[发明专利]一种模拟环形隧洞流质充填衬砌支护结构受力的装置及方法

权利要求书

1.一种模拟环形隧洞流质充填衬砌支护结构受力的装置，其特征在于，它包括预制反力框架（1），所述预制反力框架（1）的内侧壁上加工有滑槽（5），所述滑槽（5）上滑动配合安装有第一受力板（3）和第二受力板（4），在预制反力框架（1）上通过磁性表座位移计放置结构安装有磁性表座位移计（18），在第一受力板（3）和预制反力框架（1）之间设置有千斤顶（2），在第一受力板（3）和第二受力板（4）之间均布设置有多根弹簧（9），在第二受力板（4）的外端面固定有凸起加载板（7），所述凸起加载板（7）的表面粘贴有压力传感器（17），所述凸起加载板（7）的凸起加载面可嵌入分离式圆形钢管（14）开口处；所述分离式圆形钢管（14）内部可填充流动性较好的流质缓冲层（10），所述流质缓冲层（10）通过包裹袋（12）包裹并设置在分离式圆形钢管（14）内部，在包裹袋（12）上预留相应的卸压口（13），所述卸压口（13）通过卸压导管（19）与抽吸设备（23）相连；

所述第一受力板（3）和第二受力板（4）的两端加工有与滑槽（5）相配合的凸滑条（6）；

所述分离式圆形钢管（14）是由两个半剖的环形管片组装而成，且两个半剖的环形管片用扣环（15）固定，且分离式圆形钢管（14）内侧环形不同位置留有卸压口（13），且在卸压口（13）处焊接卸压导管（19），分离式圆形钢管（14）内部内壁不同受力位置监测点布设有多个压力传感器（17），所述压力传感器（17）与电脑连接；所述卸压导管（19）末端设置有橡胶活塞（22）。

2.根据权利要求1所述的一种模拟环形隧洞流质充填衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述磁性表座位移计放置结构包括平行布置的细钢筋（20），所述细钢筋（20）平行焊接固定在预制反力框架（1）上，在细钢筋（20）之间焊接固定有钢板（21），所述磁性表座位移计（18）固定安装在钢板（21）上；所述磁性表座位移计（18）的指针与分离式圆形钢管（14）外侧表面各监测点接触。

3.根据权利要求1所述的一种模拟环形隧洞流质充填衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述第一受力板（3）和第二受力板（4）相配合的端面对称设置有多个均布的弹簧固定栓（8），所述弹簧（9）定位安装在弹簧固定栓（8）之间。

4.根据权利要求1所述的一种模拟环形隧洞流质充填衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述分离式圆形钢管（14）与凸起加载板（7）所接触的受力加载部位留有一可使凸起加载板（7）的凸起结构面嵌入的加载口。

5.根据权利要求1所述的一种模拟环形隧洞流质充填衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述分离式圆形钢管（14）外侧表面不同受力位置粘贴有应变片（16），所述应变片（16）与应变采集仪连接。

6.根据权利要求1所述的一种模拟环形隧洞流质充填衬砌支护结构受力的装置，其特征在于：所述流质缓冲层（10）可选择流动性较好的密闭气、水填充物、细砂包裹物或陶粒。

7.采用权利要求1-6任意一项所述模拟环形隧洞流质充填衬砌支护结构受力装置进行模拟试验的方法，其特征在于：所述装置通过千斤顶（2）施加荷载作用在第一受力板（3）和第二受力板（4）上，受力板将荷载进一步作用在分离式圆形钢管（14）上，在加载荷载达到钢管的屈服极限的85%时进行卸压阶段，在卸压阶段将卸压导管（19）末端的橡胶活塞（22）去除，利用抽吸设备（23）的导管插入卸压口（13）中进行卸砂处理，卸压完成后再用橡胶活塞（22）将卸压口（13）密闭，保证在加载阶段填充物不流出，再进行加卸载操作，在此过程中利用应变片（16）、压力传感器（17）和磁性表座位移计（18）设备实时监测各监测点的力学参数。

8.根据权利要求7中所述模拟环形隧洞流质充填衬砌支护结构受力装置进行模拟试验的方法，其特征在于详细的操作步骤为：

Step1：材料准备：准备刚度和强度较大的不同大小和形状的钢板，千斤顶，细钢筋，弹簧，细砂，土工布，两个拱形钢管，应变片、压力传感器、磁性表座位移计、卸压导管设备；

Step2：制作反力框架：根据隧洞拱圈尺寸，利用刚度和强度较大钢板制作一个四边形的反力框架，在反力框架两侧留出凹滑槽，在反力框架适L/4处焊接两根细钢筋，在细钢筋中间位置靠近反力框架中间部位焊接磁性表座放置钢板，其中L为反力框架长边；

Step3：制作受力板：利用刚度和强度较大钢板制作两块受力板，在两块受力板两侧切割凸滑条，使其刚好能在反力框架两侧的凹滑槽中滑动，在两加载板表面等间距焊接多个弹簧固定栓，在第二受力板另一表面焊接凸起加载板；

Step4：制作分离式圆形钢管：利用刚度和强度较大钢管制作两个半剖式分离式圆形钢管，分离式圆形钢管是两个独立半圆环拱形结构，在其表面焊接若干扣环，在分离式圆形钢管各监测点等间距粘贴压力传感器；

Step5：预制流质缓冲层：利用土工布缝制包裹袋，将平均粒径为0.35-0.25mm细砂装入土工布包裹袋中制作成细长的囊状结构，并在分离式圆形钢管相应的卸压孔位置留出卸压口，将其放置于分离式圆形钢管之间，通过扣环将两个独立半圆环拱形结构固定成一个整体，并用橡胶活塞塞住卸压孔；

Step6：组装设备：在反力框架上安装千斤顶、第一受力板和第二受力板，并在两块板之间安装较大弹性系数的弹簧，使得三者可在反力框架两侧的滑槽内滑动，并将组装好的分离式圆形钢管模拟环形拱圈装置放置在反力框架内，使得第二受力板凸起加载板刚好恰好嵌入环形拱圈开口，且在与填充物接触的凸起加载板上布设一个压力传感器；

Step7： 安装监测设备：在刚板上布置磁性表座位移计，使得磁性表座位移计的指针与分离式圆形钢管外侧表面各监测点接触，在分离式圆形钢管外侧表面不同受力位置粘贴应变片与应变采集仪连接，并将在不同受力位置监测点布设压力传感器与电脑连接；

Step8：模拟试验：利用加载设备千斤顶施加不同等级的荷载，以5kN为一个量级进行加载，模拟隧洞围岩变形作用在流质充填衬砌支护结构上的不同荷载，通过布设的压力传感器来监测环形拱圈的受力大小，待加载荷载达到钢管的屈服极限的85%时进行卸压操作，利用抽吸设备吸出环形拱圈缓冲层的细砂，卸除所受较大荷载，达到减载及应力均化效果，待压力卸除完成后将卸压孔塞住，在进行加载卸压操作，在此过程中通过布设的压力传感器、磁性表座和应变片等监测设备测得各监测点的压力、变形量和应变等力学参数

Step9：根据测得的各项力学参数，研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律及自动卸压规律，为实际工程提供相关的理论支撑。