用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，包括模型试验箱体和用于模拟土层施加压力的加载装置，所述模型试验箱体包括底壁、以可拆卸的方式固定连接在底壁上的四周侧壁以及用于观测模型试验箱体内部的观测组件，所述观测组件设置在侧壁上，所述加载装置包括加载框架、施力机构以及测力机构，所述模型试验箱体位于加载框架内，所述施力机构和测力机构设置在加载框架上部。本发明不仅装拆简单方便，可根据不同试验研究对象调整模型试验装置的大小，而且能够更加真实、全面、直观、准确地反映隧道围岩支护体系各方面的变化和影响，从而更好的认识隧道围岩支护结构相互作用机理，更加深入了解隧道围岩的力学性质。
【专利说明】
用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置
技术领域
[0001]本发明涉及隧道工程领域，特别涉及一种用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置。【背景技术】
[0002]近年来，由于我国经济的高速发展，国家对交通基础设施领域的大力投资，使得我国道路交通得到飞速发展。我国是一个多山、丘陵国家，尤其西部腹地更是山岭重重，由于公路对线路和坡度的特殊要求，使得隧道成为我国公路、铁路越岭的最优方案，在我国交通建设中占有很大比例。由于隧道工程所处地质条件的复杂性和随机性，有时仅仅靠计算分析难以获得令人满意的结果。诸多相关研究表明，对各种情况下隧道围岩的力学行为、变形与破坏机理的研究，不仅具有重要的理论意义，还能够科学的指导隧道工程的设计、施工， 以降低工程建设成本、提高工程的安全性水平。目前，现代岩土工程理论与实践研究离不开模型试验研究。模型试验由于是真实的物理实体，当它在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，真实、全面、直观、准确地反映隧道围岩支护体系各方面的变化和影响，使人们能够认识隧道围岩支护结构相互作用机理，更加深入了解隧道围岩的力学性质。
[0003]模型试验对隧道理论研究和工程研究的发展起着十分重要的作用，目前很多科研人员研究并开发了一些隧道模型试验装置，能够反映隧道围岩支护体系某些方面的变化和影响，但这些装置仍然存在着以下不足之处:[〇〇〇4] 1.现有的隧道模型试验装置只是根据某一个特定的科研课题或者施工工程来设计的，具有一定的局限性，不能用于其他条件下的隧道室内试验；
[0005]2.现有的隧道模型试验装置均只考虑了模型的一个相似比，没有考虑模型可以调整大小来适应不同的相似比试验；
[0006]3.现有的隧道模型试验装置不能够直接观察、测量隧道重点部位的围岩变化情况及其影响范围等，即使能观察、测量也不能够精确测量出全部围岩的变化情况，只能测出围岩局部几个点的变化情况；
[0007]4.现有的隧道模型试验装置的加载系统灵活性差，不能够研究模拟隧道在不同深度岩层的力学行为，也不能研究模拟隧道处于不同偏情况下岩层的力学行为；
[0008]5.现有的隧道模型试验装置的刚度不够，在力的不断增加过程中容易引起其整体结构发生变形，导致模型试验与实际情况不相符合，使测得数据不够准确、精度不高，往往容易造成人力、物力的浪费。
[0009]因此，急需开发一种用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，使其不仅装拆简单方便，可根据不同试验研究对象调整模型试验装置的大小，整体强度高、刚性强、 稳定性好，不易发生变形，提高测得数据的准确性和精度，而且能够更加真实、全面、直观、 准确地反映隧道围岩支护体系各方面的变化和影响，从而更好的认识隧道围岩支护结构相互作用机理，更加深入了解隧道围岩的力学性质。
【发明内容】
[0010]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，不仅装拆简单方便，可根据不同试验研究对象调整模型试验装置的大小，整体强度高、刚性强、稳定性好，不易发生变形，提高测得数据的准确性和精度，而且能够更加真实、 全面、直观、准确地反映隧道围岩支护体系各方面的变化和影响，从而更好的认识隧道围岩支护结构相互作用机理，更加深入了解隧道围岩的力学性质。
[0011]本发明的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，包括模型试验箱体和用于模拟土层施加压力的加载装置，所述模型试验箱体包括底壁、以可拆卸的方式固定连接在底壁上的四周侧壁以及用于观测模型试验箱体内部的观测组件，所述观测组件设置在侧壁上，所述加载装置包括加载框架、施力机构以及测力机构，所述模型试验箱体位于加载框架内，所述施力机构和测力机构设置在加载框架上部。
[0012]进一步，四周侧壁与底壁围合成顶面敞开的长方体结构，相邻两个侧壁之间以可拆卸的方式固定连接。
[0013]进一步，所述底壁由至少两块钢板I拼接而成，各钢板I之间通过螺栓固定连接;所述左侧壁和右侧壁相互对称，所述左侧壁和右侧壁均由至少两块钢板II拼接而成，各钢板 II之间通过螺栓固定连接;所述前侧壁和后侧壁相互对称，所述前侧壁和后侧壁均为由至少四块钢板III围合成的方形框架结构，各钢板III之间通过螺栓固定连接。
[0014]进一步，所述前侧壁和后侧壁上分别设置有观测组件，所述观测组件包括安装框架和固定于安装框架内的钢化玻璃，所述安装框架通过铰接件以可打开或关闭的方式固定连接在前侧壁或后侧壁的方形框架结构内。
[0015]进一步，所述加载框架包括立柱、上横梁、下横梁、连接横梁，所述立柱为两组，对称设置在前侧壁和后侧壁的外侧，每组立柱为两根，两组立柱中位于同一侧的两根立柱上部之间固定连接有两排呈上下对称设置的连接横梁I，每排连接横梁I为两个，每排的两个连接横梁I对称设置在立柱两侧，所述上横梁固定于两排连接横梁I之间，每组的两根立柱下部之间分别固定连接有一根下横梁，两组立柱中位于同一侧的两根立柱下部之间固定连接有用于对下横梁进行支撑的连接横梁II。
[0016]进一步，所述连接横梁I和下横梁分别通过螺栓与立柱固定连接，所述立柱上部沿纵向间隔设有多个螺栓孔I，所述下横梁的两端部分别沿横向间隔设有多个螺栓孔II。
[0017]进一步，各立柱下端固定于同一支撑钢板上。
[0018]进一步，所述施力机构包括由上而下依次设置的千斤顶、垫块、支撑横梁、铁板，所述千斤顶位于上横梁下方。
[0019]进一步，所述测力机构为千斤顶测力环，所述千斤顶测力环固定于千斤顶顶部与上横梁底部之间。
[0020]本发明的有益效果:本发明的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置， 通过设置可拆卸的模型试验箱体和用于模拟土层施加压力的加载装置，不仅装拆简单方便，可根据不同试验研究对象调整模型试验装置的大小，整体强度高、刚性强、稳定性好，不易发生变形，提高测得数据的准确性和精度，而且能够更加真实、全面、直观、准确地反映隧道围岩支护体系各方面的变化和影响，从而更好的认识隧道围岩支护结构相互作用机理，更加深入了解隧道围岩的力学性质。【附图说明】
[0021]下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述:[0〇22]图1为本发明的结构不意图；
[0023]图2为图1的左视图；
[0024]图3为本发明模型试验箱体的结构示意图；
[0025]图4为本发明模型试验箱体的底壁的结构示意图；
[0026]图5为本发明加载装置的结构示意图；[〇〇27] 图6为图5的左视图。【具体实施方式】
[0028]图1为本发明的结构示意图，图2为图1的左视图，图3为本发明模型试验箱体的结构示意图，图4为本发明模型试验箱体的底壁的结构示意图，图5为本发明加载装置的结构示意图，图6为图5的左视图，如图所示:本实施例的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，包括模型试验箱体和用于模拟土层施加压力的加载装置，所述模型试验箱体包括底壁、以可拆卸的方式固定连接在底壁上的四周侧壁以及用于观测模型试验箱体内部的观测组件，所述观测组件设置在侧壁上，所述加载装置包括加载框架、施力机构以及测力机构，所述模型试验箱体位于加载框架内，所述施力机构和测力机构设置在加载框架上部，通过采用可拆卸的模型试验箱体，装拆简单方便，可根据不同试验研究对象调整模型试验装置的大小，通过设置观测组件可在试验过程中实现对重点部分围岩的观察和光学仪器的量测，通过设置加载装置，能够根据试验需求，调节装置的整体尺寸，产生不同埋深和地质条件下的围岩地应力场，实现大、小偏压的地质条件，方便、快捷、实时监控施加力的大小，还可保证模型试验箱体的稳定性。
[0029]本实施例中，四周侧壁与底壁围合成顶面敞开的长方体结构，以便于向模型试验箱体内填装模型材料，相邻两个侧壁之间以可拆卸的方式固定连接，本实施例的四周侧壁与底壁之间、相邻两个侧壁之间均通过螺栓固定连接，装拆简单方便。
[0030]本实施例中，所述底壁由至少两块钢板I拼接而成，各钢板I之间通过螺栓固定连接，本实施例的底壁由三块钢板K钢板I1、钢板12、钢板13)拼接而成，各钢板1(钢板I1、钢板12、钢板13)连接处焊接有角钢连接件，角钢连接件上设有连接螺孔;所述左侧壁和右侧壁相互对称，所述左侧壁和右侧壁均由至少两块钢板II拼接而成，各钢板II之间通过螺栓固定连接，本实施例的左侧壁和右侧壁均由两块钢板IK钢板114、钢板115)拼接而成，各钢板II (钢板114、钢板II5)连接处焊接有角钢连接件，角钢连接件上设有连接螺孔;所述前侧壁和后侧壁相互对称，所述前侧壁和后侧壁均为由至少四块钢板III围合成的方形框架结构，各钢板III之间通过螺栓固定连接，本实施例的前侧壁和后侧壁均为由六块钢板IIK钢板II17、钢板II18、钢板II19、钢板II110、钢板II 111、钢板II112)围合成的方形框架结构， 各钢板III (钢板II17、钢板II18、钢板II19、钢板II110、钢板II 111、钢板II112)连接处焊接有角钢连接件，角钢连接件上设有连接螺孔。由于底壁需承受更大的压力，钢板I的厚度大于钢板II和钢板III的厚度，以提高整体承载强度;钢板1、钢板I1、钢板III的数量可根据试验需求的相似比来进行设置，使模型试验箱体的尺寸可根据需要进行调整，以满足不同情况的模型试验，且钢板1、钢板I1、钢板III的体积均较小，方便试验人员搬运及对其进行拼接。
[0031]本实施例中，所述前侧壁和后侧壁上分别设置有观测组件，所述观测组件包括安装框架13和固定于安装框架13内的钢化玻璃14,所述安装框架13通过铰接件以可打开或关闭的方式固定连接在前侧壁或后侧壁的方形框架结构内，方便材料的填充、试验的标记，试验过程中可利用数字照相技术通过观测组件对关键部分隧道围岩的位移、力学特性的变化进行监控测量。本实施例的安装框架13采用铝合金材料制成，重量轻，成本低，耐用，使用时根据相似原理得到模型中隧道断面的大小，可在钢化玻璃的正中间开挖与之相同的孔洞， 以便观测。
[0032]本实施例中，所述加载框架包括立柱15、上横梁16、下横梁17、连接横梁，所述立柱 15为两组，对称设置在前侧壁和后侧壁的外侧，每组立柱15为两根，两组立柱15中位于同一侧的两根立柱15上部之间固定连接有两排呈上下对称设置的连接横梁118,每排连接横梁 118为两个，每排的两个连接横梁118对称设置在立柱15两侧，所述上横梁16固定于两排连接横梁118之间，保证其能够为试验提供反力，每组的两根立柱15下部之间分别固定连接有一根下横梁17,两组立柱15中位于同一侧的两根立柱15下部之间固定连接有用于对下横梁 17进行支撑的连接横梁1119,使模型试验箱体能够放置在下横梁17上，为模型试验箱体提供支撑，防止模型试验箱体发生变形。本实施例的下横梁17为槽钢结构，连接横梁为角钢结构。
[0033]本实施例中，所述连接横梁118和下横梁17分别通过螺栓与立柱15固定连接，所述立柱15上部沿纵向间隔设有多个螺栓孔120,所述下横梁17的两端部分别沿横向间隔设有多个螺栓孔1121，通过设置多个螺栓孔120和螺栓孔1121，方便调节连接横梁118与立柱15、 立柱15与下横梁17连接的位置，以满足模型试验箱体的大小需求。
[0034]本实施例中，各立柱15下端固定于同一支撑钢板22上，使各立柱15处于同一平面上，以保证立柱15的竖直及稳定性。[〇〇35]本实施例中，所述施力机构包括由上而下依次设置的千斤顶23、垫块24、支撑横梁 25、铁板26,所述千斤顶23位于上横梁16下方，本实施例的千斤顶23和垫块24均为三个，通过设置施力机构不仅能够加载较大范围的力，还能够研究模拟隧道处于不同偏情况下岩层的力学行为。[〇〇36]本实施例中，所述测力机构为千斤顶测力环27,所述千斤顶测力环27固定于千斤顶23顶部与上横梁16底部之间，能够准确快速测出千斤顶23产生力的大小，实现分级加载和卸载等等试验条件。
[0037]本发明使用时，根据隧道断面形状和试验选择的相似比，确定钢化玻璃预留孔径的大小和位置，安装时，先把两根下横梁放于试验平台上，然后把四根立柱立在试验设计位置，通过四根连接横梁II将下横梁与立柱固定连接，然后将底壁放在下横梁上，随后将四个侧壁安装在底壁上，并将观测组件安装在前后侧壁上，完成模型试验箱体的拼装;模型试验箱体拼装好后，对模型试验箱体进行填料，填料需要进行分层浇筑比对其压实，根据试验要求进行预埋测量仪器和隧道结构，待填埋材料达到试验需要的高度后，将铁板、支撑横梁、 垫块、依次放在填料顶部，千斤顶安放在垫块上，千斤顶测力环安放在千斤顶顶部，并根据剩余的高度，选择合适的位置用连接横梁II把上横梁安装好;此时即可打开观测组件的安装框架，并对其范围内的围岩进行标记，标记后关上安装框架，在装置的正前方安装数字照相相机，并对其进行调试;最后根据试验目的进行各种开挖或衬砌试验，运用加载系统对其进行加载，试验完成后得到一系列隧道研究数据，并分析这些数据从而得到隧道围岩支护结构相互作用机理，了解隧道围岩的力学性质。
[0038]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，其特征在于:包括模型试验 箱体和用于模拟土层施加压力的加载装置，所述模型试验箱体包括底壁、以可拆卸的方式 固定连接在底壁上的四周侧壁以及用于观测模型试验箱体内部的观测组件，所述观测组件 设置在侧壁上，所述加载装置包括加载框架、施力机构以及测力机构，所述模型试验箱体位 于加载框架内，所述施力机构和测力机构设置在加载框架上部。2.根据权利要求1所述的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，其特征在 于:四周侧壁与底壁围合成顶面敞开的长方体结构，相邻两个侧壁之间以可拆卸的方式固 定连接。3.根据权利要求2所述的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，其特征在 于:所述底壁由至少两块钢板I拼接而成，各钢板I之间通过螺栓固定连接;所述左侧壁和右 侧壁相互对称，所述左侧壁和右侧壁均由至少两块钢板II拼接而成，各钢板II之间通过螺 栓固定连接;所述前侧壁和后侧壁相互对称，所述前侧壁和后侧壁均为由至少四块钢板III 围合成的方形框架结构，各钢板III之间通过螺栓固定连接。4.根据权利要求3所述的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，其特征在 于:所述前侧壁和后侧壁上分别设置有观测组件，所述观测组件包括安装框架和固定于安 装框架内的钢化玻璃，所述安装框架通过铰接件以可打开或关闭的方式固定连接在前侧壁 或后侧壁的方形框架结构内。5.根据权利要求1所述的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，其特征在 于:所述加载框架包括立柱、上横梁、下横梁、连接横梁，所述立柱为两组，对称设置在前侧 壁和后侧壁的外侧，每组立柱为两根，两组立柱中位于同一侧的两根立柱上部之间固定连 接有两排呈上下对称设置的连接横梁I，每排连接横梁I为两个，每排的两个连接横梁I对称 设置在立柱两侧，所述上横梁固定于两排连接横梁I之间，每组的两根立柱下部之间分别固 定连接有一根下横梁，两组立柱中位于同一侧的两根立柱下部之间固定连接有用于对下横 梁进行支撑的连接横梁II。6.根据权利要求5所述的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，其特征在 于:所述连接横梁I和下横梁分别通过螺栓与立柱固定连接，所述立柱上部沿纵向间隔设有 多个螺栓孔I，所述下横梁的两端部分别沿横向间隔设有多个螺栓孔II。7.根据权利要求6所述的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，其特征在 于:各立柱下端固定于同一支撑钢板上。8.根据权利要求5所述的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，其特征在 于:所述施力机构包括由上而下依次设置的千斤顶、垫块、支撑横梁、铁板，所述千斤顶位于 上横梁下方。9.根据权利要求8所述的用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置，其特征在 于:所述测力机构为千斤顶测力环，所述千斤顶测力环固定于千斤顶顶部与上横梁底部之 间。
【文档编号】G01M99/00GK105973620SQ201610280861
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】黄锋, 文云波, 蒋伟, 彭超, 赵军, 徐炳超, 陈建宇, 万国庆
【申请人】重庆交通大学