[发明专利]一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置和方法

权利要求书

1.一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置，其特征在于，其包括：顶板(1)、底板(10)、立柱(12)、柔性密封条(3)、抽气装置(4)、高精度绝对气压计(5)、隧道结构模型(9)、电阻应变片(13)，在隧道结构模型(9)的内、外表面对称环向粘贴电阻应变片(13)，同时将内表面应变片(13)的导线(11)焊接好，外表面应变片的导线直接引出，与内表面应变片的导线分组焊接在应变箱上用于读取数据，顶板(1)上设有接线柱(2)、抽气孔(6)、气压检测孔(7)，抽气孔(6)连接抽气装置(4)，气压检测孔(7)连接高精度绝对气压计(5)，通过抽气装置(4)和高精度绝对气压计(5)的协调工作来控制隧道结构模型(9)内部气压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，顶板(1)、底板(10)、立柱(12)组成整个装置的承载主体，立柱(12)位于隧道结构模型(9)内部与底板(10)粘结固定，将底板(10)、隧道结构模型(9)、顶板(1)依次堆叠起来，底板(10)与隧道结构模型(9)密贴，立柱(12)比隧道结构模型(9)高2～3mm，使得顶板(1)与模型(9)分离，避免隧道结构模型(9)承受由顶板(1)传来的荷载并传递到立柱(12)和底板(10)；顶板(1)、底板(10)与隧道结构模型(9)之间的缝隙用柔性密封条(3)进行封堵，以保证整个装置的气密性，同时可以跟随隧道结构模型(9)一起形变，不因隧道结构模型(9)形变而使气密性受损。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，接线柱(2)在顶板(1)的上、下面对称布置，用来将隧道结构模型(9)内部电阻应变片(13)的导线(11)引出到隧道结构模型(9)外部。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，制作隧道结构模型(9)的几何相似比为1∶20～1∶50，模型纵向长度为20～30cm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，顶板(1)、底板(10)、立柱(12)均采用有机玻璃制作。

6.利用权利要求1-4任一所述的装置进行隧道结构模型试验的加载方法，其特征在于，具体实施步骤包括以下步骤：

A、试验准备：按照选定的几何相似比制作隧道结构模型(9)；根据确定的隧道结构模型(9)的纵向长度制作出立柱(12)，立柱(12)长度应比隧道模型(9)纵向长度长2～3mm，立柱(12)的直径和数量应根据实际隧道模型(9)尺寸而定；根据隧道结构模型(9)的断面尺寸加工顶板(1)和底板(10)，顶板(1)和底板(10)的断面尺寸与隧道结构模型(9)的断面相同；在隧道结构模型(9)的内、外表面对称环向粘贴电阻应变片(13)，同时将内表面应变片(13)的导线(11)焊接好；

B、安装均匀水压模拟加载装置：将立柱(12)对称粘贴在底板(10)上；将隧道结构模型(9)置于底板(10)上，用密封条(3)将底板(10)与隧道结构模型(9)的缝隙进行封堵；将隧道结构模型内部应变片(13)的导线(11)的另一端与顶板(1)下表面上的接线柱(2)焊接好；将顶板(1)置于立柱(12)上，用密封条(3)将顶板(1)与隧道结构模型(9)的缝隙进行封堵，同时把导线(11)焊接在顶板(1)上表面的接线柱(2)上；

C、仪器连接调试：将引出到隧道结构模型(9)外部的导线(11)以及其他测试元器件与计算机相连；用胶管(8)将抽气孔(6)与抽气装置(4)连接；将气压检测孔(7)通过胶管与高精度绝对气压计(5)连接；预先测试出当地的大气压力P₍₀₎，用抽气装置(4)抽出适当的气体，观察高精度绝对气压计(5)的数据变化来检测整个装置的气密性，直到气压计显示的数据保持稳定不变，拔掉抽气装置(4)使隧道结构模型(9)内部恢复到当地的大气压力P₀；

D、测试：根据确定的几何相似比和目标水压力值，计算出模型试验所需加载的水压力值ΔP，利用抽气装置(4)和高精度绝对气压计(5)将隧道结构模型(9)内部的气压P调整为P₀-ΔP；用计算机采集电阻应变片(13)的数据，按照常规方法进行数据处理。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，内表面应变片、外表面应变片分别用于测量内外表面应变ε_内、ε_外，在平截面假设条件下，可以求出该截面的轴力N和弯矩M，公式如下：

式(1)、(2)中b为单位长度，取1m；h为衬砌厚度，按模型取值；E为衬砌的弹性模量。