自平衡双加载方式地质力学模型试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置及方法，所述的地质力学模型试验装置包括承力台架、垫板、底板、反力板、重力配重块、螺栓、隔离板、液压千斤顶、液压工作站和伺服控制器。承力台架由矩形方钢焊接相连，保证该装置的刚度要求同时便于隔离板的安装放置。所述垫板位于试验体以上，千斤顶(配重块)以下，从而保证试验过程中荷载均匀传递到试验体上。承力台架和反力板预留连接孔，通过螺栓拼接而成从而实现试验对不同加载荷载方式的要求。本发明专利技术装置结构简明、可重复使用，不受位置限制能够实验装置的迁移，同时本发明专利技术即能实现快速精确加荷，也能够实现长期稳定的加卸载方式。

【技术实现步骤摘要】
自平衡双加载方式地质力学模型试验装置及方法
本专利技术涉及一种地质力学模型试验系统，具体的说是一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置及方法。
技术介绍
随着经济的发展和交通运输量的增加，我国已经成为世界上隧道工程规模最大、数量最多、修建速度最快的国家。由于地质条件的复杂性、环境温度的周期性以及结构材料自身特性，极易引发隧道施工阶段的塌方、运营阶段的衬砌开裂掉块等灾害。因此，掌握隧道在不同荷载和因素下的变形规律、破坏机理以及如何采取行之有效的处理措施已经成为制约隧道发展的核心问题之一。针对这些问题现阶段主要有理论分析、数值模拟和地质力学模型试验，其中进行以相似理论为基础的地质力学模型试验一直是研究此类问题最普遍、有效的方法之一。要进行地质力学模型试验，就必须要有地质力学模型试验装置。目前，地质力学模型试验试验多数采用液压伺服控制的千斤顶，此类加载方式具有精度高、响应速度快、负载刚度大等优点，但也存在不易长期稳压的缺点。而隧道作为一种典型的地下结构有时需要考虑大埋深、高地应力、岩土体的固结蠕变、衬砌冻融循环等复杂条件，对隧道进行长期稳定加压的问题，同时还需要对隧道二次衬砌最大承载能力进行试验，因此迫切需要设计一种地质力学模型试验装置既能进行液压式加载，又能进行重力式加载。此外传统地质力学模型试验装置存在设备体积大、不可移动、且需特殊处理地基以施加载荷等不足，难以满足双加载方式的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述现在地质力学模型试验装置存在的问题，提供一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置及方法，可同时实现液压式和重力式加载，且装置为自平衡结构，不需要特殊地基处理。本专利技术采用的技术方案如下：一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，包括承力台架，设置在承力台架内部的垫板和垫板下方设置的地质力学模型；所述的承力台架为框形结构，内部安装有底板和隔离板；垫板下方填充有充填材料，垫板上方设置有若干只配重块；承力台架上方的设置有若干只反力板，每只反力板下方设置有液压千斤顶，液压千斤顶施压在垫板上，将力学载荷传递至地质力学模型。上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，隔离板上预留操作洞。上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，垫板包括底部钢板、中间的型钢和顶部的施力圆棒，所述的施压钢棒垂直于型钢长度方向设置。上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，液压千斤顶的活动端作用在施力圆棒中部。上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，若干只液压千斤顶分别通过油路连接至液压工作站，液压工作站与伺服控制器电连接。上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，承力台架和反力板通过螺栓固定为一体化结构。一种利用自平衡双加载方式地质力学模型试验装置进行二次衬砌模型的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：【1】二次衬砌模型的预制：根据地质力学模型试验的要求和相似原理，制作隧道二次衬砌模型的预制装置，并预制隧道二次衬砌模型；【2】力学加载试验：【2.1】根据试验要求在模型试验装置上布设应变片和应力计；【2.2】将围岩相似材料分层倒入模型试验装置内部，当达到设定高度时将步骤【1】中预制的二次衬砌模型放入，继续分层将围岩相似材料埋设到模型试验装置顶部，之后放置平板、垫板、反力板和液压千斤顶；【2.3】通过操作洞将位移传感器、裂缝检测仪、摄像仪放置于二次衬砌模型内部；【2.4】根据试验要求，先在垫板上放置配重块长时间稳定加压，模拟大埋深、高地应力、岩土体固结蠕变的围岩地质条件下二次衬砌应力应变，并对图像和数据进行分析；【2.5】逐步加大液压千斤顶载荷至二次衬砌模型裂损破坏进行模型承载试验，并对图像和数据进行分析。上述二次衬砌模型的试验方法中，步骤【1】二次衬砌模型的预制包括以下步骤：【1.1】物件准备：对隧道二次衬砌模型横断面按一定比例缩放，按照缩放后的二次衬砌模型结构制备相应尺寸的底板、顶板和拼接内模、外模的板材；【1.2】内模拼接：在底板上内模对应位置的通孔上插入固定柱，拼接内模至设定高度；【1.3】环向加强筋布设：在内模的外侧卷绕泡沫缓冲层，将定位支杆的一端插入泡沫缓冲层内；在二次衬砌模型浇筑空腔内布设外侧环向加强筋和内侧环向加强筋，使得外侧环向加强筋和内侧环向加强筋固定在定位支杆的外漏端；【1.4】外模拼接：拼接外模至设定高度，插入外模对应的固定柱，安装顶板，使得预制装置固为一体；【1.5】浇筑：将一定配合比的衬砌材料通过下料口浇筑进入预制空腔内，并静置设定的时间；【1.6】拆模：逐层拆除顶板、内模、外模和固定柱，清除泡沫缓冲层，得到二次衬砌模型。上述二次衬砌模型的试验方法中，所述的隧道二次衬砌模型的预制装置包括内模、外模、底板、顶板和若干只固定柱，内模和外模设置在底板和顶板之间并形成二次衬砌模型的浇筑空腔；所述的内模和外模在垂直方向均为若干只平板层叠构成，每只板材在水平方向均剖分成两半；所述的内模、外模、底板、顶板上在对应的位置处设置有若干只通孔，固定柱贯穿通孔将预制装置固定为一体；所述的顶板上设置有若干只下料口；内模的外侧设置有泡沫缓冲层。上述二次衬砌模型的试验方法中，内模和外模之间的空腔内设置有若干条外侧环向加强筋和内侧环向加强筋，所述的泡沫缓冲层上设置有若干只定位支杆，外侧环向加强筋和内侧环向加强筋固定在定位支杆上。本专利技术具有如下有益效果：一、本专利技术的地质力学模型试验装置采用了重力式和液压式两种加压方式，其中重力式加载满足了隧道结构体在大埋深、高地应力、岩土体的固结蠕变、衬砌冻融循环等复杂条件下长期稳定加压试验的问题，液压式加载则满足了隧道结构体在承载能力试验中需要快速、大量程加载方式的需求。荷载可根据实验的要求自由选取液压千斤顶式加载或重力式加载，当不需要施加地应力时，也可进行传统边坡、桩基等大尺寸模型试验。二、传统的试验装置在加载中需要对地基进行处理，地基内部埋设螺栓通过钢丝绳进行载荷的施加，故设备无法移动。本专利技术的地质力学模型试验装置采用自平衡结构，双加载方式的部件和填埋单元均设置在承力台架内部，设备便于移动，此外加载中不需要对地基进行特殊处理。此外在装置结构设计、垫板布局和配重块摆放上均考虑到力学加载位置的平衡，确保了应力加载的稳定性和均匀性。三、本专利技术的反力板通过高强螺栓与承力台架连接形成一个整体，使装置的加载成为一个独立的自平衡结构，使得装置具有可移动性，同时便于千斤顶的拆卸和试验体的埋设。此外在隔离板上预留操作洞，便于试验体开挖、传感器安装和试件的观察。四、本专利技术的在隧道二次衬砌模型预制中采用拼装组合式预制装置，克服了传统衬砌制作精度低、成品率低、重复率低和周期长的缺点的同时，降低了预制装置的制作成本和重量，该方案加强筋定位准确、易于拆卸且造价低廉，可用于各类运营期隧道衬砌裂损及产生的灾害等相关的地质力学模型试验，包括山体隧道、盾构隧道、海底隧道、铁路隧道、水工隧道等，与工程试验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：包括承力台架(21)，设置在承力台架(21)内部的垫板(26)和垫板(26)下方设置的地质力学模型(33)；所述的承力台架(21)为框形结构，内部安装有底板和隔离板(22)；垫板(26)下方填充有充填材料(32)，垫板(26)上方设置有若干只配重块(29)；承力台架(21)上方的设置有若干只反力板(24)，每只反力板(24)下方设置有液压千斤顶(25)，液压千斤顶(25)施压在垫板(26)上，将力学载荷传递至地质力学模型(33)。/n

【技术特征摘要】
1.一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：包括承力台架(21)，设置在承力台架(21)内部的垫板(26)和垫板(26)下方设置的地质力学模型(33)；所述的承力台架(21)为框形结构，内部安装有底板和隔离板(22)；垫板(26)下方填充有充填材料(32)，垫板(26)上方设置有若干只配重块(29)；承力台架(21)上方的设置有若干只反力板(24)，每只反力板(24)下方设置有液压千斤顶(25)，液压千斤顶(25)施压在垫板(26)上，将力学载荷传递至地质力学模型(33)。


2.根据权利要求1所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：隔离板(22)上预留操作洞(23)。


3.根据权利要求1所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：垫板(26)包括底部钢板(35)、中间的型钢(36)和顶部的施力圆棒(34)，所述的施压钢棒(34)垂直于型钢长度方向设置。


4.根据权利要求3所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：液压千斤顶(25)的活动端作用在施力圆棒(34)中部。


5.根据权利要求1所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：若干只液压千斤顶(25)分别通过油路连接至液压工作站(30)，液压工作站(30)与伺服控制器(31)电连接。


6.根据权利要求1所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：承力台架(21)和反力板(24)通过螺栓固定为一体化结构。


7.利用权利要求1至6任意之一所述的自平衡双加载方式地质力学模型试验装置进行二次衬砌模型的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
【1】二次衬砌模型的预制：
根据地质力学模型试验的要求和相似原理，制作隧道二次衬砌模型的预制装置，并预制隧道二次衬砌模型；
【2】力学加载试验：
【2.1】根据试验要求在模型试验装置上布设应变片和应力计；
【2.2】将围岩相似材料分层倒入模型试验装置内部，当达到设定高度时将步骤【1】中预制的二次衬砌模型放入，继续分层将围岩相似材料埋设到模型试验装置顶部，之后放置平板(35)、垫板(26)、反力板(24)和液压千斤顶(25)；
【2.3】通过操作洞(23)将位移传感器、裂缝检测仪、摄像仪放置于二次衬砌模型内部；
【2.4】根据试验要求，先在垫板(26)上放置配重块...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗彦斌，陈建勋，徐子龙，王传武，邵汉祥，袁江鹏，李九超，万利，施昌龄，唐兵生，崔泽强，臧春雷，刘成龙，
申请(专利权)人：长安大学，中交第三公路工程局有限公司，中交第三公路工程局有限公司第四工程分公司，山东省交通规划设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61