一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置的制造方法
【專利摘要】一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，由千斤頂、可縮性橫向支撐及隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)三部分組成，千斤頂布置在隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的周圍，用以模擬圍巖壓力對襯砌的作用，可縮性橫向支撐聯(lián)接襯砌支護結(jié)構(gòu)的兩底腳，用以模擬隧道底板圍巖對稱襯砌底腳結(jié)構(gòu)的兩向讓壓支撐作用，隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的型式、所用材料及幾何尺寸根據(jù)實際工程原型按一定比例縮小。本實用新型用于巖土工程室內(nèi)模型試驗研究，很好的模擬了隧道或礦山巷道圍巖壓力對于襯砌支護結(jié)構(gòu)的力學作用，試驗操作有效、可靠，為檢驗襯砌結(jié)構(gòu)的力學性能、變形破壞特征以及進一步應用于工程實際，提供可靠數(shù)據(jù)和參考。
【專利說明】
一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種巖土工程室內(nèi)試驗裝置，特別是涉及隧道或礦山巷道及硐室襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，我國現(xiàn)代化城市建設進度越來越快，地下軌道交通、城市地鐵事業(yè)及礦山巷道硐室建設不斷發(fā)展，目前，隧道支護應用最廣泛的結(jié)構(gòu)為金屬支架、U型鋼支架、錨噴支護及錨網(wǎng)噴支護等結(jié)構(gòu)，而在使用過程中，卻由于支架強度不高，可縮量較小而產(chǎn)生諸多問題，狀況頻發(fā)。為此，有必要在支護結(jié)構(gòu)應用于實際工程前，進行室內(nèi)模型試驗，來測量支護結(jié)構(gòu)的承載能力、變形情況并及時發(fā)現(xiàn)其薄弱部位，以便于在實際工程中進行調(diào)整。
[0003]室內(nèi)模型試驗，是用縮小或放大的比例模型進行試驗，和原結(jié)構(gòu)保持相似的關(guān)系，在土木工程的研究中，用模型試驗代替大型的原型結(jié)構(gòu)試驗或作為大型結(jié)構(gòu)試驗的輔助試驗，以避免不利影響因素，降低試驗費用，縮短試驗周期，是一種經(jīng)濟有效的方法;某些新設計的結(jié)構(gòu)或難以用理論分析的結(jié)構(gòu)，需要用模型試驗為其提供設計參數(shù);為新的理論假設提供試驗基礎，檢驗理論假設的可靠性。而對于隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)，由于其所處的地質(zhì)條件復雜多變，圍巖壓力大，頂部及兩幫的圍壓常常同時產(chǎn)生，且來壓強烈不均勻，在室內(nèi)模型時，往往難以模擬實際情況，給進一步的工程應用造成困難。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，可靠地模擬隧道頂部及兩幫同時產(chǎn)生的強烈不均勻的圍壓及底板圍巖對于底腳的兩向讓壓作用，從而克服了現(xiàn)有隧道支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置存在的局限性。
[0005]為實現(xiàn)以上目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0006]—種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗方法，由加載裝置千斤頂、可縮性橫向支撐及隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)三個部分組成，所述加載裝置千斤頂?shù)臄?shù)量為8-15臺，可根據(jù)隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的斷面大小而適當增減，均勻布置于所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的周圍，所述可縮性橫向支撐的長度為1000-2500mm，可根據(jù)隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的斷面大小而調(diào)整，布置于所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的兩底腳之間。
[0007]進一步的，所述千斤頂和所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)之間設置一塊鋼板，所述鋼板和所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)之間用砂漿充填密實，并用木板擋住所述鋼板之間的空隙，防止砂漿逸出，目的在于將所述千斤頂提供的集中荷載轉(zhuǎn)化為均布面荷載，用以模擬圍巖壓力對襯砌支護結(jié)構(gòu)的作用。
[0008]進一步的，所述千斤頂能夠提供1000KN的壓力，所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的兩幫所述千斤頂和頂部所述千斤頂同步加載，加載強度之比為0.7?0.8，所述泥漿采用水泥:砂子:水=1:2:0.45，所述鋼板采用規(guī)格為300mm X 300mm X 30mm。
[0009]進一步的，所述可縮性橫向支撐由兩個千斤頂和兩個工字鋼組成，所述兩個千斤頂之間用一塊可縮性墊板聯(lián)接，所述兩個工字鋼和所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)之間各用一塊可縮性墊板聯(lián)接。橫向支撐的作用在于模擬隧道底板圍巖對于隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)底腳的兩向讓壓支撐作用，可縮性墊板的作用在于使得所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)在受力時，避免應力集中的產(chǎn)生，且能夠產(chǎn)生一定的位移而不至于過早破壞。
[0010]進一步的，所述可縮性橫向支撐中的所述千斤頂要求能夠提供1000KN的壓力，僅起到支撐作用而不進行加載，所述工字鋼規(guī)格根據(jù)所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的斷面大小選擇，所述可縮性墊板由木質(zhì)或橡膠制成，厚度為50mm。
[0011]進一步的，所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)按隧道斷面分為4片網(wǎng)殼，由2片拱網(wǎng)殼和2片側(cè)網(wǎng)殼拼裝而成，每片網(wǎng)殼由2根Φ 24mm主弧筋、6根Φ 16mm次弧筋、若干Φ 8mm橋形架和Φ 8mm連接筋焊接而成。
[0012]進一步的，所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的每片網(wǎng)殼各焊接一塊帶螺栓孔的聯(lián)接板，拱網(wǎng)殼和側(cè)網(wǎng)殼拼裝時在兩個接頭處夾一塊可縮性墊板，再用螺栓聯(lián)接，所述可縮性墊板由木質(zhì)或橡膠制成，厚度為50mm。
[0013]進一步的，所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的底腳結(jié)構(gòu)固定于大塊混凝土基座上，底腳與混凝土基座處墊上鋼板，并在鋼板上涂上黃油，其作用在于使得隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)在受力時，避免在兩端出現(xiàn)大的應力集中現(xiàn)象，從而造成試件在較小荷載下被破壞，使得隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)在受力時能夠有一定的位移而不至于過早破壞。
[0014]本實用新型的有益技術(shù)效果如下:
[0015](I)千斤頂?shù)臄?shù)量、加載速度、大小，可以根據(jù)隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的形式和隧道圍壓的具體情況而調(diào)整，有效適用于各種斷面形式和不同地質(zhì)條件，圍壓條件的隧道或礦山巷道支護結(jié)構(gòu)的模型試驗中。
[0016](2)整個設備的千斤頂油壓采用計算機控制，嚴格控制兩幫和頂部的千斤頂加載強度之比為0.7?0.8，采用鋼板、砂漿及木板將千斤頂提供的集中荷載轉(zhuǎn)化為均布面荷載，用以模擬圍巖壓力。
[0017](3)可縮性橫向支撐結(jié)構(gòu)，有效模擬隧道底板圍巖壓力對于隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)底腳的兩向讓壓支撐作用，中間夾的可縮性墊板，有效避免了兩端底腳出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，使得支護結(jié)構(gòu)受力時有一定的位移能力而不至于過早破壞，與巷道底板圍壓相似。
[0018](4)隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的底腳結(jié)構(gòu)固定于大塊混凝土基座上，底腳與混凝土基座處墊上鋼板，并在鋼板上涂上黃油，有效避免在兩端出現(xiàn)大的應力集中現(xiàn)象，從而造成模型試件在較小荷載下出現(xiàn)破壞，使得隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)在受力時能夠有一定的位移，與工程實際應用中相似。
【附圖說明】

[0019]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)不意圖
[0021 ]圖中:1-加載坑壁;2-千斤頂;3-鋼板;4-木板;5-水泥砂漿;6_可縮性橫向支撐；61-千斤頂;62-工字鋼;63-可縮性墊板;7-隧道襯砌支護結(jié)構(gòu);8-混凝土基座
[0022]圖2為可縮性橫向支撐結(jié)構(gòu)示意圖
[0023]圖中:61_千斤頂;62-工字鋼;63-可縮性墊板
[0024]圖3為隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)鋼筋支架示意圖
[0025]圖中:71-主弧筋;72-次弧筋;73-橋形架;74-連接筋;75-聯(lián)接板;76-螺栓；77-可縮性墊板
[0026]圖4為隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)示意圖
[0027]圖中:78-混凝土;75-聯(lián)接板;77-可縮性墊板
【具體實施方式】
[0028]為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0029]一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，如圖1所述，包括加載坑壁(I)，千斤頂
(2)，鋼板(3)，木板(4)，水泥砂漿(5)，可縮性橫向支撐(6):由千斤頂(61)，工字鋼(62)以及可縮性墊板(63)組成，隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)，混凝土基座(8)。
[0030]首先，根據(jù)隧道襯砌或巷道具體工程情況，包括斷面大小，襯砌支護強度等，確定室內(nèi)支護結(jié)構(gòu)模型，隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)的結(jié)構(gòu)型式、所用材料與實際工程相同，幾何尺寸根據(jù)原型按1:1.5縮小，所采用的混凝土設計強度為C20，混凝土的配合比為水泥:石子:砂子:水=1: 1.84:1.84:0.45。如圖3所示，隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)的鋼筋支架分為4片網(wǎng)殼，由2片拱網(wǎng)殼和2片側(cè)網(wǎng)殼組成，幾何尺寸具體如下:頂拱凈半徑1750mm，底跨3500mm，高度2850mm;每片鋼筋網(wǎng)殼由2根Φ 24mm主弧筋(71)、6根Φ 16mm次弧筋(72)、若干Φ 8mm橋形架(73)及若干Φ8_連接筋(74)焊接而成，每片網(wǎng)殼兩端各焊接一塊帶螺栓孔的聯(lián)接板(75)，拱、側(cè)網(wǎng)殼拼裝時在兩個接頭處夾一塊可縮性墊板(77)，在用螺栓(76)聯(lián)接，可縮性墊板
(77)由木質(zhì)制成，厚度為50mm。
[0031]鋼筋支架焊接完畢后澆筑混凝土(78)，澆筑好的襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)模型如圖4所示，其中混凝土(78)厚度為10mm，寬度為400mm，在實驗室內(nèi)進行養(yǎng)護，為確保襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)模型在加載期間強度和彈性模量的穩(wěn)定，加載測量試驗在養(yǎng)護期滿后進行。
[0032]在每片鋼筋網(wǎng)殼上布置10組測點，編號I?10，試驗中用以測量鋼筋的應力應變變化過程，分別為:I號是中間主弧筋上距端部1/4處測點，2號是次弧筋上距端部1/4處測點，3號是橋形架距端部1/4處測點，4號是中間連接筋距端部1/4處測點，5號是側(cè)邊連接筋距端部1/4處測點，6號是主弧筋對稱面上的中間測點，7號是次弧筋對稱面上的中間測點，8號是橋形架對稱面上的中間測點，9號是中間連接筋對稱面上的中間測點，10號是側(cè)邊連接筋對稱面上的中間測點。
[0033]同時，在隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)模型試件的混凝土(78)上貼應變片，以測量混凝土
(78)的應力及位移變化規(guī)律，混凝土應變片分2組，分別為縱橫兩個方向，11、12號為混凝土(78)內(nèi)側(cè)表面縱向應變測點，13、14號為混凝土(78)內(nèi)側(cè)表面環(huán)形應變測點。
[0034]如圖1所示，試驗時，首先將隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)模型放置于大型地下結(jié)構(gòu)試驗臺中，在隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)模型均勻布置13個千斤頂(2)，千斤頂(2)置于加載坑壁(I)上，每個千斤頂(2)可提供1000KN的壓力，千斤頂(2)與隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)之間設置一塊鋼板(3)鋼板(3)和隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)之間用水泥砂漿(5)充填密實，并用木板(4)擋住鋼板(3)之間的空隙，將千斤頂(2)提供的集中荷載近似轉(zhuǎn)化為均布面荷載，所采用的鋼板
(3)規(guī)格為300mm X 300mm X 30mm，采用的水泥砂漿(5)配比為水泥:砂子:水=1:2:0.45。用可縮性橫向支撐(6)支撐在隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)的兩底腳之間，用以模擬底板巖石對支架底腳的兩向讓壓支撐作用，所用可縮性橫向支撐(6)由千斤頂(61)、工字鋼(62)及可縮性墊板(63)組成，分別在兩個千斤頂(61)之間，千斤頂(61)和工字鋼(62)之間，工字鋼(62)和隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)之間墊上可縮性墊板(63)，采用的工字鋼(62)規(guī)格根據(jù)隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)的斷面大小確定，采用可縮性墊板(63)由木質(zhì)制成，厚度為50mm，這樣使得隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)在加壓受力時，兩底腳處有效避免應力集中的產(chǎn)生，且能夠有一定的位移而不至于過早破壞。隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)的兩底腳結(jié)構(gòu)固定于大塊混凝土基座(8)上，中間墊上鋼板(3)并涂上黃油，使得隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)在受力時，能夠避免兩端出現(xiàn)大的應力集中現(xiàn)象，從而造成襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)在較小荷載下出現(xiàn)破壞。
[0035]荷載加載時，嚴格控制兩幫和頂部的千斤頂(2)加載強度之比為0.7?0.8，而可縮性橫向支撐(6)的千斤頂(61)僅起到支撐作用，不進行加載。荷載加載油壓讀數(shù)為0.5MPa時開始，當每增加1.0MPa數(shù)據(jù)測量一次，直到隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)破壞為止。
[0036]整個模型試驗過程中，鋼筋及混凝土的應力應變及應力位移變化采用計算機自動采集，可以得到鋼筋的應力應變變化規(guī)律，以及混凝土的應力位移變化情況。同時，可以得到整個隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)的極限承載能力和結(jié)構(gòu)的薄弱部位。
[0037]采用隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)進行模型試驗，當荷載加載到133KN時，隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)右腿下陷，混凝土基座被壓壞，支腿中間部分出現(xiàn)了裂紋，但整個襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)的整體穩(wěn)定性良好，荷載加載到318KN時，支護結(jié)構(gòu)(7)失穩(wěn)，表現(xiàn)為支護結(jié)構(gòu)(7)右支腿被折斷，但支護結(jié)構(gòu)(7)的拱頂沒有出現(xiàn)破壞，左支腿中間部分出現(xiàn)了裂紋，說明襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)支腿部分是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位。
[0038]隨后可以利用公式來求出原型結(jié)構(gòu)的承載力，即為:原型隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)承載力=模型隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)承載力X結(jié)構(gòu)截面積相似比=318 X 1.52 = 716KN，同時，亦可以通過使用過程計算機采集數(shù)據(jù)，得出襯砌支護結(jié)構(gòu)(7)鋼筋的應力應變隨荷載增加的變化規(guī)律，混凝土 (78)應力變形隨荷載增加的變化規(guī)律。
[0039]以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解:其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換;而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實用新型實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【主權(quán)項】
1.一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于，由加載裝置千斤頂、可縮性橫向支撐及隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)三個部分組成，所述加載裝置千斤頂?shù)臄?shù)量為8-15臺，可根據(jù)隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的斷面大小而適當增減，均勻布置于所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的周圍，所述可縮性橫向支撐的長度為1000-2500mm，可根據(jù)隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的斷面大小而調(diào)整，布置于所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的兩底腳之間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于，在所述千斤頂和所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)之間設置一塊鋼板，所述鋼板和所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)之間用砂漿充填密實，并用木板擋住所述鋼板之間的空隙。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于，所述千斤頂能夠提供100KN的壓力，所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)兩幫的所述千斤頂和頂部的所述千斤頂同步加載，加載強度之比為0.7?0.8，所述砂楽采用水泥:砂子:水=1:2:0.45，所述鋼板米用規(guī)格為300_X 300_X 30mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于，所述可縮性橫向支撐由兩個千斤頂和兩個工字鋼組成，所述兩個千斤頂之間用一塊可縮性墊板聯(lián)接，所述兩個千斤頂和所述兩個工字鋼之間各用一塊可縮性墊板聯(lián)接，所述兩個工字鋼和所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)之間各用一塊可縮性墊板聯(lián)接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于，所述千斤頂能夠提供1000KN的壓力，僅起到支撐作用而不進行加載，所述工字鋼規(guī)格根據(jù)所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的斷面大小選擇，所述可縮性墊板由木質(zhì)或橡膠制成，厚度為50mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于，所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)按隧道斷面分為4片網(wǎng)殼，由2片拱網(wǎng)殼和2片側(cè)網(wǎng)殼拼裝而成，每片網(wǎng)殼由2根Φ 24mm主弧筋、6根Φ 16mm次弧筋、若干Φ 8mm橋形架及若干Φ 8mm連接筋焊接而成。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于，所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的每片網(wǎng)殼兩端各焊接一塊帶螺栓孔的聯(lián)接板，拱網(wǎng)殼和側(cè)網(wǎng)殼在拼裝時在兩個接頭處夾一塊可縮性墊板，再用螺栓聯(lián)接，所述可縮性墊板由木質(zhì)或橡膠制成，厚度為50mm。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于，所述隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)的兩底腳結(jié)構(gòu)固定于大塊混凝土基座上，底腳與混凝土基座之間墊上一塊鋼板，并在鋼板上涂上黃油。
【文檔編號】G01N3/12GK205691430SQ201620506717
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年5月23日 公開號201620506717.8, CN 201620506717, CN 205691430 U, CN 205691430U, CN-U-205691430, CN201620506717, CN201620506717.8, CN205691430 U, CN205691430U
【發(fā)明人】張金松, 姚韋靖, 龐建勇, 何壯志
【申請人】安徽理工大學