基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置及模拟方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置及模拟方法，模拟装置包括模型箱、加压装置、开挖模拟装置和信息采集装置，模型箱的前后厚度小于左右宽度的五分之一，模型箱的上边、左边和右边均开口并分别安装有加压装置，开挖模拟装置包括电热熔化装置和电热控制器，电热熔化装置包括中心支撑管、熔化环、隔热片和电热丝。模拟方法包括以下步骤：将隧道围岩填料填入模型箱中；三边加压获得压力数据；使熔化环熔化；获得应力应变数据及变形控制大小数据；建立围岩应力应变曲线；分析在不同围压及孔隙率条件下，围岩变形破坏规律与极限应变特征。本发明专利技术能够实现不同时间不同区域开挖后围岩发生形变的模拟试验，试验结果精确且全面。结果精确且全面。结果精确且全面。

【技术实现步骤摘要】
基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置及模拟方法


[0001]本专利技术属于隧道模拟试验
，具体涉及一种隧道围岩极限应变模拟装置，尤其涉及一种基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置及模拟方法。

技术介绍

[0002]中国山区面积占比高达三分之二以上，隧道工程成为了交通网络中不可或缺的组成部分。隧道围岩的变形与稳定性问题是隧道工程的重点与难点问题，控制围岩变形、充分发挥围岩自承能力是隧道建设的关键技术问题。
[0003]控制围岩变形、充分发挥围岩自承能力的核心在于明晰围岩的安全储备范围，可通过极限应变指标来表征。极限应变是隧道开挖后围岩可能出现变形和失稳问题的隧道周边应变水平，是衡量围岩稳定性的关键指标；通过围岩变形与极限应变的相对关系可以判断围岩自身的稳定性和安全储备。
[0004]针对隧道围岩极限应变的研究主要可分为二类：一是基于现场实测等统计分析确定；二是基于模型实验或数值模拟实验进行理论研究与预测。现场实测是投入及周期较大，成本较高；数值模拟主观性较强，其参数的选择会很大程度上地影响结果。相对而言，模型实验是一种兼顾成本和准确性的方法。
[0005]针对隧道围岩极限应变的传统模型实验研究一般采用分级加载方式，有悖于隧道开挖的开挖卸荷
‑
应力释放过程；模型试验研究还通常采用三维模型，实验复杂、实验过程不便控制且实验效果不理想，而且也鲜有考虑围岩自身的空间变异性如空隙。
[0006]申请号为“201310616750.7”的专利技术申请，公开了一种隧道开挖室内模型试验装置，包括模型箱、隧道结构模型、加载装置及开挖装置，在模型箱内安装松香棒，在松香棒上缠绕电热丝，通过电热丝加热使松香棒熔化，实现模拟隧道开挖对周边填料影响的目的。
[0007]上述专利技术申请还存在如下缺陷：整个模型装置的在掘进方向的长度较长，不能进行平面模型实验，不能结合隧道结构设计中的收敛约束模型进行研究，导致难以准确研究围岩变形与破坏规律；松香棒为一个整体，在通过电热丝熔化时只能连续熔化，不能实现分时、分层、分区域熔化的功能，导致不能实现不同时间不同区域开挖后围岩发生形变的模拟试验，所以试验结果不够精确和全面；只有上面设有加压装置，只能从上面加压，无法模拟围压，也无法模拟实际工程中隧道的三维应力场，同样导致难以准确研究围岩变形与破坏规律。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置及模拟方法，该模拟装置能够模拟二维平面内不同围压条件下的隧道开挖卸荷
‑
应力释放过程，研究围岩变形破坏规律与极限应变特征，为隧道建设与运营的安全稳定性提供依据。
[0009]本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：
[0010]一种基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置，包括模型箱、加压装置、开挖模拟装置和信息采集装置，所述模型箱的前后两侧分别安装有透明板，所述透明板的中心位置设有中心通孔，所述模型箱的前后厚度小于左右宽度的五分之一，所述模型箱的上边、左边和右边均开口并分别安装有所述加压装置；所述加压装置包括电动千斤顶、压力数据接收器和压力监测主机，多个所述电动千斤顶的信号输出端分别通过导线与所述压力数据接收器的信号输入端连接，所述压力数据接收器的信号输出端与所述压力监测主机的信号输入端连接；所述开挖模拟装置包括电热熔化装置和电热控制器，所述电热熔化装置包括中心支撑管、熔化环、隔热片和电热丝，所述中心支撑管外依次套装有多个直径不同且能够在高温下熔化的所述熔化环，每两个相邻的所述熔化环之间分别设有隔热片，每个所述熔化环的表面沿圆周方向设有多条所述电热丝，所有的所述电热丝分别通过导线与所述电热控制器对应连接，所述电热熔化装置安装在所述模型箱内与所述透明板的中心通孔对应的位置；所述信息采集装置包括土压力盒、应变片、应力应变数据接收器和应力应变监测主机，多个所述土压力盒分别设于所述模型箱内并位于所述电热熔化装置的外周且沿圆周方向均匀分布，多个所述应变片置于所述模型箱内并位于所述电热熔化装置与所述模型箱的四边之间的位置，多个所述土压力盒的信号输出端和多个所述应变片的信号输出端分别通过导线与所述应力应变数据接收器的信号输入端连接，所述应力应变数据接收器的信号输出端与所述应力应变监测主机的信号输入端连接。
[0011]作为优选，为了实现可靠的压力加载功能，所述加压装置还包括反力梁、受压板和移动板，所述反力梁安装在所述模型箱的对应开口边，所述反力梁的内侧安装有两个所述电动千斤顶，两个所述电动千斤顶的伸缩杆与所述受压板连接，所述移动板置于所述模型箱的对应开口边以内且位于所述受压板以内，所述受压板和所述移动板之间通过传力杆连接。
[0012]作为优选，为了实现可靠的加热熔化功能，所述熔化环为以松香为原料制作的圆环体形的松香环；为了实现良好的隔热效果，所述隔热片为石棉布；为了便于安装电热熔化装置并便于引出导线，所述电热熔化装置的两端分别置于两个所述透明板的中心通孔内，所述中心支撑管为钢管且其管壁上设有用于导线穿过的通孔；为了便于观察模型箱内隧道围岩填料的实际变化情况，所述透明板为设有纵横刻度线的玻璃板。
[0013]一种基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置采用的模拟方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1、将隧道围岩填料填入模型箱中，并将模型箱、加压装置、开挖模拟装置和信息采集装置组装好；
[0015]步骤2、利用三个加压装置分别对模型箱的上边、左边和右边的隧道围岩填料进行加压，采取三边相同压力加载方式或者三边不同压力加载方式，通过压力数据接收器和压力监测主机采集记录模型箱三边加压后的压力数据；
[0016]步骤3、通过电热控制器控制电热丝发热，使电热熔化装置的熔化环开始熔化，熔化方式为由外到内整体连续熔化、由外到内整体间断熔化、由外到内局部连续熔化、由外到内局部间断熔化中的一种，通过透明板观察隧道围岩填料以及电热熔化装置的变化情况；
[0017]步骤4、通过信息采集装置采集记录电热熔化装置熔化过程中隧道围岩填料的应力应变数据；
[0018]步骤5、提取加压装置施加的压力数据和隧道围岩填料的应力应变数据，并结合开挖模拟装置模拟开挖过程中每个阶段对应的电热熔化装置的变形控制大小数据，建立围岩应力应变曲线；
[0019]步骤6、重复步骤1
‑
步骤5，并在步骤1中采用不同孔隙率的隧道围岩填料，在步骤2中采用不同的加压压强，获得不同围压、不同孔隙率条件下的围岩应力应变曲线，分析在不同围压、不同孔隙率条件下，围岩变形破坏规律与极限应变特征，研究开挖卸荷
‑
应力释放过程中围岩变形演化与破坏规律。
[0020]作为优选，为了制作不同孔隙率的隧道围岩填料以实现更加真实的模拟试验效果，所述步骤1中，隧道围岩填料与真实隧道土料的几何相似比为1:50、重力加速度相似比为1:1、密度相似比为1:1，利用重晶石粉、粉煤灰、水泥和泡沫颗粒配置隧道围岩填料，并通过改变泡沫颗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置，包括模型箱、加压装置、开挖模拟装置和信息采集装置，所述模型箱的前后两侧分别安装有透明板，所述透明板的中心位置设有中心通孔，其特征在于：所述模型箱的前后厚度小于左右宽度的五分之一，所述模型箱的上边、左边和右边均开口并分别安装有所述加压装置；所述加压装置包括电动千斤顶、压力数据接收器和压力监测主机，多个所述电动千斤顶的信号输出端分别通过导线与所述压力数据接收器的信号输入端连接，所述压力数据接收器的信号输出端与所述压力监测主机的信号输入端连接；所述开挖模拟装置包括电热熔化装置和电热控制器，所述电热熔化装置包括中心支撑管、熔化环、隔热片和电热丝，所述中心支撑管外依次套装有多个直径不同且能够在高温下熔化的所述熔化环，每两个相邻的所述熔化环之间分别设有隔热片，每个所述熔化环的表面沿圆周方向设有多条所述电热丝，所有的所述电热丝分别通过导线与所述电热控制器对应连接，所述电热熔化装置安装在所述模型箱内与所述透明板的中心通孔对应的位置；所述信息采集装置包括土压力盒、应变片、应力应变数据接收器和应力应变监测主机，多个所述土压力盒分别设于所述模型箱内并位于所述电热熔化装置的外周且沿圆周方向均匀分布，多个所述应变片置于所述模型箱内并位于所述电热熔化装置与所述模型箱的四边之间的位置，多个所述土压力盒的信号输出端和多个所述应变片的信号输出端分别通过导线与所述应力应变数据接收器的信号输入端连接，所述应力应变数据接收器的信号输出端与所述应力应变监测主机的信号输入端连接。2.根据权利要求1所述的基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置，其特征在于：所述加压装置还包括反力梁、受压板和移动板，所述反力梁安装在所述模型箱的对应开口边，所述反力梁的内侧安装有两个所述电动千斤顶，两个所述电动千斤顶的伸缩杆与所述受压板连接，所述移动板置于所述模型箱的对应开口边以内且位于所述受压板以内，所述受压板和所述移动板之间通过传力杆连接。3.根据权利要求1或2所述的基于变形控制的隧道围岩极限应变模拟装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：方砚兵，李博，封坤，张景轩，杨国栋，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：