[實用新型]用于隧道開挖的離心模型試驗裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201921179658.8
• 申請日: 2019-07-24
• 公開（公告）號: CN210465429U
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張雪東;胡晶;張紫濤;梁建輝;魏迎奇;宋獻慧;吳俊鳴
• 申請（專利權(quán)）人: 中國水利水電科學(xué)研究院
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 深圳大域知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44479
• 代理人: 何園園

本實用新型公開一種用于隧道開挖的離心模型試驗裝置，其包括土工離心機和能夠固定于土工離心機的模型箱，所述模型箱中設(shè)置有推進裝置，所述推進裝置能夠在所述模型箱內(nèi)執(zhí)行推進移動，在所述推進裝置的推進方向前方設(shè)置有檢測裝置，用于檢測所述推進裝置周圍的模擬土體環(huán)境在所述推進裝置執(zhí)行推進移動時的沉降變形，并且在進行試驗時，所述檢測裝置的位置相對于所述模型箱固定。本實用新型通過土工離心機使模型箱繞轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，使得模型箱內(nèi)的模擬土體環(huán)境中產(chǎn)生離心力，由此能夠補償模型尺寸縮小造成的土體的自重應(yīng)力減小，從而在模型尺寸相對于實際情況縮小了的情況下獲得近似于實際工程的應(yīng)力場環(huán)境，可以模擬與工程相一致的變形。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種試驗裝置，具體地涉及用于模擬隧道挖掘時的施工情況的離心模型試驗裝置。

背景技術(shù)

在修建公路、鐵路等的工程中，特別是在修建地鐵、海底或江底隧道、鋪設(shè)通信線纜時，存在大量的隧道挖掘工程。隧道可能要穿過巖質(zhì)、土質(zhì)、淤泥環(huán)境。隨著地下交通的發(fā)展，在隧道開挖過程中，不可避免地會遇到穿越既有建筑或臨近隧道的極端情況。新建隧道的施工過程不可避免地會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。在不同的環(huán)境中，挖掘施工產(chǎn)生的影響有很大區(qū)別。對于這種極端的工況，還沒有可靠的理論計算或數(shù)值仿真方法為設(shè)計提供參照。

為了保證隧道周圍的環(huán)境(例如已有的建筑物、隧道、管道等)的安全，在進行挖掘施工之前，需要進行可靠的物理模擬。例如，目前已經(jīng)存在對隧道挖掘過程的物理模擬。在這種模擬中，在模型箱內(nèi)布置模擬隧道挖掘施工環(huán)境的模擬土體環(huán)境，然后使用模擬挖掘裝置進行挖掘試驗。通過試驗過程中獲得的各種數(shù)據(jù)，可以得到物理模擬結(jié)果。

然而，這種現(xiàn)有的物理模擬試驗存在很多局限性。

例如，其很難對地鐵隧道施工產(chǎn)生的應(yīng)力和變形進行模擬。原因在于，隧道的尺寸很大而且一般位于數(shù)十米深的地下或山體內(nèi)部，隧道周圍的土體將對隧道壁產(chǎn)生較大的壓力。使用上述現(xiàn)有的模擬手段時，很難按照真實的大小來模擬隧道施工環(huán)境，因而一般會按照比例縮小尺寸后制作包括箱體、模擬挖掘裝置等在內(nèi)的模型。由于尺寸縮小，模型中的土體的自重應(yīng)力也相應(yīng)地減小。而土體為非線性材料，其剛度與所受載荷密切相關(guān)，土體內(nèi)部應(yīng)力的差異將導(dǎo)致模擬結(jié)果失真，難以準(zhǔn)確評估隧道施工對土體或既有結(jié)構(gòu)的影響。

實用新型內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)中的至少部分技術(shù)問題，本實用新型提供一種用于隧道開挖的離心模型試驗裝置，其通過土工離心機使模型箱回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，使得模型箱內(nèi)的模擬土體環(huán)境中產(chǎn)生離心力，由此補償模型尺寸縮小造成的土體的自重應(yīng)力減小，從而在縮尺模型試驗中獲得近似于實際工程的應(yīng)力場環(huán)境，模擬與工程相似的土體或周圍建筑的變形。

需要說明的是，在本說明中提到的術(shù)語“土工離心機”的含義應(yīng)當(dāng)被理解為能夠應(yīng)用于土工試驗的各種結(jié)構(gòu)和規(guī)格的離心機，而不應(yīng)當(dāng)局限于市售的商品或產(chǎn)品名稱等。

具體地，本實用新型包括以下內(nèi)容。

根據(jù)本實用新型的一個方面，提供一種用于隧道開挖的離心模型試驗裝置，其包括土工離心機和能夠固定于所述土工離心機的模型箱，所述模型箱中設(shè)置有推進裝置，所述推進裝置能夠在所述模型箱內(nèi)執(zhí)行推進移動，模擬隧道開挖施工過程，在所述推進裝置的推進方向前方設(shè)置有檢測裝置，用于檢測所述推進裝置周圍的模擬土體環(huán)境在所述推進裝置執(zhí)行推進移動時的變形，并且在進行試驗時，所述檢測裝置的位置相對于所述模型箱固定。

在進行試驗時，通過土工離心機使模型箱回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，使得模型箱內(nèi)的模擬土體環(huán)境中產(chǎn)生離心力，由此能夠補償模型尺寸縮小造成的土體的自重應(yīng)力減小，從而獲得近似于實際工程的應(yīng)力場環(huán)境。因此，即使模型箱的尺寸相對于實際施工時的情況縮小了很多，仍然可以通過調(diào)整土工離心機的轉(zhuǎn)速來相應(yīng)地補償土體的自重應(yīng)力減小。因此，能夠以小尺寸的模型箱進行可靠的物理模擬。這使得本實用新型的用于隧道開挖的離心模型試驗裝置能夠令人滿意地應(yīng)用于地鐵隧道、山體、水底(例如河底、湖底、海底)隧道等工程的物理模擬。尤其適用于實現(xiàn)例如隧道挖掘?qū)嚯x既有隧道、地表沉降、地表建筑物影響的物理模擬。