[发明专利]隧道施工模拟平面应变模型试验台装置

说明书

技术领域

本发明涉及地下工程实验仪器技术领域，尤其涉及一种隧道施工模拟平面应变模型试验台装置。

背景技术

隧道支护结构受力特征与围岩稳定性的研究可采用数学解析、现场测试、数值模拟和室内模型试验等多种研究手段。数学解析方法只能为物理模型及其参数、边界条件等简单的工程提供理论解。随着计算机软硬件技术及数学算法的发展，数值模拟方法成为隧道力学分析与计算的有力工具。然而，数值方法受力学理论，计算方法以及计算机软硬件发展的限制，在构建复杂地下工程模型时不得不进行简化。由于隧道工程地质条件的复杂性，隧道支护结构及其周围岩土体的力学响应规律尚未得到统一的认识，模型试验可定性或定量地反映与隧道工程有关的天然岩土体受力特性，把工程结构与围岩作为统一体考虑，它能较好地反映岩体特征，如节理、层理、断层等地质因素对岩体工程稳定性的影响，并且不必建立复杂岩土体的本构关系，可直接通过测试给出结果，从而在岩土体本构等机理研究尚不明朗的情况下避开“描述机理”的尴尬而直接利用物理实体的“内置的”机理“自觉地”生成试验过程和结果，并与数学模型相互验证[李丹.高地应力条件下交通隧道的模型试验研究及数值模拟.中国科学院武汉岩土力学研究所博士学位论文，2008年]。因此，室内相似模型试验在科学研究和解决隧道工程实际问题方面具有独特的优势。国内外学者采用室内模型试验手段研究了多个大坝、边坡和地下洞室的稳定性，并给出了很有意义的结论。

室内试验对地下工程岩土体力学的发展起着十分重要的作用，近年来国内外越来越多的学者开始研究、并相继开发了一些地下工程室内相似模型试验台架。然而，这些试验台架大都存在以下不足：

(1)多是基于地层自重状态下的模型试验台架，不能反映地层应力的实际情况，尤其是高地应力情况；

(2)一些可以加载的试验台架，持荷时间不能持续，且加载的持荷稳定性不足，不能满足隧道开挖、支护全过程模型试验的需要；

(3)无法考虑或灵活调节地层侧向压力作用对试验结果的影响；

(4)多是基于“先开洞、后加载”的试验方法，不能反映隧道开挖造成地层位移场、应力场重分布这一基本现象；

(5)每次试验仅能针对单一地层、支护模型，不能实现多个模型不同参数和加载条件下的对比试验等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道施工模拟平面应变模型试验台装置，基于本发明，可以克服现有技术中的缺陷，开展两种尺度的隧道开挖支护模拟平面应变试验，且加载持久、稳定。

本发明一种隧道施工模拟平面应变模型试验台装置包括：模型台架、加载系统和数据采集系统；其中，所述模型台架用于提供盛放试验模型的空间以及为所述加载系统提供反力；所述加载系统包括多个加载体，用于同时控制不同的所述加载体，实现对所述试验模型进行至少一套加载体的加载试验；所述数据采集系统用于在所述加载试验过程中，检测所述试验模型的实时位移和压应力。

上述模拟平面应变模型试验台装置，优选所述加载体为多个并联的气囊，所述加载系统还包括空气压缩机和减压阀；所述空气压缩机用于提供空气及压力给所述减压阀，所述减压阀与所述空气压缩机相连接，通过调节所述减压阀，使输出给所述气囊的空气压力达到预定压力，所述气囊与所述减压阀相连接，以实现定压加载。

上述模拟平面应变模型试验台装置，优选所述模型台架包括基座、第一侧面钢板、第二侧面钢板、第一侧面钢模板、第二侧面钢模板以及顶部盖板；其中，所述基座通过螺栓分别与所述第一侧面钢板、第二侧面钢板相连接；所述第一侧面钢模板、第二侧面钢模板通过螺栓分别与所述第一侧面钢板、第二侧面钢板相连接；所述顶部盖板与所述第一侧面钢模板、所述第二侧面钢模板扣合连接。

上述模拟平面应变模型试验台装置，优选所述模型台架还包括钢架，所述钢架与所述基座通过螺栓连接，所述第一侧面钢板、第二侧面钢板分别与所述钢架螺栓连接。

上述模拟平面应变模型试验台装置，优选所述第一侧面钢模板、第二侧面钢模板均包括多块有机玻璃板，所述第一侧面钢模板的多块有机玻璃板通过有机玻璃连接件连接。

上述模拟平面应变模型试验台装置，优选所述有机玻璃连接件上还连接有腰带。

上述模拟平面应变模型试验台装置，优选所述数据采集系统包括多个传感器，所述传感器位于模型试验相似材料内部，包括用于检测所述试验模型实时位移的位移传感器和用于检测所述试验模型压应力的力传感器。

上述模拟平面应变模型试验台装置，优选所述数据采集系统还包括数据采集仪，所述数据采集仪与所述传感器的输出端相连接，用于记录所述传感器检测获取的所述实时位移和压应力。