一種多功能大尺度物理模型澆筑加載試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土相似材料物理模型澆筑、養(yǎng)護(hù)、加載試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種多功能大尺度相似材料物理模型澆筑加載試驗(yàn)臺(tái)架，適用于各種強(qiáng)度巖土相似材料物理模型試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中，大尺度巖土材料模型的澆筑、養(yǎng)護(hù)、開挖、加載及監(jiān)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的常住人口涌入有限的城市空間。為解決城市人口增多與用地緊張的矛盾，越來(lái)越多的城市開始利用地下空間發(fā)展地下交通。地下隧道洞室的開挖必然會(huì)對(duì)原巖造成擾動(dòng)，引起圍巖應(yīng)力重分布，進(jìn)而影響地表建筑物的安全與穩(wěn)定。特別是在圍巖強(qiáng)度較低的破碎地層中進(jìn)行隧道開挖時(shí)，前期通過(guò)相似材料物理模型試驗(yàn)來(lái)模擬施工過(guò)程中軟弱圍巖的物理力學(xué)性狀，進(jìn)而通過(guò)模型試驗(yàn)反推施工參數(shù)，這對(duì)于在復(fù)雜地質(zhì)條件下，保證工程的安全與穩(wěn)定具有重大意義。地下隧道工程施工過(guò)程中，不同的洞室開挖順序，不同的施工方法，必然會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生不同的影響。尋找一種快捷、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的施工工序是近年來(lái)業(yè)界較為關(guān)注的一個(gè)課題。隨著施工工藝水平與機(jī)械工程的發(fā)展，地下工程隧道開挖斷面越來(lái)越大，對(duì)地表建筑物造成的施工擾動(dòng)也越來(lái)越大。為了確保工程的安全與穩(wěn)定，在施工過(guò)程中都會(huì)加強(qiáng)對(duì)地面建筑物和洞室圍巖的位移變形監(jiān)測(cè)。城市建設(shè)中大斷面隧道工程出現(xiàn)的頻率越來(lái)越多，隨之帶來(lái)的諸多問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。因此，大斷面隧道開挖已成為當(dāng)前地下工程中重要且不可回避的問(wèn)題。
[0003]目前，研究軟弱破碎地層隧道開挖施工過(guò)程中圍巖力學(xué)行為的主要手段多為數(shù)值分析及模型試驗(yàn)，大尺度、大斷面隧道的施工方法和圍巖穩(wěn)定性研究是該方向的主要課題。雖然數(shù)值分析法在研究較為復(fù)雜的施工問(wèn)題時(shí)具有簡(jiǎn)便易行的優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)值計(jì)算模型往往與實(shí)際工程地質(zhì)條件出入較大。因此，幾乎所有的重大工程，都會(huì)采用一定相似比的相似材料模型試驗(yàn)來(lái)模擬施工工況，有的工程甚至采用1:1的原型試驗(yàn)。在軟弱破碎巖體中開挖洞室施工，由于圍巖強(qiáng)度較低，易發(fā)生洞室垮塌、圍巖破裂等現(xiàn)象，因此在此種圍巖強(qiáng)度條件下，相似材料模型試驗(yàn)成為了不可或缺的工序。
[0004]在開展相似材料模型試驗(yàn)的過(guò)程中，選取符合現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)參數(shù)的相似材料配比是該方法的關(guān)鍵。這就要求開展大量的配比試驗(yàn):選取不同的材料配比，制作標(biāo)準(zhǔn)試件，通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等來(lái)確定最終配比。同時(shí)低強(qiáng)度大尺度模型在澆筑、養(yǎng)護(hù)、開挖、加載等過(guò)程中需要配套的試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)備。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也在不斷推進(jìn)和發(fā)展此類模型試驗(yàn)方法和技術(shù)。已有許多學(xué)者在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方面開展了大量的工作，得到了許多有益的成果與結(jié)論。
[0005]目前已有的試驗(yàn)設(shè)備存在一些不足之處:①現(xiàn)有的模具在制作標(biāo)準(zhǔn)試件時(shí)，由于相似材料強(qiáng)度低，多發(fā)生脫模失敗，試件破損，造成材料浪費(fèi)，影響試驗(yàn)進(jìn)度；②模型加載試驗(yàn)臺(tái)架樣式固定，不能滿足不同條件下的開挖要求，現(xiàn)有大多數(shù)試驗(yàn)臺(tái)架無(wú)法實(shí)現(xiàn)“加圍壓”的試驗(yàn)工況；③低強(qiáng)度相似材料應(yīng)變磚制作模具低效、耗材、成功率低。本發(fā)明涉及的多功能大尺度巖土相似材料模型試驗(yàn)臺(tái)架裝置，能夠滿足大尺度模型體澆筑、養(yǎng)護(hù)、開挖、加載及監(jiān)測(cè)的要求，通過(guò)在模型體內(nèi)預(yù)埋的監(jiān)測(cè)元件，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)架本身，實(shí)現(xiàn)對(duì)開挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力、位移變化規(guī)律的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是在于提供了一種能夠滿足模擬各強(qiáng)度巖體相似材料物理模型試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，模型試驗(yàn)臺(tái)架正面為螺栓連接的分片組裝式護(hù)板，護(hù)板內(nèi)側(cè)采用特制的高強(qiáng)度有機(jī)玻璃護(hù)板，并且模型試驗(yàn)臺(tái)架側(cè)面配套有液壓加載設(shè)備。該試驗(yàn)臺(tái)架能夠模擬各強(qiáng)度巖體開挖時(shí)，不同洞室斷面、不同開挖步序、不同圍壓條件下的施工工況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型試驗(yàn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)直觀的監(jiān)測(cè)記錄。極大地有利于巖土相似材料物理模型試驗(yàn)的研究。
[0007]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種多功能大尺度物理模型澆筑加載試驗(yàn)裝置，它包括:第一正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第二正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第三正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第四正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第五正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、高強(qiáng)透明有機(jī)玻璃護(hù)板、第一側(cè)面護(hù)板、第二側(cè)面加載板、電動(dòng)分離式液壓千斤頂、壓力控制表、地面固定螺栓、滾動(dòng)軸承、拼裝螺栓，其特征在于:第一正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板分別與第二正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第三正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第五正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板及第一側(cè)面護(hù)板相連，第四正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板分別與第二正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第三正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第五正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第二側(cè)面加載板相連，第二正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板分別與第一側(cè)面護(hù)板、第四正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第二側(cè)面加載板相連，高強(qiáng)有機(jī)玻璃護(hù)板分別與第一正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第二正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第三正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第四正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第五正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第一側(cè)面護(hù)板及第二側(cè)面加載板相連，滾動(dòng)軸承分別與電動(dòng)分離式液壓千斤頂與第二側(cè)面加載板相連，將第一正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第二正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第三正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第四正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第五正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板整體固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，多功能大尺度物理模型澆筑加載試驗(yàn)臺(tái)架用第一正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第二正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第三正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第四正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板、第五正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板通過(guò)拼裝螺栓分片連接成整理，有利于進(jìn)行靈活拆裝，能滿足施工時(shí)不同洞室開挖斷面形狀及位置的要求；模型試驗(yàn)臺(tái)架正面配套的高強(qiáng)有機(jī)玻璃護(hù)板強(qiáng)度高，且能夠直觀的觀察到模型開挖過(guò)程中圍巖破裂的漸進(jìn)發(fā)展過(guò)程。試驗(yàn)臺(tái)架側(cè)面配套電動(dòng)分離式液壓千斤頂，千斤頂通過(guò)側(cè)面加載板對(duì)模型體進(jìn)行加載，能夠模擬高圍壓條件下的開挖工況；模型試驗(yàn)臺(tái)架整體靈活的結(jié)構(gòu)布局，便于在模型體內(nèi)埋設(shè)測(cè)量元件，布置監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備。該模型試驗(yàn)臺(tái)架能夠滿足大尺度模型體澆筑、養(yǎng)護(hù)、開挖、加載及監(jiān)測(cè)的要求，通過(guò)在模型體內(nèi)預(yù)埋的監(jiān)測(cè)元件，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)架本身，實(shí)現(xiàn)對(duì)開挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力、位移變化規(guī)律的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄。
[0008]本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)和效果:
①模型澆筑加載試驗(yàn)臺(tái)架本身尺度較大，可以滿足大尺度相似比物理模型試驗(yàn)的要求；②試驗(yàn)臺(tái)架正面采用螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板，能夠根據(jù)需要，靈活的控制模型體開挖斷面的形狀及位置；③試驗(yàn)臺(tái)架側(cè)面配套的電動(dòng)分離式液壓千斤頂直接與側(cè)面加載板連接，可以對(duì)模型體進(jìn)行加載，能夠模擬高圍壓條件下的開挖工況；④試驗(yàn)臺(tái)架正面鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板內(nèi)側(cè)為高強(qiáng)有機(jī)玻璃護(hù)板，既能滿足模型試驗(yàn)架的邊界條件要求，又能對(duì)模型體開挖過(guò)程中，巖體破裂漸進(jìn)發(fā)展過(guò)程實(shí)時(shí)觀察監(jiān)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為一種多功能大尺度物理模型澆筑加載試驗(yàn)裝置示意圖。
[0010]圖2為該模型試驗(yàn)臺(tái)架正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板示意圖。
[0011]圖3為一種透明高強(qiáng)有機(jī)玻璃護(hù)板示意圖。
[0012]圖4為該模型試驗(yàn)臺(tái)架側(cè)面加載板示意圖。
[0013]圖5為該模型試驗(yàn)臺(tái)架模型開挖時(shí)位移隨時(shí)間變化曲線。
[0014]其中:第一正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板1A、第二正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板1B、第三正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板1C、第四正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板1D、第五正面組合式鋼結(jié)構(gòu)護(hù)板1E、透明高強(qiáng)有機(jī)玻璃護(hù)板2、第一側(cè)面護(hù)板3A、第二側(cè)面加載板3B、電動(dòng)分離式液壓千斤頂4(型號(hào)DQF-200)、壓力控制表5 (型號(hào)DQF-200)、地面固定螺栓6、滾動(dòng)軸承7、拼裝螺栓8。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步