隧道模型實驗加載裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種隧道模型實驗加載裝置，包括加載框架、前擋板、后擋板，加載框架包括框架柱、移動橫梁和上橫梁，移動橫梁和上橫梁分別與框架柱垂直；框架柱內(nèi)側(cè)面對稱安裝有若干個側(cè)向液壓油缸，移動橫梁底部安裝有若干個豎向液壓油缸，上橫梁上安裝有起重裝置，移動橫梁頂端設(shè)有與起重裝置相配的吊點；前擋板包括一塊透明有機玻璃擋板和由若干根熱軋槽鋼組成的槽鋼擋板，后擋板由若干根熱軋槽鋼組成，有機玻璃擋板上切割有孔洞，有機玻璃擋板位于槽鋼擋板的內(nèi)側(cè)，前后擋板之間設(shè)有若干根同軸拉桿螺栓。本發(fā)明可以產(chǎn)生各種不同埋深和地質(zhì)條件下的巖土體三維應(yīng)力場，可以實現(xiàn)大、小偏壓條件下不同凈距及不同斷面等復(fù)雜條件下的硐室開挖模型實驗。
【專利說明】隧道模型實驗加載裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鐵路及公路隧道領(lǐng)域，具體地說是涉及一種隧道模型實驗加載裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著鐵路及公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，越來越多的的鐵路及公路需要通過隧道的形式穿越崇山峻嶺及江河湖泊，由于各種不同施工場地的條件限制，出現(xiàn)了各種不同類型的隧道，如小徑距隧道、連拱隧道和交叉隧道等等，同時也由于各種不同地質(zhì)條件，隧道的工作環(huán)境也存在不同的變化，如大、小偏壓隧道等，在不同條件下采用什么樣的開挖工法已經(jīng)引起了工程界的關(guān)注。隧道開挖工法不同不僅會直接影響開挖過程中隧道圍巖的穩(wěn)定性以及日后襯砌的工作狀態(tài)，同時也會影響施工進度和施工安全。因此，在選擇施工方案及支護手段之前，必須要深入了解隧道開挖過程所產(chǎn)生的各種問題，而模型實驗是最有效的手段之一。
[0003]對于隧道開挖模型實驗，國內(nèi)外常用的方法有三維模型實驗方法(3D方法)和二維模型實驗方法(2D方法)。其中3D方法需要非常大的實驗場地和設(shè)備，加載過程非常復(fù)雜，理論上講這種實驗方法與工程實際情況吻合較好，但實際操作過程很難達到這種效果，特別是大比例三維模型條件下，隧道斷面的開挖次序及支護手段很難模擬，實驗效果往往不理想；2D方法是建立在一定理論基礎(chǔ)上的一種簡化實驗方法，其理論依據(jù)就是隧道在開挖過程中及后續(xù)使用過程中，其斷面在三維地應(yīng)力條件下屬于平面應(yīng)變問題，與隧道的實際長度沒有直接關(guān)系，因此，只要能夠模擬出實際的三維地應(yīng)力場條件，就可以用二維隧道斷面模型代替三維隧道模型進行開挖工法模擬、支護方法模擬，是一種高效、經(jīng)濟的實驗手段。
[0004]為了能夠在二維實驗?zāi)Ｐ蜕蠈崿F(xiàn)可控三維地應(yīng)力場作用，滿足隧道開挖過程中圍巖的實際應(yīng)力和變形條件，同時能夠模擬各種開挖工法和支護手段，需要建立實驗實驗加載裝置，達到簡單、高效經(jīng)濟的實驗?zāi)康摹?br>

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種隧道模型實驗加載裝置，不僅體積小、重量輕，而且能夠提供可控的三維地應(yīng)力場，能夠模擬隧道開挖過程中隧道圍巖的應(yīng)力場，能夠非常方便地模擬各種開挖工法及支護手段。
[0006]一種隧道模型實驗加載裝置，所述加載裝置包括加載框架、位于加載框架正面的前擋板、以及位于加載框架背面的后擋板，所述加載框架包括框架柱、移動橫梁和上橫梁，移動橫梁和上橫梁分別與框架柱垂直；所述框架柱包括豎直設(shè)置的第一框架柱和第二框架柱，第一框架柱和第二框架柱的內(nèi)側(cè)面對稱安裝有若干個側(cè)向液壓油缸，所述第一框架柱和第二框架柱的底部分別設(shè)有柱腳底板，所述柱腳底板通過地腳螺栓安裝在混凝土基座上；所述上橫梁兩端分別與第一框架柱和第二框架柱頂端固定，所述移動橫梁設(shè)置在第一框架柱和第二框架柱之間且位于上橫梁下方；所述移動橫梁底部安裝有若干個豎向液壓油缸，所述上橫梁上安裝有起重裝置，移動橫梁頂端設(shè)有與該起重裝置相配的吊點；所述前擋板包括一塊透明有機玻璃擋板和由若干根熱軋槽鋼組成的槽鋼擋板，后擋板由若干根熱軋槽鋼組成，其中有機玻璃擋板的長度與熱軋槽鋼的長度相同，高度為單根熱軋槽鋼高度的倍數(shù)，具有一定的厚度，有機玻璃擋板上切割有一個與實驗?zāi)Ｐ蜋M截面形狀相同的孔洞，孔洞上設(shè)有蓋板；有機玻璃擋板和槽鋼擋板的兩端分別與第一框架柱和第二框架柱通過同軸固定螺栓固接，有機玻璃擋板位于槽鋼擋板的內(nèi)側(cè)，前后擋板之間設(shè)有若干根同軸拉桿螺栓。
[0007]所述框架柱要求具有較大的剛度，在加載過程中不能產(chǎn)生變形，優(yōu)選為框架鋼柱，其內(nèi)側(cè)面左右對稱地安裝有若干個側(cè)向液壓油缸，能夠模擬不同側(cè)壓力條件；所述移動橫梁要求具有較大的剛度，在加載過程中不能產(chǎn)生變形，底部安裝有若干個豎向液壓油缸，能夠模擬各種豎向壓力條件；上橫梁上安裝有起重裝置，可以用于移動橫梁的上下位置及巖土體前后擋板的吊裝，通過安裝在上橫梁上的起重裝置，所述移動橫梁能夠沿框架鋼柱上下移動，可以滿足不同埋深實驗條件的需要；切割下來的有機玻璃擋板可以作為蓋板在模型開挖前起到擋板的作用；同軸拉桿螺栓的設(shè)置，可以用來增加擋板的剛度，在液壓油缸加載過程中能夠沿實驗?zāi)Ｐ偷那昂蠓较驅(qū)r土體產(chǎn)生約束作用，在巖土體中產(chǎn)生三維應(yīng)力場。
[0008]作為優(yōu)選，位于有機玻璃擋板外側(cè)的槽鋼采用槽口向內(nèi)的方式與有機玻璃擋板之間通過同軸固定螺栓和同軸拉桿螺栓進行固定和拉結(jié)，其他部位的槽鋼均采用槽口向外的方式通過同軸固定螺栓和同軸拉桿螺栓進行固定和拉結(jié)。在巖土體填充和加載過程中前后擋板協(xié)同工作，限制巖土體的位移和變形，產(chǎn)生三維應(yīng)力場；在開挖實驗過程中，位于有機玻璃擋板外側(cè)的槽鋼將要拆除，但不會影響有機玻璃擋板的固定和拉結(jié)狀態(tài)，此時有機玻璃擋板將承擔約束巖土體的作用，保持硐室圍巖的三維應(yīng)力場，同時可以讓實驗人員能夠準確地觀測量硐室圍巖的變形。
[0009]作為優(yōu)選，所述有機玻璃擋板的高度為3?4根熱軋槽鋼的高度之和，有機玻璃擋板上開設(shè)有同軸固定螺栓孔和同軸拉桿螺栓孔。根據(jù)隧道或硐室模型的大小和埋深位置，切割有機玻璃擋板，并且按照隧道或硐室的截面形狀切割洞口，切割下來的板作為洞口蓋板。
[0010]作為優(yōu)選，所述加載框架的內(nèi)凈空尺寸長X寬X高為5000mmX300mmX2000mm。
[0011]作為優(yōu)選，所述框架柱分別由兩根第一槽鋼通過第一綴板經(jīng)綴板螺栓固定組合而成，每根槽鋼由三塊鋼板焊接而成，所述第一槽鋼內(nèi)部間隔一定距離設(shè)置第一加勁肋。
[0012]作為優(yōu)選，所述移動橫梁由兩根第二槽鋼通過第二綴板經(jīng)焊接組合而成，每根槽鋼由三塊鋼板焊接而成，所述第二槽鋼內(nèi)部間隔一定距離設(shè)置第二加勁肋。
[0013]作為優(yōu)選，所述上橫梁由兩根熱軋槽鋼組合而成。
[0014]作為優(yōu)選，所述同軸拉桿螺栓設(shè)置在前后擋板的三等分點處，所述同軸拉桿螺栓與前后擋板之間采用螺母固定。
[0015]作為優(yōu)選，所述第一框架柱、第二框架柱與柱腳底板之間分別采用焊接。
[0016]本發(fā)明可以產(chǎn)生各種不同埋深和地質(zhì)條件下的巖土體三維應(yīng)力場，可以實現(xiàn)大、小偏壓條件下不同凈距及不同斷面等復(fù)雜條件下的硐室開挖模型實驗；該加載裝置具有很好的通用性，具有較高的實驗效率和經(jīng)濟效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為加載框架的正立面組裝示意圖；
圖2為圖1中框架柱的A-A剖面圖；
圖3為圖1中移動橫梁B-B橫截面圖；
圖4為有機玻璃擋板的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為巖土體填充及擋板安裝示意圖；
圖6為安裝完畢的實驗加載裝置示意圖；
圖7為槽鋼擋板和有機玻璃擋板固定方法示意圖；
圖8為隧道或硐室開挖實驗過程示意圖。

【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。
[0019]參照圖1?8，一種隧道模型實驗加載裝置，包括加載框架、位于加載框架正面的前擋板、以及位于加載框架背面的后擋板，所述加載框架包括框架柱、移動橫梁2和上橫梁3，移動橫梁2和上橫梁3分別與框架柱垂直，所述框架柱包括豎直設(shè)置的第一框架柱1-1和第二框架柱1-2，第一框架柱1-1和第二框架柱1-2的內(nèi)側(cè)面對稱安裝有若干個側(cè)向液壓油缸6，所述第一框架柱1-1和第二框架柱1-2的底部分別設(shè)有柱腳底板7，所述柱腳底板7通過地腳螺栓8安裝在混凝土基座上；所述上橫梁3的兩端分別與第一框架柱1-1和第二框架柱1-2頂端固定，所述移動橫梁2設(shè)置在第一框架柱1-1和第二框架柱1-2之間且位于上橫梁3下方；所述移動橫梁2底部安裝有若干個豎向液壓油缸12，所述上橫梁3上安裝有起重裝置4，移動橫梁2頂端設(shè)有與該起重裝置4相配的吊點5 ;所述前擋板包括一塊透明有機玻璃擋板16和由若干根熱軋槽鋼組成的槽鋼擋板19，后擋板由若干根熱軋槽鋼組成，其中有機玻璃擋板16的長度與熱軋槽鋼的長度相同，高度為單根熱軋槽鋼高度的倍數(shù)，具有一定的厚度，有機玻璃擋板16上切割有一個與實驗?zāi)Ｐ蜋M截面形狀相同的孔洞，孔洞上設(shè)有蓋板17 ;有機玻璃擋板16和槽鋼擋板19的兩端分別與第一框架柱1-1和第二框架柱1-2通過同軸固定螺栓20固接，有機玻璃擋板16位于槽鋼擋板19的內(nèi)側(cè)，前后擋板之間設(shè)有若干根同軸拉桿螺栓21，所述同軸拉桿螺栓21設(shè)置在前后擋板的三等分點處，所述同軸拉桿螺栓21與前后擋板之間采用螺母固定。
[0020]位于有機玻璃擋板外側(cè)的槽鋼采用槽口向內(nèi)的方式與有機玻璃擋板之間通過同軸固定螺栓20和同軸拉桿螺栓21進行固定和拉結(jié)，其他部位的槽鋼均采用槽口向外的方式通過同軸固定螺栓20和同軸拉桿螺栓21進行固定和拉結(jié)。所述有機玻璃擋板的高度為3?4根熱軋槽鋼的高度之和，有機玻璃擋板16上開設(shè)有同軸固定螺栓孔11和同軸拉桿螺栓孔18。在巖土體填充和加載過程中有機玻璃擋板與槽鋼擋板協(xié)同工作，限制巖土體的位移和變形，產(chǎn)生三維應(yīng)力場；在開挖過程中，部分前側(cè)槽鋼將要拆除，但不會影響有機玻璃擋板的固定和拉結(jié)狀態(tài)，此時有機玻璃擋板將承擔約束巖土體的作用，保持硐室圍巖的三維應(yīng)力場，同時可以讓實驗人員能夠準確地觀測量硐室圍巖的變形。
[0021]所述框架柱要求具有較大的剛度，在加載過程中不能產(chǎn)生變形，優(yōu)選為框架鋼柱。所述框架柱分別由兩根第一槽鋼14通過第一綴板9經(jīng)綴板螺栓10固定組合而成，每根槽鋼14由三塊鋼板焊接而成，所述第一槽鋼14內(nèi)部間隔一定距離設(shè)置第一加勁肋15。所述移動橫梁要求具有較大的剛度，在加載過程中不能產(chǎn)生變形，所述移動橫梁由兩根第二槽鋼13通過第二綴板23經(jīng)焊接組合而成，每根槽鋼13由三塊鋼板焊接而成，所述第二槽鋼13內(nèi)部間隔一定距離設(shè)置第二加勁肋24。所述上橫梁3由兩根熱軋槽鋼組合而成。所述第一框架柱1-1、第二框架柱1-2與柱腳底板7之間分別采用焊接。所述加載框架的內(nèi)凈空尺寸長 X 寬 X 高為 5000mmX 300mmX 2000mm。
[0022]所述框架柱的內(nèi)側(cè)面左右對稱地安裝有若干個側(cè)向液壓油缸，能夠模擬不同側(cè)壓力條件；所述移動橫梁的底部安裝有若干個豎向液壓油缸，能夠模擬各種豎向壓力條件；所述上橫梁上安裝有起重裝置，可以用于移動橫梁的上下位置及巖土體前后擋板的吊裝，通過安裝在上橫梁上的起重裝置，所述移動橫梁能夠沿框架鋼柱上下移動，可以滿足不同埋深實驗條件的需要；切割下來的有機玻璃擋板可以作為蓋板在模型開挖前起到擋板的作用；同軸拉桿螺栓的設(shè)置，可以用來增加擋板的剛度，在液壓油缸加載過程中能夠沿實驗?zāi)Ｐ偷那昂蠓较驅(qū)r土體產(chǎn)生約束作用，在巖土體中產(chǎn)生三維應(yīng)力場。
[0023]開始實驗時，首先，根據(jù)隧道或硐室模型的大小和埋深位置，通過起重裝置4調(diào)整移動橫梁2的位置，自下而上采用槽口向外的方式安裝前擋板中的槽鋼擋板19以及后擋板，用同軸固定螺栓20將其固定在第一框架柱1-1和第二框架柱1-2上，并且用同軸拉桿螺栓21將前后兩塊槽鋼擋板拉緊固定，每安裝好一對前、后擋板中的槽鋼后，用巖土體填充材料22進行填充并夯實。
[0024]當?shù)竭_隧道或硐室模型位置附近時，先要將有機玻璃擋板16放置在加載裝置的前側(cè)，用洞口蓋板17將洞口蓋住，然后再安裝前后側(cè)槽鋼擋板。其中有機玻璃擋板外側(cè)的槽鋼擋板將采用槽口向內(nèi)的方式進行安裝，其他部位的槽鋼擋板均采用槽口向外的方式進行安裝，如圖7所示，有機玻璃擋板16和其外側(cè)的槽鋼擋板19采用的是同軸固定螺栓20和同軸拉桿螺栓21進行固定和拉緊，這樣，當有機玻璃擋板外側(cè)槽鋼擋板拆除時就不會對有機玻璃擋板的固定和拉緊狀態(tài)產(chǎn)生影響；將傳感器布置在隧道或硐室模型周圍，填充巖土體填充材料22并夯實。
[0025]繼續(xù)安裝剩余的槽鋼并填充夯實巖土體填充材料22直至達到實驗條件所要求的高度為止。巖土體填充材料的夯實密度應(yīng)嚴格按照實驗條件進行控制。安裝完成后的實驗加載裝置如圖6所示。
[0026]如圖8所不,開動側(cè)向液壓油缸6和豎向液壓油缸12對巖土體填充材料22同時施加側(cè)向壓力和豎向壓力，達到實驗條件所要求的三向應(yīng)力條件后進入穩(wěn)定控制階段，將隧道或硐室模型前側(cè)的槽鋼擋板19拆除，將有機玻璃擋板16暴露出來，重新檢測巖土體填充材料的應(yīng)力場變化情況并進行調(diào)整。將洞口蓋板17拆除后，可以按照實驗?zāi)康倪M行各種開挖工法及襯砌實驗，形成隧道或硐室開挖斷面25。
【權(quán)利要求】
1.一種隧道模型實驗加載裝置，其特征在于:所述加載裝置包括加載框架、位于加載框架正面的前擋板、以及位于加載框架背面的后擋板，所述加載框架包括框架柱、移動橫梁和上橫梁，移動橫梁和上橫梁分別與框架柱垂直；所述框架柱包括豎直設(shè)置的第一框架柱和第二框架柱，第一框架柱和第二框架柱的內(nèi)側(cè)面對稱安裝有若干個側(cè)向液壓油缸，所述第一框架柱和第二框架柱的底部分別設(shè)有柱腳底板，所述柱腳底板通過地腳螺栓安裝在混凝土基座上；所述上橫梁兩端分別與第一框架柱和第二框架柱頂端固定，所述移動橫梁設(shè)置在第一框架柱和第二框架柱之間且位于上橫梁下方；所述移動橫梁底部安裝有若干個豎向液壓油缸，所述上橫梁上安裝有起重裝置，移動橫梁頂端設(shè)有與該起重裝置相配的吊點；所述前擋板包括一塊透明有機玻璃擋板和由若干根熱軋槽鋼組成的槽鋼擋板，后擋板由若干根熱軋槽鋼組成，其中有機玻璃擋板的長度與熱軋槽鋼的長度相同，高度為單根熱軋槽鋼高度的倍數(shù)，具有一定的厚度，有機玻璃擋板上切割有一個與實驗?zāi)Ｐ蜋M截面形狀相同的孔洞，孔洞上設(shè)有蓋板；有機玻璃擋板和槽鋼擋板的兩端分別與第一框架柱和第二框架柱通過同軸固定螺栓固接，有機玻璃擋板位于槽鋼擋板的內(nèi)側(cè)，前后擋板之間設(shè)有若干根同軸拉桿螺栓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道模型實驗加載裝置，其特征在于:位于有機玻璃擋板外側(cè)的槽鋼采用槽口向內(nèi)的方式與有機玻璃擋板之間通過同軸固定螺栓和同軸拉桿螺栓進行固定和拉結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隧道模型實驗加載裝置，其特征在于:所述有機玻璃擋板的高度為3?4根熱軋槽鋼的高度之和，有機玻璃擋板上開設(shè)有同軸固定螺栓孔和同軸拉桿螺栓孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道模型實驗加載裝置，其特征在于:所述加載框架的內(nèi)凈空尺寸長 X 寬 X 高為 5000mmX 300mmX 2000mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道模型實驗加載裝置，其特征在于:所述框架柱分別由兩根第一槽鋼通過第一綴板經(jīng)綴板螺栓固定組合而成，每根槽鋼由三塊鋼板焊接而成，所述第一槽鋼內(nèi)部按照一定的間隔設(shè)置第一加勁肋。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道模型實驗加載裝置，其特征在于:所述移動橫梁由兩根第二槽鋼通過第二綴板經(jīng)焊接組合而成，每根槽鋼由三塊鋼板焊接而成，所述第二槽鋼內(nèi)部按照一定的間隔設(shè)置第二加勁肋。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道模型實驗加載裝置，其特征在于:所述上橫梁由兩根熱軋槽鋼組合而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道模型實驗加載裝置，其特征在于:所述同軸拉桿螺栓設(shè)置在前后擋板的三等分點處。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道模型實驗加載裝置，其特征在于:所述第一框架柱、第二框架柱與柱腳底板之間分別采用焊接。
【文檔編號】G01N3/02GK104297051SQ201410494973
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】楊建輝, 呂金炭, 劉大衛(wèi), 文獻民, 曲晨, 姜魯珍 申請人:浙江科技學(xué)院, 福建榮盛鋼結(jié)構(gòu)實業(yè)有限公司