本發(fā)明屬于隧道地層模擬系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種離心場中隧道地層損失模擬系統(tǒng)。

背景技術：
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隧道的開挖不可避免的會產(chǎn)生隧道地層損失，所謂的隧道地層損失就是在隧道開挖過程中對土層造成了擾動，隨之而來的會出現(xiàn)不同程度的土層下陷，這樣的下陷會對地下空間周邊的建筑造成或多或少的影響。研究清楚隧道開挖對周邊建筑的影響對隧道施工有著至關重要的意義?，F(xiàn)有的研究方法主要分為三大類：數(shù)值模擬、現(xiàn)場檢測和土工離心模型實驗。土工離心模型實驗技術是近二三十年迅速發(fā)展起來的一項嶄新的土工物理模型技術。通過施加在模型上的離心慣性力使模型的重度變大，從而使模型的應力與原型一致，這樣就可以用模型反映、表示原型。數(shù)值模擬的方法需要對所研究的土層性質具有深入的了解，同時將這些土層性質轉化成參數(shù)再利用數(shù)學計算來模擬，其中土力學參數(shù)對結果的影響非常大，并且參數(shù)的獲取和測試相對費時且可靠性值得探討?，F(xiàn)場檢測的方法局限性在于儀器的誤差，人為造成的誤差以及需要大量的人力物力和資金支持。

土工離心機提供了一個快速可靠穩(wěn)定的解決方案，將所研究的土層材料直接放進離心機，通過離心場模擬真實情況從而得到可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。離心模擬的難點在于準確穩(wěn)定的模擬土層損失。目前現(xiàn)有的模擬方法難以準確控制土層損失的大小和形狀。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明提供一種離心場中隧道地層損失模擬系統(tǒng)，可以克服現(xiàn)有土工模擬控制系統(tǒng)上的缺陷，精確控制土層損失的形狀和大小。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：一種離心場中隧道地層損失模擬系統(tǒng)，包括模型箱，所述模型箱安裝在離心機上，所述模型箱中設有隧道模型組件，所述隧道模型組件包括一個左右兩段旋向相反的滾珠絲桿、兩個對稱套裝在滾珠絲桿上的絲桿螺母、兩個對稱固定在絲桿螺母上的六角內核，所述六角內核的六個面上分別固定有六個外高內低的楔形導板，兩個六角內核上共固定有十二個兩兩對稱的楔形導板，形成六組楔形導板；所述楔形導板上均固定有線性滑軌，十二個線性滑軌兩兩對稱形成六組線性滑軌；六個拱形蓋板分別對應六組楔形導板，且每個拱形蓋板內側均具有與所對應的那組楔形導板斜度相同的兩個斜面，所述斜面上均固定有線性滑臺，所述線性滑臺安裝在對應的線性滑軌上，使六個拱形蓋板分別位于六組線性滑軌上構成隧道模型；所述模型箱前后兩側均設有絲桿支撐，所述滾珠絲桿的兩端安裝在絲桿支撐中，并使拱形蓋板的兩端抵在模型箱的內壁上；所述滾珠絲桿的后端聯(lián)接有傳動機構，所述傳動機構通過數(shù)控機構控制；所述傳動機構帶動滾珠絲桿轉動，使兩個對稱的絲桿螺母相互分離，從而帶動兩個六角內核以及相互對稱的線性滑軌向兩端分離運動，迫使六個拱形蓋板向滾珠絲桿軸心收縮，實現(xiàn)對土層損失的模擬。

所述位于六角內核底部的楔形導板的楔形角度為0-3°，位于六角內核下部兩側的楔形導板的楔形角度為1-4°，位于六角內核上部兩側的楔形導板的楔形角度為1-4°，位于六角內核頂部第五楔形導板的楔形角度為2-5°。

所述傳動機構包括直角行星減速機、步進電機，所述直角行星減速機的動力輸入軸與步進電機聯(lián)接，動力輸出軸與滾珠絲桿的后端通過聯(lián)軸器相聯(lián)接；所述數(shù)控機構包括步進電機驅動器、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)控電腦；所述步進電機驅動器的輸出接口與步進電機相連接，數(shù)據(jù)采集器的輸出端口與步進電機驅動器的輸入接口相連接，數(shù)據(jù)采集器的輸入端口與數(shù)控電腦相連接控制步進電機的轉動角度。

所述的模型箱包括底板、左右側板、后蓋板、透明觀察窗以及前擋板框；所述后蓋板底端與底板固定，所述左右側板固定在后蓋板兩側；所述前擋板框兩側與左右側板固定，底端與底板固定；所述透明觀察窗固定在前擋板框中央；所述拱形蓋板的兩端抵在透明觀察窗和后蓋板的內側不能進行水平方向的移動；所述后蓋板、透明觀察窗上對應六角內核的位置具有通孔，使兩個六角內核以及相互對稱的線性滑軌向兩端分離運動時能自通孔中通過。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術比較具有的優(yōu)點和效果：

1、本發(fā)明通過機械傳動的隧道收縮系統(tǒng)在離心場中模擬隧道地層損失，克服了現(xiàn)有土工模擬控制系統(tǒng)難以精確控制土層損失的形狀和大小的缺陷。

2、本發(fā)明六對可拆卸楔形導板具有4個不同的角度，且每一個楔形導板的角度都可以自由控制大小，從而實現(xiàn)對每一個弧形蓋板向絲桿軸心方向位移大小的控制，實現(xiàn)模擬地層損失上大下小的形狀，且收縮形狀可以根據(jù)科研要求進行調整，從而盡可能接近真實地層損失之后的隧道形狀，也滿足了不同地質條件下隧道地層損失模擬實驗。

附圖說明：

圖1為顯示本發(fā)明后部結構的立體示意圖，

圖2為顯示本發(fā)明前部結構的立體示意圖，

圖3為顯示本發(fā)明隧道模型組件整體結構的剖視圖，

圖4為顯示本發(fā)明隧道模型組件截面結構的示意圖，

圖5為顯示本發(fā)明拱形蓋板結構的立體圖。

具體實施方式：

下面結合附圖1、2、3、4、5和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

一種離心場中隧道地層損失模擬系統(tǒng)，包括模型箱1，所述模型箱1安裝在離心機上，所述模型箱1中設有隧道模型組件2，所述隧道模型組件2包括一個左右兩段旋向相反的滾珠絲桿4、兩個對稱套裝在滾珠絲桿4上的絲桿螺母5、兩個對稱固定在絲桿螺母5上的六角內核6，所述六角內核6的六個面上分別固定有六個外高內低的楔形導板7，兩個六角內核6上共固定有十二個兩兩對稱的楔形導板7，形成六組楔形導板；所述楔形導板7上均固定有線性滑軌8，十二個線性滑軌8兩兩對稱形成六組線性滑軌；六個拱形蓋板10分別對應六組楔形導板7，且每個拱形蓋板10內側均具有與所對應的那組楔形導板7斜度相同的兩個斜面25，所述斜面上均固定有線性滑臺9，所述線性滑臺9安裝在對應的線性滑軌8上，使六個拱形蓋板10分別位于六組線性滑軌上構成隧道模型；所述模型箱1前后兩側均設有絲桿支撐11，所述滾珠絲桿4的兩端安裝在絲桿支撐11中，并使拱形蓋板10的兩端抵在模型箱1的內壁上；所述滾珠絲桿4的后端聯(lián)接有傳動機構12，所述傳動機構12通過數(shù)控機構13控制；所述傳動機構12帶動滾珠絲桿4轉動，使兩個對稱的絲桿螺母5相互分離，從而帶動兩個六角內核6以及相互對稱的線性滑軌8向兩端分離運動，迫使六個拱形蓋板10向滾珠絲桿4軸心收縮，實現(xiàn)對土層損失的模擬。

所述位于六角內核6底部的楔形導板7的楔形角度為0°，位于六角內核6下部兩側的楔形導板7的楔形角度為2°，位于六角內核6上部兩側的楔形導板7的楔形角度為3°，位于六角內核6頂部的楔形導板7的楔形角度為4°。

所述傳動機構12包括直角行星減速機14、步進電機15，所述直角行星減速機14的動力輸入軸與步進電機15聯(lián)接，動力輸出軸與滾珠絲桿4的后端聯(lián)接；所述數(shù)控機構13包括步進電機驅動器16、數(shù)據(jù)采集器17和數(shù)控電腦18；所述步進電機驅動器16的輸出接口與步進電機15相連接，數(shù)據(jù)采集器17的輸出端口與步進電機驅動器16的輸入接口相連接，數(shù)據(jù)采集器17的輸入端口與數(shù)控電腦18相連接控制步進電機15的轉動角度。

所述的模型箱1包括底板19、左右側板20、后蓋板21、透明觀察窗22以及前擋板框23；所述后蓋板21底端與底板19固定，所述左右側板20固定在后蓋板21兩側；所述前擋板框23兩側與左右側板20固定，底端與底板19固定；所述透明觀察窗22固定在前擋板框23中央；所述拱形蓋板10的兩端抵在透明觀察窗22和后蓋板21的內側不能進行水平方向的移動；所述后蓋板21、透明觀察窗22上對應六角內核6的位置具有通孔24，使兩個六角內核6以及相互對稱的線性滑軌8向兩端分離運動時能自通孔24中通過。

本發(fā)明裝配時首先將兩個對稱設置的線性滑臺9安裝在對應的兩個線性滑軌8上，然后將拱形蓋板10固定在線性滑臺9上，與線性滑臺9組成一個整體，通過線性滑臺9與線性滑軌8配合，約束拱形蓋板10的自由度，使拱形蓋板10只能沿著與線性滑軌8的平行方向移動。線性滑軌8共有十二個，每兩個線性滑軌分別對稱安裝在兩個對稱的六角內核6上，在線性滑軌8與六角內核6之間夾有楔形導版7，楔形導板7總共有十二個，兩個為一對，共有六對分別與對稱的兩個線性滑軌相匹配。六對楔形導板具有4個不同的角度，從而可以實現(xiàn)模擬地層損失上大下小的形狀。

地層損失模擬原理：本發(fā)明實驗時所述的模型箱1安裝在土工離心機的吊籃上。外部數(shù)控電腦18通過離心機電刷與數(shù)據(jù)采集器17相連接。工作時，步進電機驅動器16負責給步進電機15供電，數(shù)據(jù)采集器17通過給步進電機驅動器發(fā)射脈沖信號來控制步進電機的轉動角度，數(shù)控電腦18控制數(shù)據(jù)采集器的電信號輸出頻率和時間。由步進電機15驅動滾珠絲桿產(chǎn)生轉動，使兩個對稱的絲桿螺母5相互分離，從而帶動兩個六角內核6以及相互對稱的線性滑軌8向兩端分離運動，由于拱形蓋板10的兩端抵在了模型箱透明觀察窗和后蓋板內側不能進行水平方向的移動，隨著兩個帶有角度的楔形導板上的線性滑軌的分離，迫使六個拱形蓋板10向滾珠絲桿4軸心收縮，實現(xiàn)對土層損失的模擬。由于本發(fā)明的楔形導板可拆卸，使每一個楔形導板的角度都可以改變，從而實現(xiàn)對每一個弧形蓋板向絲桿軸心方向位移大小的控制。特別是本發(fā)明可根據(jù)隧道地層損失真實形狀的不同而改變每一個楔形導板的角度，從而盡可能真實的還原地層損失之后的隧道形狀。

本發(fā)明的實驗模擬過程詳細說明如下：在六個拱形蓋板形成的圓柱形隧道收縮系統(tǒng)外側包裹兩層乳膠膜，確?；覊m和沙土不會通過縫隙進入滾珠絲桿內部，將包裹好的隧道收縮系統(tǒng)安裝在模型箱內部，兩側通過絲桿支撐固定，手動轉動滾珠絲桿使線性滑臺移動到初始位置。將實驗所需要的土樣放入模型箱內部。將安裝好的模型箱固定在離心機的承載吊籃(payload bracket)上，鎖緊底板防止轉動過程中模型箱滑落。打開數(shù)控電腦通過離心機電刷與數(shù)據(jù)采集器信號控制端相連接。檢查無誤后開始正式實驗。

正式實驗分為兩個階段，土層固結和土層損失模擬。離心機開始轉動加速時保持步進電機供電但不輸入任何信號確保步進電機不發(fā)生任何轉動。當離心機達到要求的離心加速度之后，通過數(shù)控電腦發(fā)射脈沖信號給步進電機驅動器驅使步進電機轉動所需要的角度，從而實現(xiàn)對地層損失的模擬。隧道模型收縮位移通過步進電機脈沖電信號的數(shù)量計算出步進電機所轉動的角度進行控制，由此可以計算出滾珠絲桿的轉動角度和絲桿螺母水平方向的位移，從而推算出每一個拱形蓋板向絲桿軸心移動的大小，得出隧道地層損失的大小。當隧道模型收縮達到設計值時，停止發(fā)出脈沖信號。

當然也可在實驗過程中，通過在模型箱前方的透明觀察窗一側設置高速攝像機，獲取模型在加載過程中土層位移的圖像，通過壓力敏感元件檢測土層水平豎直方向壓力的變化等，實時收集相關數(shù)據(jù)。通過進行后期數(shù)據(jù)處理分析，獲得隧道地層損失的相關數(shù)據(jù)。

上述實施例，只是本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限制本發(fā)明實施范圍，故凡以本發(fā)明權利要求所述內容所做的等同變化，均應包括在本發(fā)明權利要求范圍之內。