本發(fā)明涉及一種用于隧道工程吹砂緩沖模型試驗的試驗裝置及方法。
背景技術(shù)：
隧道工程具有隱蔽性，在施工過程中，常常遇到塌方現(xiàn)象，雖然采取多種措施預(yù)防塌方，但是由于種種原因，此類現(xiàn)象仍難以避免；同時，我國巖溶發(fā)育分布較廣，在巖溶地區(qū)修建隧道，常常遭遇溶洞。為保障隧道工程的施工安全、施工質(zhì)量，吹砂法常被用以處理塌方及溶洞，其原理是在混凝土結(jié)構(gòu)上吹以一定厚度的砂層減小垮塌落石的沖擊力。
目前，對吹砂參數(shù)的確定主要依托于工程經(jīng)驗，對吹砂緩沖機(jī)理的研究方法主要是數(shù)值計算與模型試驗。數(shù)值計算方法中廣泛應(yīng)用的有限元法將土體簡化為連續(xù)介質(zhì)，這是其固有的弊端，違背了土體的不連續(xù)性與各向異性。運用模型試驗，不僅可以真實還原吹砂工法對落石沖擊力的緩沖，亦能為數(shù)值計算提供計算參數(shù)與合理性驗證。
針對上述問題，亟需發(fā)明一種模型試驗裝置，能夠揭示吹砂緩沖機(jī)理，優(yōu)化吹砂工法，確定數(shù)值計算參數(shù)，驗證數(shù)值計算結(jié)果，提高隧道塌方與溶洞處置的施工質(zhì)量。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種模型試驗裝置及方法，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，此裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于組裝，能夠直觀觀察落石沖擊吹砂層的沖擊過程，亦能夠量測沖擊應(yīng)力波隨時間、空間的變化規(guī)律，并可控制吹砂厚度、砂土種類、級配以進(jìn)行施工參數(shù)優(yōu)化。
為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種用于研究隧道工程吹砂緩沖機(jī)理的模型試驗裝置，包括數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理平臺；
所述數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)包括基座、緊固螺栓、應(yīng)力測量網(wǎng)、壓力測量臺、應(yīng)力傳感器；
所述基座由緊固螺栓固定于地面，所述基座的四個面上分別設(shè)置一個鋼化玻璃板，四個鋼化玻璃板形成一個上部開口的箱體式結(jié)構(gòu)；在其中兩個相對的鋼化玻璃板上設(shè)有刻度標(biāo)碼；所述應(yīng)力測量網(wǎng)置于箱體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，應(yīng)力測量網(wǎng)網(wǎng)格交叉處均勻布設(shè)應(yīng)力傳感器；所述壓力測量臺置于高強(qiáng)度鋼化玻璃所構(gòu)成的箱體結(jié)構(gòu)底部；
所述數(shù)據(jù)處理平臺與所述的壓力測量臺、應(yīng)力測量網(wǎng)通過數(shù)據(jù)傳輸束相連，以一高性能計算機(jī)接收并處理隨時間變化的應(yīng)力、壓力數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步的，所述應(yīng)力測量網(wǎng)可沿深度方向按刻度標(biāo)碼設(shè)置多個監(jiān)測斷面，以研究應(yīng)力的三維傳播規(guī)律。
進(jìn)一步的，所述應(yīng)力測量網(wǎng)為多個“米字和口字”形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，沿網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中線、對角線在網(wǎng)格線交界處均勻布設(shè)應(yīng)力傳感器；可測得同一橫截面上不同方位的應(yīng)力大小，進(jìn)而推斷應(yīng)力傳播路徑與應(yīng)力在不同空間位置的變化規(guī)律。
進(jìn)一步的，所述的壓力測量臺為一密閉箱體構(gòu)造，其頂面為承壓結(jié)構(gòu)，與緩沖砂接觸；箱體內(nèi)設(shè)高精度壓電壓力傳感器，在受到上覆砂體重力與沖擊力落石沖擊力作用時，可輸出不同壓力值。
進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理平臺與數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸束相連，數(shù)據(jù)傳輸束置于套管之內(nèi)。
進(jìn)一步的，在儀器底部設(shè)置壓力測量臺，可測得上覆砂體自重與沖擊壓力。其測量原理為：僅上覆砂體時，壓力測量臺中壓力傳感器輸出數(shù)據(jù)為上覆砂體自重；進(jìn)行落實模擬沖擊時，壓力傳感器輸出的峰值壓力減去上覆砂體自重即最大沖擊力。
測量網(wǎng)結(jié)構(gòu)固定：優(yōu)選的，測量網(wǎng)可以是金屬網(wǎng)，保證足夠強(qiáng)度；
本發(fā)明提供三種優(yōu)選的應(yīng)力測量網(wǎng)與箱體的連接方式：測量網(wǎng)與箱體結(jié)構(gòu)連接可以是焊接；可以是高強(qiáng)玻璃膠粘結(jié)；可以在玻璃箱體上焊接懸掛鉤，將測量網(wǎng)懸掛于懸掛鉤上。
優(yōu)選的，應(yīng)力傳感器可以采用強(qiáng)力膠固定在測量網(wǎng)上。
本發(fā)明采用的方法如下：
a.對試驗裝置連線進(jìn)行檢查；
b.將指定級配及種類的砂從高強(qiáng)度鋼化玻璃構(gòu)成的試驗箱頂部倒入，根據(jù)刻度標(biāo)碼調(diào)整至指定吹砂層厚度；
c.壓力測量臺輸出砂體自重數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸束傳至計算機(jī)存儲；
d.在一定高度以一定初速度v將試驗落石沿豎直方向下落沖擊，應(yīng)力測量網(wǎng)和壓力測量臺由數(shù)據(jù)傳輸束向計算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)；同時，可用動態(tài)觀察沖擊-緩沖過程；
e.計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到應(yīng)力傳播隨空間位置的變化規(guī)律、應(yīng)力-時間圖像，承載壓力-時間圖像，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)對吹砂緩沖能力進(jìn)行評估。
本發(fā)明的有益效果：
1)操作簡單，能夠真實還原落石對吹砂層沖擊的物理過程；
2)高強(qiáng)度鋼化玻璃在保證試驗裝置強(qiáng)度的同時，亦為沖擊—緩沖過程的可視化提供了條件；
3)設(shè)置刻度，可對吹砂層厚度進(jìn)行調(diào)整，為參數(shù)分析創(chuàng)造了條件；
4)沿深度布設(shè)應(yīng)力測量網(wǎng)可用以測量同一平面應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律，同時亦可測量應(yīng)力在平面內(nèi)的傳播規(guī)律，二者結(jié)合可測量應(yīng)力的空間傳播規(guī)律；
5)底部承載板內(nèi)置壓力傳感器可方便地記錄壓力隨時間的變化規(guī)律。
附圖說明
構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。
圖1一種用于研究隧道工程吹砂緩沖機(jī)理的模型試驗裝置前視圖；
圖2一種用于研究隧道工程吹砂緩沖機(jī)理的模型試驗裝置俯視圖；
圖3一種用于研究隧道工程吹砂緩沖機(jī)理的模型試驗裝置應(yīng)力測量網(wǎng)示意圖；
圖中，1—基座；2—緊固螺栓；3—高強(qiáng)度鋼化玻璃；4—刻度標(biāo)碼；5—應(yīng)力測量網(wǎng)；6—壓力測量臺；7—數(shù)據(jù)傳輸束；8—計算機(jī)；9—應(yīng)力傳感器；10—試驗用砂；11—試驗落石。
具體實施方式
應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
如圖1、圖2所示空間位置，基座1通過緊固螺栓2固定于地面，保持模型試驗裝置的穩(wěn)定性；模型試驗箱頂面不封閉，其四壁由高強(qiáng)度鋼化玻璃3組成，可透過高強(qiáng)度鋼化玻璃3直觀觀察落石沖擊吹砂層的過程；模型試驗箱最底端設(shè)壓力測量臺6，用以記錄承載壓力；應(yīng)力測量網(wǎng)5結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖3所示，網(wǎng)格交叉處設(shè)置應(yīng)力傳感器9，用以記錄應(yīng)力的數(shù)值與傳播路徑；應(yīng)力測量網(wǎng)及壓力測量臺所測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸束7傳輸于計算機(jī)8中進(jìn)行存儲與數(shù)據(jù)處理。
所述高強(qiáng)度鋼化玻璃3左右面設(shè)置刻度標(biāo)碼4。
所述刻度標(biāo)碼4用以標(biāo)定吹砂層厚度。
所述壓力測量臺6內(nèi)設(shè)高精度壓電壓力傳感器，用以記錄壓力。
所述應(yīng)力測量網(wǎng)5中網(wǎng)格可以是鋼網(wǎng)，以提高強(qiáng)度。
優(yōu)選的，所述應(yīng)力測量網(wǎng)5可沿深度方向按刻度標(biāo)碼4設(shè)置多個監(jiān)測斷面，以研究應(yīng)力的三維傳播規(guī)律。
優(yōu)選的，數(shù)據(jù)傳輸束7可將各傳輸線集中置于一套管中，用于保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸通道。
優(yōu)選的，可以通過壓力測量臺所測的不同吹砂層厚度下的最大實測壓力對吹砂層厚度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
進(jìn)一步的，在儀器底部設(shè)置壓力測量臺，可測得上覆砂體自重與沖擊壓力。其測量原理為：僅上覆砂體時，壓力測量臺中壓力傳感器輸出數(shù)據(jù)為上覆砂體自重；進(jìn)行落實模擬沖擊時，壓力傳感器輸出的峰值壓力減去上覆砂體自重即最大沖擊力。
測量網(wǎng)結(jié)構(gòu)固定：優(yōu)選的，測量網(wǎng)可以是金屬網(wǎng)，保證足夠強(qiáng)度；
下面，結(jié)合一實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述。
a.對試驗裝置連線進(jìn)行檢查；
b.將指定級配及種類的砂從高強(qiáng)度鋼化玻璃3構(gòu)成的試驗箱頂部倒入，根據(jù)刻度標(biāo)碼4調(diào)整至指定吹砂層厚度；
c.壓力測量臺6輸出砂體自重數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸束7傳至計算機(jī)8存儲；
d.在一定高度以一定初速度v將試驗落石11沿豎直方向下落沖擊，應(yīng)力測量網(wǎng)5和壓力測量臺6由數(shù)據(jù)傳輸束7向計算機(jī)8傳輸數(shù)據(jù)；同時，可用動態(tài)觀察沖擊-緩沖過程；
e.計算機(jī)8對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到應(yīng)力傳播隨空間位置的變化規(guī)律、應(yīng)力-時間圖像，承載壓力-時間圖像，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)對吹砂緩沖能力進(jìn)行評估。
從以上的描述中，可以看出，本申請上述的實施例實現(xiàn)了如下技術(shù)效果：
1)操作簡單，能夠真實還原落石對吹砂層沖擊的物理過程；
2)高強(qiáng)度鋼化玻璃在保證試驗裝置強(qiáng)度的同時，亦為沖擊—緩沖過程的可視化提供了條件；
3)設(shè)置刻度，可對吹砂層厚度進(jìn)行調(diào)整，為參數(shù)分析創(chuàng)造了條件；
4)沿深度布設(shè)應(yīng)力測量網(wǎng)可用以測量同一平面應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律，同時亦可測量應(yīng)力在平面內(nèi)的傳播規(guī)律，二者結(jié)合可測量應(yīng)力的空間傳播規(guī)律；
5)底部承載板內(nèi)置壓力傳感器可方便地記錄壓力隨時間的變化規(guī)律。
上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。