运营隧道围岩-衬砌长期相互作用模拟试验装置及方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于隧道与地下工程长期运维安全控制理论与技术研究领域，具体涉及一种运营隧道围岩-衬砌长期相互作用模拟试验装置及方法。背景技术：2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。3.随着隧道与地下工程建设规模和数量的增多，在公路、铁路、市政等领域有大量隧道投入运营。在隧道运营过程中，围岩与衬砌结构存在复杂的相互作用模式，成为影响隧道结构长期安全的关键因素。在环境荷载作用下，围岩产生蠕变效应，导致衬砌结构承受的围岩压力不断增大，进而出现衬砌变形、开裂甚至失效等问题。另一方面，衬砌结构的变形破坏又会影响围岩受力变形状态，导致围岩-衬砌相互作用模式发生变化。因此，研究考虑蠕变影响下的围岩-衬砌结构相互作用机制，可为运营隧道的长期服役状态判别与灾害防控提供理论与技术指导。4.模型试验是隧道与地下工程领域广泛采用的重要研究手段，可为理论分析与数值模拟提供基础数据支撑。然而，现有隧道模型试验方法大多将围岩与隧道结构分开研究，对围岩-衬砌相互作用研究也缺乏对于长期服役性能的考虑。此外，现有隧道模型试验装置存在体积大、操作复杂、加载灵活性差等问题。技术实现要素：5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种运营隧道围岩-衬砌长期相互作用模拟试验装置及方法，该装置能够模拟不同围岩特性与地应力特征，充分考虑围岩-衬砌相互作用变化的时效性规律，较为真实地反映长期加载条件下隧道围岩-衬砌结构应力和变形变化情况。6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：7.第一方面，本发明提供了一种运营隧道围岩-衬砌长期相互作用模拟试验装置，包括模型试验箱体和恒压加载装置，恒压加载装置包括加载框架、施力机构，模型试验箱体位于加载框架内，施力机构包括上部施力机构和侧部施力机构，上部施力机构包括上部升降机、第一丝杠和上压板，上部升降机和第一丝杆连接以带动其竖向移动，第一丝杠端部和上压板连接；侧部施力机构包括侧部升降机、第二丝杠和侧压板，侧部升降机和第二丝杠连接以带动其水平移动，第二丝杠端部和侧压板连接。8.作为进一步的技术方案，所述上部升降机固定于加载框架顶部。9.作为进一步的技术方案，所述侧部升降机固定于加载框架侧部。10.作为进一步的技术方案，所述测力机构包括上部传感器，上部传感器固定于第一丝杠末端与上压板之间，上部传感器与控制单元连接。11.作为进一步的技术方案，所述测力机构还包括侧部传感器，侧部传感器固定于第二丝杆末端与侧压板之间，侧部传感器与控制单元连接。12.作为进一步的技术方案，所述模型试验箱体包括连接成箱体的底壁、右侧壁、后侧壁、前侧壁，前侧壁以可拆卸方式固定连接在底壁，上压板设置于模型试验箱体顶部，侧压板设置于模型试验箱体侧部。13.作为进一步的技术方案，所述前侧壁设置用于观测模型试验箱体内部的观测组件，观测组件包括透明亚克力板，透明亚克力板固定于安装框架内，安装框架与底壁可拆卸连接。14.作为进一步的技术方案，所述加载框架包括立柱和底板，立柱设置相对的两组，两组立柱之间连接底板，立柱上部之间设置连接件ⅰ，立柱下部之间设置用于支撑的连接件ⅱ。15.第二方面，本发明还提供了一种如上所述的运营隧道围岩-衬砌长期相互作用模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：16.进行模型试验箱体的拼装，对模型试验箱体进行填料，布置监测元件，将隧道衬砌结构进行预埋设；17.待填料达到设定高度后，将前侧壁固定在底壁，进行试验箱体的组合，并将上压板调节至填料顶部位置；18.待模型整体铺设完成后，进入模型整体养护阶段；19.在对模型整体养护完成后，运用施力机构进行恒压加载试验，试验完成后得到试验数据，并分析数据从而得到长期加载条件下隧道围岩-衬砌结构应力和变形变化情况。20.作为进一步的技术方案，根据隧道断面形状和试验选择的相似比，确定前侧壁透明亚克力板的预留孔径的大小和位置，在透明亚克力板设置预留孔。21.上述本发明的有益效果如下：22.本发明的试验装置，在一侧设置固定边界，另一侧水平方向布置升降机进行加载，可以实现不同侧压力系数的模拟，竖直方向也通过升降机进行加载模拟竖向地应力；通过设置施力机构，能够模拟不同围岩特性与地应力特征，并且在围岩-衬砌结构上实现长期稳压的加载方式，能够研究围岩-衬砌相互作用变化的时效性规律，从而较为真实地反映长期加载条件下隧道围岩-衬砌结构应力和变形变化情况，从而模拟隧道围岩-衬砌结构在考虑蠕变影响下的相互作用过程。23.本发明的试验装置，采用升降机进行加压，通过电机伺服控制升降机保持恒压，能够在围岩-衬砌结构上实现长期服役状态模拟和长期稳压加载，模拟隧道围岩-衬砌结构在长期性影响下的相互作用过程。24.本发明的试验装置，前侧壁设置安装框架和固定于安装框架内的透明亚克力板，安装框架通过螺栓以可拆卸的方式连接在模型试验箱体的底壁，拆装便利，方便试验材料的填充和设备的安置，透明亚克力板预留有方便隧道内设备安放的孔径，提高试验的效率。附图说明25.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。26.图1为本发明试验装置的结构示意图；27.图2为本发明试验装置的俯视图；28.图3为本发明模型试验箱体和加载框架的设置示意图；29.图4为本发明施力机构的结构示意图；30.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；31.其中，1.丝杠；2.上部升降机；3.横梁；4.上部传感器；5.上压板；6.框架；7.侧压板；8.侧部传感器；9.侧部升降机；10.丝杠；11.亚克力板；12.底板；13.立柱；14.电机；15.电机。具体实施方式32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明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。33.本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种运营隧道围岩-衬砌长期相互作用模拟试验装置，包括模型试验箱体和用于模拟土层施加压力的恒压加载装置，其中，模型试验箱体包括底壁、右侧壁、后侧壁、以可拆卸的方式固定连接在底壁上的前侧壁以及用于观测模型试验箱体内部的观测组件，观测组件设置在前侧壁上；恒压加载装置包括加载框架、施力机构以及测力机构，模型试验箱体位于加载框架内，两组施力机构和测力机构分别设置在加载框架上部和左侧部。34.本实施例中，模型试验箱体的右侧壁、后侧壁与侧压板7围成前侧面开放的三面结构，前侧壁以可拆卸的方式与右侧壁和底壁通过螺栓固定连接，以便于向模型试验箱体内填装模型材料，右侧壁与后侧壁之间相互固定连接，施力机构的侧压板7形成模型试验箱体的左侧壁，本实施例的右侧壁和后侧壁各自与底壁之间通过螺栓固定连接，前侧壁作为可拆卸部分，拆装便利，方便试验材料的填充和设备的安置。35.本实施例中，底壁由一整块钢板组成；侧压板由一整块钢板组成，并且与侧部施力机构相连接；后侧壁与右侧壁均由一整块钢板组成，后侧壁与右侧壁钢板连接处焊接有角钢连接件，角钢连接件上设有连接螺孔，两块钢板固定拼接形成两个侧壁，由于底壁需承受更大的压力，底部钢板的厚度大于后侧壁钢板和右侧壁钢板的厚度，以提高整体承载强度；组成后侧壁的钢板外侧有四边以及对角交叉的钢骨架；前侧壁由四边以及对角交叉的钢骨架和透明亚克力板11组成，各钢架之间相互焊接，从而提高侧壁在试验过程中对模型材料的约束能力；固定的后侧壁和右侧壁与试验箱体框架通过螺栓固定连接，前侧壁钢板为可拆卸部分。36.模型试验箱体内填设填料，填料内布置监测元件。填料时布置的监测元件主要为精密土压力盒，监测衬砌与土体间的接触压力及围岩内部压力。除此处使用监测元件外，还在隧道结构内外侧布设电阻应变片，测试内外侧应变值，以此获得内外侧的应变后计算出隧道结构截面内力；以及在隧道内侧布置位移传感器，监测隧道的径向位移。37.本实施例中，前侧壁的透明亚克力板11即形成观测组件，亚克力板11固定于安装框架6内，安装框架6通过螺栓以可拆卸的方式固定连接在模型试验箱体的底壁上，方便试验材料的填充、设备的安置、试验的观察。使用时根据相似原理得到模型中隧道断面的大小，可在透明亚克力板的对应位置预留大小一致的孔洞，方便试验仪器的放置，提高试验效率。38.本实施例中，模型试验箱体内部空间尺寸为1.25m×1.25m×0.3m，体积小，方便试验人员搬运。39.加载框架包括立柱13、底板12、连接件，立柱设置两组，左立柱设置在左侧壁的外侧，右立柱设置于试验箱体的右侧壁外侧并与右侧壁贴合设置，每组立柱为一根，截面为工字形，两组立柱中每一侧的立柱上部之间固定连接有一个连接件ⅰ，每组立柱下部通过螺栓固定连接底板12，两组立柱中每一侧的立柱下部之间固定连接有用于支撑的连接件ⅱ。使模型试验箱体能够稳定固定于底板12上，固定模型试验箱体，保证模型试验箱体的稳定性。40.此处连接件为直角等腰三角形钢板，连接件ⅰ三角形钢板的两腰分别与立柱和横梁相焊接，连接件ⅱ三角形钢板的两腰分别与立柱和底板相焊接，连接件尺寸较小，用于固定试验箱体。41.本实施例中，底板12通过螺栓与立柱13固定连接，底板12的两端部分别沿横向间隔设有多个螺栓孔，从而将前侧壁稳定固定于底板12上。42.两组立柱13下端固定于底板12固定的支撑钢板上，使各立柱13处于同一平面上，以保证立柱13的竖直及稳定性。43.施力机构设置两组，包括上部施力机构和侧部施力机构，其中，上部施力机构包括由上而下依次设置的丝杠1、上部升降机2、横梁3、上压板5，上部升降机2焊接固定于横梁3上方，横梁3固定于立柱13顶部，上部升降机2和电机14连接，丝杠1端部与上压板5连接，上部升降机2与丝杠连接，带动丝杠上下移动，进而带动上压板移动以贴合模型试验箱体顶部，由上压板将力施加给模型试验箱体顶部。具体设置时，电机可以采用伺服电机，根据试验方案在外接的控制单元上设置加载压力，使用伺服电机精准控制升降机通过上压板向模型试验箱体施加并保持恒定的压力。44.本实施例中，侧部施力机构设置于左侧，但也可根据模型试验箱体的调整设置在右侧；侧部施力机构包括由左而右依次设置的丝杠10、侧部升降机9、侧压板7，侧部升降机9焊接固定于左立柱左侧，侧部升降机9和电机15连接，丝杠10端部与侧压板7连接，侧部升降机9与丝杠连接，带动丝杠左右移动，进而带动侧压板移动以贴合模型试验箱体侧部，由侧压板将力施加给模型试验箱体侧部。具体设置时，电机可以采用伺服电机，根据试验方案在外接的控制单元上设置加载压力，使用伺服电机精准控制升降机通过侧压板向模型试验箱体施加并保持恒定的压力。45.由于模型箱体水平方向的两侧同时加载不容易做到同步保持恒压，本实施例在模型箱体水平方向的右侧设置固定边界，左侧水平方向布置侧部升降机进行加载，可以实现不同侧压力系数的模拟，竖直方向也通过升降机进行加载模拟竖向地应力。通过设置施力机构，能够模拟不同围岩特性与地应力特征。46.测力机构包括传感器和控制单元，其中，上部传感器4固定于上部丝杠1末端与上压板5顶部中心之间，侧部传感器8固定于左侧丝杆10末端与侧压板7左侧面中心之间，控制单元与两个传感器相连接，外接于此试验装置，根据试验方案可以通过电机伺服控制保持恒压，能够在围岩-衬砌结构上实现长期服役状态模拟和长期稳压加载，模拟隧道围岩-衬砌结构在长期性影响下的相互作用过程。47.该装置兼具装拆方便、操作快捷的优点，这对于运营期隧道长期服役性能研究具有重要意义。48.基于上面所述的模型试验装置，本发明还提出了一种用于运营隧道围岩-衬砌长期相互作用模拟试验装置的操作方法，可模拟隧道围岩-衬砌结构长期相互作用；步骤如下：49.a、使用时，根据隧道断面形状和试验选择的相似比，确定前侧壁上用于观测模型试验箱体内部的透明亚克力板11的预留孔径的大小和位置，以便将隧道内部监测元件数据线须由预留孔引出，将侧压板7调节至可与后侧壁以及右侧壁形成三面闭合的箱体，完成模型试验箱体的初步拼装；50.b、模型试验箱体拼装好之后，对模型试验箱体进行填料，填料需要进行分层铺设并用夯实锤进行夯实，填料过程中要按照试验方案对试验监测元件进行布置，填料到一定高度后，根据试验要求将隧道衬砌结构进行预埋设，对隧道内试验监测元件进行安置后，再进行后续填料、布置监测元件等工作；51.c、待填埋材料达到试验需要的高度后，将前侧壁通过螺栓固定在底壁上，进行试验箱体的组合，并将上压板5调节至填料顶部位置；52.d、待模型整体铺设完成后，进入模型整体养护阶段，让模型室内通风养护；53.e、最后，在对模型整体养护完成后，运用加载系统按照既定的试验方案进行恒压加载试验，试验完成后得到试验数据，并分析数据从而得到长期加载条件下隧道围岩-衬砌结构应力和变形变化情况。54.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!