本发明专利技术公开一种外部环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验装置及方法，包括；渗透系统、冻融系统、模型组件、分析机构和振动台。首先根据现场情况进行缩尺边坡模型制作；本发明专利技术的渗透系统由模拟模型箱上部的降雨机构和布设在隧洞口边坡内部的渗透系统共同构成，边坡内部的渗透系统用来模拟存在地下水的影响以及雨水渗流的影响；冻融系统由制冷单元和加热单元组成，设置在模型箱的上方，模拟实际环境下的冻融作用；振动台设置在整个模型箱的下方，承载模型箱并进行地震动模拟；本发明专利技术可以模拟隧洞口边坡所处的渗流、冻融及地震等严苛环境，为隧洞口边坡的防灾减灾研究提供一个集成试验平台。成试验平台。成试验平台。
【技术实现步骤摘要】
复杂环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验装置及方法
[0001]本专利技术涉及岩土地震工程
，特别是涉及一种外部环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验装置及方法。
技术介绍
[0002]随着我国经济社会的不断发展，东部以及中部地区的基础设施已经日趋完善，西部的基础建设还存在较大的发展空间，未来西部的大型基础设施建设将持续进行。
[0003]我国西部川藏地区地形复杂，在进行基础工程建设时，尤其在进行大型公路和铁路建设时，大量采用了隧道和桥梁等结构。西部川藏地区地理环境恶劣，此处海拔高、冻融作用影响明显，又深处地震带，自然地质条件苛刻。隧洞口边坡作为隧道结构重要的一环，其稳定性影响了整个隧道的安全性能，因此对于隧洞口边坡的防灾减灾研究尤为重要，目前隧洞口边坡在恶劣自然环境下的破坏模式和机制，仍然需要大量的研究。之前的研究表明，普通边坡的失稳主要与水的作用和地震作用有关，川藏地区深处地震高发地带，多降雨，而且冻融作用影响十分显著。降雨与地震的耦合方面目前国内作了许多相关性研究，冻融作用对边坡的影响也做了许多相关性研究，结合实际的情况，水的作用应该考虑到降雨作用、地下水存在的情况以及雨水的渗流作用，冻融作用和地震作用对结构物的影响也十分显著，三者都是不可忽略的考虑因素，目前针对隧洞口边坡在渗流、冻融及地震三者耦合作用下的研究还存在不足，隧洞口边坡在恶劣环境条件作用下的防灾减灾研究缺乏相关的集成试验研究平台。
技术实现思路
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种外部环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验装置及方法
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种外部环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验装置，包括：
[0007]振动台，用于对外提供三向的振动波。
[0008]模型组件，用于模拟隧洞口边坡，所述模型组件包括模型箱和模型，所述模型设置于所述模型箱内腔底部。所述模型箱为侧壁透明顶面开放的立方体结构。所述模型箱放置于所述振动台顶面。所述模型箱内腔一侧壁顶端固接有若干可拆卸轨道。所述模型箱内腔设置有温度计。
[0009]渗透系统，用于模拟雨水的渗流作用以及地下水的存在对边坡结构性能的影响，所述渗透系统设置于所述模型箱内腔顶端并与所述可拆卸轨道滑动连接。
[0010]冻融系统，用于模拟自然界的冻融作用。所述冻融系统设置于所述模型箱内腔顶端并与所述可拆卸轨道滑动连接。
[0011]分析机构，用于收集试验过程中的数据并进行分析，所述分析机构设置于所述模型箱远离所述模型的一侧面外侧，并与所述模型箱正对设置。
[0012]优选的，所述模型包括边坡模型和隧道模型。所述隧道模型嵌设于所述边坡模型内。
[0013]优选的，所述渗透系统包括降雨单元和渗水软管，所述渗水软管设置于所述边坡模型内。所述降雨单元包括支架和若干喷头，所述可拆卸轨道与所述支架滑动连接。若干所述喷头固定安装于所述支架上，所述喷头与电子总阀固接并连通。所述电子总阀与水泵固接并连通。所述水泵与水箱固接并连通。所述水泵集成有调速器和稳压器用于稳定输出恒定压力的水流。所述喷头与电子总阀之间串联有电子分阀和流量计。所述渗水软管分别通过所述电子分阀、所述流量计与所述电子总阀固接并连通。
[0014]优选的，所述冻融系统包括加热单元和制冷单元。所述加热单元包括散热管和所述支架，所述支架与所述可拆卸轨道滑动连接，所述散热管固定安装于所述支架上。所述散热管外接有电子加热装置。所述制冷单元包括散发管，所述散发管外接有制冷设备。所述散发管固定安装于所述支架上，固定安装有所述散发管的所述支架与所述可拆卸轨道滑动连接。
[0015]优选的，所述分析机构包括应变片、传感器、高速摄像机、控制器和计算机。所述应变片采取坡体纵向布设，所述应变片沿着隧道衬砌管线均匀布设。所述应变片与所述控制器电性连接，所述控制器与所述计算机电性连接。所述传感器沿坡体高度布设，所述传感器与所述控制器电性连接。所述高速摄像机设置于所述模型箱远离所述模型的一侧面外侧，并与所述模型箱正对设置。
[0016]一种外部环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验方法，包括以下步骤：
[0017]步骤一：在模型箱内分层铺设砂土材料，砌筑边坡模型，分层铺设时，需要同时将渗水软管、传感器和应变片的同步布设。在边坡模型铺设到达隧道模型底部设计位置时，安装隧道模型。
[0018]步骤二：将分别固定安装有喷头、散热管、散发管的支架分别与可拆卸轨道相连接。
[0019]步骤三：将模型安装完毕的模型箱固定安装在振动台顶面，将传感器和应变片与控制器电性连接，高速摄像机固定安装于振动台外侧的地面上，高速摄像机正对边坡模型的斜面。
[0020]步骤四：控制渗透系统进行降雨和渗流作用单独和耦合模拟。
[0021]步骤五：控制冻融系统进行冻融模拟。
[0022]步骤六：控制振动台进行震动模拟。
[0023]步骤七：试验完毕，关闭仪器并进行数据分析处理。
[0024]优选的，步骤一中，砌筑所述边坡模型，分层铺设时，每一层都要进行平整、压实、刮毛操作。
[0025]优选的，步骤一中，安装隧道模型时，要安装隧道钢筋框架，固定好所述隧道钢筋框架后，浇筑高强混凝土形成所述隧道模型，等凝固条件允许后再进行所述隧道模型周侧的所述边坡模型砌筑。所述隧道模型静置养护直至达到试验要求。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
[0027]首次本专利技术充分考虑了雨水的渗流以及地下水的存下对隧洞口边坡的影响，渗透系统包含了边坡渗水和上部降雨的过程，更符合真实情况；其次充分考虑了渗流、冻融、地
震三者耦合作用，便于探究隧洞口边坡的破坏机制，对三种作用的模拟耦合作用研究，符合边坡所处的实际自然环境；再者，本专利技术的各部件通过可拆卸设置，实现按照需求进行系统的组装，后续的研究试验中，可根据所处环境作用，进行上部系统的叠加和更换，具有更强的适应性。本专利技术对于评估相关地质条件下的隧道洞口的可靠性以及隧洞口边坡的防灾减灾研究，具有十分重要的意义。
附图说明
[0028]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0029]图1为本专利技术的模型试验装置仪器布置图；
[0030]图2为振动台加载装置布置图；
[0031]图3为本专利技术支架、加热单元的布置图；
[0032]图4为本专利技术支架、降雨系统的布置图；
[0033]图5为本专利技术支架制冷单元的布置图；
[0034]图6为本专利技术可拆卸轨道结构示意图；
[0035]图7为本专利技术侧视结构示意图；
[0036]其中，1、框架；2、钢化玻璃；3、振动台；4、控制系统；5、计算机；6、电子分阀；7、流量计；8、电子总阀；9、水泵；10、调速器；11、稳压器；12、水箱；1本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种外部环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验装置，其特征在于，包括：振动台(3)，用于对外提供三向的振动波；模型组件，用于模拟隧洞口边坡，所述模型组件包括模型箱和模型，所述模型设置于所述模型箱内腔底部；所述模型箱为侧壁透明顶面开放的立方体结构；所述模型箱放置于所述振动台(3)顶面；所述模型箱内腔一侧壁顶端固接有若干可拆卸轨道(21)；所述模型箱内腔设置有温度计(28)；渗透系统，用于模拟雨水的渗流作用以及地下水的存在对边坡结构性能的影响，所述渗透系统设置于所述模型箱内腔顶端并与所述可拆卸轨道(21)滑动连接；冻融系统，用于模拟自然界的冻融作用；所述冻融系统设置于所述模型箱内腔顶端并与所述可拆卸轨道(21)滑动连接；分析机构，用于收集试验过程中的数据并进行分析，所述分析机构设置于所述模型箱远离所述模型的一侧面外侧，并与所述模型箱正对设置。2.根据权利要求1所述的一种外部环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验装置，其特征在于：所述模型包括边坡模型(13)和隧道模型(15)；所述隧道模型(15)嵌设于所述边坡模型(13)内。3.根据权利要求2所述的一种外部环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验装置，其特征在于：所述渗透系统包括降雨单元和渗水软管(14)，所述渗水软管(14)设置于所述边坡模型(13)内；所述降雨单元包括支架(27)和若干喷头(17)，所述可拆卸轨道(21)与所述支架(27)滑动连接；若干所述喷头(17)固定安装于所述支架(27)上，所述喷头(17)与电子总阀(8)固接并连通；所述电子总阀(8)与水泵(9)固接并连通；所述水泵(9)与水箱(12)固接并连通；所述水泵(9)集成有调速器(10)和稳压器(11)用于稳定输出恒定压力的水流；所述喷头(17)与电子总阀(8)之间串联有电子分阀(6)和流量计(7)；所述渗水软管(14)分别通过所述电子分阀(6)、所述流量计(7)与所述电子总阀(8)固接并连通。4.根据权利要求3所述的一种外部环境耦合作用下隧洞口边坡物理模拟试验装置，其特征在于：所述冻融系统包括加热单元和制冷单元；所述加热单元包括散热管(19)和所述支架(27)，所述支架(27)与所述可拆卸轨道(21)滑动连接，所述散热管(19)固定安装于所述支架(27)上；所述散热管(19)外接有电子加热装置；所述制冷单元包括散发管(20)，所述散发管(20)外接有制冷设备(26)；所述散发管(20)...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋丹青，张建伟，路润虎，史万鹏，董利虎，马聪，聂闻，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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