本發(fā)明屬于顆粒土體力學(xué)研究領(lǐng)域，涉及一種隧道顆粒土及谷倉效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

背景技術(shù)：

顆粒物質(zhì)是存在于自然界和日常生活中，常常能見到的一類物質(zhì)形態(tài)，如自然界中的砂子、石塊、土壤、雪粒等，生活中常見的有糖粒、食鹽、糧食等以及工業(yè)生產(chǎn)中常見到的有藥品、礦石等。在力學(xué)中顆粒物質(zhì)被定義為由大量顆粒以各種復(fù)雜連接方式所組成的物質(zhì)體系，在該體系中顆粒的直徑大于1μm。

近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)和利用越來越受到重視，越來越多的城市規(guī)劃和修建大量的地下鐵道、市政隧道、地下車站等地下工程設(shè)施，尤其是隨著城市地下綜合管廊的數(shù)量逐漸增加，在我國(guó)大多數(shù)城市地下工程中，會(huì)遇到顆粒物質(zhì)地層情況。

在工程領(lǐng)域，土體的物質(zhì)成分、形成過程、歷史變遷及其所處的自然環(huán)境極為復(fù)雜多變，使得土的組成和性質(zhì)也千變?nèi)f化。在進(jìn)行地基或者地下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、承載力、變形、沉降、穩(wěn)定等分析計(jì)算時(shí)，必須充分了解和掌握土體的成因、構(gòu)造、物理組成、力學(xué)性質(zhì)、變形特征及地下水等基本情況，才能較完善地解決工程實(shí)踐中所遇到的各種問題。

在科研領(lǐng)域，顆粒土圍巖穩(wěn)定性細(xì)觀力學(xué)特性及運(yùn)移規(guī)律尚不確定；隧道圍巖穩(wěn)定性顆粒圍巖分部開挖方式下隧道顆粒性質(zhì)圍巖細(xì)觀破壞機(jī)理研究較少；顆粒性質(zhì)圍巖圍巖塌落壓力拱演化機(jī)理尚不明確；圍巖破壞位置及時(shí)機(jī)不能準(zhǔn)確地判斷等問題。目前顆粒性質(zhì)圍巖荷載計(jì)算主要是以松散體壓力理論為基礎(chǔ)建立的，但理論推導(dǎo)時(shí)，人為規(guī)定了許多假設(shè)，致使計(jì)算結(jié)果與圍巖實(shí)際荷載差別大。

1884年，英國(guó)科學(xué)家Roberts首次觀察到：當(dāng)筒倉中裝入的顆粒物質(zhì)其高度H相對(duì)于倉徑D較小時(shí)，倉底所感受到的壓力幾乎正比于H，類似于靜態(tài)流體對(duì)倉底的壓力。但當(dāng)裝入筒倉中的顆粒物質(zhì)達(dá)到某個(gè)高度時(shí)，倉底所感受到的壓力則達(dá)到一個(gè)飽和值而不再增加。這種現(xiàn)象通俗地稱為谷倉效應(yīng)。其原因是顆粒體中出現(xiàn)了一定的剪切應(yīng)力，它能使顆粒的重量，通過顆粒體與圓筒側(cè)面墻壁的靜摩擦行為，轉(zhuǎn)移到墻壁，從而減輕了筒底的受力負(fù)擔(dān)。

谷倉效應(yīng)對(duì)工程領(lǐng)域有很大的研究與應(yīng)用價(jià)值，研究谷倉效應(yīng)不管對(duì)實(shí)際工程還是靜止的沙堆、谷堆等在日常生活中司空見慣的現(xiàn)象都有很大的價(jià)值。但如何分析其中的應(yīng)力分布至今仍然是一個(gè)活躍的研究前沿問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一套顆粒性質(zhì)土綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

隧道顆粒土及支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括實(shí)驗(yàn)倉、反力架、錨桿模擬器；

所述的實(shí)驗(yàn)倉為長(zhǎng)方體的箱體，箱體包括前側(cè)面、后側(cè)面、兩個(gè)端側(cè)面、底面，頂面無頂蓋，所述的箱體的底部?jī)啥擞醒由彀?，延伸板上有斜支撐，所述的斜支撐與箱體的端側(cè)面相連，形成三角形支撐架；

所述的前側(cè)面、后側(cè)面底部上分別有活動(dòng)門，活動(dòng)門處分別安裝擋板；

實(shí)驗(yàn)倉的兩個(gè)端側(cè)面、底面內(nèi)壁有格柵，格柵的每個(gè)格子內(nèi)為凹槽，凹槽中部有螺孔；凹槽內(nèi)安裝測(cè)量器，所述的測(cè)力器包括兩塊長(zhǎng)方體板，分別為上板和下板，所述的上板尺寸比下板大，下板安裝在凹槽內(nèi)，下板中央有螺孔；上板和下板由四根彈簧相連，彈簧關(guān)于長(zhǎng)方體板的中心點(diǎn)中心對(duì)稱分布；千分計(jì)安裝在上板和下板之間。

所述的擋板上分布有錨桿孔洞，錨桿孔洞下方為多個(gè)孔洞；所述的孔洞形狀為長(zhǎng)方形，多個(gè)孔洞組成的曲線與擋板下邊緣圍成一個(gè)封閉形狀，孔洞用于插入長(zhǎng)方體板；長(zhǎng)方體板上分布有應(yīng)變片；所述的錨桿孔洞用于插入錨桿模擬器的錨桿。

所述的反力架包括壓板，壓板位于實(shí)驗(yàn)倉內(nèi)。

所述反力架，包括支柱、橫梁、升降系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)與傳感器、壓板、底座；所述的支柱安裝在底座上，支柱之間安裝有橫梁，橫梁兩端連接有升降系統(tǒng)，所述的液壓系統(tǒng)與傳感器安裝在橫梁上，并且液壓系統(tǒng)下方連接有壓板。

所述的錨桿模擬器包括由支架、橫桿、基座、電機(jī)及傳感器、錨桿；支架安裝在基座上，橫桿固定在支架上，電機(jī)及傳感器安裝在橫桿上，電機(jī)與錨桿連接。

反力架的升降系統(tǒng)作用為調(diào)節(jié)橫梁、液壓系統(tǒng)與傳感器、壓板與土體的距離；液壓系統(tǒng)與傳感器作用為通過壓板向土體施加壓力并測(cè)量壓力大小；壓板與實(shí)驗(yàn)倉中的土樣接觸。

錨桿模擬器的電機(jī)為錨桿提供向前旋進(jìn)動(dòng)力，傳感器測(cè)量該過程中錨桿受力；錨桿為按比例縮小的錨桿，穿過預(yù)留孔洞插入實(shí)驗(yàn)倉的土體中。

本發(fā)明提供的隧道顆粒土及谷倉效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于對(duì)土體底部壓力、側(cè)向壓力、側(cè)壓力系數(shù)、錨桿摩擦系數(shù)、圍巖與隧道相互作用、谷倉效應(yīng)等參數(shù)及現(xiàn)象的測(cè)定與觀察，并能夠進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的施工及運(yùn)營(yíng)階段模擬，以得到準(zhǔn)確的結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際工程與研究。利用彈簧的受力與其壓縮量成正比的原理，將需要測(cè)量的大區(qū)域分成許多小區(qū)域，利用彈簧裝置測(cè)出每個(gè)小區(qū)域的壓強(qiáng)，近似測(cè)量出區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的壓強(qiáng)。這些區(qū)域大小可以改變，區(qū)域劃分的越小，結(jié)果越精確。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)倉立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)倉內(nèi)壁結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的擋板二維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的擋板三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明的長(zhǎng)方體板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明的測(cè)量器二維示意圖；

圖8是本發(fā)明的測(cè)量器三維示意圖；

圖9是本發(fā)明的反力架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是本發(fā)明的錨桿模擬器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)倉布置測(cè)量器后內(nèi)部圖；

圖12是實(shí)施例模擬隧道模型示意圖；

圖13是實(shí)施例實(shí)驗(yàn)倉裝上模擬隧道模型的剖面圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖1所示，隧道顆粒土及支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括實(shí)驗(yàn)倉1、反力架2、錨桿模擬器3；

如圖2所示，所述的實(shí)驗(yàn)倉1為長(zhǎng)方體的箱體，箱體包括前側(cè)面、后側(cè)面、兩個(gè)端側(cè)面、底面，上部頂面無頂蓋，所述的箱體的底部?jī)啥擞醒由彀?，延伸板4上有斜支撐5，所述的斜支撐5與箱體的端側(cè)面相連，形成三角形支撐架；

所述的前側(cè)面、后側(cè)面底部上分別有活動(dòng)門6，活動(dòng)門6處分別安裝擋板10；

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)倉1的兩個(gè)端側(cè)面、底面內(nèi)壁有格柵7，格柵7的每個(gè)格子內(nèi)為凹槽8，凹槽8中部有螺孔9；

如圖4和圖5所示，所述的擋板10上分布有錨桿孔洞11，錨桿孔洞11下方為多個(gè)孔洞12；所述的孔洞12形狀為長(zhǎng)方形，多個(gè)孔洞12組成的曲線與擋板10下邊緣圍成一個(gè)封閉形狀，孔洞12用于插入長(zhǎng)方體板13；如圖6所示，長(zhǎng)方體板13上分布有應(yīng)變片14；所述的錨桿孔洞11用于插入錨桿模擬器3的錨桿25。

如圖7和圖8所示，凹槽8內(nèi)安裝測(cè)量器26，所述的測(cè)力器26包括兩塊長(zhǎng)方體板27，分別為上板和下板，所述的上板尺寸比下板大，下板安裝在凹槽8內(nèi)，下板中央有螺孔28；上板和下板由四根彈簧29相連，彈簧29關(guān)于長(zhǎng)方體板27的中心點(diǎn)中心對(duì)稱分布；千分計(jì)30安裝在上板和下板之間。

所述的反力架2包括壓板19，壓板19位于實(shí)驗(yàn)倉1內(nèi)。

如圖9所示，所述反力架2，包括支柱15、橫梁16、升降系統(tǒng)17、液壓系統(tǒng)與傳感器18、壓板19、底座20；所述的支柱15安裝在底座20上，支柱15之間安裝有橫梁16，橫梁兩端連接有升降系統(tǒng)17，所述的液壓系統(tǒng)與傳感器18安裝在橫梁16上，并且液壓系統(tǒng)下方連接有壓板19。

如圖10所示，所述的錨桿模擬器3包括由支架21、橫桿22、基座23、電機(jī)及傳感器24、錨桿25；支架21安裝在基座23上，橫桿22固定在支架21上，電機(jī)及傳感器24安裝在橫桿22上，電機(jī)與錨桿25連接。

如圖11所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定實(shí)驗(yàn)倉1，將測(cè)量器26放入凹槽8中，并用螺栓連接螺孔9與螺孔28，將測(cè)量器26固定在試驗(yàn)倉1上。

如圖12所示，將長(zhǎng)方體板13插入前后擋板10的孔洞12，可以根據(jù)隧道及地下結(jié)構(gòu)的界面形式和尺寸，選用不同的擋板。組合結(jié)構(gòu)如圖11所示。將組合結(jié)構(gòu)裝在實(shí)驗(yàn)倉1上如圖13所示。

向?qū)嶒?yàn)倉1中加入實(shí)驗(yàn)土體，記錄不同高度土體對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片14及千分計(jì)30讀數(shù)。

如果受限于實(shí)驗(yàn)倉高度，可以使用反力架2，調(diào)整升降系統(tǒng)17，使壓板19伸入實(shí)驗(yàn)倉1中并接觸土體，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)打開傳感器，向土體施加壓力，并通過傳感器測(cè)出壓力大小。

使用錨桿模擬器3，先將其固定在前后擋板附近并調(diào)節(jié)橫梁22的高度使錨桿25對(duì)準(zhǔn)前后擋板10的預(yù)留孔洞11，打開電機(jī)與傳感器將錨桿25旋進(jìn)插入實(shí)驗(yàn)倉1的土體中，并記錄過程中傳感器讀數(shù)。

模擬隧道施工，抽出長(zhǎng)方體板13，記錄土體塌落并記錄其余千分計(jì)30變化。