CN207717530U - 浅埋隧道模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及浅部地下工程围岩变形和破坏的实验室模拟领域，具体地说是一种针对浅埋隧道的新型模型试验装置，包括固定框架、千斤顶加载结构、液体加压容器，智能监测系统。本实用新型通过液体压力与千斤顶对隧道围岩模型边界进行加载，解决了采用机械加载梯度不均匀的问题，且由于液体易于变形的特点对于试验装置的刚度要求较低，可以有效降低隧道模型试验的造价与难度。

Description

浅埋隧道模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及浅部地下工程围岩变形和破坏的模型试验技术领域，具体地说是浅埋隧道模型试验加载装置。

背景技术

随着我国交通建设的快速发展，国家的公路、铁路网正在规划及逐步完善。为满足经济发展及人民需求，当公路、铁路进入山岭区时，就不可避免地需要采用隧道进行穿越。一般来说，对于埋深较浅的洞室(如山岭铁路或公路隧道的洞口地段、明挖或暗挖的浅埋地铁车站和区间隧道等)，开挖会引起整个上覆地层的变位，如果不及时支撑，地层就会大量地变形和坍落，波及地表而形成一个沉陷区。

现有模型试验装置存在以下不足之处。结构简单，尺寸一般不可调整，可调的操作也比较繁琐，不方便试验；液压加载系统和测试系统相对落后，数字化自动化程度不高，试验加载及测试结果精度较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，方便隧道工程的试验教学，开发一种结构简单可以进行模型试验的浅埋隧道模型试验装置。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案。

一种浅埋隧道模型试验装置，包括固定框架、千斤顶加载结构、液体加压容器和智能监测装置；

所述固定框架的顶部和底部均预留一个与千斤顶加载结构相配合的孔洞；所述千斤顶加载结构安装在所述的两个孔洞内，在所述的固定框架内设有一个液体加压容器，所述的液体加压容器对隧道模拟材料进行加压；所述的智能监测装置对隧道模拟材料的变化进行监测。

进一步的，所述的千斤顶加载结构由液压千斤顶、压力传感器、压力数显示器组成；所述的压力传感器检测液压千斤顶的压力大小，所述的压力传感器与压力数显示器相连，压力数显示器用于显示测得的压力大小。

进一步的，所述的液体加压容器分为两种，一种由不透水的柔性材料制成，一种由透水的柔性材料制成；其内部中空，上部与自动补水装置通过软管连通。

进一步的，所述液体加压容器的形状应使其可以嵌入内框架与围岩模拟材料之间。

进一步的，所述的智能监测装置由多点位移计、光纤应变测试系统、图像采集装置组成；所述的多点位移计和光纤应变测试系统用来监测隧道应变与应力变化以及记录隧道动态；所述的图像采集装置安装固定在模型隧道前方，在模型隧道内所测位置安设十字固定标志，通过连续固定焦距拍照，然后利用系统分析处理照片，记录围岩动态。

进一步的，所述的固定框架由外框架与内框架组成，内外框架均由四块边板首尾焊接而成，内外框架通过钢架焊接固定。

本实用新型的有益效果如下：

液体加压容器可以拆卸，满足不同试验方案材料的替换，可以更加充分地利用本试验装置，达到利用最大化的目的。

通过对加压容器的拆卸与替换，满足多种试验方案。当采用不透水的液体加压容器时，其用来提供围岩边界应力，能够将千斤顶加载结构的平面力转换为弧面力；当采用透水的液体加压容器时，可以进行流固耦合模型试验；当液体加压容器不注水时，可以进行偏压隧道模型试验。

本实用新型所述的结构，制作材料除了选用钢材外，还可以部分选用高强度透明材料，从而在实验过程中随时观察记录隧道的变形破坏情况。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为浅埋隧道模型正面示意图；

图2为圆形洞室围岩的二次应力和位移均成轴对称分布图；

图中，1—固定框架，2—千斤顶加载结构，3—液体加压容器，4—隧道模拟材料。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种浅埋隧道模型试验装置，包括固定框架、千斤顶加载结构、液体加压容器和智能监测系统。

本实用新型的原理：浅埋隧道围岩的受力、变形和破坏问题可以认为是轴对称问题，根据力学分析可知，围岩只受到径向应力和切向应力，不受剪应力，只产生径向位移，不产生切向位移。

固定框架1由外框架与内框架组成，内外框架均由四块边板首尾焊接而成，内外框架通过钢架焊接固定。其用来装载内部的加载结构以及隧道模拟材料4，并固定千斤顶加载结构与液体加压容器。

千斤顶加载结构2由液压千斤顶、压力传感器、压力数显器组成。其用于对隧道进行缓慢加载。千斤顶固定于外框架预留的空洞处，作用于液体加压容器。

液体加压容器3分为两种，一种由不透水的柔性材料制成，一种由透水的柔性材料制成。其内部中空，上部与自动补水装置通过软管连通。液体加压容器的形状应使其可以嵌入固定内框架与围岩模拟材料之间。

智能监测系统由微型多点位移计、光纤应变测试系统、高分辨率数码相机组成。其用来监测隧道应变与应力变化以及记录隧道动态。高分辨率数码相机安装固定在模型隧道前方，在模型隧道内所测位置安设十字固定标志，通过连续固定焦距拍照，然后利用系统分析处理照片，记录围岩动态。

试验装置操作步骤包括：

1)按照示意图与说明书，正确安装本试验装置；

2)根据试验方案，选择液体加压容器，进行拆卸与替换；

3)根据试验方案，考虑是否通过自动补水装置向液体加压容器中注水；

4)通过千斤顶加载结构对隧道围岩进行加载；

5)加载过程中，通过智能监测系统对隧道围岩变化进行记录；

6)进行卸载、防水、关闭监测系统，并进行整理试验装置，完成模拟试验。

当采用不透水的液体加压容器时，其用来提供围岩边界应力，能够将千斤顶加载结构的平面力转换为弧面力，使围岩受力更加符合实际情况。液体中的液压随着深度均匀增加，可以满足围岩压力随深度均匀增加这样一种应力边界相似条件。

当地层的侧向自重应力与竖向自重应力相等时，取初始地应力为作用于无限远边界上的均布荷载，圆形洞室围岩的二次应力和位移均成轴对称分布，如图2所示，其弹性力学解答可以用极坐标表达为

τ_rθ＝0，

μ_θ＝0。

当采用透水的液体加压容器时，可以进行流固耦合模型试验，可直接观察围岩渗流特征及加载过程中围岩破裂和突水过程。加压容器中设置压力指示表，时刻记录所注水量。

当液体加压容器不注水时，可以进行偏压隧道模型试验。一般情况下，Ⅲ—Ⅴ级围岩，当地面偏斜、隧道外侧拱肩至地表的垂直距离小于某值时，围岩将对结构产生偏压力。加压容器不注水，无法将千斤顶加载结构的平面力转换为弧面力，即施加了偏压力。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种浅埋隧道模型试验装置，其特征在于，包括固定框架、千斤顶加载结构、液体加压容器和智能监测装置；

所述固定框架的顶部和底部均预留一个与千斤顶加载结构相配合的孔洞；所述千斤顶加载结构安装在所述的两个孔洞内，在所述的固定框架内设有一个液体加压容器，所述的液体加压容器对隧道模拟材料进行加压；所述的智能监测装置对隧道模拟材料的变化进行监测。

2.如权利要求1所述的浅埋隧道模型试验装置，其特征在于，所述的千斤顶加载结构由液压千斤顶、压力传感器、压力数显示器组成；所述的压力传感器检测液压千斤顶的压力大小，所述的压力传感器与压力数显示器相连，压力数显示器用于显示测得的压力大小。

3.如权利要求1所述的浅埋隧道模型试验装置，其特征在于，所述的液体加压容器分为两种，一种由不透水的柔性材料制成，一种由透水的柔性材料制成；其内部中空，上部与自动补水装置通过软管连通。

4.如权利要求1所述的浅埋隧道模型试验装置，其特征在于，所述液体加压容器的形状应使其能嵌入内框架与围岩模拟材料之间。

5.如权利要求1所述的浅埋隧道模型试验装置，其特征在于，所述的智能监测装置由多点位移计、光纤应变测试系统组成；所述的多点位移计和光纤应变测试系统用来监测隧道应变与应力变化以及记录隧道动态。

6.如权利要求1所述的浅埋隧道模型试验装置，其特征在于，所述的智能监测装置还包括图像采集装置，所述的图像采集装置安装固定在模型隧道前方，在模型隧道内所测位置安设十字固定标志，通过连续固定焦距拍照，然后利用系统分析处理照片，记录围岩动态。

7.如权利要求6所述的浅埋隧道模型试验装置，其特征在于，所述的图像采集装置为高分辨率数码相机。

8.如权利要求1所述的浅埋隧道模型试验装置，其特征在于，所述的固定框架由外框架与内框架组成，内外框架均由四块边板首尾焊接而成，内外框架通过钢架焊接固定。