[实用新型]一种隧道模型实验加载装置

说明书

技术领域

本实用新型属于铁路及公路隧道领域，具体地说是涉及一种隧道模型实验加载装置。

背景技术

随着铁路及公路等基础设施建设的飞速发展, 越来越多的的铁路及公路需要通过隧道的形式穿越崇山峻岭及江河湖泊，由于各种不同施工场地的条件限制，出现了各种不同类型的隧道，如小径距隧道、连拱隧道和交叉隧道等等，同时也由于各种不同地质条件，隧道的工作环境也存在不同的变化，如大、小偏压隧道等，在不同条件下采用什么样的开挖工法已经引起了工程界的关注。隧道开挖工法不同不仅会直接影响开挖过程中隧道围岩的稳定性以及日后衬砌的工作状态，同时也会影响施工进度和施工安全。因此，在选择施工方案及支护手段之前，必须要深入了解隧道开挖过程所产生的各种问题，而模型实验是最有效的手段之一。

对于隧道开挖模型实验，国内外常用的方法有三维模型实验方法（3D方法）和二维模型实验方法（2D方法）。其中3D方法需要非常大的实验场地和设备，加载过程非常复杂，理论上讲这种实验方法与工程实际情况吻合较好，但实际操作过程很难达到这种效果，特别是大比例三维模型条件下，隧道断面的开挖次序及支护手段很难模拟，实验效果往往不理想；2D方法是建立在一定理论基础上的一种简化实验方法，其理论依据就是隧道在开挖过程中及后续使用过程中，其断面在三维地应力条件下属于平面应变问题，与隧道的实际长度没有直接关系，因此，只要能够模拟出实际的三维地应力场条件，就可以用二维隧道断面模型代替三维隧道模型进行开挖工法模拟、支护方法模拟，是一种高效、经济的实验手段。

为了能够在二维实验模型上实现可控三维地应力场作用，满足隧道开挖过程中围岩的实际应力和变形条件，同时能够模拟各种开挖工法和支护手段，需要建立实验实验加载装置，达到简单、高效经济的实验目的。

实用新型内容

本实用新型提供了一种隧道模型实验加载装置，不仅体积小、重量轻，而且能够提供可控的三维地应力场，能够模拟隧道开挖过程中隧道围岩的应力场，能够非常方便地模拟各种开挖工法及支护手段。

一种隧道模型实验加载装置，所述加载装置包括加载框架、位于加载框架正面的前挡板、以及位于加载框架背面的后挡板，所述加载框架包括框架柱、移动横梁和上横梁，移动横梁和上横梁分别与框架柱垂直；所述框架柱包括竖直设置的第一框架柱和第二框架柱，第一框架柱和第二框架柱的内侧面对称安装有若干个侧向液压油缸，所述第一框架柱和第二框架柱的底部分别设有柱脚底板，所述柱脚底板通过地脚螺栓安装在混凝土基座上；所述上横梁两端分别与第一框架柱和第二框架柱顶端固定，所述移动横梁设置在第一框架柱和第二框架柱之间且位于上横梁下方；所述移动横梁底部安装有若干个竖向液压油缸，所述上横梁上安装有起重装置，移动横梁顶端设有与该起重装置相配的吊点；所述前挡板包括一块透明有机玻璃挡板和由若干根热轧槽钢组成的槽钢挡板，后挡板由若干根热轧槽钢组成，其中有机玻璃挡板的长度与热轧槽钢的长度相同，高度为单根热轧槽钢高度的倍数，具有一定的厚度，有机玻璃挡板上切割有一个与实验模型横截面形状相同的孔洞，孔洞上设有盖板；有机玻璃挡板和槽钢挡板的两端分别与第一框架柱和第二框架柱通过同轴固定螺栓固接，有机玻璃挡板位于槽钢挡板的内侧，前后挡板之间设有若干根同轴拉杆螺栓。

所述框架柱要求具有较大的刚度，在加载过程中不能产生变形，优选为框架钢柱，其内侧面左右对称地安装有若干个侧向液压油缸，能够模拟不同侧压力条件；所述移动横梁要求具有较大的刚度，在加载过程中不能产生变形，底部安装有若干个竖向液压油缸，能够模拟各种竖向压力条件；上横梁上安装有起重装置，可以用于移动横梁的上下位置及岩土体前后挡板的吊装，通过安装在上横梁上的起重装置，所述移动横梁能够沿框架钢柱上下移动，可以满足不同埋深实验条件的需要；切割下来的有机玻璃挡板可以作为盖板在模型开挖前起到挡板的作用；同轴拉杆螺栓的设置，可以用来增加挡板的刚度，在液压油缸加载过程中能够沿实验模型的前后方向对岩土体产生约束作用，在岩土体中产生三维应力场。

作为优选，位于有机玻璃挡板外侧的槽钢采用槽口向内的方式与有机玻璃挡板之间通过同轴固定螺栓和同轴拉杆螺栓进行固定和拉结，其他部位的槽钢均采用槽口向外的方式通过同轴固定螺栓和同轴拉杆螺栓进行固定和拉结，在岩土体填充和加载过程中前后挡板协同工作，限制岩土体的位移和变形，产生三维应力场；在开挖实验过程中，位于有机玻璃挡板外侧的槽钢将要拆除，但不会影响有机玻璃挡板的固定和拉结状态，此时有机玻璃挡板将承担约束岩土体的作用，保持硐室围岩的三维应力场，同时可以让实验人员能够准确地观测量硐室围岩的变形。