专利名称：隧道施工模拟平面应变模型试验台装置的制作方法
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) —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縮机和减压阀；所述空气压縮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縮机相连接，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。 上述模拟平面应变模型试验台装置，优选所述试验台装置还包括通过数据线相互 连接的无线网络测控通讯装置和计算机，所述无线网络测控通讯装置与所述采集仪相连 接，用于实现所述计算机对现场试验数据的远程查看。
相对于现有技术中，本发明具有如下有益效果 第一、本装置可用于模拟平面应变条件下隧道的开挖及支护，可实现"先加载、后 开洞"的试验方法。 第二、可模拟在不同应力条件下，不同断面形状、开挖方法、支护措施等对围岩和
支护结构受力、变形的影响，且可以同时对3个试验模型进行相似模型试验。 第三、采用气囊加载方式，克服现有试验中加载不能持久、稳定、且无法实现侧向
加载的问题。 第四、采用无线网络技术，可在试验现场外随时遥控、查看、下载和处理试验数据。
图1为本发明隧道施工模拟平面应变模型试验台装置实施例的主视 图2为本发明隧道施工模拟平面应变模型试验台装置实施例的后视图；
图3为本发明隧道施工模拟平面应变模型试验台装置实施例的侧视图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明的实施例作进一步详细的说明。 参照图1，图1为本发明隧道施工模拟平面应变模型试验台装置实施例的简单结 构框图。 试验台装置包括模型台架、加载系统和数据采集系统；其中，模型台架用于提供盛 放试验模型的空间以及为加载系统提供反力；加载系统包括多个加载体，用于同时控制不 同的加载体，实现对试验模型进行至少一套加载体的加载试验；数据采集系统用于在加载 试验过程中，检测试验模型的实时位移和压应力。
下面对这三部分进行逐一的说明。
模型台架 参照图2至图4，分别为本发明隧道施工模拟平面应变模型试验台装置中，模型台 架实施例的主视图、后视图和侧视图。 模型台架是由顶部盖板1、2个侧向固定钢架2、2个侧面钢板3(也被称为第一 侧面钢板和第二侧面钢板)、前侧面钢模板4(也被称为第一侧面钢模板)、后侧面钢模板 5 (第二侧面钢模板)、3块有机玻璃板6、2个有机玻璃板连接件7、2根中间腰带8、基座9 和2个中间横隔板10构成。 前后侧面钢模板(3块有机玻璃板)、左右侧面钢板、顶部盖板及基座四部分共同 组成了模型试验箱，其作用是提供盛放模型的空间和为气囊加载提供反力。
基座9通过高强螺栓与2个侧向固定钢架2相连，这是为了稳定整个试验台架的； 2个侧面钢板3通过高强螺栓与基座9及2个侧向固定钢架2相连，这样构成了试验台架 的侧部；5块后侧面钢模板5通过高强螺栓与2个侧面钢板3相连，这样构成了试验台架的 后部；5块前侧面钢模板4通过高强螺栓与2个侧面钢板3相连，这样构成了试验台架的前 部；顶部盖板1扣在前后侧钢模板之上，并通过高强螺栓与2个侧面钢板3相连。
这里需要说明的是，在添装相似材料之前，5块后侧面钢模板5通过高强螺栓与2 个侧面钢板3相连完毕，随着添装相似材料的过程中，逐次安装5块前侧面钢模板4，这样便 于分层铺装相似材料，并将其夯实到要求程度。当相似材料填满后，稳定一段时间(根据材 料情况调整， 一般情况是24小时)后，卸下前后侧钢模板，待材料充分晾干稳定后，再装上 5块后侧面钢模板5，同时前侧装上3块有机玻璃板6 ;然后将2个有机玻璃板连接件7将3 块有机玻璃板6连接在一起，然后将2根中间腰带8压住有机玻璃板连接件7 ;然后放入加 载气囊，并盖住顶部盖板1。其中，中间横隔板10的作用是将整个试验台架等分成三部分， 可同时进行三组模型试验。
加载系统 上面的描述中已经提到，加载系统包括多个加载体，用于同时控制不同的加载体， 实现对试验模型进行至少一套加载体的加载试验。 具体的说，加载体多个并联的气囊，此时加载系统还应当包括空气压縮机和减压阀；空气压縮机用于提供空气及压力给所述减压阀，减压阀与空气压縮机相连接，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。 采用气囊加载方式，是针对当前常用的加载系统如油压加载、气压加载，以及电动 加载等多具有加载不能持久、稳定的问题，且对隧道地层模型试验，当上部地层变形时无法 实现跟踪均匀加载的问题提出的，其突出的优点是，加载持久、稳定、能够实现侧向加载
并且，由于选用的多个气囊并联的方式，结合上述模型台架的结构即使用方法，可 模拟在不同应力条件下，不同断面形状、开挖方法、支护措施等对围岩和支护结构受力、变 形的影响，且可以同时对3个试验模型进行相似模型试验；可用于模拟平面应变条件下隧 道的开挖及支护，可实现"先加载、后开洞"的试验方法。
数据采集系统 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。 为记录数据的方便，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。 为对现场试验数据的远程查看。所述试验台装置还包括通过数据线相互连接的无
线网络测控通讯装置和计算机，所述无线网络测控通讯装置与所述采集仪相连接。 具体试验时，具体操作方式描述如下 1、试验前准备工作准备实验岩土试件、模型制备工具、各种传感原件等辅助材 料，检查试验仪各部件是否正常。 2、运行加载控制程序试验开始前，运行试验软件，启动试验仪，运行软件后首先 将试验力清零，位移清零，变形清零。 3、相似材料安装当进行3. 40m宽大尺度的模型试验时，将模型基座及侧向钢架 固定完毕后，在添加前后面钢模板的同时，安装两侧加载气囊并添加模型试验相似材料，并 根据试验要求安装相应的位移传感器和应力传感器，待材料添加完毕后，拆除前后面钢模 板，根据试验要养护相似材料；当同时进行3个1. OOm宽小尺度的模型试验时，将模型基座 及侧向钢架固定完毕后，安装两个中间隔板，同样在添加前后面钢模板的同时，安装两侧加 载气囊并添加模型试验相似材料，并根据试验要求安装相应的位移传感器和应力传感器， 待材料添加完毕后，拆除前后面钢模板，根据试验要养护相似材料。 4、有机玻璃板安装利用有机玻璃板连接件7将三块有机玻璃板连成整体，并贴 紧安装在模型相似材料前侧面，同时将后侧钢模板安装到原来位置，然后将顶部三块加载 气囊安装到位，吊装并盖上模型顶盖。 5、精度校验校验时选择要校验的传感器，打开校验界面，将数据清零后开始校 验，当传感器到达校验力时、传感器输出值自动录入校验表，并进入下一校验点，一般校验5 个点，完毕后关闭。 6、参数输入试件准备好了以后输入相似试验模型的规格尺寸等参数，基本参数、
控制参数、校验数据，输入完毕关闭此界面，试验过程中的试验数据自动保存。 7、气囊加载利用空气压縮机为试验气囊加压，并根据试验要求，利用减压阀调节
相应加载气囊内的压力值。
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8、开挖支护试验当进行3. 40m宽大尺度的模型试验时，仅开挖中间一块有机玻
璃板上相应隧道内的试验材料；当同时进行3个1. 00m宽小尺度的模型试验时，根据试验要
求开挖三块块有机玻璃板上相应隧道内的试验材料；两种尺度的试验均根据试验要求施做
支护结构，同时实时监测相似材料及支护结构位移场及应力场变化情况。 9、数据处理试验数据以电子表格方式存储调用，可以以相似材料内应力、应变、
位移和支护结构内力及变形、开挖支护时间中的任意两个参数为座标绘制图形，对试验结
果曲线分析，采用无线网络技术，现场外随时遥控、查看、下载和处理现场试验数据。 以上对本发明所提供的一种隧道施工模拟平面应变模型试验台装置进行了详细
介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明
只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本
发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应
理解为对本发明的限制。
权利要求
一种隧道施工模拟平面应变模型试验台装置，其特征在于，所述装置包括模型台架、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。
2. 根据权利要求1所述的模拟平面应变模型试验台装置，其特征在于， 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縮机和减压阀；所述空气压縮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縮机相连接，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。
3. 根据权利要求2所述的模拟平面应变模型试验台装置，其特征在于，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。
4. 根据权利要求3所述的模拟平面应变模型试验台装置，其特征在于，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。
5. 根据权利要求4所述的模拟平面应变模型试验台装置，其特征在于，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。
6. 根据权利要求5所述的模拟平面应变模型试验台装置，其特征在于，所述有机玻璃 连接件上还连接有腰带。
7. 根据权利要求6所述的模拟平面应变模型试验台装置，其特征在于，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。
8. 根据权利要求7所述的模拟平面应变模型试验台装置，其特征在于，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。
9. 根据权利要求8所述的模拟平面应变模型试验台装置，其特征在于，所述试验台装 置还包括通过数据线相互连接的无线网络测控通讯装置和计算机，所述无线网络测控通讯 装置与所述采集仪相连接，用于实现所述计算机对现场试验数据的远程查看。
全文摘要
本发明公开了一种隧道施工模拟平面应变模型试验台装置，包括包括模型台架、加载系统和数据采集系统；其中，模型台架用于提供盛放试验模型的空间以及为加载系统提供反力；加载系统包括多个加载体，用于同时控制不同的加载体，实现对试验模型进行至少一套加载体的加载试验；数据采集系统用于在加载试验过程中，检测试验模型的实时位移和压应力。基于“先加载、后开洞”试验方法的隧道施工模拟平面应变模型试验台装置，可以同时对3个试验模型进行不同参数和加载条件下的相似模型试验；采用气囊加载方式，克服现有试验中加载不能持久、稳定的问题，且可以灵活调节侧向压力。
文档编号G01M99/00GK101738331SQ20091024405
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者张成平, 张顶立, 房倩, 李兵, 李鹏飞, 陈铁林 申请人:北京交通大学