CN207882085U - 深埋隧洞模型试验装置系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种深埋隧洞模型试验装置系统，属于岩土工程领域，可以应用在水利水电工程、隧道工程等领域。本实用新型包括机架、支撑平台、液压千斤顶、夹板及压板。本实用新型还包括水泥砂浆制作的模型试验块，模型试验块中的隧洞型式为城门洞形或圆形或马蹄形，模型试验块的外表面沿着隧洞轮廓线间隔粘贴有应变片。模型试验块配设有千分表和位移传感器，千分表的触针布置在隧洞内壁顶部，位移传感器沿着隧洞轮廓线间隔设置，并预埋于模型试验块内。本实用新型可研究不同断面形式的隧道模型加载的试验特性，具有完善的加压系统和量测体系，试验的可靠性更高，为研究深埋隧洞模型的破坏规律提供了完备的试验方案。

Description

深埋隧洞模型试验装置系统

技术领域

本实用新型涉及一种深埋隧洞模型试验装置系统，属于岩土工程领域，可以应用在水利水电工程、隧道工程等领域。

背景技术

深埋隧洞是指围岩基本上属于山体卸荷范围内的弱风化岩体或新鲜岩体,初始应力场由自重应力场和构造应力场叠加而成的即埋深介于(2～3)h_q～500m之间的隧洞。

我国在1980年以前就已经建成最大埋深达1650m的成昆线关村坝隧道；1980年以后,修建的隧道越来越多,长度也越来越大。山岭隧道长度的增大,必然引起埋深增大,埋深数百m的隧道已经司空见惯,最大埋深超过1000m的隧道越来越多(目前世界上隧道的最大埋深已经接近3000m),如锦屏电站引水隧道最大埋深2500m、西康线秦岭隧道最大埋深1600m。隧道埋深增大同时,也出现了与此有关的岩爆、软岩大变形、高地温、高压涌水等与隧道论证、设计及施工等密切相关的问题。参见[徐则民，黄润秋，王士天.隧道的埋深划分[J].中国地质灾害与防治学报，2000，11(4):5-10.]。

岩石多数是不均质与各向异性的，包含各种岩石与地质构造的岩体则更为复杂。多年来，数学力学方法只能为形状简单的地下工程(圆形或椭圆形等隧洞)提供围岩应力场与位移场的理论解，许多分析性的预见大多来自现场实测与模拟研究的成果。随着科技的发展出现了一种新的数值分析方法—有限元与边界元法等，它与电子计算机的结合为岩石力学隧道工程的分析和计算提供了有力的工具。但隧道模型试验本身也随着近代科学技术的发展而有更完善更高级的形式，再加上这类方法具有直观性与全场逐点给出结论的优点，因而岩体模拟研究与现场实测迅速地发展成为研究的热点。

地质力学模型试验是一种发展较早、应用广泛、形象直观的岩体工程稳定性研究方法，能较好地模拟复杂工程的施工工艺和荷载作用方式。由于深埋隧洞具有上述复杂性，仅限于应用解析方法和数值仿真开展研究显然不够，有必要借助模型试验手段进行相关分析。深埋隧洞物理模拟试验的难点在于相似材料的研制，常规以石膏为粘结剂的相似材料遇水易崩解，因而无法应用于流固耦合相似模拟试验。参见[蔚立元，徐帮树，靖洪文.海底隧道流固耦合相似模拟试验研究[J].中南大学学报(自然科学版)，2013，44(12):1-8.]。

目前已找到的隧洞模型试验结构，以下面两种最为有名：技术一是郑颖人院士进行的隧道模型试验，参见[郑颖人，王永甫.隧道稳定性分析与设计方法讲座之一：隧道围岩压力理论进展与破坏机制研究[J].隧道建设，2013，33(6):423-430.]，其研究了浅埋和深埋隧洞试验模型破坏的机理，采用室内模型试验与数值分析方法，模型试验采用自制的模型试验设备，试验模型内的土体尺寸为40cm×52cm×15cm(长×高×厚)。试验采用压力机在模型顶部进行分级加载直至隧洞发生破坏。

技术二是李元鑫、朱哲明等提出的以水泥砂浆加石膏为原料制作成具有不同夹角θ的直墙拱形隧道模型，来研究隧道变形破坏规律。参见[李元鑫，朱哲明.拱肩裂纹对隧道稳定性影响的数值分析与试验研究[J].现代隧道技术，2014，5：114-120.]，其以直墙拱形隧道为研究对象，只进行单轴压缩试验，即隧道只承受竖向荷载。将试验模型置放在设备正中间后开始加载，采用分级加载的方式，以150为阶梯逐级加载直至试件破坏，加载速率选择15KN/s。在试验全过程中，自动记录整个模型的加载时间、位移、应力及应变，试验结束后自动生成应力-应变曲线。

目前的技术往往只进行了直墙拱形隧道模型进行试验，对不同断面形式的隧洞模型没有对比，即缺少相应的不同断面形式隧洞围岩应力与位移分布情况及不同断面形式对隧洞围岩稳定性影响的研究。此外，现有技术的设备较简单，不具备完善的加压系统和量测体系，无法保证试验的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述现有背景技术中存在的不足之处，提供一种深埋隧洞模型试验装置系统，试验的可靠性更高。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：深埋隧洞模型试验装置系统，包括机架，机架底部固定设置有支撑平台、顶部固定设置有液压千斤顶，液压千斤顶配设于支撑平台上方，支撑平台两侧配设有成对设置的夹板，夹板配设有紧固装置，液压千斤顶的压头端配设有压板。

进一步的是：夹板的紧固装置为与机架螺纹连接的紧固螺钉。

进一步的是：还包括水泥砂浆制作的模型试验块，模型试验块中的隧洞型式为城门洞形或圆形或马蹄形，模型试验块的外表面沿着隧洞轮廓线间隔粘贴有应变片。

进一步的是：沿着隧洞轮廓线方向，每处设有呈直线布置的多个应变片，并且该直线分布线垂直于隧洞轮廓线。

进一步的是：沿着隧洞轮廓线方向，每处设有呈直线布置的三个应变片。

进一步的是：模型试验块配设有千分表，千分表的触针布置在隧洞内壁顶部。

进一步的是：模型试验块配设有位移传感器，位移传感器沿着隧洞轮廓线间隔设置，并预埋于模型试验块内。

进一步的是：模型试验块为长度和高度相同的方形试件。

本实用新型的有益效果是：可研究不同断面形式的隧道模型加载的试验特性，具有完善的加压系统和量测体系，试验的可靠性更高，为研究深埋隧洞模型的破坏规律提供了完备的试验方案。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为应变片的布置示意图；

图3为模型试验块的实施例一的正面结构示意图；

图4为模型试验块的实施例二的正面结构示意图；

图5为模型试验块的实施例三的正面结构示意图；

图6为模型试验块的实施例一、二、三的侧面结构示意图；

图中标记为：1-机架、2-支撑平台、3-液压千斤顶、4-夹板、5-压板、6-模型试验块、7-应变片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型包括机架1，机架1底部固定设置有支撑平台2、顶部固定设置有液压千斤顶3，液压千斤顶3配设于支撑平台2上方，支撑平台2两侧配设有成对设置的夹板4，夹板4配设有紧固装置，液压千斤顶3的压头端配设有压板5。夹板4的紧固装置优选为与机架1螺纹连接的紧固螺钉。支撑平台2、夹板4、压板5均可采用钢板。实施时，模型试验块6放置在支撑平台2上，通过紧固螺钉作用于夹板4，对模型试验块6提供左右约束。顶部用液压千斤顶3向模型试验块6顶部施加垂直压力PV，支撑平台2与地面浇筑的混凝土固结在一起，保证对模型试验块6稳定约束。而模型试验块6顶部设置的压板5主要是为了保证施加的荷载更均匀，按照平面应力条件加力，荷载由零逐渐分级施加，直至模型出现破坏现象。

如图2至图6所示，本实用新型中的模型试验块6采用水泥砂浆制作，优选制作为长度和高度相同的方形试件，整体尺寸为100cm×100cm×25cm(长×高×厚)；模型试验块6中的隧洞型式为城门洞形或圆形或马蹄形，本实施例中城门洞形隧洞的规格为直线段高度8cm、宽度12cm、顶拱半径6cm，圆形隧洞的规格为直径14cm,马蹄形隧洞的规格为整体高度14cm、宽度12cm、顶拱半径6cm，底部由三段圆弧构成，底部中间圆弧段半径20cm、底部两侧圆弧段半径4cm；模型试验块6的外表面沿着隧洞轮廓线间隔粘贴有应变片7。沿着隧洞轮廓线方向，每处设有呈直线布置的多个应变片7，并且该直线分布线垂直于隧洞轮廓线。本实施例中优选每处设有呈直线布置的三个应变片7。试验时，应变片7用于测试隧洞围岩径向应力与切向应力、分析各处应变数据分析各处破坏深度。

模型试验块6配设有千分表，千分表的触针布置在隧洞内壁顶部。试验时，千分表用于监测隧洞由于荷载增大可产生的破坏变形。

模型试验块6配设有位移传感器，位移传感器沿着隧洞轮廓线间隔设置，并预埋于模型试验块6内。试验时，位移传感器用于监测加载破坏过程中的变形数据。

此外，试验过程中，应记录模型试验块6的初始破坏荷载、所加最大荷载；还可用数码相机、摄影机记录围岩移动与破坏过程。

本实用新型可研究不同断面形式的隧道模型加载的试验特性，具有完善的加压系统和量测体系，试验的可靠性更高，为研究深埋隧洞模型的破坏规律提供了完备的试验方案。

Claims (8)

1.深埋隧洞模型试验装置系统，包括机架(1)，机架(1)底部固定设置有支撑平台(2)、顶部固定设置有液压千斤顶(3)，液压千斤顶(3)配设于支撑平台(2)上方，其特征在于：支撑平台(2)两侧配设有成对设置的夹板(4)，夹板(4)配设有紧固装置，液压千斤顶(3)的压头端配设有压板(5)。

2.如权利要求1所述的深埋隧洞模型试验装置系统，其特征在于：夹板(4)的紧固装置为与机架(1)螺纹连接的紧固螺钉。

3.如权利要求1或2所述的深埋隧洞模型试验装置系统，其特征在于：还包括水泥砂浆制作的模型试验块(6)，模型试验块(6)中的隧洞型式为城门洞形或圆形或马蹄形，模型试验块(6)的外表面沿着隧洞轮廓线间隔粘贴有应变片(7)。

4.如权利要求3所述的深埋隧洞模型试验装置系统，其特征在于：沿着隧洞轮廓线方向，每处设有呈直线布置的多个应变片(7)，并且该直线分布线垂直于隧洞轮廓线。

5.如权利要求4所述的深埋隧洞模型试验装置系统，其特征在于：沿着隧洞轮廓线方向，每处设有呈直线布置的三个应变片(7)。

6.如权利要求3所述的深埋隧洞模型试验装置系统，其特征在于：模型试验块(6)配设有千分表，千分表的触针布置在隧洞内壁顶部。

7.如权利要求3所述的深埋隧洞模型试验装置系统，其特征在于：模型试验块(6)配设有位移传感器，位移传感器沿着隧洞轮廓线间隔设置，并预埋于模型试验块(6)内。

8.如权利要求3所述的深埋隧洞模型试验装置系统，其特征在于：模型试验块(6)为长度和高度相同的方形试件。