隧道衬砌及周边围岩力学特征测试模型装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及隧道建筑技术领域，尤其涉及一种隧道衬砌及周边围岩力学特征测试模型装置，包括隧道模型、台架、加载系统和测量系统，所述隧道模型根据实际隧道尺寸按照缩尺比例并使用相似材料进行模拟建造，且隧道模型设置在台架中，加载系统也设置在台架中对隧道模型进行加载，测量系统对隧道模型受力及变形进行量测，其中，所述隧道模型包括隧道衬砌及周边围岩。本发明专利技术的一种隧道衬砌及周边围岩力学特征测试模型装置能供广大科研人员研究衬砌背后空洞的致害机理，试验的结果可为实际工程提供参考与借鉴。

【技术实现步骤摘要】
隧道衬砌及周边围岩力学特征测试模型装置及测试方法
本专利技术涉及隧道建筑
，尤其涉及一种隧道衬砌及周边围岩力学特征测试模型装置及测试方法。
技术介绍
隧道衬砌背面空洞是常见的质量缺陷。由于隧道工程的特殊性和所处工程地质水文地质条件的复杂性，隧道衬砌背面空洞危害机理模糊，围岩与支护之间的相互作用关系也尚不明确。当前单纯采用理论分析和数值计算等技术手段进行研究存在不足。大量的工程实践证明，地质力学模型试验方法是一种行之有效的方法，能够客观地反映围岩与隧道衬砌结构的关系，试验结果更为直观。为此，亟需提供一种仿真性能好，结果直观的隧道衬砌及周边围岩力学特征测试模型装置及实验方法，能够使工程技术人员把握隧道衬砌及周边围岩力学特征、变形趋势和稳定性特点，从而引导工程技术人员作出准确判断。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种仿真性能好，结果直观的隧道衬砌及周边围岩力学特征测试模型装置及测试方法。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置，包括隧道模型、台架、加载系统和测量系统，所述隧道模型根据实际隧道尺寸按照缩尺比例并使用相似材料进行模拟建造，且隧道模型设置在台架中，加载系统也设置在台架中对隧道模型进行加载，测量系统对隧道模型受力及变形进行量测；其中，所述隧道模型包括隧道衬砌及周边围岩。优选地，所述台架包括：反力支撑板1，两个左右侧板2，承载板3，底板4，六个前后侧板5，两个前后侧板加固件6；反力支撑板1及底板4与地面平行水平设置；两个左右侧板2分别垂直设置在反力支撑板1和底板4的两端，采用螺栓连接，承载板3直接放置于模拟的围岩之上；两个前后侧板加固件6分别将前面三个侧板及后面三个侧板螺栓连接成整体，并与反力支撑板1及底板4垂直向螺栓连接；所述隧道衬砌模型7设置在承载板3、两个左右侧板2、六个前后侧板5、底板4所围成的空间中心位置，周围充填模拟围岩。优选地，所述加载系统包括千斤顶8，千斤顶8设置在反力支撑板1和承载板3之间。优选地，所述测量系统包括：压力计9，应变片10及土压力盒11；所述压力计9设置在千斤顶8与承载板3之间对应的位置；所述应变片10黏贴在隧道模型对应位置，所述土压力盒11埋设于隧道模型中对应位置。优选地，所述反力支撑板1和两个左右侧板2均为32号加工槽钢；所述承载板3为8mm厚钢板；六个所述前后侧板5中，前后靠左右两侧四个由8mm厚钢板加工制成，前后中部两个为8mm厚透明有机玻璃。优选地，在两个左右侧板2上设置有10mm厚的钢支撑，所述钢支撑与地面呈三角形；在六个前后侧板5中设置有10mm厚的钢支撑，所述钢支撑与地面呈三角形。优选地，所述隧道模型7材料选用重晶石、石英砂作为骨料，凡士林作为胶结剂，且重晶石∶石英砂∶凡士林＝10∶8∶1，模拟模筑钢筋混凝土的模型材料采用直径4mm的铁丝和水膏比为1:1.05的石膏，通过原型与模型的等效抗弯刚度的方法加以模拟。优选地，所述测量系统还包括：衬砌应变测量系统、围岩压力测量系统以及围岩位移测量系统；衬砌应变测量是通过在衬砌内外表面粘贴应变片实现的，应变片采用的是电阻式应变片；围岩压力测量是通过埋设微型压力盒来实现的，微型压力盒采用的是直径16mm的微型压力盒；衬砌应变和围岩压力通过钢弦式数据采集器进行数据采集；围岩位移测量系统是通过内嵌于模拟围岩材料中的变形纤维的位移量测实现的。优选地，所述隧道模型与隧道原型的几何相似比Cl＝1:60，取容重相似比Cγ＝1:1，泊松比相似比Cμ＝1:1，内摩擦角相似比粘聚力相似比Cc＝1:60，弹性模量相似比CE＝1:1。本技术方案还提供一种隧道衬砌及周边围岩受力特征测试方法，包括以下步骤：步骤S1：组装台架，将底板4、两个左右侧板2、六个前后侧板5及两个前后侧板加固件通过螺栓紧密连接起来；台架组装之后能形成最大净尺寸为长3000mm，宽320mm，高1500mm的隧道围岩模型；步骤S2：依据隧道衬砌横断面设计图及尺寸相似比，确定衬砌模型尺寸，定制模板，采用直径4mm的铁丝和水膏比为1:1.05的石膏现场制作衬砌模型；步骤S3：待衬砌模型制作好后，在衬砌模型的内外两侧对称布置电阻式应变片10，并连接好相应线路；步骤S4：按照重晶石：石英砂：凡士林＝10∶8∶1配比，制备模拟围岩材料；步骤S5：分层填筑模拟围岩材料至安装衬砌模型位置底面；然后将衬砌模型安装到位，继续填筑衬砌模型两侧边墙背面的模拟围岩材料至拱顶平面；最终继续填筑模拟围岩材料至承载板3底面；在整个填筑过程中，根据欲测围岩变形位置来埋设水平向和竖直向变形纤维12，变形纤维应紧贴有机玻璃侧板埋设，便于观测；根据欲测围岩压力位置来埋设土压力盒11；所有接线应便捷而不影响加载；在填筑过程中根据实际需求及实际施工情况预留出衬砌模型背面空洞范围。步骤S6：安装承载板3，并安装反力支撑板1；步骤S7：安装千斤顶8及压力计9，并将土压力盒11及电阻应变片测试线接好数据采集仪；步骤S8：根据实际情况分级加载，读取数据，直至衬砌模型破坏；步骤S9：通过计算和观测获得衬砌内力、围岩压力、围岩位移，然后绘图、分析数据，观察衬砌模型破坏模式，研究规律。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术的一种隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置能够模拟真实情况下的隧道的受力环境，测量系统对隧道衬砌及周边围岩模型受力及变形进行监测。为广大科研人员研究衬砌背后空洞的致害机理提供物质基础，试验结果能够为实际工程提供参考与借鉴。附图说明图1为本专利技术的隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置主视图；图2为本专利技术的隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置侧视图；图3为本专利技术的隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置俯视图；图4为本专利技术的土压力盒、应变片、变形纤维参考布置图。【附图标记说明】1：反力支撑板；2：左右侧板；3：承载板；4：底板；5：前后侧板；6：前后侧板加固件；7：隧道模型；8：千斤顶；9：压力计；10：应变片；11：土压力盒；12：变形纤维。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。本专利技术提供一种隧道衬砌及周边围岩力学特征测试模型装置，包括隧道模型、台架、加载系统和测量系统，隧道模型设置在台架中，加载系统也设置在台架中对隧道模型进行加载，使隧道模型承受荷载，模拟隧道及周边围岩的真实受力环境，测量系统对隧道模型受力及变形进行量测；其中，所述隧道模型包括隧道衬砌及周边围岩。具体地，台架包括反力支撑板1，左右侧板2，承载板3，底板4，前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置，其特征在于，/n包括隧道模型、台架、加载系统和测量系统，所述隧道模型根据实际隧道尺寸按照缩尺比例并使用相似材料进行模拟建造，且隧道模型设置在台架中，加载系统也设置在台架中对隧道模型进行加载，测量系统对隧道模型受力及变形进行量测；/n其中，所述隧道模型包括隧道衬砌及周边围岩。/n

【技术特征摘要】
1.一种隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置，其特征在于，
包括隧道模型、台架、加载系统和测量系统，所述隧道模型根据实际隧道尺寸按照缩尺比例并使用相似材料进行模拟建造，且隧道模型设置在台架中，加载系统也设置在台架中对隧道模型进行加载，测量系统对隧道模型受力及变形进行量测；
其中，所述隧道模型包括隧道衬砌及周边围岩。


2.根据权利要求1所述的隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置，其特征在于，
所述台架包括：反力支撑板(1)，两个左右侧板(2)，承载板(3)，底板(4)，六个前后侧板(5)，两个前后侧板加固件(6)；
反力支撑板(1)及底板(4)与地面平行水平设置；
两个左右侧板(2)分别垂直设置在反力支撑板(1)和底板(4)的两端，采用螺栓连接，承载板(3)直接放置于模拟的围岩之上；
两个前后侧板加固件(6)分别将前面三个侧板及后面三个侧板螺栓连接成整体，并与反力支撑板(1)及底板(4)垂直向螺栓连接；
所述隧道模型(7)设置在承载板(3)、两个左右侧板(2)、六个前后侧板(5)、底板(4)所围成的空间中心位置，周围充填模拟围岩。


3.根据权利要求2所述的隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置，其特征在于：
所述加载系统包括千斤顶(8)，千斤顶(8)设置在反力支撑板(1)和承载板(3)之间。


4.根据权利要求3所述的隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置，其特征在于，
所述测量系统包括：压力计(9)，应变片(10)及土压力盒(11)；
所述压力计(9)设置在千斤顶(8)与承载板(3)之间对应的位置；
所述应变片(10)黏贴在隧道模型对应位置，所述土压力盒(11)埋设于隧道模型中对应位置。


5.根据权利要求4所述的隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置，其特征在于，
所述反力支撑板(1)和两个左右侧板(2)均为32号加工槽钢；
所述承载板(3)为8mm厚钢板；
六个所述前后侧板(5)中，前后靠左右两侧四个由8mm厚钢板加工制成，前后中部两个为8mm厚透明有机玻璃。


6.根据权利要求5所述的隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置，其特征在于，
在两个左右侧板(2)上设置有10mm厚的钢支撑，所述钢支撑与地面呈三角形；
在六个前后侧板(5)中设置有10mm厚的钢支撑，所述钢支撑与地面呈三角形。


7.根据权利要求1所述的隧道衬砌及周边围岩受力特征测试模型装置，其特征在于，
所述隧道模型(7)材料选用重晶石、石英砂作为骨料，凡士林作为胶结剂，且重晶石∶石英砂∶凡士林＝10∶8∶1，模拟模筑钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷鸣，易驹，常锦，张锐，匡希龙，
申请(专利权)人：长沙学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43