本发明专利技术公开了一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，包括约束结构，约束结构用于固定试样，试样固定设置在约束结构的内部；加压系统包括第一和第二加压系统，第一加压系统和第二加压系统对称设置在试样的左右两侧，第一或第二加压系统用于提供均匀荷载；第一或第二加压系统与试样之间均设置有荷载转化系统，荷载转化系统用于第一加压系统或第二加压系统的均匀荷载转化为非均匀荷载；本发明专利技术通过在通过在第一加压系统或第二加压系统与试样之间设置荷载转化系统，将加压系统施加的均匀荷载转化为非均匀荷载，减小了非均匀荷载的梯度，更好的模拟隧道开挖中岩体的实际受力状况，确保试验数据的准确性，为实际施工提供更加可靠的理论支撑。
A simulation device of tunnel excavation under non-uniform lateral load
【技术实现步骤摘要】
一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置
本专利技术涉及隧道开挖模型试验
，特别涉及一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置。
技术介绍
随着公路工程迅速发展，山岭地区公路修建已成为交通网发展的总体趋势；因而，隧道开挖后围岩稳定性已成为主要课题，其室内模型试验主要以均匀侧向荷载为主，单向、双向与三向加载均已实现，加压方式以液压为主，实现对隧道开挖导致围岩变形和应力变化状况的模拟，指导隧道施工。为进一步模拟隧道实际受力状况，将模型侧向均布荷载转化为梯形或三角形荷载；目前，采用在模型侧边竖向布设多个千斤顶，通过不同千斤顶加载实现对侧向不均匀荷载的施加；而施加的阶梯状荷载的梯度较大，试验数据的质疑性较大，试验结果误差较大。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，以解决现有技术中施加的阶梯状荷载梯度较大，试验数据质疑性较大的技术问题。为达到实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供了一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，包括约束结构、加压系统及荷载转化系统；约束结构用于固定试样，试样固定设置在约束结构的内部；加压系统包括第一加压系统和第二加压系统，第一加压系统和第二加压系统对称设置在试样的左右两侧，第一加压系统及第二加压系统用于提供均匀荷载；第一加压系统或第二加压系统与试样之间均设置有荷载转化系统，荷载转化系统的一端与第一加压系统或第二加压系统连接，荷载转化系统的另一端与试样的侧壁连接，荷载转化系统用于第一加压系统或第二加压系统的均匀荷载转化为非均匀荷载。进一步的，荷载转化系统包括上撑板、下撑板、左侧约束板、右侧约束板、固定杆、若干垫条及活动加载板；上撑板和下撑板上下平行间隔设置，左侧约束板和右侧约束板竖向间隔平行设置在上撑板与下撑板之间，上撑板、下撑板、上撑板及下撑板组合形成中空箱体结构，上撑板与下撑板之间通过固定杆固定连接；若干垫条水平设置在中空箱体结构中，垫条的轴线方向与试样的侧壁垂直；若干垫条的刚度不同，不同刚度的垫条按照从上到下刚度依次递增的方式布设；活动加载板竖向设置在垫条的一端，且位于远离试样的一端；活动加载板的上下两端分别与上撑板及下撑板滑动连接。进一步的，加压系统还包括第三加压系统和第四加压系统；第三加压系统设置在试样的顶部中心，第四加压系统设置在试样的后端中心处；第三加压系统或第四加压系统的一端与约束结构固定连接，另一端与试样连接；第三加压系统和第四加压系统均采用液压系统，液压系统与试样之间设置有固定加载板。进一步的，第一加压系统和第二加压系统均采用液压系统，液压系统的一端与约束结构连接，液压系统的另一端与荷载转化系统的一端连接。进一步的，约束结构包括环形闭合梁、第一约束横梁、第二约束横梁及底座；环形闭合梁设置在试样的外侧，第一约束横梁设置在试样的前端，第二约束横梁设置在试样的后端，第一约束横梁或第二约束横梁的两端分别与环形闭合梁固定连接；底座设置荷载转化系统及试样的下方，荷载转化系统及试样均通过底座与环形闭合梁固定连接。进一步的，还包括应力监测装置，应力监测装置对称布设在试样的侧壁上。进一步的，应力监测装置采用应变片、应力盒或应力百分表。进一步的，还包括带孔加载板，带孔加载板固定设置在试样的前端。进一步的，垫条与上撑板或下撑板之间设置有滚筒，滚筒的两端转动连接在上撑板或下撑板上，滚筒的轴线与垫条的轴线垂直。进一步的，活动加载板与上撑板或下撑板之间设置有润滑剂。与现有技术比，本专利技术的有益效果有：本专利技术提供了一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，通过在第一加压系统或第二加压系统与试样之间设置荷载转化系统，通过荷载转化系统，将加压系统施加的均匀荷载转化为非均匀荷载，减小了非均匀荷载的梯度，更好的模拟隧道开挖中岩体的实际受力状况，确保了试验数据的准确性，为实际施工提供了更加可靠的理论支撑。进一步的，荷载转化装置中通过均匀布设的不同刚度的垫条，基于微分原理，利用垫条将加压系统施加的均匀何在转化为三角形或梯形荷载，降低了非均匀荷载的梯度值，达到均匀递变荷载的效果，更好地模拟隧道实际受力情况，提高了试验数据的准确性。进一步的，通过设置在试样的顶部和后端设置加压系统，实现了模拟装置的三向加载，更加准确地模拟了地下隧道的实际受力情况。进一步的，通过设置环形闭合梁及约束横梁，实现了对试样的固定，确保了试验过程中试样的稳定性，提高了试验结果的准确行。进一步的，通过在试样的表面设置应力监测装置，实现了对试样的破坏应力及变形特征的实时监测。进一步的，通过试样的前端设置带孔加载板，钻机通过带孔加载板上的预留孔，对试样进行钻孔，更加准确的模拟实际开挖过程，提高了装置的模拟度，确保了试验数据的真实性和实际性。进一步的，通过在垫条与撑板之间设置滚筒，将垫条与撑板之间的刚性摩擦转化为活动摩擦，使垫条的变形更加均匀，降低了装置的误差。进一步的，通过在撑板与活动加载板之间设置润滑剂，降低了撑板与活动加载板之间的刚性摩擦。附图说明图1为本专利技术所述的隧道开挖模拟装置的整体结构主视示意图；图2为图1中Ⅰ-Ⅰ处的剖视结构示意图；图3为图1中Ⅱ-Ⅱ处的剖视结构示意图；图4为本专利技术所述的隧道开挖模拟装置中的荷载转化系统的主视示意图；图5为图4中Ⅲ-Ⅲ处的剖视结构示意图；图6为本专利技术所述的隧道开挖模拟装置中的加载结构俯视示意图；图7为本专利技术所述的隧道开挖模拟装置中的应力监测装置布置及荷载分布示意图。其中，1约束结构，2加压系统，3荷载转化系统，4应力监测装置，5带孔加载板，6试样；11环形闭合梁，12第一约束横梁，13第二约束横梁，14约束板，15第一底座，16第二底座，17第三底座；21第一加压系统，22第二加压系统，23第三加压系统，24第四加压系统，25固定加载板，26带孔加载板；31上撑板，32下撑板，33左侧约束板，34右侧约束板，35固定杆，36滚筒，37垫条，38活动加载板。具体实施方式下面结合本专利技术实施例的附图对本专利技术实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本专利技术的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。如附图1-7所示，本专利技术提供了一种非均匀荷载下隧道开挖模拟装置，包括约束结构1、加压系统2、荷载转化系统3、应力监测装置4及带孔加载板5，约束结构1用于固定试样6，试样6固定设置在约束结构1的内部。加压系统2包括第一加压系统21、第二加压系统22、第三加压系统23、第四加压系统24、固定加载板25及带孔加载板26；第一加压系统21和第二加压系统22对称设置在试样6的左右两侧；第一加压系统21及第二加压系统22用于提供均匀荷载，第一加压系统21或第二加压系统22与试样6之间设置有荷载转化系本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，包括约束结构(1)、加压系统(2)及荷载转化系统(3)；约束结构(1)用于固定试样(6)，试样(6)固定设置在约束结构(1)的内部；/n加压系统(2)包括第一加压系统(21)和第二加压系统(22)，第一加压系统(21)和第二加压系统(22)对称设置在试样(6)的左右两侧，第一加压系统(21)及第二加压系统(22)用于提供均匀荷载；/n第一加压系统(21)或第二加压系统(22)与试样(6)之间均设置有荷载转化系统(3)，荷载转化系统(3)的一端与第一加压系统(21)或第二加压系统(22)连接，荷载转化系统(3)的另一端与试样(6)的侧壁连接，荷载转化系统(3)用于第一加压系统(21)或第二加压系统(22)的均匀荷载转化为非均匀荷载。/n
【技术特征摘要】
1.一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，包括约束结构(1)、加压系统(2)及荷载转化系统(3)；约束结构(1)用于固定试样(6)，试样(6)固定设置在约束结构(1)的内部；
加压系统(2)包括第一加压系统(21)和第二加压系统(22)，第一加压系统(21)和第二加压系统(22)对称设置在试样(6)的左右两侧，第一加压系统(21)及第二加压系统(22)用于提供均匀荷载；
第一加压系统(21)或第二加压系统(22)与试样(6)之间均设置有荷载转化系统(3)，荷载转化系统(3)的一端与第一加压系统(21)或第二加压系统(22)连接，荷载转化系统(3)的另一端与试样(6)的侧壁连接，荷载转化系统(3)用于第一加压系统(21)或第二加压系统(22)的均匀荷载转化为非均匀荷载。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，荷载转化系统(3)包括上撑板(31)、下撑板(32)、左侧约束板(33)、右侧约束板(34)、固定杆(35)、若干垫条(37)及活动加载板(38)；上撑板(31)和下撑板(32)上下平行间隔设置，左侧约束板(33)和右侧约束板(34)竖向间隔平行设置在上撑板(31)与下撑板(32)之间，上撑板(31)、下撑板(32)、上撑板(31)及下撑板(32)组合形成中空箱体结构，上撑板(31)与下撑板(32)之间通过固定杆(35)固定连接；若干垫条(37)水平设置在中空箱体结构中，垫条(37)的轴线方向与试样(6)的侧壁垂直；若干垫条(37)的刚度不同，不同刚度的垫条(37)按照从上到下刚度依次递增的方式布设；活动加载板(38)竖向设置在垫条(37)的一端，且位于远离试样(6)的一端；活动加载板(38)的上下两端分别与上撑板(31)及下撑板(32)滑动连接。
3.根据权利要求1所述的一种非均匀侧向荷载下隧道开挖模拟装置，其特征在于，加压系统(2)还包括第三加压系统(23)和第四加压系统(24)；第三加压系统(23)设置在试样(6)的顶部中心，第四加压系统(24)设置在试样(6)的后端中心处；第三加压系统(23)或第四加压系统(2...
【专利技术属性】
技术研发人员：范祥，杨治军，李龙，刘毅鑫，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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