本實(shí)用新型屬于隧道地層模擬系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種離心場(chǎng)中隧道地層損失模擬系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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隧道的開(kāi)挖不可避免的會(huì)產(chǎn)生隧道地層損失，所謂的隧道地層損失就是在隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)土層造成了擾動(dòng)，隨之而來(lái)的會(huì)出現(xiàn)不同程度的土層下陷，這樣的下陷會(huì)對(duì)地下空間周邊的建筑造成或多或少的影響。研究清楚隧道開(kāi)挖對(duì)周邊建筑的影響對(duì)隧道施工有著至關(guān)重要的意義。現(xiàn)有的研究方法主要分為三大類：數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和土工離心模型實(shí)驗(yàn)。土工離心模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)是近二三十年迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)嶄新的土工物理模型技術(shù)。通過(guò)施加在模型上的離心慣性力使模型的重度變大，從而使模型的應(yīng)力與原型一致，這樣就可以用模型反映、表示原型。數(shù)值模擬的方法需要對(duì)所研究的土層性質(zhì)具有深入的了解，同時(shí)將這些土層性質(zhì)轉(zhuǎn)化成參數(shù)再利用數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)模擬，其中土力學(xué)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響非常大，并且參數(shù)的獲取和測(cè)試相對(duì)費(fèi)時(shí)且可靠性值得探討?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法局限性在于儀器的誤差，人為造成的誤差以及需要大量的人力物力和資金支持。

土工離心機(jī)提供了一個(gè)快速可靠穩(wěn)定的解決方案，將所研究的土層材料直接放進(jìn)離心機(jī)，通過(guò)離心場(chǎng)模擬真實(shí)情況從而得到可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。離心模擬的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確穩(wěn)定的模擬土層損失。目前現(xiàn)有的模擬方法難以準(zhǔn)確控制土層損失的大小和形狀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本實(shí)用新型提供一種離心場(chǎng)中隧道地層損失模擬系統(tǒng)，可以克服現(xiàn)有土工模擬控制系統(tǒng)上的缺陷，精確控制土層損失的形狀和大小。

本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種離心場(chǎng)中隧道地層損失模擬系統(tǒng)，包括模型箱，所述模型箱安裝在離心機(jī)上，所述模型箱中設(shè)有隧道模型組件，所述隧道模型組件包括一個(gè)左右兩段旋向相反的滾珠絲桿、兩個(gè)對(duì)稱套裝在滾珠絲桿上的絲桿螺母、兩個(gè)對(duì)稱固定在絲桿螺母上的六角內(nèi)核，所述六角內(nèi)核的六個(gè)面上分別固定有六個(gè)外高內(nèi)低的楔形導(dǎo)板，兩個(gè)六角內(nèi)核上共固定有十二個(gè)兩兩對(duì)稱的楔形導(dǎo)板，形成六組楔形導(dǎo)板；所述楔形導(dǎo)板上均固定有線性滑軌，十二個(gè)線性滑軌兩兩對(duì)稱形成六組線性滑軌；六個(gè)拱形蓋板分別對(duì)應(yīng)六組楔形導(dǎo)板，且每個(gè)拱形蓋板內(nèi)側(cè)均具有與所對(duì)應(yīng)的那組楔形導(dǎo)板斜度相同的兩個(gè)斜面，所述斜面上均固定有線性滑臺(tái)，所述線性滑臺(tái)安裝在對(duì)應(yīng)的線性滑軌上，使六個(gè)拱形蓋板分別位于六組線性滑軌上構(gòu)成隧道模型；所述模型箱前后兩側(cè)均設(shè)有絲桿支撐，所述滾珠絲桿的兩端安裝在絲桿支撐中，并使拱形蓋板的兩端抵在模型箱的內(nèi)壁上；所述滾珠絲桿的后端聯(lián)接有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)數(shù)控機(jī)構(gòu)控制；所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩個(gè)對(duì)稱的絲桿螺母相互分離，從而帶動(dòng)兩個(gè)六角內(nèi)核以及相互對(duì)稱的線性滑軌向兩端分離運(yùn)動(dòng)，迫使六個(gè)拱形蓋板向滾珠絲桿軸心收縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)土層損失的模擬。

所述位于六角內(nèi)核底部的楔形導(dǎo)板的楔形角度為0-3°，位于六角內(nèi)核下部?jī)蓚?cè)的楔形導(dǎo)板的楔形角度為1-4°，位于六角內(nèi)核上部?jī)蓚?cè)的楔形導(dǎo)板的楔形角度為1-4°，位于六角內(nèi)核頂部第五楔形導(dǎo)板的楔形角度為2-5°。

所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括直角行星減速機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，所述直角行星減速機(jī)的動(dòng)力輸入軸與步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接，動(dòng)力輸出軸與滾珠絲桿的后端通過(guò)聯(lián)軸器相聯(lián)接；所述數(shù)控機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)控電腦；所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出接口與步進(jìn)電機(jī)相連接，數(shù)據(jù)采集器的輸出端口與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入接口相連接，數(shù)據(jù)采集器的輸入端口與數(shù)控電腦相連接控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

所述的模型箱包括底板、左右側(cè)板、后蓋板、透明觀察窗以及前擋板框；所述后蓋板底端與底板固定，所述左右側(cè)板固定在后蓋板兩側(cè)；所述前擋板框兩側(cè)與左右側(cè)板固定，底端與底板固定；所述透明觀察窗固定在前擋板框中央；所述拱形蓋板的兩端抵在透明觀察窗和后蓋板的內(nèi)側(cè)不能進(jìn)行水平方向的移動(dòng)；所述后蓋板、透明觀察窗上對(duì)應(yīng)六角內(nèi)核的位置具有通孔，使兩個(gè)六角內(nèi)核以及相互對(duì)稱的線性滑軌向兩端分離運(yùn)動(dòng)時(shí)能自通孔中通過(guò)。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較具有的優(yōu)點(diǎn)和效果：

1、本實(shí)用新型通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)的隧道收縮系統(tǒng)在離心場(chǎng)中模擬隧道地層損失，克服了現(xiàn)有土工模擬控制系統(tǒng)難以精確控制土層損失的形狀和大小的缺陷。

2、本實(shí)用新型六對(duì)可拆卸楔形導(dǎo)板具有4個(gè)不同的角度，且每一個(gè)楔形導(dǎo)板的角度都可以自由控制大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)弧形蓋板向絲桿軸心方向位移大小的控制，實(shí)現(xiàn)模擬地層損失上大下小的形狀，且收縮形狀可以根據(jù)科研要求進(jìn)行調(diào)整，從而盡可能接近真實(shí)地層損失之后的隧道形狀，也滿足了不同地質(zhì)條件下隧道地層損失模擬實(shí)驗(yàn)。

附圖說(shuō)明：

圖1為顯示本實(shí)用新型后部結(jié)構(gòu)的立體示意圖，

圖2為顯示本實(shí)用新型前部結(jié)構(gòu)的立體示意圖，

圖3為顯示本實(shí)用新型隧道模型組件整體結(jié)構(gòu)的剖視圖，

圖4為顯示本實(shí)用新型隧道模型組件截面結(jié)構(gòu)的示意圖，

圖5為顯示本實(shí)用新型拱形蓋板結(jié)構(gòu)的立體圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖1、2、3、4、5和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

一種離心場(chǎng)中隧道地層損失模擬系統(tǒng)，包括模型箱1，所述模型箱1安裝在離心機(jī)上，所述模型箱1中設(shè)有隧道模型組件2，所述隧道模型組件2包括一個(gè)左右兩段旋向相反的滾珠絲桿4、兩個(gè)對(duì)稱套裝在滾珠絲桿4上的絲桿螺母5、兩個(gè)對(duì)稱固定在絲桿螺母5上的六角內(nèi)核6，所述六角內(nèi)核6的六個(gè)面上分別固定有六個(gè)外高內(nèi)低的楔形導(dǎo)板7，兩個(gè)六角內(nèi)核6上共固定有十二個(gè)兩兩對(duì)稱的楔形導(dǎo)板7，形成六組楔形導(dǎo)板；所述楔形導(dǎo)板7上均固定有線性滑軌8，十二個(gè)線性滑軌8兩兩對(duì)稱形成六組線性滑軌；六個(gè)拱形蓋板10分別對(duì)應(yīng)六組楔形導(dǎo)板7，且每個(gè)拱形蓋板10內(nèi)側(cè)均具有與所對(duì)應(yīng)的那組楔形導(dǎo)板7斜度相同的兩個(gè)斜面25，所述斜面上均固定有線性滑臺(tái)9，所述線性滑臺(tái)9安裝在對(duì)應(yīng)的線性滑軌8上，使六個(gè)拱形蓋板10分別位于六組線性滑軌上構(gòu)成隧道模型；所述模型箱1前后兩側(cè)均設(shè)有絲桿支撐11，所述滾珠絲桿4的兩端安裝在絲桿支撐11中，并使拱形蓋板10的兩端抵在模型箱1的內(nèi)壁上；所述滾珠絲桿4的后端聯(lián)接有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)12，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)12通過(guò)數(shù)控機(jī)構(gòu)13控制；所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)12帶動(dòng)滾珠絲桿4轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩個(gè)對(duì)稱的絲桿螺母5相互分離，從而帶動(dòng)兩個(gè)六角內(nèi)核6以及相互對(duì)稱的線性滑軌8向兩端分離運(yùn)動(dòng)，迫使六個(gè)拱形蓋板10向滾珠絲桿4軸心收縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)土層損失的模擬。

所述位于六角內(nèi)核6底部的楔形導(dǎo)板7的楔形角度為0°，位于六角內(nèi)核6下部?jī)蓚?cè)的楔形導(dǎo)板7的楔形角度為2°，位于六角內(nèi)核6上部?jī)蓚?cè)的楔形導(dǎo)板7的楔形角度為3°，位于六角內(nèi)核6頂部的楔形導(dǎo)板7的楔形角度為4°。

所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)12包括直角行星減速機(jī)14、步進(jìn)電機(jī)15，所述直角行星減速機(jī)14的動(dòng)力輸入軸與步進(jìn)電機(jī)15聯(lián)接，動(dòng)力輸出軸與滾珠絲桿4的后端聯(lián)接；所述數(shù)控機(jī)構(gòu)13包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器16、數(shù)據(jù)采集器17和數(shù)控電腦18；所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器16的輸出接口與步進(jìn)電機(jī)15相連接，數(shù)據(jù)采集器17的輸出端口與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器16的輸入接口相連接，數(shù)據(jù)采集器17的輸入端口與數(shù)控電腦18相連接控制步進(jìn)電機(jī)15的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

所述的模型箱1包括底板19、左右側(cè)板20、后蓋板21、透明觀察窗22以及前擋板框23；所述后蓋板21底端與底板19固定，所述左右側(cè)板20固定在后蓋板21兩側(cè)；所述前擋板框23兩側(cè)與左右側(cè)板20固定，底端與底板19固定；所述透明觀察窗22固定在前擋板框23中央；所述拱形蓋板10的兩端抵在透明觀察窗22和后蓋板21的內(nèi)側(cè)不能進(jìn)行水平方向的移動(dòng)；所述后蓋板21、透明觀察窗22上對(duì)應(yīng)六角內(nèi)核6的位置具有通孔24，使兩個(gè)六角內(nèi)核6以及相互對(duì)稱的線性滑軌8向兩端分離運(yùn)動(dòng)時(shí)能自通孔24中通過(guò)。

本實(shí)用新型裝配時(shí)首先將兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的線性滑臺(tái)9安裝在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)線性滑軌8上，然后將拱形蓋板10固定在線性滑臺(tái)9上，與線性滑臺(tái)9組成一個(gè)整體，通過(guò)線性滑臺(tái)9與線性滑軌8配合，約束拱形蓋板10的自由度，使拱形蓋板10只能沿著與線性滑軌8的平行方向移動(dòng)。線性滑軌8共有十二個(gè)，每?jī)蓚€(gè)線性滑軌分別對(duì)稱安裝在兩個(gè)對(duì)稱的六角內(nèi)核6上，在線性滑軌8與六角內(nèi)核6之間夾有楔形導(dǎo)版7，楔形導(dǎo)板7總共有十二個(gè)，兩個(gè)為一對(duì)，共有六對(duì)分別與對(duì)稱的兩個(gè)線性滑軌相匹配。六對(duì)楔形導(dǎo)板具有4個(gè)不同的角度，從而可以實(shí)現(xiàn)模擬地層損失上大下小的形狀。

地層損失模擬原理：本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)時(shí)所述的模型箱1安裝在土工離心機(jī)的吊籃上。外部數(shù)控電腦18通過(guò)離心機(jī)電刷與數(shù)據(jù)采集器17相連接。工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器16負(fù)責(zé)給步進(jìn)電機(jī)15供電，數(shù)據(jù)采集器17通過(guò)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)射脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，數(shù)控電腦18控制數(shù)據(jù)采集器的電信號(hào)輸出頻率和時(shí)間。由步進(jìn)電機(jī)15驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩個(gè)對(duì)稱的絲桿螺母5相互分離，從而帶動(dòng)兩個(gè)六角內(nèi)核6以及相互對(duì)稱的線性滑軌8向兩端分離運(yùn)動(dòng)，由于拱形蓋板10的兩端抵在了模型箱透明觀察窗和后蓋板內(nèi)側(cè)不能進(jìn)行水平方向的移動(dòng)，隨著兩個(gè)帶有角度的楔形導(dǎo)板上的線性滑軌的分離，迫使六個(gè)拱形蓋板10向滾珠絲桿4軸心收縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)土層損失的模擬。由于本實(shí)用新型的楔形導(dǎo)板可拆卸，使每一個(gè)楔形導(dǎo)板的角度都可以改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)弧形蓋板向絲桿軸心方向位移大小的控制。特別是本實(shí)用新型可根據(jù)隧道地層損失真實(shí)形狀的不同而改變每一個(gè)楔形導(dǎo)板的角度，從而盡可能真實(shí)的還原地層損失之后的隧道形狀。

本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明如下：在六個(gè)拱形蓋板形成的圓柱形隧道收縮系統(tǒng)外側(cè)包裹兩層乳膠膜，確保灰塵和沙土不會(huì)通過(guò)縫隙進(jìn)入滾珠絲桿內(nèi)部，將包裹好的隧道收縮系統(tǒng)安裝在模型箱內(nèi)部，兩側(cè)通過(guò)絲桿支撐固定，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠絲桿使線性滑臺(tái)移動(dòng)到初始位置。將實(shí)驗(yàn)所需要的土樣放入模型箱內(nèi)部。將安裝好的模型箱固定在離心機(jī)的承載吊籃(payload bracket)上，鎖緊底板防止轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中模型箱滑落。打開(kāi)數(shù)控電腦通過(guò)離心機(jī)電刷與數(shù)據(jù)采集器信號(hào)控制端相連接。檢查無(wú)誤后開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn)。

正式實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段，土層固結(jié)和土層損失模擬。離心機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)加速時(shí)保持步進(jìn)電機(jī)供電但不輸入任何信號(hào)確保步進(jìn)電機(jī)不發(fā)生任何轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)離心機(jī)達(dá)到要求的離心加速度之后，通過(guò)數(shù)控電腦發(fā)射脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地層損失的模擬。隧道模型收縮位移通過(guò)步進(jìn)電機(jī)脈沖電信號(hào)的數(shù)量計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)行控制，由此可以計(jì)算出滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和絲桿螺母水平方向的位移，從而推算出每一個(gè)拱形蓋板向絲桿軸心移動(dòng)的大小，得出隧道地層損失的大小。當(dāng)隧道模型收縮達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，停止發(fā)出脈沖信號(hào)。

當(dāng)然也可在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)在模型箱前方的透明觀察窗一側(cè)設(shè)置高速攝像機(jī)，獲取模型在加載過(guò)程中土層位移的圖像，通過(guò)壓力敏感元件檢測(cè)土層水平豎直方向壓力的變化等，實(shí)時(shí)收集相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理分析，獲得隧道地層損失的相關(guān)數(shù)據(jù)。

上述實(shí)施例，只是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限制本實(shí)用新型實(shí)施范圍，故凡以本實(shí)用新型權(quán)利要求所述內(nèi)容所做的等同變化，均應(yīng)包括在本實(shí)用新型權(quán)利要求范圍之內(nèi)。