CN205139138U - 一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验台架，第一正面组合式钢结构护板分别与第二、第三、第五正面组合式钢结构护板及第一侧面护板相连，第四正面组合式钢结构护板分别与第二正面组合式钢结构护板、第三正面组合式钢结构护板、第五正面组合式钢结构护板、第二侧面加载板相连，第二正面组合式钢结构护板分别与第一侧面护板、第四正面组合式钢结构护板、第二侧面加载板相连，高强有机玻璃护板分别与第一、第二正面组合式钢结构护板、第三、第四、第五正面组合式钢结构护板、第一侧面护板及第二侧面加载板相连。结构简单，实现了对模型试验全过程的实时直观的监测记录。极大地有利于岩土相似材料物理模型试验的研究。

Description

一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验装置

技术领域

本实用新型涉及岩土相似材料物理模型浇筑、养护、加载试验技术领域，更具体涉及一种多功能大尺度相似材料物理模型浇筑加载试验台架，适用于各种强度岩土相似材料物理模型试验整个过程中，大尺度岩土材料模型的浇筑、养护、开挖、加载及监测。

背景技术

随着我国经济社会的发展，城市化进程的加快,越来越多的常住人口涌入有限的城市空间。为解决城市人口增多与用地紧张的矛盾，越来越多的城市开始利用地下空间发展地下交通。地下隧道洞室的开挖必然会对原岩造成扰动，引起围岩应力重分布，进而影响地表建筑物的安全与稳定。特别是在围岩强度较低的破碎地层中进行隧道开挖时，前期通过相似材料物理模型试验来模拟施工过程中软弱围岩的物理力学性状，进而通过模型试验反推施工参数，这对于在复杂地质条件下，保证工程的安全与稳定具有重大意义。地下隧道工程施工过程中，不同的洞室开挖顺序，不同的施工方法，必然会对围岩产生不同的影响。寻找一种快捷、经济、安全、高效的施工工序是近年来业界较为关注的一个课题。随着施工工艺水平与机械工程的发展，地下工程隧道开挖断面越来越大，对地表建筑物造成的施工扰动也越来越大。为了确保工程的安全与稳定，在施工过程中都会加强对地面建筑物和洞室围岩的位移变形监测。城市建设中大断面隧道工程出现的频率越来越多，随之带来的诸多问题也越来越复杂。因此，大断面隧道开挖已成为当前地下工程中重要且不可回避的问题。

目前，研究软弱破碎地层隧道开挖施工过程中围岩力学行为的主要手段多为数值分析及模型试验，大尺度、大断面隧道的施工方法和围岩稳定性研究是该方向的主要课题。虽然数值分析法在研究较为复杂的施工问题时具有简便易行的优点，但是数值计算模型往往与实际工程地质条件出入较大。因此，几乎所有的重大工程，都会采用一定相似比的相似材料模型试验来模拟施工工况，有的工程甚至采用1:1的原型试验。在软弱破碎岩体中开挖洞室施工，由于围岩强度较低，易发生洞室垮塌、围岩破裂等现象，因此在此种围岩强度条件下，相似材料模型试验成为了不可或缺的工序。

在开展相似材料模型试验的过程中，选取符合现场岩体力学参数的相似材料配比是该方法的关键。这就要求开展大量的配比试验：选取不同的材料配比，制作标准试件，通过单轴抗压试验、直剪试验等来确定最终配比。同时低强度大尺度模型在浇筑、养护、开挖、加载等过程中需要配套的试验台架设备。近年来，国内外很多学者也在不断推进和发展此类模型试验方法和技术。已有许多学者在地质力学模型试验方面开展了大量的工作，得到了许多有益的成果与结论。

目前已有的试验设备存在一些不足之处：①现有的模具在制作标准试件时，由于相似材料强度低，多发生脱模失败，试件破损，造成材料浪费，影响试验进度；②模型加载试验台架样式固定，不能满足不同条件下的开挖要求，现有大多数试验台架无法实现“加围压”的试验工况；③低强度相似材料应变砖制作模具低效、耗材、成功率低。本实用新型涉及的多功能大尺度岩土相似材料模型试验台架装置，能够满足大尺度模型体浇筑、养护、开挖、加载及监测的要求，通过在模型体内预埋的监测元件，结合试验台架本身，实现对开挖过程中围岩应力、位移变化规律的实时监测记录。

发明内容

本实用新型的目的是在于提供了一种能够满足模拟各强度岩体相似材料物理模型试验的试验装置，结构简单灵活，模型试验台架正面为螺栓连接的分片组装式护板，护板内侧采用特制的高强度有机玻璃护板，并且模型试验台架侧面配套有液压加载设备。该试验台架能够模拟各强度岩体开挖时，不同洞室断面、不同开挖步序、不同围压条件下的施工工况，实现了对模型试验全过程的实时直观的监测记录。极大地有利于岩土相似材料物理模型试验的研究。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验装置，它包括：第一正面组合式钢结构护板、第二正面组合式钢结构护板、第三正面组合式钢结构护板、第四正面组合式钢结构护板、第五正面组合式钢结构护板、高强透明有机玻璃护板、第一侧面护板、第二侧面加载板、电动分离式液压千斤顶、压力控制表、地面固定螺栓、滚动轴承、拼装螺栓，其特征在于：第一正面组合式钢结构护板分别与第二正面组合式钢结构护板、第三正面组合式钢结构护板、第五正面组合式钢结构护板及第一侧面护板相连，第四正面组合式钢结构护板分别与第二正面组合式钢结构护板、第三正面组合式钢结构护板、第五正面组合式钢结构护板、第二侧面加载板相连，第二正面组合式钢结构护板分别与第一侧面护板、第四正面组合式钢结构护板、第二侧面加载板相连，高强有机玻璃护板分别与第一正面组合式钢结构护板、第二正面组合式钢结构护板、第三正面组合式钢结构护板、第四正面组合式钢结构护板、第五正面组合式钢结构护板、第一侧面护板及第二侧面加载板相连，滚动轴承分别与电动分离式液压千斤顶与第二侧面加载板相连，将第一正面组合式钢结构护板、第二正面组合式钢结构护板、第三正面组合式钢结构护板、第四正面组合式钢结构护板、第五正面组合式钢结构护板整体固定在试验台架上，多功能大尺度物理模型浇筑加载试验台架用第一正面组合式钢结构护板、第二正面组合式钢结构护板、第三正面组合式钢结构护板、第四正面组合式钢结构护板、第五正面组合式钢结构护板通过拼装螺栓分片连接成整理，有利于进行灵活拆装，能满足施工时不同洞室开挖断面形状及位置的要求；模型试验台架正面配套的高强有机玻璃护板强度高，且能够直观的观察到模型开挖过程中围岩破裂的渐进发展过程。试验台架侧面配套电动分离式液压千斤顶，千斤顶通过侧面加载板对模型体进行加载，能够模拟高围压条件下的开挖工况；模型试验台架整体灵活的结构布局，便于在模型体内埋设测量元件，布置监测仪器设备。该模型试验台架能够满足大尺度模型体浇筑、养护、开挖、加载及监测的要求，通过在模型体内预埋的监测元件，结合试验台架本身，实现对开挖过程中围岩应力、位移变化规律的实时监测记录。

本实用新型具有以下的优点和效果：

①模型浇筑加载试验台架本身尺度较大，可以满足大尺度相似比物理模型试验的要求；②试验台架正面采用螺栓连接的钢结构护板，能够根据需要，灵活的控制模型体开挖断面的形状及位置；③试验台架侧面配套的电动分离式液压千斤顶直接与侧面加载板连接，可以对模型体进行加载，能够模拟高围压条件下的开挖工况；④试验台架正面钢结构护板内侧为高强有机玻璃护板，既能满足模型试验架的边界条件要求，又能对模型体开挖过程中，岩体破裂渐进发展过程实时观察监测。

附图说明

图1为一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验装置示意图。

图2为该模型试验台架正面组合式钢结构护板示意图。

图3为一种透明高强有机玻璃护板示意图。

图4为该模型试验台架侧面加载板示意图。

图5为该模型试验台架模型开挖时位移随时间变化曲线。

其中：第一正面组合式钢结构护板1A、第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第四正面组合式钢结构护板1D、第五正面组合式钢结构护板1E、透明高强有机玻璃护板2、第一侧面护板3A、第二侧面加载板3B、电动分离式液压千斤顶4（型号DQF-200）、压力控制表5（型号DQF-200）、地面固定螺栓6、滚动轴承7、拼装螺栓8。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明：

一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验装置（台架），它由第一正面组合式钢结构护板1A、第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第四正面组合式钢结构护板1D、第五正面组合式钢结构护板1E、透明高强有机玻璃护板2、第一侧面护板3A、第二侧面加载板3B、电动分离式液压千斤顶4（型号DQF-200）、压力控制表5（型号DQF-200）、地面固定螺栓6、滚动轴承7、拼装螺栓8组成，其特征在于：第一正面组合式钢结构护板1A分别与第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第五正面组合式钢结构护板1E及第一侧面护板3A相连，第四正面组合式钢结构护板1D分别与第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第五正面组合式钢结构护板1E、第二侧面加载板3B相连，第二正面组合式钢结构护板1B分别与第一侧面护板3A、第四正面组合式钢结构护板1D、第二侧面加载板3B相连，高强有机玻璃护板2分别与第一正面组合式钢结构护板1A、第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第四正面组合式钢结构护板1D、第五正面组合式钢结构护板1E、第一侧面护板3A及第二侧面加载板3B相连，滚动轴承7分别与电动分离式液压千斤顶4、第二侧面加载板3B相连，将第一正面组合式钢结构护板1A、第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第四正面组合式钢结构护板1D、第五正面组合式钢结构护板1E整体固定在试验台架上，多功能大尺度物理模型浇筑加载试验台架用第一正面组合式钢结构护板1A、第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第四正面组合式钢结构护板1D、第五正面组合式钢结构护板1E通过拼装螺栓8分片连接成整理，有利于进行灵活拆装，进而满足不同施工条件下对开挖断面形状及位置的要求。模型试验台架第一正面组合式钢结构护板1A、第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第四正面组合式钢结构护板1D、第五正面组合式钢结构护板1E内侧装有（配套的）透明高强有机玻璃护板2，其既能满足强度的要求，又能直观的观察到模型体开挖过程中围岩破裂的渐进发张过程。试验台架侧面配套电动分离式液压千斤顶4（型号DQF-200），直接作用于侧面第二侧面加载板3B，进而对模型体施加围压，第二侧面加载板3B通过滚动轴承7与试验台架相连，电动分离式千斤顶4自身通过地面固定螺栓6固定在实验室地面，这种设计能够模拟高围压条件下的开挖工况；模型试验台架整体灵活的结构布局，便于在模型体内埋设测量元件，布置监测仪器设备。

具体实施时，一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验台架的工作过程如下：在模型试验前期相似材料各组分的配比确定之后，按配比对模型体进行分层浇筑、振捣、压实。在浇筑之前，需按照图1所示，将第一正面组合式钢结构护板1A、第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第四正面组合式钢结构护板1D、第五正面组合式钢结构护板1E整体固定在试验台架上，同时将透明高强有机玻璃护板2固定，电动分离式液压千斤顶4和第二侧面加载板3B处于初始状态。一切准备就绪后，进行分层浇筑、振捣、压实、养护作业。模型试验台架正面采用的是第一正面组合式钢结构护板1A、第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第四正面组合式钢结构护板1D、第五正面组合式钢结构护板1E，模型体制作养护完成后，可根据试验需要，通过正面的拼装螺栓8，选择不同的分片护板进行拼装组合，进而满足不同开挖断面形状及位置的要求。当模型试验台架第一正面组合式钢结构护板1A、第二正面组合式钢结构护板1B、第三正面组合式钢结构护板1C、第四正面组合式钢结构护板1D、第五正面组合式钢结构护板1E全部拆除时，模型体正面仅受高强有机玻璃护板2的约束，此时，模型体正面全部直观的显露，便于观察围岩体破损的渐进发展过程。当现场条件决定模型体开挖时不需要主动加围压时，可将第二侧面加载板3B固定，若需要主动加围压，则可通过电动分离式液压千斤顶4及第二侧面加载板3B对模型体进行围压加载，加载时，千斤顶4直接作用于第二侧面加载板3B，第二侧面加载板3B通过滚动轴承7向内移动，对模型体施加均布荷载。围压大小由压力控制表6控制。

Claims (3)

1.一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验装置，它包括第一正面组合式钢结构护板（1A）、第二正面组合式钢结构护板（1B）、第三正面组合式钢结构护板（1C）、第四正面组合式钢结构护板（1D）、第五正面组合式钢结构护板（1E）、透明高强有机玻璃护板（2）、第一侧面护板（3A）、第二侧面加载板（3B）、电动分离式液压千斤顶（4）、滚动轴承（7）、拼装螺栓（8），其特征在于：第一正面组合式钢结构护板（1A）分别与第二正面组合式钢结构护板（1B）、第三正面组合式钢结构护板（1C）、第五正面组合式钢结构护板（1E）及第一侧面护板3A相连，第四正面组合式钢结构护板（1D）分别与第二正面组合式钢结构护板（1B）、第三正面组合式钢结构护板（1C）、第五正面组合式钢结构护板（1E）、第二侧面加载板（3B）相连，第二正面组合式钢结构护板（1B）分别与第一侧面护板（3A）、第四正面组合式钢结构护板（1D）、第二侧面加载板（3B）相连，高强有机玻璃护板（2）分别与第一正面组合式钢结构护板（1A）、第二正面组合式钢结构护板（1B）、第三正面组合式钢结构护板（1C）、第四正面组合式钢结构护板（1D）、第五正面组合式钢结构护板（1E）、第一侧面护板（3A）及第二侧面加载板（3B）相连，滚动轴承（7）分别与电动分离式液压千斤顶（4）、第二侧面加载板（3B）相连，将第一正面组合式钢结构护板（1A）、第二正面组合式钢结构护板（1B）、第三正面组合式钢结构护板（1C）、第四正面组合式钢结构护板（1D）、第五正面组合式钢结构护板（1E）整体固定在试验台架上。

2.根据权利要求1所述的一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验装置，所述的第一正面组合式钢结构护板（1A）、第二正面组合式钢结构护板（1B）、第三正面组合式钢结构护板（1C）、第四正面组合式钢结构护板（1D）、第五正面组合式钢结构护板（1E）内侧装有透明高强有机玻璃护板2。

3.根据权利要求1所述的一种多功能大尺度物理模型浇筑加载试验装置，所述的第二侧面加载板（3B）通过滚动轴承（7）与试验台架相连，电动分离式千斤顶（4）通过地面固定螺栓（6）固定在地面。