一种不规则边界条件相似材料模拟试验装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种不规则边界条件相似材料模拟试验装置和方法，装置包括试验箱、伸缩板、传递钢板、液压千斤顶、加力钢架、支撑钢架和三角直棱柱刚体；所述伸缩板由内活动板、安装孔、螺栓和外活动板组成，伸缩板的长度可以通过所述螺栓与所述外伸缩板的安装位置调节；箱体上还可以设置可密封的圆形开口，试验装置优选地还包括螺杆挖掘装置和支撑壳体。试验时通过调整伸缩板高度和三角直棱柱刚体排布方式可形成高低起伏的平面，对模拟材料加压后可形成具有多层结构的模拟岩层；还可进行水下隧道挖掘模拟试验，测试渗水量、渗水压、渗水位置、隧道的坍塌风险等，对实际水下隧道工程具有重要的参考和指导意义。

A Simulated Test Device and Method for Similar Materials with Irregular Boundary Conditions

The invention relates to a simulation test device and method for similar materials with irregular boundary conditions, which comprises a test box, a telescopic plate, a transfer steel plate, a hydraulic jack, an afterburner steel frame, a supporting steel frame and a triangular right prism rigid body; the telescopic plate consists of an inner movable plate, an installation hole, a bolt and an outer movable plate, and the length of the telescopic plate can be passed through the bolt and the outer expansion plate. The installation position can be adjusted; a sealed circular opening can also be arranged on the box body, and the test device preferably includes a screw excavator and a support shell. During the test, the high and low undulating plane can be formed by adjusting the height of the expansion plate and the arrangement of the triangular right prism rigid body, and the simulated rock strata with multi-layer structure can be formed by pressurizing the simulated material. The simulation test of underwater tunnel excavation can also be carried out to test the seepage volume, seepage pressure, seepage water level, tunnel collapse risk and so on, which has important reference and guidance for the actual underwater tunnel engineering. Significance.

【技术实现步骤摘要】
一种不规则边界条件相似材料模拟试验装置和方法
本专利技术属于岩土工程相似材料模拟试验
，具体涉及一种不规则边界条件相似材料模拟试验装置和方法。
技术介绍
科研问题的研究方法通常分为理论分析、实际观测与模拟实验三种。模拟实验与前两种研究方法相比，其优点为可人为控制和改变实验条件，从而可确定单因素或多因素对比研究问题影响的规律，实验效应直观清楚、实验周期短、见效快、费用低。相似模拟研究是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力学参数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，从而解决岩体工程生产中的实际问题。这种研究方法具有直观、简便、经济、快速以及实验周期短等优点。而且能够根据需要，通过固定某些参数，改变另一些参数来研究隧道围岩应力和掌子面附近支撑压力在空间与时间上的分布规律和变化情况以及某些参数对岩体压力的影响，这在现场条件下是难以实现的。现代工程中有许多需要在含承压水层的江底或海底进行隧道开挖，而且这些隧道上的岩土通常是起伏不平的，这就要求模拟实验设备首先需要能将相似材料制成与实际岩土层类似的表面起伏的实验岩土层，然后还可以在岩土表面注水模拟现有的承压水层，观察岩层的渗水情况，并且最好可以模拟隧道的地下挖掘工作，观察挖掘过程中渗漏发生情况。然而现有的相似材料模拟实验设备中还没有能模拟不规则边界条件下隧道开挖的渗流应力耦合相似模拟实验装置和方法。中国专利CN104807974B(申请号为201510233667.0)公开了一种相似材料煤层开采模拟试验台及试验方法，虽然解决了现有技术中的三维相似材料模拟试验台体型庞大笨重、结构复杂、机构冗杂、难以真实有效地模拟煤层开采、固定式不可拆卸的实际问题，并且尤其提到：“专利技术的托板通过升降式连接组件可升降连接在栅格底板上栅格位置处，能够根据需要调节托板的高度和角度，能够真实地模拟波状起伏的煤层或地层。”但是，此专利技术也有缺点：(1)过于精细化，实际模拟实验中并不方便操作，需要在每个托板周围安装托班四角升降柱，且安装完成之后相似材料也不方便注入围板内部；(2)由于此方面四周可拆卸，短边围护板扣手的存在使得此装置不能防止水的渗漏，此专利技术不能模拟含承压水层或者江底、海底的隧道开挖情况，不能模拟渗流应力的耦合问题。
技术实现思路
本专利技术目的是针对上述现状，旨在至少解决现有技术问题之一，设计一种不规则边界条件相似材料模拟试验装置和方法，可以制成高低起伏的模拟岩层，还可以设置承压水层观察渗水情况。本专利技术目的的实现方式为：一种不规则边界条件相似材料模拟试验装置，包括试验箱、伸缩板、传递钢板、液压千斤顶、加力钢架、支撑钢架和三角直棱柱刚体；所述试验箱为上部开口的长方体试验箱，所述支撑钢架设置在试验箱周围，所述加力钢架设置在试验箱上方并与支撑钢架连接，所述液压千斤顶固定在加力钢架下方，液压千斤顶的液压杆下方设置传递钢板且传递钢板与所述液压千斤顶水平紧密接触，传递钢板下方设置多个平行的高度可调的伸缩板，每个伸缩板下方设置一个三角直棱柱刚体；所述伸缩板包括内活动板和外活动板，内活动板与上方的传递钢板紧密接触；外活动板为中空壳体且上面设有多个不同高度的同时穿过壳体两侧的安装孔，螺栓穿过安装孔将外活动板套装在内活动板的下方；所述三角直棱柱刚体由多个不同长度和角度的三角直棱柱组成。本专利技术通过设置多个伸缩板和三角直棱柱刚体配合可以形成高低起伏的形状，液压千斤顶通过传递钢板对多个伸缩钢板同时施加压力，可以将试验箱中的相似材料压实制成高低起伏的模拟岩层，可模拟实际情况对岩层进行各种测试。本专利技术的实验装置简单可行，操作方便，且可通过调整伸缩板的高度排布以及选择不同的三角直棱柱刚体排布方式，可以形成各种不同高低起伏的模拟岩层，也方便支撑多层结构的模拟岩层。本专利技术的试验箱上部开口，可方便向其中注水进行渗水实验。本专利技术中三角直棱柱刚体可以直接放置在伸缩板下方，也可以通过双面胶等粘接材料将其粘接在伸缩板下方，方便更换设计不同的起伏角度，且可重复利用。优选地，所述试验箱前、后、左或/和右面的下部还设有若干个圆形开口，圆形开口上设有可拆卸的密封盖。本方案的密封盖可通过螺纹与圆形开口连接且之间设有密封圈保证良好的密封效果，可以根据需要在试验箱的四个侧面中一面或多面设置圆形开口，测试渗水性能时可以在圆形开口下方设置量筒，测试该位置的渗水量和渗水速度。实际水下隧道挖掘过程可根据模拟情况选择合适高度的岩层以及承压水层进行隧道开挖，避免大量渗水情况的发生。优选地，圆形开口外侧还设有螺杆挖掘装置，所述螺杆挖掘装置包括旋转刀头、螺杆输送机和直线电机；螺杆输送机固定在直线电机上，刀头设置螺杆输送机的进料口端并固定在螺杆头部。本方案的装置可以从圆形开孔处使用螺杆挖掘装置进行挖掘，模拟从该位置进行挖掘过程中是否会存在坍塌风险。实际水下隧道挖掘过程可根据模拟情况选择合适的坍塌风险更小的挖掘路径，避免坍塌的发生。进一步优选地，试验装置还包括圆柱形的支撑壳体，壳体的直径与螺杆挖掘装置的刀头直径相同。本方案支撑壳体可以模拟实际挖掘过程中的盾构支护，使模拟挖掘过程更接近实际情况。进一步优选地，所述支撑壳体顶部设有若干个圆孔且每个圆孔中放置一个试管，试管底部正好与支撑壳体底部接触。本方案的支撑壳体既可以模拟盾构支护，还同时可以测试挖掘隧道内的渗水位置和不同位置的渗水量。实际水下隧道挖掘过程中可根据模拟测试中渗水位置和渗水量对支撑壳体防水处理，避免影响挖掘进度。本专利技术中内活动板那和外活动板的连接方式可以是：螺栓通过安装孔与所述外活动板连接，所述内活动板放置在所述螺栓上方。优选地，所述内活动板上也设有安装孔，螺栓同时穿过外活动板和内活动板上的固定孔并将两者固定。本方案的外活动板和内活动板通过螺栓固定后更方便在试验箱中安装排布，形成高低起伏的布局。优选地，外活动板在伸缩方向上每隔50mm有一组所述安装孔。安装孔的数目根据模型尺寸来定。优选地，所述试验箱由透明树脂板制成，试验箱前、后、下、左、右面的五个树脂板通过高强度胶粘结或通过膨胀螺丝连接。本方案的试验箱设置成透明的，更方便观察内部试验状况。优选地，所述试验箱的四个角上都有刻度线。本方案可以方便测量和观测相似材料注入的量，所述刻度线的单位优选为mm。本专利技术还提供使用上述装置进行不规则边界条件相似材料模拟试验方法，试验步骤如下：(1)在试验台上把所述试验箱组装完成，根据具体岩层产状的分布确定每层岩层的厚度，并记录和计算所需相似材料的重量以及每个伸缩杆所需伸缩的长度；(2)配置所需重量的相似材料；根据步骤(1)中的岩层分布厚度，在试验箱内初步铺设高低起伏的相似材料；(3)分别调节每个伸缩板的长度并将其布置在试验箱中，使内活动板上部与所述传递钢板水平紧密接触，且在伸缩板的下部外活动板下设置合适尺寸的三角直棱柱刚体，使其与步骤(2)中铺设好的相似材料紧密接触，并且多个三角直棱柱刚体的下表面形成设定的高低起伏的形状；(4)将传递钢板水平放置在布置好的伸缩板上，使用液压千斤顶对相似材料施加作用力模拟地应力将相似材料压实，可根据实际情况，铺设多层相似材料并压实；(5)待相似材料固化后，将液压千斤顶升起本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不规则边界条件相似材料模拟试验装置，其特征在于，包括试验箱、伸缩板、传递钢板、液压千斤顶、加力钢架、支撑钢架和三角直棱柱刚体；所述试验箱为上部开口的长方体试验箱，所述支撑钢架设置在试验箱周围，所述加力钢架设置在试验箱上方并与支撑钢架连接，所述液压千斤顶固定在加力钢架下方，液压千斤顶的液压杆下方设置传递钢板且传递钢板与所述液压千斤顶水平紧密接触，传递钢板下方设置多个平行的高度可调的伸缩板，每个伸缩板下方设置一个三角直棱柱刚体；所述伸缩板包括内活动板和外活动板，内活动板与上方的传递钢板紧密接触；外活动板为中空壳体且上面设有多个不同高度的同时穿过壳体两侧的安装孔，螺栓穿过安装孔将外活动板套装在内活动板的下方；所述三角直棱柱刚体由多个不同长度和角度的三角直棱柱组成。

【技术特征摘要】
1.一种不规则边界条件相似材料模拟试验装置，其特征在于，包括试验箱、伸缩板、传递钢板、液压千斤顶、加力钢架、支撑钢架和三角直棱柱刚体；所述试验箱为上部开口的长方体试验箱，所述支撑钢架设置在试验箱周围，所述加力钢架设置在试验箱上方并与支撑钢架连接，所述液压千斤顶固定在加力钢架下方，液压千斤顶的液压杆下方设置传递钢板且传递钢板与所述液压千斤顶水平紧密接触，传递钢板下方设置多个平行的高度可调的伸缩板，每个伸缩板下方设置一个三角直棱柱刚体；所述伸缩板包括内活动板和外活动板，内活动板与上方的传递钢板紧密接触；外活动板为中空壳体且上面设有多个不同高度的同时穿过壳体两侧的安装孔，螺栓穿过安装孔将外活动板套装在内活动板的下方；所述三角直棱柱刚体由多个不同长度和角度的三角直棱柱组成。2.根据权利要求1所述的不规则边界条件相似材料模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱前、后、左或/和右面的下部还设有若干个圆形开口，圆形开口上设有可拆卸的密封盖。3.根据权利要求2所述的不规则边界条件相似材料模拟试验装置，其特征在于，圆形开口外侧还设有螺杆挖掘装置，所述螺杆挖掘装置包括旋转刀头、螺杆输送机和直线电机；螺杆输送机固定在直线电机上，刀头设置螺杆输送机的进料口端并固定在螺杆头部。4.根据权利要求3所述的不规则边界条件相似材料模拟试验装置，其特征在于，试验装置还包括圆柱形的支撑壳体，壳体的直径与螺杆挖掘装置的刀头直径相同。5.根据权利要求书4所述的不规则边界条件相似材料模拟试验装置，其特征在于，所述支撑壳体顶部设有若干个圆孔且每个圆孔中放置一个试管，试管底部正好与支撑壳体底部接触。6.根据权利要求1到5任一项所述的不规则边界条件相似材料模拟试验装置，其特征在于，所述内活动板上也设有安装孔，螺栓同时穿过外活动板和内活动板上的固定孔并将两者固定。7.根据权利要求1到5任一项所述的不规则边界条件相似材...

【专利技术属性】
技术研发人员：王媛，王志奎，冯迪，牛玉龙，张育杰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32