专利名称：一种隧道及地下工程多功能模型试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模型试验系统，尤其是涉及一种隧道及地下工程多功能模型试验系统。
背景技术：
模型试验技术是研究岩土体中大型隧道工程问题的重要手段，可以定性或定量地研究隧道工程中围岩以及隧道结构的受力变形特性，试验结果能较好地反映真实的工程情况且具有广泛的适用性，能为数值计算模型的建立提供合理的参数以及为数值模拟的结果提供可靠对比及参考依据，在研究一些极为复杂的工程问题时，模型试验技术甚至成为了唯一方法。因此，模型试验技术在国内外已得到广泛应用，并在工程科研、设计及论证中发挥了重要作用。国际上如美国、俄罗斯、德国、意大利、日本、挪威等发达国家都先后开展了有关模型的试验研究工作，并针对不同的隧道形式、施工工艺及岩土体中的隧洞开挖过程中隧道结构与围岩稳定性问题和其力学机理，进行了卓有成效的研究工作，并研制了相应的试验设备；国内如中国科学院系统的地质与地球物理研究所、武汉岩土力学研究所、清华大学，原武汉水利电力大学、长江科学院、总参工程兵科研三所、铁道部科学研究院西南分院，西南交通大学、中国矿业大学等单位，都先后开展了这方面的研究工作，并研制了规模不等的配套模型试验设备。从总体上看，国内外隧道工程模型试验设备的种类和样式是比较多的。例如从模型放置方式看，分为卧式、立式两类；从模型加载方式看，主要是采用千斤顶加载，少数用液囊或是气囊加载；从反力的提供方式看，有金属框架式和基坑式；从模型受力维数看，大部分都是二维的；从控制模型的平面应变条件看，严格达到的不多，大多采用准平面应变条件；从模型内所产生应变场均勻程度和均勻范围看，一般都比较小。然而，随着岩土体中隧道工程的规模及难度越来越大，出现的工程问题更加复杂，需要研究的内容也越来越多，对隧道及地下工程建设的科研设计水平和计算精度的要求越来越高，现有试验设备在功能、加载方式、模型内所形成的应变场范围和均勻程度等方面已不能很好地满足工程实践的需要，因此，迫切需要研制一种性能优良、技术先进、功能多样化的隧道及地下工程试验设备，以满足隧道及地下工程研究的需要。

发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多功能、较好地模拟赋存于岩土体中隧道的受力环境的隧道及地下工程多功能模型试验系统。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，其特征在于，该试验系统包括轨道、模型箱、伺服控制的试验加载装置、转动座、转动轴及支架，所述的轨道设在该试验系统的顶部，所述的模型箱设在该试验系统的中部，包括外框架、内框架及有机玻璃板，所述的伺服控制的试验加载装置包括水平加载千斤顶及竖向加载千斤顶，所述的竖向加载千斤顶设在该试验系统的上部，所述的水平加载千斤顶设在该试验系统的两侧，所述的转动轴设在该试验系统中部的两侧，所述的转动座设在该试验系统上部的背面，经转动加载缸与支架连接。所述的有机玻璃板设在模型箱前部，该有机玻璃面板上开设有预留孔或开挖孔， 所述的预留孔或开挖孔的位置和形状配合岩土体隧道开挖的二维模型试验，实现隧道开挖模拟。所述的有机玻璃板设在模型箱前部，该有机玻璃面板上开设有预留孔或开挖孔， 所述的预留孔或开挖孔的位置和形状配合城市建设中交叉穿越工程模型试验，模拟交叉穿越时对隧道的影响。所述的有机玻璃板的透光率>95%，实现外部的数字照相系统对模型的变化的同
步记录。所述的模型箱下部还可设置底部千斤顶及旋转杆，该底部千斤顶及旋转杆通过抬升弓I起模型箱旋转至模型边坡破坏位置，进行岩土体边坡模型试验模拟。所述的隧道及地下工程多功能模型试验系统可以进行岩土体边坡模型试验、岩土体隧道开挖的二维模型试验、城市建设中交叉穿越工程模型试验或立面旋转加载试验。与现有技术相比，本发明具有以下优点(1)该装置具有一机多用功能，可对块体系统、岩石隧道开挖、洞室、洞群、边坡、盾构开挖和穿越建(构)筑物进行模型试验；(2)可实现不同建(构)筑物超载(点荷载或局部均布荷载)的模拟；(3)有效地解决了模型试验中要求应变场均勻范围大、均勻程度高的技术难题，能较好地模拟赋存于岩土体中隧道的受力环境。


图1为使用本发明进行圆形隧道平面模型试验的主视图；图2为使用本发明进行矩形隧道平面模型试验的主视图；图3为使用本发明进行交叉穿越工程平面模型试验的主视图；图4为使用本发明进行岩土体边坡模型试验的主视图；图5为本发明的侧视图。图中1为外框架、2为内框架、3为有机玻璃板、4为预留孔、5为开挖孔、6为水平加载千斤顶、7为竖向加载千斤顶、8为底部千斤顶、9为旋转杆、10为模型箱、11为支墩、12为轨道、13为转动座、14为转动轴、15为转动加载缸、16为支架、17为已有隧道。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，该试验系统包括轨道12、模型箱10、 伺服控制的试验加载装置、转动座、转动轴、转动加载缸及支架，轨道12有两条，设在该试验系统的顶部，模型箱10设在该试验系统的中部，包括外框架1、内框架2及有机玻璃板3， 外框架1及内框架2均可拆卸，有机玻璃面板3设在模型箱10的前部，该有机玻璃面板3 上开设有预留孔4，有机玻璃板3的透光率> 95%，伺服控制的试验加载装置包括水平加载千斤顶6及竖向加载千斤顶7，水平加载千斤顶6有六个，分别设在该试验系统的两侧，竖向加载千斤顶7有三个，设在该试验系统的上部，模型箱10的四周还设置有支撑用的支墩 11，转动轴设在该试验系统中部的两侧，转动座设在该试验系统上部的背面，经转动加载缸与支架连接。利用该试验系统进行圆形隧道平面模型试验，如图1所示，按顺序安装好有机玻璃板3、外框架1和内框架2 ；有机玻璃板3上设有预留孔4，预留孔4可以根据原型隧道实际形状进行设计成圆形。(1)极限破坏试验模型就位后，根据具体工况，设定相似比，定出模型洞室位置和相应载荷，进行极限破坏试验试验前设定中主应力比以及加载速率，利用三路水平加载千斤顶7施加水平向荷载，三路水平加载千斤顶7的油路相互独立，可以分别控制，用于施加梯形或均布荷载；启动竖向加载千斤顶6施加竖向荷载，利用高像素数码摄像机作为外部数字照相系统，利用高像素数码摄像机透过有机玻璃板同步记录模型表面位移和变形， 利用内窥摄像设备监控隧道内部情况；(2)隧道开挖模拟试验模型就位后，根据具体工况，设定相似比，定出开挖隧道位置和相应载荷，试验前设定竖向和水平荷载值，启动加载程序至设定值，保持竖向加载千斤顶6和水平加载千斤顶7的位置不变，对隧道进行开挖，利用高像素数码摄像机记录模型表面位移和变形。实施例2一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，该试验系统包括轨道12、模型箱10、 伺服控制的试验加载装置、转动座、转动轴、转动加载缸及支架，轨道12有两条，设在该试验系统的顶部，模型箱10设在该试验系统的中部，包括外框架1、内框架2及有机玻璃板3， 外框架1及内框架2均可拆卸，有机玻璃面板3设在模型箱10的前部，该有机玻璃面板3 上开设有预留孔4，有机玻璃板3的透光率> 95%，伺服控制的试验加载装置包括水平加载千斤顶6及竖向加载千斤顶7，水平加载千斤顶6有六个，分别设在该试验系统的两侧，竖向加载千斤顶7有三个，设在该试验系统的上部，转动轴设在该试验系统中部的两侧，转动座设在该试验系统上部的背面，经转动加载缸与支架连接。利用该试验系统进行矩形隧道平面模型试验，如图2所示，按顺序安装好有机玻璃板3、外框架1和内框架2 ；有机玻璃板3上设有预留孔4，预留孔4可以根据原型隧道实际形状进行设计成矩形。(1)极限破坏试验模型就位后，根据具体工况，设定相似比，定出模型洞室位置和相应载荷，进行极限破坏试验试验前设定中主应力比以及加载速率，利用三路水平加载千斤顶7施加水平向荷载，三路水平加载千斤顶7的油路相互独立，可以分别控制，用于施加梯形或均布荷载；启动竖向加载千斤顶6施加竖向荷载，利用高像素数码摄像机记录模型表面位移和变形，利用内窥摄像设备监控隧道内部情况；(2)隧道开挖模拟试验模型就位后，根据具体工况，设定相似比，定出开挖隧道位置和相应载荷，试验前设定竖向和水平荷载值，启动加载程序至设定值，保持竖向加载千斤顶6和水平加载千斤顶7的位置不变，对隧道进行开挖，利用高像素数码摄像机记录模型表面位移和变形。一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，该试验系统包括轨道12、模型箱10、 伺服控制的试验加载装置、转动座、转动轴、转动加载缸及支架，轨道12有两条，设在该试验系统的顶部，模型箱10设在该试验系统的中部，包括外框架1、内框架2及有机玻璃板3， 外框架1及内框架2均可拆卸，有机玻璃面板3设在模型箱10的前部，该有机玻璃面板3 上开设有开挖孔5，有机玻璃板3的透光率> 95%，伺服控制的试验加载装置包括水平加载千斤顶6及竖向加载千斤顶7，水平加载千斤顶6有六个，分别设在该试验系统的两侧，竖向加载千斤顶7有三个，设在该试验系统的上部，转动轴设在该试验系统中部的两侧，转动座设在该试验系统上部的背面，经转动加载缸与支架连接。利用该试验系统进行交叉穿越工程平面模型试验，如图3所示。试验前按照实际工况和相似比设计好有机玻璃板中预留开挖孔5。模型就位后，按顺序安装好有机玻璃板 3、外框架1和内框架2 ；设定竖向和水平荷载值，启动加载程序至设定值，保持竖向加载千斤顶6和水平加载千斤顶7位置不变；对预留开挖孔5处土体进行开挖，利用高像素数码摄像机记录模型表面位移和变形，利用内窥摄像设备监控已有隧道17的内部情况。实施例4一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，该试验系统包括轨道12、模型箱10、 伺服控制的试验加载装置、转动座、转动轴、转动加载缸及支架，转动轴设在该试验系统中部的两侧，转动座设在该试验系统上部的背面，经转动加载缸与支架连接。轨道12有两条， 设在该试验系统的顶部，模型箱10设在该试验系统的中部，伺服控制的试验加载装置包括水平加载千斤顶6及竖向加载千斤顶7，水平加载千斤顶6有六个，分别设在该试验系统的两侧，竖向加载千斤顶7有三个，设在该试验系统的上部，模型箱10的下部设置有底部千斤顶8及旋转杆9，其中底部千斤顶8设在该试验系统底座的螺栓孔内，在一定间距位置安装的旋转杆9作为转轴，按照设定的速度抬升底部千斤顶8引起模型箱10旋转至模型边坡破坏位置进行岩土体边坡模型试验模拟，如图4所示。实施例5隧道及地下工程多功能模型试验系统的轨道上可以连接局部特殊荷载加载缸，轨道上标有水平刻度，用于标记点局部特殊荷载加载缸的位置；局部特殊荷载加载缸可以在轨道上自由移动至指定位置后固定；局部特殊荷载加载装置伸缩臂端部设计成螺纹状，可以安装不同形式的端头模具，用于模拟不同情况的点荷载、局部均布荷载、单桩或群桩效应寸。实施例6一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，其侧视图如图5所示，该试验系统包括轨道、模型箱10、伺服控制的试验加载装置、转动轴13、转动座14、转动加载缸15及支架16，轨道设在该试验系统的顶部，模型箱10设在该试验系统的中部，包括外框架、内框架及有机玻璃板，外框架及内框架均可拆卸，有机玻璃面板设在模型箱的前部，伺服控制的试验加载装置包括水平加载千斤顶及竖向加载千斤顶，水平加载千斤顶设在该试验系统的两侧，竖向加载千斤顶设在该试验系统的上部，转动轴13设在该试验系统中部的两侧，转动座14设在该试验系统上部的背面，经转动加载缸15与支架16连接。使用该系统进行立面旋转加载试验将支架16固定地基上，当不做倾角状态试验时，可通过锁紧装置将转动轴13固定。当进行倾角试验时，转动轴锁紧解除，转动加载缸15按照试验角度升降，主机框架以转动轴13为回转中心转动。转动轴13位于主机框架的重心所在平面，支架16和转动加载缸15受力很小。系统框架旋转至指定位置后，启动加载程序，施加设定的竖向和水平荷载。
权利要求
1.一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，其特征在于，该试验系统包括轨道、模型箱、伺服控制的试验加载装置、转动座、转动轴及支架，所述的轨道设在该试验系统的顶部， 所述的模型箱设在该试验系统的中部，包括外框架、内框架及有机玻璃板，所述的伺服控制的试验加载装置包括水平加载千斤顶及竖向加载千斤顶，所述的竖向加载千斤顶设在该试验系统的上部，所述的水平加载千斤顶设在该试验系统的两侧，所述的转动轴设在该试验系统中部的两侧，所述的转动座设在该试验系统上部的背面，经转动加载缸与支架连接。
2.根据权利要求1所述的一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，其特征在于，所述的有机玻璃板设在模型箱前部，该有机玻璃面板上开设有预留孔或开挖孔，所述的预留孔或开挖孔的位置和形状配合岩土体隧道开挖的二维模型试验，实现隧道开挖模拟。
3.根据权利要求1所述的一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，其特征在于，所述的有机玻璃板设在模型箱前部，该有机玻璃面板上开设有预留孔或开挖孔，所述的预留孔或开挖孔的位置和形状配合城市建设中交叉穿越工程模型试验，模拟交叉穿越时对隧道的影响。
4.根据权利要求2或3所述的一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，其特征在于， 所述的有机玻璃板的透光率>95%，实现外部的数字照相系统对模型的变化的同步记录。
5.根据权利要求1所述的一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，其特征在于，所述的模型箱下部还可设置底部千斤顶及旋转杆，该底部千斤顶及旋转杆通过抬升引起模型箱旋转至模型边坡破坏位置，进行岩土体边坡模型试验模拟。
6.根据权利要求1所述的一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，其特征在于，所述的隧道及地下工程多功能模型试验系统可以进行岩土体边坡模型试验、岩土体隧道开挖的二维模型试验、城市建设中交叉穿越工程模型试验或立面旋转加载试验。
全文摘要
本发明涉及一种隧道及地下工程多功能模型试验系统，该试验系统包括轨道、模型箱、伺服控制的试验加载装置、转动座、转动轴及支架，轨道设在试验系统的上部，模型箱设在中部，包括外框架、内框架及有机玻璃板，伺服控制的试验加载装置包括水平加载千斤顶及竖向加载千斤顶，转动轴设在该试验系统中部的两侧，转动座设在该试验系统上部的背面，经转动加载缸与支架连接。本发明可对块体系统、岩石隧道开挖、洞室、洞群、边坡、盾构开挖和穿越建筑物进行模型试验，并具有立面旋转加载的功能，有效地解决了模型试验中要求应变场均匀范围大、均匀程度高的技术难题，能较好地模拟赋存于岩土体中隧道的受力环境。
文档编号G01M99/00GK102235942SQ20101015947
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者张子新, 石振明, 雷庆华, 黄昕 申请人:同济大学