马蹄形隧道模型试验水压加载装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种马蹄形隧道模型试验水压加载装置及其方法，该装置包括台架、马蹄形隧道模型、转向立柱、钢绞线张拉装置及四组钢绞线；对所述马蹄形隧道模型采用钢绞线对拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别进行加载，所述钢绞线环箍拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的相应圆弧段后相切于其与相邻两圆弧的分界点后引出，保证在该圆弧段产生均布径向接触压力，而对其他圆弧段无施加力；采用钢绞线环箍加载可以确保力与模型的紧密贴合，且对模型试验的其他项目不会产生影响；钢绞线的张拉装置位于模型纵向外侧，既有利于控制力的大小，又不会加载效果产生扰动；每根钢绞线都独立张拉，张拉应力采用振弦测试仪及时反映，做到模拟加载准确灵活。

【技术实现步骤摘要】
马蹄形隧道模型试验水压加载装置及其方法
本专利技术涉及富水隧道模型试验
，尤其涉及的是一种马蹄形隧道模型试验水压加载装置及其方法。
技术介绍
模型试验在隧道工程研究领域成为不可或缺的重要手段，在满足一定相似原理的前提下，模型试验相对于现场测试及数学模型可以更为便捷、全面、直观、准确地反映出围岩对隧道支护体系相互作用下的力学特征，对探究地下工程机理，以及工程实际起到指导作用。在富水区域修筑隧道，高水压作用下，结构要承受径向水压力，由拱顶到仰拱线性增大的非均匀分布。考虑到高水头，水头高度远远大于隧道高度，隧道不同位置承受的非均匀水压差别就很小，可以简化为拱顶、拱腰、拱脚和仰拱四部分均布荷载作用。在实际工程中水的径向压力对隧道支护结构有着较为显著的影响，具体表现在在围岩等级、开挖支护条件相同时，富水隧道开挖断面的沉降和收敛值大于一般隧道；围岩与初支应力大于一般断面；支护结构内力大于一般断面。同时水的径向作用明显区别于围岩对支护结构的水平与垂直作用，在模型试验中，现有的隧道土压加载设备基本无添加径向荷载，为准确模拟水压力的作用效果，必须使用单独的装置。现代隧道断面一般设计为马蹄形，以《高速公路隧道设计规范》要求结合工程实际，多采用四心圆马蹄形，即拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别采用不同的圆心和半径连接而成。针对马蹄形断面采用现有的水压模拟装置，使用整体钢绞线环箍加载方式，由于径向力q与钢绞线紧固力F和圆弧半径R有关，且q＝FR，F相等，R不同，导致每个圆弧所施加的径向力不同，而且差异显著，不能模拟出水的均布围压作用。
技术实现思路
本专利技术为富水马蹄形断面隧道模型试验提供了一种水压加载装置，能够较为准确地模拟出水压对结构的非均布径向(围压)作用。本专利技术实现其目的采用的技术方案是：一种马蹄形隧道模型试验水压加载装置，包括台架(19)、马蹄形隧道模型(21)、第一到第十四转向立柱(1-14)、第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)及四组钢绞线；采用环箍法，通过钢绞线对马蹄形隧道模型(21)进行张拉紧箍，马蹄形隧道模型(21)的拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别通过其中一组钢绞线进行环箍，对所述马蹄形隧道模型(21)采用钢绞线对拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别进行加载，所述钢绞线环箍拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的相应圆弧段后相切于其与相邻两圆弧的分界点后引出，保证在该圆弧段产生均布径向接触压力，而对其他圆弧段无施加力，钢绞线通过第一到第十四转向立柱(1-14)引导至位于模型中轴线的第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)处，由第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)对不同的钢绞线进行拉力的调节、施加或卸除。所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，所述马蹄形隧道模型(21)按照几何相似比1∶30制备，模型材料按照容重相似比1∶1制备，纵向长30cm。所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，所述的钢绞线每组有6根，拱顶、拱腰、拱脚、拱底分别通过沿隧道模型竖向布置的该6根相互平行的钢绞线进行环箍，各钢绞线之间间距为5cm，隧道模型顶部和底部的钢绞线距离顶部和底部2.5cm。所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，所述台架(19)为长80cm，宽65cm，高2cm的钢板，作为固定第一到第十四转向立柱(1-14)、第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)以及马蹄形隧道模型(21)的载体，沿马蹄形隧道模型(21)的中线，在台架上布置有滑槽(20)，第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)可沿着滑槽(20)移动和固定，以适应不同大小的隧道模型。所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，所述的第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)对钢绞线的两端同时进行加载。所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，所述马蹄形隧道模型(21)的拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的环箍结构具体如下：拱顶环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)、第十一转向立柱(11)、第十二转向立柱(12)和第十五钢绞线张拉装置(15)进行转向和张拉；第七转向立柱(7)和第八转向立柱(8)对称设置在拱腰底部的外侧，第十一转向立柱(11)和第十二转向立柱(12)设置在仰拱的底部外侧且以隧道模型中轴线为轴对称，第十五钢绞线张拉装置(15)设置在隧道模型中轴线上仰拱的下部外侧，第十五钢绞线张拉装置(15)可以对该(6)根钢绞线分别进行不同力度的张拉，通过转向立柱和钢绞线张拉装置的作用，每根钢绞线都紧贴拱顶所在圆弧段，并相切于拱顶和拱腰所在的圆弧的分界点，从该两圆弧分界点引出钢绞线，通过第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)、第十一转向立柱(11)、第十二转向立柱(12)连接到第十五钢绞线张拉装置(15)；拱腰的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第九转向立柱(9)、第十转向立柱(10)、第十四转向立柱(14)和第十六钢绞线张拉装置(16)进行转向和张拉；第十四转向立柱(14)设置在隧道模型中轴线上的拱顶上部，第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)以隧道模型中轴线为轴对称分布在第十四转向立柱(14)的两侧，第九转向立柱(9)、第十转向立柱(10)以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱脚的下部外侧；第十六钢绞线张拉装置(16)设置在隧道模型中轴线上仰拱的下部以及第十五钢绞线张拉装置(15)的外侧，第十六钢绞线张拉装置(16)可以对该(6)根钢绞线分别进行不同力度的张拉，通过转向立柱和钢绞线张拉装置的作用，每根钢绞线都紧贴拱腰所在圆弧段，并相切于拱顶和拱腰、拱腰和拱脚所在的圆弧的分界点，从该四个圆弧分界点引出钢绞线，通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第九转向立柱(9)、第十转向立柱(10)、第十四转向立柱(14)连接到第十六钢绞线张拉装置(16)；拱脚的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第五转向立柱(5)、第六转向立柱(6)、第十三转向立柱(13)和第十七钢绞线张拉装置(17)进行转向和张拉；第五转向立柱(5)、第六转向立柱(6)以隧道模型中轴线为轴对称分布在两个拱腰的外侧，第十三转向立柱(13)设置在隧道模型中轴线上且位于仰拱的下部外侧；第十七钢绞线张拉装置(17)设置在隧道模型中轴线上、拱顶的上部，且位于第十四转向装置(14)的的内侧，第十七钢绞线张拉装置(17)可以对该(6)根钢绞线分别进行不同力度的张拉，通过转向立柱和张拉装置的作用，每根钢绞线都紧贴拱脚所在圆弧段，并相切于拱脚和拱腰、拱仰拱和拱脚所在的圆弧的分界点，从该四个圆弧分界点引出钢绞线，通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第五转向立柱(5)、第六转向立柱(6)、第十三转向立柱(13)连接到钢绞线张拉装置(17)；仰拱的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第一转向立柱(1)、第二转向立柱(2)、第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)和第十八钢绞线张拉装置(18)进行转向和张拉；第一转向立柱(1)、第二转向立柱(2)以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱顶的上部，第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)以隧道模型中轴线为轴对称分布在拱脚的两侧；第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种马蹄形隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，包括台架(19)、马蹄形隧道模型(21)、第一到第十四转向立柱(1‑14)、第十五到第十八钢绞线张拉装置(15‑18)及四组钢绞线；采用环箍法，通过钢绞线对马蹄形隧道模型(21)进行张拉紧箍，马蹄形隧道模型(21)的拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别通过其中一组钢绞线进行环箍，对所述马蹄形隧道模型(21)采用钢绞线对拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别进行加载，所述钢绞线环箍拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的相应圆弧段后相切于其与相邻两圆弧的分界点后引出，保证在该圆弧段产生均布径向接触压力，而对其他圆弧段无施加力，钢绞线通过第一到第十四转向立柱(1‑14)引导至位于模型中轴线的第十五到第十八钢绞线张拉装置(15‑18)处，由第十五到第十八钢绞线张拉装置(15‑18)对不同的钢绞线进行拉力的调节、施加或卸除。

【技术特征摘要】
1.一种马蹄形隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，包括台架(19)、马蹄形隧道模型(21)、第一到第十四转向立柱(1-14)、第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)及四组钢绞线；采用环箍法，通过钢绞线对马蹄形隧道模型(21)进行张拉紧箍，马蹄形隧道模型(21)的拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别通过其中一组钢绞线进行环箍，对所述马蹄形隧道模型(21)采用钢绞线对拱顶、拱腰、拱脚和仰拱分别进行加载，所述钢绞线环箍拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的相应圆弧段后相切于其与相邻两圆弧的分界点后引出，保证在该圆弧段产生均布径向接触压力，而对其他圆弧段无施加力，钢绞线通过第一到第十四转向立柱(1-14)引导至位于模型中轴线的第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)处，由第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)对不同的钢绞线进行拉力的调节、施加或卸除；所述钢绞线张拉装置包括转向钮(21)、齿轮轴(22)、丝杠(23)、齿轮(24)、张拉装置主体(25)，张拉装置主体(25)竖直固定在台架上的滑槽中，张拉装置主体(25)上固定有转向钮(21)，钢绞线绕过转向钮(21)变换方向后连接到齿轮(24)的齿轮轴(22)上，齿轮(24)在丝杠(23)的作用下旋转，向钢绞线加力，钢绞线的张力由外置的振弦测试仪进行，将振弦传感器固定于张拉装置主体(25)上，通过丝杠(23)对钢绞线张拉加力，通过振弦测试仪反馈的数据实时调整张力的大小。2.根据权利要求1所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述马蹄形隧道模型(21)按照几何相似比1∶30制备，模型材料按照容重相似比1∶1制备，纵向长30cm。3.根据权利要求1所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述的钢绞线每组有6根，拱顶、拱腰、拱脚、拱底分别通过沿隧道模型竖向布置的该6根相互平行的钢绞线进行环箍，各钢绞线之间间距为5cm，隧道模型顶部和底部的钢绞线距离顶部和底部2.5cm。4.根据权利要求1所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述台架(19)为长80cm，宽65cm，高2cm的钢板，作为固定第一到第十四转向立柱(1-14)、第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)以及马蹄形隧道模型(21)的载体，沿马蹄形隧道模型(21)的中线，在台架上布置有滑槽(20)，第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)可沿着滑槽(20)移动和固定，以适应不同大小的隧道模型。5.根据权利要求1所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述的第十五到第十八钢绞线张拉装置(15-18)对钢绞线的两端同时进行加载。6.根据权利要求1所述的马蹄形隧道模型试验水压加载装置，其特征在于，所述马蹄形隧道模型(21)的拱顶、拱腰、拱脚和仰拱的环箍结构具体如下：拱顶环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)、第十一转向立柱(11)、第十二转向立柱(12)和第十五钢绞线张拉装置(15)进行转向和张拉；第七转向立柱(7)和第八转向立柱(8)对称设置在拱腰底部的外侧，第十一转向立柱(11)和第十二转向立柱(12)设置在仰拱的底部外侧且以隧道模型中轴线为轴对称，第十五钢绞线张拉装置(15)设置在隧道模型中轴线上仰拱的下部外侧，第十五钢绞线张拉装置(15)可以对该6根钢绞线分别进行不同力度的张拉，通过转向立柱和钢绞线张拉装置的作用，每根钢绞线都紧贴拱顶所在圆弧段，并相切于拱顶和拱腰所在的圆弧的两个分界点，从该两圆弧分界点引出钢绞线，通过第七转向立柱(7)、第八转向立柱(8)、第十一转向立柱(11)、第十二转向立柱(12)连接到第十五钢绞线张拉装置(15)；拱腰的环箍结构为：6根沿隧道模型高度均布且相互平行的钢绞线通过第三转向立柱(3)、第四转向立柱(4)、第九转向立柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇，崔戈，徐晨，刘书斌，郭建宁，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51