分步可控卸载试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及模拟地下工程开挖计算领域，具体地说是一种分步可控卸载试验装置。
【背景技术】
[0002]由于岩土体本身的复杂性，使得模型试验在岩土力学与工程的研宄中应用得比较普遍，尤其是针对隧道开挖、基坑开挖等地下工程的模拟。通过对隧道施工过程的模拟和对试验数据的分析，可以为隧道的设计与施工提供借鉴和参考，同时也为保障隧道结构高效、安全运行提供有效的研宄手段和途径。岩土材料力学效应与应力路径有关，不同的施工方法对应不同的应力路径，进而对周围环境产生不同的影响。采用卸载式的分步开挖模型试验方法，与实际施工的应力路径相同，能最大化地还原实际的隧道开挖过程。
[0003]从总体上看，国内外隧道工程模型试验设备的种类和样式是比较多的。例如:从模型放置方式看，分为卧式、立式两类；从模型加载方式看，主要是采用千斤顶加载，少数用液囊或是气囊加载；从反力的提供方式看，有金属框架式和基坑式；从模型受力维数看，大部分都是二维的；从控制模型的平面应变条件看，严格达到的不多，大多采用准平面应变条件；从模型内所产生应变场均匀程度和均匀范围看，一般都比较小。对于卸载式分步开挖的隧道工程模型实验设备还很稀少，然而，随着岩土体中隧道工程的规模及难度越来越大，出现的工程问题更加复杂，需要研宄的内容也越来越多，对隧道及地下工程建设的模型试验设计和计算精度的要求越来越高。因此，现有试验设备在功能、开挖方式、弹塑性材料的应力路径、模型内所形成的应变场范围和均匀程度等方面已不能很好地满足工程实践的需要，因此，迫切需要研制一种能够实现卸载开挖、分步进行、隧道模型可根据实际工程预设计、精确可控的试验设备，以满足隧道及地下工程研宄的需要。
[0004]鉴于利用试验来模拟隧道开挖过程的必要性，目前，许多学者采用不同的方法来实现这一目的，例如，王明年(1995)在专门制作的试验坑内以卧式方式对试体进行加载，但其采取的是“先挖洞，后加载”的方式模拟隧道开挖，与实际工程有所区别；周小文(1999)利用充气囊带的卸压来模拟隧道的开挖，但是该种方法较为适合标准圆形断面的隧道，而对于一般的大跨度扁平断面的公路、铁路隧道的模拟则不尽如人意；黄伦海(2004)采用内置千斤顶模拟隧道内部的岩体力学响应，但是该方法在进行小比例试验时存在一定的难度。丁文奇(2009)采用隧道模块子片精确模拟全断面开挖过程，实现“先加载，后挖洞”的开挖方式，但此种方法无法模拟台阶法等分步开挖的施工方法。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术中存在的上述或其它技术问题，本发明提供一种分步可控的卸载开挖试验装置及方法，根据应力释放率、溶液流速和隧道内摄像来判断开挖步骤的进程，同过电磁阀的调节控制开挖速度，从而最大化的还原隧道施工过程。
[0006]本发明具体采用下述技术方案来实现。
[0007]一种分步可控卸载开挖装置，包括溶剂注入系统、模型试验箱和废料回收系统。所述模型试验箱中设置有隧道模型装置，隧道模型装置中设置铜箔外圈、隧道模型、进出液体导管和传感器，传感器与设置于隧道模型外的动态信号分析仪相连。隧道可在不同的初始地应力下，通过预先设计的步骤实现可控的卸载开挖过程。
[0008]模型试验箱装置包括输液管和排液管，所述输液管与溶剂注入系统相连接，排液管与废料回收系统相连接，输液管和排液管通过模型试验箱外围钢板预制的孔洞进行安置。
[0009]隧道模型装置包括乳胶薄膜、隧道衬砌、隧道内填充物、输液管和排液管。隧道衬砌外包裹一层乳胶薄膜，内侧放置填充物，填充物中预制排液管和输液管，所述隧道衬砌由铜箔等材料制作而成，隧道内填充物由聚苯乙烯泡沫等材料预制，排液管和输液管由橡胶等材料制作而成。隧道模型装置通过模型试验箱外围钢板预制的孔洞进行安置。
[0010]所述隧道内填充物，根据实验模拟开挖步骤的设计，预制成多种断面类型的隧道形状，如马蹄形断面隧道、圆形断面隧道等，在填充物内部预置排液管和输液管。
[0011]本发明操作简单，只需预先制备好隧道模型和溶解溶剂即可进行试验模拟，在模拟单个隧道的开挖过程中，首先将模型隧道装入模型实验箱内，注满砂土，打开输入导管和输出导管的电磁阀，使溶液通过导管进入模型隧道内，使得最外围的一圈先溶解，通过隧道内置摄像头和隧道周围预置的应变计判断隧道内溶解完成。记录相关数据并进行后处理。
[0012]模拟分步开挖隧道，首先将模型隧道装入模型实验箱内，注满砂土，打开嵌入上台阶土体的导管的电磁阀，使导管内的溶液进入模型隧道内，其次依次打开嵌入下台阶土体中的导管的电磁阀，模拟上下台阶法的开挖过程，并通过隧道内置摄像头和隧道周围预置的应变计判断隧道内溶解完成，记录相关数据并进行后处理。
[0013]本实验装置为了最终得到各分步阶段的应力应变关系，设置的传感器包括应力传感器和应变传感器。溶剂注入系统包括电磁阀和溶解剂储存箱。电磁阀可以精确控制液体的流速，以此来控制隧道开挖的速度。
[0014]根据本发明的预先设计的隧道形状和溶剂配比，通过预先布置好的传感器，可以计算围岩应力释放率，并根据电磁阀的控制，精确可控地调节开挖速度，并依据流速和隧道内影像来判断开挖进程。本发明一方面可补充弹塑性材料应力路径的还原；另一方面实现了可控的分步开挖过程，最大化地还原了隧道工程实际的开挖过程。
[0015]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0016]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是本发明各系统的连接及结构示意图；
[0018]图2是本发明中模型试验箱中的隧道模型横断面示意图；
[0019]图3是本发明中模型试验箱中的隧道模型纵断面示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0021]本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0022]本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0023]为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。