一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，包括主体模型箱、隧道模型、测量系统及加载系统，主体模型箱由钢板和钢化玻璃组成，钢化玻璃插入前侧钢板凹槽内，并涂上环氧树脂进行密封，通过钢化玻璃可以观测土层位移场，隧道模型为单个管片通过螺栓错缝拼装而成，隧道内外设有激光位移传感器和薄膜压力传感器以及电阻式应变计，加载系统由工字钢、竖向千斤顶和加载板组成，通过多个千斤顶可以对地表施加多种形式荷载，本装置可以模拟分析实际工程中地层中附加集中、均布、非均布、偏压荷载作用下地铁盾构隧道变形和受力状态，同时还可以分析土与隧道相互作用，为隧道运营防护控制提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在地表荷载变化时土体中盾构隧道的受力及变形姿态的模型试验装置。

技术介绍

1、盾构隧道深埋于地层之中，其受力和衬砌结构的变形多种多样，极为复杂。目前的研究方法主要有足尺试验、模型试验和数值模拟，由于尺寸问题足尺试验无法模拟多环隧道的变形受力，数值模拟与实际土层的工况相差甚远，模型试验就可解决上述问题。现有技术中，中国申请专利技术专利“一种模块装配式多功能隧道工程试验模型箱及施工方式”(专利号：202011170305.9)，中国申请专利技术专利“一种盾构隧道模型试验箱”(专利号：202022012715.2)，中国申请专利技术专利“一种隧道模型沉降与加载试验箱”(专利号：201621280034.1)，都无法实现既有隧道上部荷载的多点加载，并且对于隧道的受力变形姿态都无分析。

2、本装置为一种模拟土与隧道协同受力变形的模型试验装置，可将经过相似比处理后的模型隧道放入相似土层中，即解决了隧道纵向受力变形模拟问题，又极大还原了隧道的围压，通过多个千斤顶与加载板的配合可以实现对隧道与土体的点阵加卸荷载，在地表不同荷载作用下，都可模拟盾构隧道的受力及变形姿态，分析运营隧道上部地表在有施工荷载工况时的受力及变形情况，探明盾构隧道在土层中的实际形态及变形规律。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提供一种可以模拟真实隧道管片在地表荷载变化时的受力及变形姿态试验装置。

2、为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：

3、一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，其特征在于，包括主体模型箱、隧道模型、测量系统及加载系统，整个主体模型箱由钢板和钢化玻璃组成，钢板之间通过焊接连接，前侧钢板留有钢化玻璃的凹槽，钢化玻璃放入凹槽并涂上环氧树脂进行密封，钢化玻璃上留有直径小于模型隧道的圆孔，后侧钢板与前侧钢化玻璃对应处留有直径略大于模型隧道的圆孔，后侧圆孔处有轴力加载板、轴压千斤顶和反力架，用以为隧道施加轴力，轴力加载板与钢化玻璃上设有凹槽，用以固定隧道两端，同时可以保持隧道水平，隧道模型为单个管片通过螺栓错缝拼装而成，根据实际工况和相似比的不同可模拟不同尺寸、不同材料的隧道模型，测量系统由模型隧道内外的电阻式应变计、激光位移传感器系统和薄膜压力传感器系统组成。激光位移传感器轻巧、高精度，将其张贴在支架上，每环管片对应八个激光位移传感器呈“米”字形布置，用以测量模型隧道的变形情况，薄膜压力传感器张贴在隧道外侧每一个管片的中心位置，用于测量模型隧道所受的围压，加载系统由工字钢、竖向千斤顶、加载板和分格钢板组成，加载系统中工字钢与模型箱通过螺栓相连，工字钢可通过连接不同高度的螺栓孔来改变加载系统的高度，同时通过竖向千斤顶与加载板的协同配合可以对隧道模型与土体进行多点加载。每根横梁上有四个竖向千斤顶凹槽，以固定竖向千斤顶位置，每个竖向千斤顶下方放置有橡胶垫和加载板，加载板之间可竖直放置分格钢板，此加载装置通过多个千斤顶与加载板的配合可以实现对隧道与土体的点阵加卸荷载，以模拟复杂的荷载工况。

4、所述的一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，试验时主体模型箱填土要按实际工况土层填埋，模拟的土层要与模型隧道缩尺比例一致，以模拟实际土层情况。

5、所述的一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，模型隧道两端放入模型箱后将卡在预设的凹槽内，用来限制隧道两端的移动，同时可以保持隧道初始姿态水平。

6、所述的一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，隧道模型卡槽一侧在隧道轴力加载板上，加载板后安装轴压千斤顶与反力架，可以根据需求调节不同的隧道轴力。

7、所述的一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，电阻式应变计在模型隧道内外两侧都有张贴，位置在隧道的上、下、左、右四个方位，按隧道环依次张贴。

8、本专利技术的有益效果为：使用时将模型箱水平放置，然后先装填隧道下部土层，压实后放置张贴有电阻应变计和薄膜压力传感器的模型隧道并将隧道两端卡在固定凹槽内，安装轴力加载板并将隧道两端卡住固定，继续装填隧道上覆土层，直至表层土装填完成，之后放置加载板与重物静置，待土层固结，然后根据表层土高度安装加载系统，最后安装激光位移测量系统，此时即可模拟真实工况下的土层与盾构隧道受力变形情况，通过多个千斤顶与加载板的配合可以实现对隧道与土体的点阵加卸荷载，本装置可以用于分析运营隧道上部地表在有施工荷载工况时的受力及变形情况。

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【技术保护点】

1.一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，其特征在于，包括主体模型箱、隧道模型、测量系统及加载系统，整个主体模型箱由钢板(1)和钢化玻璃(16)组成，钢化玻璃放入凹槽并涂上环氧树脂进行密封，钢化玻璃(16)上留有直径小于隧道模型的圆孔，后侧钢板与前侧钢化玻璃对应处留有直径略大于隧道模型的圆孔，后侧圆孔处有轴力加载板(8)、轴压千斤顶(9)和反力架(10)，用以为隧道模型施加轴力，轴力加载板(8)与钢化玻璃(16)上设有凹槽(15)，用以固定隧道两端，隧道模型(11)为单个管片通过螺栓错缝拼装而成，测量系统由隧道模型内外的电阻式应变计(18)、激光位移传感器(13)系统和薄膜压力传感器(12)系统组成；激光位移传感器(13)张贴在支架(14)上，每环管片对应八个激光位移传感器(13)呈“米”字形布置，用以测量隧道模型的变形情况，薄膜压力传感器(12)张贴在隧道模型外侧每一个管片的中心位置，用于测量隧道模型所受的围压，加载系统由工字钢(3)、竖向千斤顶(5)、加载板(7)、橡胶垫和分格钢板(6)组成，工字钢(3)在模型箱顶部，通过螺栓(17)连接，每根工字钢(3)上有四个竖向千斤顶凹槽(4)，以固定竖向千斤顶位置，每个竖向千斤顶下方有一块橡胶垫(19)，橡胶垫(19)下方放置一块加载板(7)，加载板(7)之间可竖直放置分格钢板(6)，此加载装置通过多个千斤顶与加载板的配合可以实现对隧道模型与土体的点阵加卸荷载，以模拟复杂的荷载工况。

2.根据权利要求1所述的一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，其特征在于：加载系统中工字钢(3)与模型箱通过螺栓(17)相连，工字钢(3)可通过连接不同高度的螺栓孔(2)来改变加载系统的高度，同时通过竖向千斤顶(5)与加载板(7)的协同配合可以对隧道模型(11)与土体进行多点加载。

3.根据权利要求1所述的一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，其特征在于：加载系统中加载板(7)之间竖直放置有分格钢板(6)，分格钢板(6)之间有凹槽承插固定，并且两端带有螺栓孔，可根据所模拟的工况调节分格钢板(6)的嵌入土层的深度。

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【技术特征摘要】

1.一种土与错缝管片协同变形和受力的加载模型试验装置，其特征在于，包括主体模型箱、隧道模型、测量系统及加载系统，整个主体模型箱由钢板(1)和钢化玻璃(16)组成，钢化玻璃放入凹槽并涂上环氧树脂进行密封，钢化玻璃(16)上留有直径小于隧道模型的圆孔，后侧钢板与前侧钢化玻璃对应处留有直径略大于隧道模型的圆孔，后侧圆孔处有轴力加载板(8)、轴压千斤顶(9)和反力架(10)，用以为隧道模型施加轴力，轴力加载板(8)与钢化玻璃(16)上设有凹槽(15)，用以固定隧道两端，隧道模型(11)为单个管片通过螺栓错缝拼装而成，测量系统由隧道模型内外的电阻式应变计(18)、激光位移传感器(13)系统和薄膜压力传感器(12)系统组成；激光位移传感器(13)张贴在支架(14)上，每环管片对应八个激光位移传感器(13)呈“米”字形布置，用以测量隧道模型的变形情况，薄膜压力传感器(12)张贴在隧道模型外侧每一个管片的中心位置，用于测量隧道模型所受的围压，加载系统由工字钢(3)、竖向千斤顶(5)、加载板(7)、橡胶垫和分格钢板(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明宇，张丰舜，蔺云宏，蔺永梅，李志军，常瑞成，郭晓东，程明，李玉涛，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：新型
国别省市：