一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，包括：隧道二衬模型，用于作为试验对象，模拟隧道本身的结构；外部荷载抗力子系统，沿隧道二衬模型外表面全周布设，用于对隧道二衬模型施加变化的外部载荷，模拟围岩与隧道之间的相互作用；量测子系统，设置于隧道二衬模型上，用于对隧道二衬模型在受到外部荷载抗力子系统的作用前后的相关数据进行采集；伺服控制器，分别与外部荷载抗力子系统和量测子系统连接，用于接收量测子系统采集的相关数据，并控制外部荷载抗力子系统对隧道二衬模型施加外部载荷的程度。与现有技术相比，本发明专利技术具有实际荷载环境模拟程度高、试验准确程度高以及和原型的匹配程度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统
本专利技术涉及隧道工程物理模型试验
，尤其是涉及一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统。
技术介绍
与桥梁、工民建等地上建筑不同，隧道等地下结构由于埋置于复杂的岩土介质体中，致使结构承载能力、力学性态以及与周围岩土体的相互作用机理等等问题存在很大的不确定性，单纯理论分析和数值解析计算结果与工程实际情况有较大的出入，很难用作确切的设计依据。物理模型试验因其可以较好的模拟结构实际受力情况及变形破损特征、有效验证设计施工方案合理性而倍受青睐，近些年在隧道等地下工程建设运维技术攻关中得到广泛应用。当前，随着地下工程技术和建设规模的迅速发展，修建于软弱破碎围岩或不良地质区段的隧道工程不断增多，周边工程扰动或自然条件演变导致运营期结构外部荷载出现变化，诱发较大变形、甚至开裂，严重影响结构承载安全和使用性能。当前对带病害结构力学性能及加固方法的研究还不够深入，已有技术尚不成熟，“处治方案不合理”、“治标不治本”的情况时有发生，通过室内模型试验真实模拟隧道衬砌结构力学行为、指导加固维修愈发迫切。目前大多数的实验装置主要分为两类，一种是基于地层结构计算理论的模型试验箱，这种设备一方面无法满足较大比例的模型试验，另一方面较难模拟结构实际的荷载环境，岩土体介质物理力学参数的相似也很难实现；另外一种装置就是基于荷载结构计算理论的试验架，这种设备大多数都是将局部衬砌视为受力结构，忽略了实际工程中周围地层对结构变形的约束作用，致使最终实验结果出现很大偏差，无法反推回原型；此外，当前涉及隧道加固维修的仪器设备，研发较少，尚未见详细报道。专利
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题提供一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，所述试验系统包括：隧道二衬模型，用于作为试验对象，模拟隧道本身的结构；外部荷载抗力子系统，沿隧道二衬模型外表面全周布设，用于对隧道二衬模型施加变化的外部载荷，模拟围岩与隧道之间的相互作用；量测子系统，设置于隧道二衬模型上，用于对隧道二衬模型在受到外部荷载抗力子系统的作用前后的相关数据进行采集；伺服控制器，分别与外部荷载抗力子系统和量测子系统连接，用于接收量测子系统采集的相关数据，并控制外部荷载抗力子系统对隧道二衬模型施加外部载荷的程度。优选地，所述外部荷载抗力子系统包括多组载荷施加模块，所述载荷施加模块沿隧道二衬模型的外表面环向均匀布设，并与伺服控制器连接，每两组载荷施加模块之间的角度差为20～30°。优选地，所述载荷施加模块包括由外到内依次连接的千斤顶、压力传感器、连接板、压缩弹簧和弧形传力板，所述弧形传力板与隧道二衬模型的外表面连接，所述千斤顶和压力传感器均与伺服控制器连接。优选地，隧道结构原型与所述隧道二衬模型的相似比为3～30。优选地，所述量测子系统包括应变片、数控位移计和显微镜，所述应变片分别设置于隧道二衬模型的内表面和外表面，所述数控位移计与隧道二衬模型连接，所述显微镜位于隧道二衬模型的旁侧，所述应变片、数控位移计和显微镜均与伺服控制器连接。优选地，所述试验系统还包括加固子模块，所述加固子模块通过现场浇筑或黏贴的方式设置于隧道二衬模型的内表面，并与量测子系统连接。优选地，所述加固子模块包括套拱、黏钢或纤维，所述套拱通过现场浇筑的方式与隧道二衬模型的内表面连接，所述黏钢和纤维均通过黏贴的方式与隧道二衬模型的内表面连接。优选地，所述加固子模块与隧道二衬模型之间还设有连接分离机构，所述连接分离机构包括短锚杆、防水板、销钉或压条。优选地，所述试验系统还包括设置于隧道二衬模型下方的辅助支撑子系统，所述辅助支撑子系统包括由上至下依次布置的滚珠、实心木板和混凝土砌块，所述隧道二衬模型设置于滚珠上，所述混凝土砌块直接放置于地面上。优选地，所述试验系统还包括设置于外部荷载抗力子系统外侧的反力子系统，所述反力子系统包括钢板反力架和环箍，所述外部荷载抗力子系统与钢板反力架连接，所述环箍设置于钢板反力架的外侧，所述钢板反力架的弧度与隧道二衬模型一致。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术通过在隧道二衬模型外表面全周布设外部荷载抗力子系统，而且该外部荷载抗力子系统通过伺服控制器来进行控制，从而可以实现对实际荷载环境的模拟，解决了现有基于地层结构计算理论的模型试验箱对于荷载环境模拟不准确的问题；而且由于该外部荷载抗力子系统是全周布设于隧道二衬模型外部，解决了现有基于荷载结构计算理论的实验架只能将局部衬砌视为受力结构而忽略了周围地层对结构变形约束作用的问题，因此本专利技术中的试验系统，模拟准确，试验结果符合实际情况，对于地下工程有着精确的指导作用。(2)外部荷载抗力子系统包括多组载荷施加模块，沿隧道二衬模型的外表面环向均匀布设，并与伺服控制器连接，每两组载荷施加模块之间的角度差为20～30°，这样的布设方式，分布均匀，既可模拟整体受力又可模拟局部受力，因此可以较为真实的模拟围岩对结构变形的约束作用。(3)载荷施加模块包括由外到内依次连接的千斤顶、压力传感器、连接板、压缩弹簧和弧形传力板，通过千斤顶实现隧道结构外部荷载环境的模拟，包括拱顶松动荷载、偏压荷载、塑性地压等形式；为有效模拟围岩与隧道相互作用，采用弹簧，并按照抗力系数相似比为1的原则进行控制，实现柔性加载的同时，真实反映围岩对结构变形的约束作用；模拟加载用的千斤顶通过连接板与弹簧组成一套模块借助弧形传力板将集中力转换为均布荷载，施加给隧道结构。(4)隧道结构原型与所述隧道二衬模型的相似比为3～30，这样的相似比，可以较好的保证隧道二衬模型的模拟效果。(5)量测子系统包括应变片、数控位移计和显微镜，数控位移计分断面径向位移监测与整体下沉监测两种，断面径向位移测点与千斤顶匹配，每只千斤顶布设一组测点，整体下沉测点布置在两侧边墙起拱线处；隧道二衬模型内外表面黏贴应变片监测结构应力，沿环向每20～30°布设1组，加固过程中，原有应变片不拆除，加固后，加固结构内表面黏贴应变边；针对张开发展的裂缝，利用显微镜精细观察裂缝发展情况；综合断面径向位移、整体下沉及应变数据，可自动分析结构刚度退化情况，从而得到较为精确的试验数据，对于地下工程起到精确的指导作用。(6)试验系统还包括加固子模块，通过现场浇筑或黏贴的方式设置于隧道二衬模型的内表面，并与量测子系统连接，通过加固子模块的设置，可以精确模拟隧道在加固维修时以及加固维修后的隧道受力情况，而且该加固子模块是通过现场浇筑或黏贴的方式来实现的，真实模拟了加固维修的情况，解决了现有技术中无法模拟加固维修对隧道产生的影响的问题。(7)加固子模块包括套拱、黏钢或纤维，套拱通过现场浇筑的方式与隧道二衬模型的内表面连接，黏钢和纤维均通过黏贴的方式与隧道二衬模型的内表面连接，根据实际情况选择加固子模块采用的材料，并根据该材料选择相应的模拟加固方式，符合实际情况而且选择灵活，适合普遍推广。(8)加固子模块与隧道二衬模型之间还设有连接分离机构，所述连接分离机构包括短锚杆、防水板、销钉或压条，该连接分离机构可以有效模拟新旧结构之间的相互作用；而且模拟的方式灵活，可以根据实际情况进行选择，因此模拟效果较好，提高了整个试验装置的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述试验系统包括：隧道二衬模型，用于作为试验对象，模拟隧道本身的结构；外部荷载抗力子系统，沿隧道二衬模型外表面全周布设，用于对隧道二衬模型施加变化的外部载荷，模拟围岩与隧道之间的相互作用；量测子系统，设置于隧道二衬模型上，用于对隧道二衬模型在受到外部荷载抗力子系统的作用前后的相关数据进行采集；伺服控制器，分别与外部荷载抗力子系统和量测子系统连接，用于接收量测子系统采集的相关数据，并控制外部荷载抗力子系统对隧道二衬模型施加外部载荷的程度。

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述试验系统包括：隧道二衬模型，用于作为试验对象，模拟隧道本身的结构；外部荷载抗力子系统，沿隧道二衬模型外表面全周布设，用于对隧道二衬模型施加变化的外部载荷，模拟围岩与隧道之间的相互作用；量测子系统，设置于隧道二衬模型上，用于对隧道二衬模型在受到外部荷载抗力子系统的作用前后的相关数据进行采集；伺服控制器，分别与外部荷载抗力子系统和量测子系统连接，用于接收量测子系统采集的相关数据，并控制外部荷载抗力子系统对隧道二衬模型施加外部载荷的程度。2.根据权利要求1所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述外部荷载抗力子系统包括多组载荷施加模块，所述载荷施加模块沿隧道二衬模型的外表面环向均匀布设，并与伺服控制器连接，每两组载荷施加模块之间的角度差为20～30°。3.根据权利要求2所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述载荷施加模块包括由外到内依次连接的千斤顶、压力传感器、连接板、压缩弹簧和弧形传力板，所述弧形传力板与隧道二衬模型的外表面连接，所述千斤顶和压力传感器均与伺服控制器连接。4.根据权利要求1所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，隧道结构原型与所述隧道二衬模型的相似比为3～30。5.根据权利要求1所述的用于模拟隧道变形破坏特性的试验系统，其特征在于，所述量测子系统包括应变片、数控位移计和显微镜，所述应变片分别设置于隧道二衬模型的内表...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学增，郭乔堃，唐精，桑运龙，杨帆，赵芳，师刚，
申请(专利权)人：同济大学，上海同岩土木工程科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31