专利名称：边坡隧道耦合模拟试验系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及到边坡隧道的模拟测试系统及其测试技术，特别涉及到一种边坡隧道耦合模拟实验系统及其使用方法。
背景技术：
在建筑、交通、水利等工程建设中，工程技术人员面临着大量的隧道建设和边坡治理工作。要科学合理地搞好这些建设或治理工程项目的设计和施工，必须对隧道和边坡的物理力学性能以及在荷载作用下反应有一个清晰直观的把握，以便验证设计理论、指导工程实践。目前，在室内条件下，按照相似原理对隧道和边坡在荷载及降雨作用下物理力学性能进行研究和测试的装置很少，普遍存在集约化程度较低，自动控制程度较低等问题。并且，这类实验装置通常将将边坡测试系统和隧道的测试系统分别进行设计，不能对边坡和隧道的耦合作用进行测试。所谓边坡和隧道的耦合作用是指在边坡下建设的隧道所面临的滑坡和垮塌的双重风险。
发明内容
为克服现有技术边坡测试系统和隧道测试系统存在的集约化程度较低、自动控制程度较低，以及不能对边坡和隧道的耦合作用进行测试等问题，本发明提出一种边坡隧道耦合模拟实验系统及其使用方法。本发明边坡隧道耦合模拟实验系统将隧道测试和边坡测试合为一体，即可分别进行边坡测试和隧道测试，又可进行边坡和隧道的耦合作用进行测
试ο本发明边坡隧道耦合模拟实验系统包括边坡隧道耦合模具、加载系统、喷淋系统、测量系统和控制系统，其中
边坡隧道耦合模具包括一个矩形边框和一个直角三角形边框，所述矩形边框为三个竖直面设置有挡板的长方体，所述直角三角形边框为二个直角三角形面设置有挡板的三菱柱体，其中，未设置有挡板的矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成重叠面；并且，在重叠面处设置有大小和形状与重叠面相同的活动挡板；
加载系统设置在矩形边框的上部，包括加载平板和液压加载装置，其加载速度和载荷大小由控制系统控制，加载方式为自上而下，加载平板的大小和形状与矩形边框的俯视面相同；
喷淋系统设置在矩形边框和直角三角形边框上部，包括喷头、供水管道、储水池和水泵，喷头均勻的分布在矩形边框和直角三角形边框的上部，其喷头的喷水量、喷水速度、喷水时间和喷水面积由控制系统控制；
测量系统包括设置在加载平板底部、隧道顶部、隧道表面和边坡滑移面以及其他观测面的传感器和导线；
控制系统包括加载控制子系统、喷淋控制子系统和数据采集分析子系统，其中，加载控制子系统用于控制加载平板的加载速度和载荷大小；喷淋控制子系统用于控制喷淋系统的喷水量、喷水速度、喷水时间和喷水面积；数据采集分析子系统用于接收传感器传来的数据并进行分析。进一步的，本发明边坡隧道模拟实验系统的传感器包括应力传感器和位移传感
ο本发明边坡隧道模拟实验系统的使用方法根据实验内容的不同分别包括以下步骤
⑴进行隧道测试
①根据实验要求，将活动挡板安装在矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成的重叠面处，并将矩形边框模具隧洞两端的挡板拆除；
②将符合试验要求的岩土体填埋到隧道底部时将隧道衬砌模型置入隧道孔洞位置，然后继续填埋至衬砌顶部，此时在隧道衬砌内部上表面装和隧道孔洞上部安装相应的传感器，再继续填埋至模具矩形边框顶部预定高度处，并在该处安装相应的传感器；传感器安装的数量和位置根据试验要求确定；如果模拟毛洞试验则在岩土体填埋到隧道底部时安装入隧道模具，在隧道孔洞填埋成形后拆掉模具，并且，在填埋过程中按照上述要求安装传感器；所述符合要求的岩土体包括岩土类型、密实度、含水率、液塑限技术指标；所述传感器包括应力传感器和位移传感器；
③将传感器接入测量系统，调试完毕后按照预定加载方案通过加载系统在顶部施加均布荷载，加载过程中系统自动保存试验数据；
④实验完毕，由控制系统对测试数据进行分析和处理，得到试验结果。(2)进行边坡测试
①根据实验要求，抽去矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成的重叠面处的活动挡板；
②根据实验要求确定边坡倾斜角度，将坡顶设置在矩形边框与三角形边框的交界处，将符合试验要求的岩土体填埋到模具中，并在加载平板下部和边坡表面安装传感器；所述符合要求的岩土体包括岩土类型、密实度、含水率、液塑限技术指标；所述传感器包括应力传感器和位移传感器；
③将传感器接入测量系统，调试完毕后按照预定加载方案在顶部施加均布荷载，按照降雨要求进行模拟降雨，试验过程中系统自动保存试验数据；
④实验完毕，由控制系统对测试数据进行分析和处理，得到试验结果。⑶进行隧道边坡偶合测试
①根据实验要求，抽去矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成的重叠面处的活动挡板；
②将符合试验要求的岩土体填埋到隧道底部时将隧道衬砌模型置入隧道孔洞位置，然后继续填埋至衬砌顶部，此时在隧道衬砌内部上表面装和隧道孔洞上部安装相应的传感器，再继续填埋至模具矩形边框顶部预定高度处，并在该处安装相应的传感器；如果模拟毛洞试验则在岩土体填埋到隧道底部时安装入隧道模具，在隧道孔洞填埋成形后拆掉模具，并且，在填埋过程中按照上述要求安装传感器；根据实验要求确定边坡倾斜角度，将坡顶设置在矩形边框与三角形边框的交界处，将符合试验要求的岩土体填埋到模具中，并在边坡表面安装传感器；传感器安装的数量和位置根据试验要求确定；所述符合要求的岩土体包括岩土类型、密实度、含水率、液塑限技术指标；所述传感器包括应力传感器和位移传感器；
③将传感器接入测量系统，调试完毕后按照预定加载方案在顶部施加均布荷载，按照降雨要求进行模拟降雨，试验过程中系统自动保存试验数据；
④实验完毕，由控制系统对测试数据进行分析和处理，得到试验结果。本发明边坡隧道模拟实验系统及其使用方法的有益技术效果是隧道测试和边坡测试合二为一，自动控制加载速度和载荷大小，自动控制喷淋强度、面积和时间，自动记录测试数据并进行分析，使得科技人员能够对隧道和边坡的物理力学性能以及在荷载作用下反应有一个清晰直观的把握和理解，对验证设计理论、指导工程实践都有着重要的意义。
附图1为本发明边坡隧道模拟实验系统边坡隧道耦合模具的三维示意图；附图2为本发明边坡隧道模拟实验系统的正视示意附图3为本发明边坡隧道模拟实验系统隧道测试的正视示意图；附图4为本发明边坡隧道模拟实验系统边坡测试的正视示意图；附图5为本发明边坡隧道模拟实验系统边坡和隧道的耦合作用测试的正视示意图。下面结合附图及具体实施步骤对本发明边坡隧道模拟实验系统及其使用方法做进一步说明。
具体实施例方式附图1为本发明边坡隧道模拟实验系统边坡隧道耦合模具的三维示意图，附图2为本发明边坡隧道模拟实验系统的正视示意图；图中，1为矩形边框，2为直角三角形边框，3为活动挡板，4为加载装置，5为喷淋系统，6为隧道模型。由图可知，本发明边坡隧道耦合模拟实验系统包括边坡隧道耦合模具、加载系统4、喷淋系统5、测量系统和控制系统，其中
边坡隧道耦合模具包括一个矩形边框1和一个直角三角形边框2，所述矩形边框1为三个竖直面设置有挡板的长方体，所述直角三角形边框2为二个直角三角形面设置有挡板的三菱柱体，其中，未设置有挡板的矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成重叠面；并且，在重叠面处设置有大小和形状与重叠面相同的活动挡板3 ；
加载系统4设置在矩形边框的上部，包括加载平板和液压加载装置，其加载速度和载荷大小由控制系统控制，加载方式为自上而下，加载平板的大小和形状与矩形边框的俯视面相同；
喷淋系统5设置在矩形边框和直角三角形边框上部，包括喷头、供水管道、储水池和水泵，喷头均勻的分布在矩形边框和直角三角形边框的上部，其喷头的喷水量、喷水速度、喷水时间和喷水面积由控制系统控制；
测量系统包括设置在加载平板底部、隧道顶部、隧道表面和边坡滑移面以及其他观测面的传感器和导线；
控制系统包括加载控制子系统、喷淋控制子系统和数据采集分析子系统，其中，加载控制子系统用于控制加载平板的加载速度和载荷大小；喷淋控制子系统用于控制喷淋系统的喷水量、喷水速度、喷水时间和喷水面积；数据采集分析子系统用于接收传感器传来的数据并进行分析。显然，根据实验要求的不同，本发明边坡隧道模拟实验系统的传感器包括应力传感器和位移传感器，对边坡隧道在受力或雨淋的情况下的应力和位移进行测试。附图3为本发明边坡隧道模拟实验系统隧道测试的正视示意图，图中，1为矩形边框，6为隧道模型，7为设置在加载平板下部的传感器，9为设置在隧道上部的传感器，10为设置在隧道上表面的传感器。由图可知，本发明边坡隧道模拟实验系统使用方法对隧道进行测试包括以下步骤
(1)根据实验要求，将活动挡板安装在矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成的重叠面处，并将矩形边框模具隧洞两端的挡板拆除；
⑵将符合试验要求的岩土体填埋到隧道底部时将隧道衬砌模型置入隧道孔洞位置，然后继续填埋至衬砌顶部，此时在隧道衬砌内部上表面装和隧道孔洞上部安装相应的传感器，再继续填埋至模具矩形边框顶部预定高度处，并在该处安装相应的传感器；传感器安装的数量和位置根据试验要求确定；如果模拟毛洞试验则在岩土体填埋到隧道底部时安装入隧道模具，在隧道孔洞填埋成形后拆掉模具，并且，在填埋过程中按照上述要求安装传感器；所述符合要求的岩土体包括岩土类型、密实度、含水率、液塑限技术指标；所述传感器包括应力传感器和位移传感器；
(3)将传感器接入测量系统，调试完毕后按照预定加载方案通过加载系统在顶部施加均布荷载，加载过程中系统自动保存试验数据；
⑷实验完毕，由控制系统对测试数据进行分析和处理，得到试验结果。附图4为本发明边坡隧道模拟实验系统边坡测试的示意图，图中，5为喷淋系统，7为设置在加载平板下部的传感器，8为设置在边坡表面的传感器。由图可知，本发明边坡隧道模拟实验系统使用方法对边坡进行测试包括以下步骤
(1)根据实验要求，抽去矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成的重叠面处的活动挡板；
⑵根据实验要求确定边坡倾斜角度，将坡顶设置在矩形边框与三角形边框的交界处，将符合试验要求的岩土体填埋到模具中，并在加载平板下部和边坡表面安装传感器；所述符合要求的岩土体包括岩土类型、密实度、含水率、液塑限技术指标；所述传感器包括应力传感器和位移传感器；
(3)将传感器接入测量系统，调试完毕后按照预定加载方案在顶部施加均布荷载，按照降雨要求进行模拟降雨，试验过程中系统自动保存试验数据；
⑷实验完毕，由控制系统对测试数据进行分析和处理，得到试验结果。附图5为本发明边坡隧道模拟实验系统边坡和隧道的耦合作用测试的示意图，1为矩形边框，2为直角三角形边框，3为活动挡板，5为喷淋系统，6为隧道模型，7为设置在加载平板下部的传感器，8为设置在边坡表面的传感器，9为设置在隧道上部的传感器，10为设置在隧道上表面的传感器。由图可知，本发明边坡隧道模拟实验系统使用方法对边坡
7隧道耦合进行测试包括以下步骤
(1)根据实验要求，抽去矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成的重叠面处的活动挡板；
⑵将符合试验要求的岩土体填埋到隧道底部时将隧道衬砌模型置入隧道孔洞位置，然后继续填埋至衬砌顶部，此时在隧道衬砌内部上表面装和隧道孔洞上部安装相应的传感器，再继续填埋至模具矩形边框顶部预定高度处，并在该处安装相应的传感器；如果模拟毛洞试验则在岩土体填埋到隧道底部时安装入隧道模具，在隧道孔洞填埋成形后拆掉模具，并且，在填埋过程中按照上述要求安装传感器；根据实验要求确定边坡倾斜角度，将坡顶设置在矩形边框与三角形边框的交界处，将符合试验要求的岩土体填埋到模具中，并在边坡表面安装传感器；传感器安装的数量和位置根据试验要求确定；所述符合要求的岩土体包括岩土类型、密实度、含水率、液塑限技术指标；所述传感器包括应力传感器和应变传感器所述传感器包括应力传感器和位移传感器；
(3)将传感器接入测量系统，调试完毕后按照预定加载方案在顶部施加均布荷载，按照降雨要求进行模拟降雨，试验过程中系统自动保存试验数据；
⑷实验完毕，由控制系统对测试数据进行分析和处理，得到试验结果。
本发明边坡隧道模拟实验系统及其使用方法的有益技术效果是隧道测试和边坡测试合二为一，自动控制加载速度和载荷大小，自动控制喷淋强度、面积和时间，自动记录测试数据并进行分析，使得科技人员能够对隧道和边坡的物理力学性能以及在荷载作用下反应有一个清晰直观的把握和理解，对验证设计理论、指导工程实践都有着重要的意义。
权利要求
1.一种边坡隧道耦合模拟实验系统，其特征在于，该模拟实验系统包括边坡隧道耦合模具、加载系统、喷淋系统、测量系统和控制系统，其中边坡隧道耦合模具包括一个矩形边框和一个直角三角形边框，所述矩形边框为三个竖直面设置有挡板的长方体，所述直角三角形边框为二个直角三角形面设置有挡板的三菱柱体，其中，未设置有挡板的矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成重叠面；并且，在重叠面处设置有大小和形状与重叠面相同的活动挡板；加载系统设置在矩形边框的上部，包括加载平板和液压加载装置，其加载速度和载荷大小由控制系统控制，加载方式为自上而下，加载平板的大小和形状与矩形边框的俯视面相同；喷淋系统设置在矩形边框和直角三角形边框上部，包括喷头、供水管道、储水池和水泵，喷头均勻的分布在矩形边框和直角三角形边框的上部，其喷头的喷水量、喷水速度、喷水时间和喷水面积由控制系统控制；测量系统包括设置在加载平板底部、隧道顶部、隧道表面和边坡滑移面以及其他观测面的传感器和导线；控制系统包括加载控制子系统、喷淋控制子系统和数据采集分析子系统，其中，加载控制子系统用于控制加载平板的加载速度和载荷大小；喷淋控制子系统用于控制喷淋系统的喷水量、喷水速度、喷水时间和喷水面积；数据采集分析子系统用于接收传感器传来的数据并进行分析。
2.根据权利要求1所述边坡隧道模拟实验系统，其特征在于，传感器包括应力传感器和位移传感器。
3.一种边坡隧道模拟实验系统的使用方法，其特征在于，根据实验内容的不同分别包括以下步骤⑴进行隧道测试①根据实验要求，将活动挡板安装在矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成的重叠面处，并将矩形边框模具隧洞两端的挡板拆除；②将符合试验要求的岩土体填埋到隧道底部时将隧道衬砌模型置入隧道孔洞位置，然后继续填埋至衬砌顶部，此时在隧道衬砌内部上表面装和隧道孔洞上部安装相应的传感器，再继续填埋至模具矩形边框顶部预定高度处，并在该处安装相应的传感器；传感器安装的数量和位置根据试验要求确定；如果模拟毛洞试验则在岩土体填埋到隧道底部时安装入隧道模具，在隧道孔洞填埋成形后拆掉模具，并且，在填埋过程中按照上述要求安装传感器；所述符合要求的岩土体包括岩土类型、密实度、含水率、液塑限技术指标；所述传感器包括应力传感器和位移传感器；③将传感器接入测量系统，调试完毕后按照预定加载方案通过加载系统在顶部施加均布荷载，加载过程中系统自动保存试验数据；④实验完毕，由控制系统对测试数据进行分析和处理，得到试验结果。⑵进行边坡测试①根据实验要求，抽去矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成的重叠面处的活动挡板；②根据实验要求确定边坡倾斜角度，将坡顶设置在矩形边框与三角形边框的交界处，将符合试验要求的岩土体填埋到模具中，并在加载平板下部和边坡表面安装传感器；所述符合要求的岩土体包括岩土类型、密实度、含水率、液塑限技术指标；所述传感器包括应力传感器和位移传感器；③将传感器接入测量系统，调试完毕后按照预定加载方案在顶部施加均布荷载，按照降雨要求进行模拟降雨，试验过程中系统自动保存试验数据；④实验完毕，由控制系统对测试数据进行分析和处理，得到试验结果。⑶进行隧道边坡偶合测试①根据实验要求，抽去矩形边框竖直面与直角三角形边框的一个直角边面形成的重叠面处的活动挡板；②将符合试验要求的岩土体填埋到隧道底部时将隧道衬砌模型置入隧道孔洞位置，然后继续填埋至衬砌顶部，此时在隧道衬砌内部上表面装和隧道孔洞上部安装相应的传感器，再继续填埋至模具矩形边框顶部预定高度处，并在该处安装相应的传感器；如果模拟毛洞试验则在岩土体填埋到隧道底部时安装入隧道模具，在隧道孔洞填埋成形后拆掉模具，并且，在填埋过程中按照上述要求安装传感器；根据实验要求确定边坡倾斜角度，将坡顶设置在矩形边框与三角形边框的交界处，将符合试验要求的岩土体填埋到模具中，并在边坡表面安装传感器；传感器安装的数量和位置根据试验要求确定；所述符合要求的岩土体包括岩土类型、密实度、含水率、液塑限技术指标；所述传感器包括应力传感器和位移传感器；③将传感器接入测量系统，调试完毕后按照预定加载方案在顶部施加均布荷载，按照降雨要求进行模拟降雨，试验过程中系统自动保存试验数据；④实验完毕，由控制系统对测试数据进行分析和处理，得到试验结果。
全文摘要
本发明公开了一种边坡隧道耦合模拟试验系统，包括边坡隧道耦合模具、加载系统、喷淋系统、测量系统和控制系统，本发明边坡隧道模拟试验系统及其使用方法的有益技术效果是隧道测试和边坡测试合二为一，自动控制加载速度和载荷大小，自动控制喷淋强度、面积和时间，自动记录测试数据并进行分析，使得科技人员能够对隧道和边坡的物理力学性能以及在荷载作用下反应有一个清晰直观的把握和理解，对验证设计理论、指导工程实践都有着重要的意义。
文档编号G01M99/00GK102393312SQ20111024288
公开日2012年3月28日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者刘元雪, 孙树国, 左宁克, 张裕, 王和文, 麻勇 申请人:刘元雪