数据，进行运营期隧道病害演化机理分析，确保隧道运营期的安全性和可靠性，系统、深入的获取结构服役性能观测数据，为分析隧道服役性能的演化规律和开展有效评估提供了技术支持。
本发明的模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验系统，对模型主动加载模拟试验条件，记录不同试验条件的传感器数据，能够获得隧道全生命周期的状态数据，同时可以精确控制试验条件，包括加载条件、温度、湿度、振动等，实现了高度可控的实验环境。
本发明提出的缩尺试验方法综合考虑了不同传感器数据、断面位置、隧道全局信息，适用于不同类型的隧道工程和监测数据，甚至推广到桥梁、路基、路面等不同交通基础设施，适用范围广。
本发明根据隧道断面形状制作紧靠型传感装置，将多源传感器布设于传感装置的不同位置，并将紧靠型传感装置安装于缩尺模型的隧道内壁处，能够得到更加精确的检测数据。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为第一个实施例的方法流程图。
图2为第一个实施例布设的多源传感器位置示意图。
图3为第二个实施例的系统结构图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1隧道衬砌模型、2隧道结构化底座模型、3紧靠型传感装置、4多轴加载装置、5动态加载装置、6温湿度加载装置、7控制系统、8导线、9机械臂、10加载臂。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法。
如图1所示，本实施例提供的模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺模型试验方法，包括以下步骤：
S1：确定缩尺模型比例，根据相似性原理，计算缩尺模型中各物理量与实际隧道的相似比例；
S2：根据实际隧道断面尺寸，按照缩尺比例制作缩尺模型；
S3：根据隧道断面形状，制作紧靠型传感装置；
S4：将多源传感器，布设于传感装置或断面的不同位置；
S5：设计集中式数据传输结构，利用有线或无线传输方式，采集多传感器监测数据；
S6：利用主动加载装置，对模型进行主动加载模拟试验条件，记录不同试验条件的传感器数据演化规律。
具体的，所述步骤1中，包括以下步骤：
S1-1：调研实际隧道的断面形状、尺寸及物理条件，如弹性模量、应力、应变、泊松比等材料特性；
S1-2：确定缩尺模型的尺寸比例，根据比例计算缩尺模型各物理量的相似比，并绘制详细的隧道模板。
具体的，所述步骤2中，缩尺模型制作包括以下步骤：
S2-1：制作隧道的外部侧壁和拱顶。选择合适的材料(如木板)，制成隧道模板中的材料模型，并在隧道侧壁和拱顶安装强化材料(如钢筋)，增加模型的结构强度。
S2-2：使用合适的支撑材料和组装材料，组装并加固侧壁和拱顶，形成封闭的隧道结构；
S2-3：在组装好的隧道外部，根据模型衬砌厚度，制作一层相同的材料模型，模拟隧道外衬；
S2-4：在双层衬砌的木板之间，确定连接位置，并预留连接孔或槽。选择适当的连接元素(如木板、螺栓等)，将它们安装在预留的孔或槽中，确保双层衬砌稳固连接在一起。
S2-5：在隧道模型的底部和侧壁上，确定加载点的位置，并预留加载点的孔或槽。这些加载点用于安装加载传感设备和传感器。
S2-6：选择合适的底座材料(如胶合板、木板)，制作底座模具，模拟隧道仰拱。形状与隧道模型的底部平面匹配，并在底部模具预留连接空间，用于隧道模型连接；
S2-7：混合适当比例的混凝土，在底座模具倒入第一层混凝土，覆盖底座的底部；
S2-8：等待底层模具稍微硬化，将隧道模型放置在第一层混凝土上，并与连接空间对齐，继续浇筑混凝土，填满底座空间及隧道衬砌模型，并使用混凝土振动器，排除空气泡，保证混凝土均匀；
S2-9：静置浇筑好的隧道缩尺模型，直至模型完全硬化，最后将木质材料拆除，完成模型制作。
具体的，所述步骤3中，紧靠型传感装置制作步骤如下：
S3-1：根据隧道模型的尺寸和形状，设计紧靠型传感装置，确定其形状和尺寸，以确保适合特定位置。传感装置的形状通常会紧贴隧道内壁，以最大程度地接近要测量的区域。
S3-2：使用合适的材料(通常是塑料或金属)，制作多个紧靠型传感装置。确保它们的形状和尺寸与设计一致，并且能够容纳所需数量的传感器。
S3-3：将多个传感装置以一定的间隔安装于隧道内衬处的不同位置，并利用适当的粘合剂或固定装置，将紧靠型传感装置安装在隧道模型的内壁上，确保它们被安装稳固。
具体的，在步骤4中，所述合适的传感器包括应变计、加速度计、裂缝计、静力水准仪、位移传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器。
具体的，在步骤5中，数据传输结构和方式的具体设置步骤如下：
S5-1：采用分布式传输结构，为每个传感装置设置数据传输节点，节点可以是专门设计的传感器数据采集器或通用的物联网设备；
S5-2：针对每个数据传输节点，配置适当的通信参数，包括网络连接(有线或无线)、通信协议、数据传输速率等；
S5-3：配置数据接收端，使数据传输节点能够采集传感器数据并将其传输到指定的数据接收端。
具体的，在步骤6中，所述主动加载装置包括多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置和控制系统。
所述多轴加载装置，安装在隧道模型的支撑结构上，包括多个可以独立控制的机械臂。所述机械臂，安装力传感器和位移传感器，传感器与控制系统连接，以监测和记录加载的力和位移数据。
所述动态加载装置，包括振动平台和振动器。所述振动平台，由支持结构和振动机构组成。所述振动器，可以产生控制的振动信号，包括振动的频率、振幅和波形。所述振动器，安装加速度计和振动传感器，用于实时监测和控制振动条件。
所述温湿度加载装置，包括加热器和冷却系统、加湿器和除湿器。根据温湿度传感器，用以监测环境中的温度和湿度。
所述主动加载装置，均由控制系统调控，可以通过计算机界面精确控制主动加载条件，模拟所需试验条件。
具体的，在步骤6中，通过数据接收端会记录从模拟试验开始到试验结束的传感器全生命周期监测数据，模拟试验条件的具体步骤为：
S6-1：基于浇筑的隧道缩尺模型物理量，在不破坏隧道结构的前提下，设置合适的多轴加载装置参数，多轴加载装置以最大应力极限参数均匀加载，模拟实际工程的多轴应力条件；
S6-2：通过控制系统，周期性地依次改变动态加载装置和温湿度控制系统的各项参数，模拟气候环境变化和承受的振动荷载，记录每组对照实验的持续时间和参数设置情况；
S6-3：持续通过多轴加载装置加载，直至隧道产生明显变形，结束模拟试验。
进一步的，在本发明的一种典型的实施方式中，具体包括以下步骤：
S101：根据调研好的实际隧道，确定缩尺模型比例为1:10，隧道长度设置为4m。假设实际物理量用a下标表示，模型实验物理量用m表示，根据相似性原理，计算缩尺模型中各物理量与实际隧道的相似比例，如表1所示。
表1各物理量相似关系
S102：根据实际隧道信息，绘制隧道缩尺模型。
S103：选用木板材料制作隧道的侧壁和拱顶，并在侧壁和拱顶模板连接处打入钢筋以增强隧道结构强度；
S104：组装隧道的侧壁和拱顶木板，木板结构之间通过木桩及螺钉连接成弧形，以形成封闭的隧道结构；
S105：在组装好的隧道内部，根据衬砌厚度，制作一层相同的材料模型，模拟隧道外衬，两层隧道结构之间通过木板和钢筋固定连接。利用木板搭建两个空心长方体模型，并在模型中布设钢筋网，预留中间部分钢筋，使隧道模型的主体能够与底座连接；
S107：混合适当比例的混凝土，在底座模具倒入第一层混凝土，覆盖底座的底部；等底层模具稍微硬化，继续浇筑混凝土，填满底座空间及隧道衬砌模型，并使用混凝土振动器，排除空气泡，保证混凝土均匀，静置浇筑好的隧道缩尺模型，直至模型完全硬化。最后将此前连接结构的木质材料全部拆除，完成模型制作。
S108：设计紧靠型传感装置，其形状与隧道形状相同，宽度为30cm，采用钢片材质制作传感装置，共制作4个传感装置，并打孔预留安装传感器的布设位置。采用螺钉和粘合胶将紧靠型传感装置安装在隧道模型的内壁上，确保它们被安装稳固。
S109：选择的传感器包括应变片、加速度计、裂缝计、静力水准仪、位移计、温度传感器、湿度传感器、土压力计。其中，每个断面包含一个温度传感器、一个湿度传感器，安装在隧道顶部两侧；三个静力水准仪、三个位移计、三个裂缝计，三个加速度计，布设在拱顶和两侧拱腰；五个应变片和五个土压力计，布设拱顶、两侧拱腰和侧边，布设如图2所示。
如图2所示，其中标号①和⑤的位置为侧边位置测点；标号②和④的位置为拱腰位置测点；标号③的位置为拱顶位置测点。
S110：采用分布式传输结构，为每个传感装置设置嵌入式微控制器的数据传输节点，每个数据传输节点使用LoRaWAN技术将数据传输到中央数据接收端，接收端能够接收来自各个传感装置的数据，并将其存储在数据库中供后续分析使用。
S111：安装主动加载装置，包括多轴加载装置、动态加载装置和温湿度控制系统，并连接终端控制系统。
其中多轴加载装置位于隧道模型的支撑结构上方，并通过支撑结构与隧道主体连接，安装有三个机械臂，分别施加荷载到拱顶和两侧拱腰，模拟多轴应力条件。每个机械臂安装有力传感器和位移传感器，以实时监测施加的力和位移，通过控制系统连接。
其中动态加载装置包括振动平台和振动器。振动平台位于隧道模型的底部，直接连接到模型的底部；振动器安装在振动平台内负责产生控制的振动信号，包括振动的频率、振幅和波形，以模拟动态加载条件，例如交通振动或者地震。
其中温湿度控制系统，包括加湿器和除湿器、加热器和冷却系统，设备位于隧道模型中心的底部，用以实现对温度和湿度的精确控制。
S112：根据相似系统求得的最大应力，在最大应力对隧道持续加载，并通过控制系统，周期性地依次改变动态加载装置和温湿度控制系统的各项参数，模拟气候环境变化和承受的振动荷载，记录每组对照实验的持续时间和参数设置情况，直至隧道产生明显变形，结束模拟试验。
实施例二
本实施例公开了一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验系统。
如图3所示，本实施例还提供了一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验装置，包括隧道衬砌模型1、隧道结构化底座模型2、紧靠型传感装置3、多轴加载装置4、动态加载装置5、温湿度加载装置6和控制系统7。
所述隧道衬砌模型1，放置于隧道结构化底座模型2上方，并通过混凝土二次浇筑固定连接；
所述紧靠型传感装置3，以一定间隔安装于隧道衬砌模型内壁，在其上布设传感器，高精度、高灵敏度地监测各物理量的数值变化情况，获得更准确的试验数据。
进一步的，传感器安装在传感装置的指定位置处，并通过导线8连接到控制系统7，在控制系统中获取传感器实时监测数据。
所述主动加载装置，包括多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置和控制系统，三种加载装置通过有线传输与控制系统连接。
所述多轴加载装置4，通过机械臂与隧道衬砌模型上方连接，用以模拟隧道围岩压力等应力或荷载条件。通过机械臂9和加载臂10，与隧道衬砌模型拱顶和拱腰连接，并通过控制系统7实时控制施加的力和位移。
所述动态加载装置5，用以模拟车辆和交通荷载等外界环境产生的振动条件。进一步的，动态加载装置由振动平台和振动器组成，与隧道结构化底座模型相连接放置于地面，并通过控制系统7实时控制施加的振动信号。
所述温湿度加载装置6，用以模拟不同温度和湿度条件下的环境影响，安装于隧道衬砌模型中心内壁处，并通过控制系统7实时控制施加的温度和湿度。
需要说明的是，上述的实施例一和实施例二之间可以组合在一起使用也可以分开使用，即本实施例中的装置可以采用实施例1中的方法对进行缩尺模型试验。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据实际隧道断面尺寸，按照缩尺比例制作缩尺模型；
制作紧靠型传感装置，布设多源传感器于传感装置不同位置，并将紧靠型传感装置安装于缩尺模型的隧道内壁处；
安装主动加载装置，模拟多轴应力条件、动态加载条件、不同的环境因素；
对模型主动加载模拟试验条件，记录不同试验条件的传感器数据，直至模型产生明显变形，获得隧道全生命周期的状态数据；
调研实际隧道的断面形状、尺寸及物理条件，包括弹性模量、应力、应变、泊松比；
确定缩尺模型的尺寸比例，根据尺寸比例计算缩尺模型各物理量的相似比，绘制隧道模板；
制作隧道模型的外部侧壁和拱顶；
组装并加固侧壁和拱顶，形成封闭的隧道结构；
在组装好的隧道外部，根据模型衬砌厚度，制作一层相同的材料模型，模拟隧道外衬；
在双层衬砌模型之间，确定连接位置，并预留连接孔或槽；
在隧道模型的底部和侧壁上，确定加载点的位置，并预留加载点的孔或槽；
制作底座模具，模拟隧道仰拱；
混合适当比例的混凝土，在底座模具倒入第一层混凝土，覆盖底座的底部；
等待底层模具稍微硬化，将隧道模型放置在第一层混凝土上，继续浇筑混凝土，填满底座空间及隧道衬砌模型；
静置浇筑好的隧道缩尺模型，直至模型完全硬化，最后将模型材料拆除，完成模型制作；
所述多源传感器包括应变计、加速度计、裂缝计、静力水准仪、位移传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器；
将多源传感器布设于传感装置的不同位置，具体为：
在隧道模型的两个侧边位置分别设置应变片和土压力计；
在隧道模型的两个拱腰位置分别设置静力水准仪、位移计、裂缝计，加速度计、应变片和土压力计；
在隧道模型的拱顶位置设置静力水准仪、位移计、裂缝计，加速度计、应变片和土压力计；
在隧道模型顶部两侧分别设置温度传感器和湿度传感器；
对模型主动加载模拟试验条件，具体为：
求得隧道模型的最大应力，使多轴加载装置以最大应力极限参数对隧道模型持续加载，模拟实际工程的多轴应力条件；
通过控制系统，周期性地依次改变动态加载装置和温湿度加载装置的参数，模拟承受的振动荷载和气候环境变化，记录每组对照实验的持续时间和参数设置情况；
持续通过多轴加载装置加载，直至隧道产生明显变形，结束模拟试验。
2.如权利要求1所述的模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法，其特征在于，紧靠型传感装置制作过程为：
根据隧道模型的尺寸和形状设计紧靠型传感装置，紧靠型传感装置的形状与隧道模型的形状相同，宽度为设定值；
确保紧靠型传感装置能够容纳所需数量的传感器；
将多个紧靠型传感装置以一定的间隔安装于隧道模型内衬处的不同位置。
3.如权利要求1所述的模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法，其特征在于，所述主动加载装置包括多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置和控制系统，安装主动加载装置，包括：
将多轴加载装置安装于隧道模型的支撑结构上，所述多轴加载装置包括多个机械臂，每个机械臂上均安装力传感器和位移传感器，分别施加荷载到拱顶和两侧拱腰，模拟多轴应力条件；
将动态加载装置安装于隧道模型的底部，模拟交通振动或地震引起的动态加载条件；
将温湿度加载装置安装于隧道衬砌模型内壁处；
将多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置分别与控制系统相连接。
4.如权利要求1所述的模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法，其特征在于，还包括设计集中式数据传输结构，采集多源传感器监测数据。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述模拟运营期隧道病害演化机理的缩尺试验方法的系统，其特征在于：包括隧道衬砌模型、隧道结构化底座模型、紧靠型传感装置和主动加载装置，所述隧道衬砌模型设置于隧道结构化底座模型上方，所述紧靠型传感装置均匀分布于隧道衬砌模型的内壁上，所述主动加载装置包括多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置和控制系统，多轴加载装置通过机械臂与隧道衬砌模型上方连接，动态加载装置设置于隧道结构化底座模型底部，温湿度加载装置安装于隧道衬砌模型中心位置的内壁处，多轴加载装置、动态加载装置、温湿度加载装置与控制系统电连接。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106226112A (zh) * | 2016-09-21 | 2016-12-14 | 中南大学 | 一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统及方法 |
| CN110514518A (zh) * | 2019-07-19 | 2019-11-29 | 同济大学 | 基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法 |
| CN112964563A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-15 | 广西大学 | 模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模拟箱及试验方法 |
| CN114199686A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-03-18 | 武汉二航路桥特种工程有限责任公司 | 运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置及方法 |
| CN114563278A (zh) * | 2022-03-03 | 2022-05-31 | 中山大学 | 一种新型隧道三维模型加载装置及试验方法 |
| CN218157275U (zh) * | 2022-08-02 | 2022-12-27 | 重庆交通大学 | 一种可观测围岩变形的模块化缩尺隧道模型试验环境箱 |
-
2023
- 2023-11-08 CN CN202311485910.9A patent/CN117606960B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106226112A (zh) * | 2016-09-21 | 2016-12-14 | 中南大学 | 一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统及方法 |
| CN110514518A (zh) * | 2019-07-19 | 2019-11-29 | 同济大学 | 基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法 |
| CN112964563A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-15 | 广西大学 | 模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模拟箱及试验方法 |
| CN114199686A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-03-18 | 武汉二航路桥特种工程有限责任公司 | 运营公路隧道衬砌病害演化规律的模型试验装置及方法 |
| CN114563278A (zh) * | 2022-03-03 | 2022-05-31 | 中山大学 | 一种新型隧道三维模型加载装置及试验方法 |
| CN218157275U (zh) * | 2022-08-02 | 2022-12-27 | 重庆交通大学 | 一种可观测围岩变形的模块化缩尺隧道模型试验环境箱 |
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