隧道开挖支护与静力推覆试验用的模型箱及使用方法

技术领域

本发明涉及一种隧道开挖支护与静力推覆试验用的模型箱及使用方法。

背景技术

随着社会经济的持续发展，中国的交通运输工程规模不断扩大，数量不断增长。隧道作为地下通道的工程建筑物，具有某些其他工程无法比拟的优势。随着新工法、新技术、新结构等不断涌现，隧道工程的建设如火如荼，隧道工程的研究也突飞猛进，特别是隧道结构的施工力学特性及其抗震特性一直是近年来隧道工程领域的研究重点。而在其众多研究手段中，模型试验无疑占据着至关重要的作用。

针对施工力学特性的模型试验研究，往往离不开隧道的开挖支护；而针对抗震特性的模型试验研究中，易于操作实践的静力推覆是一种重要的试验方法。以上两种模型试验由于研究目的不同，其模型箱的结构也有所区别。在隧道的开挖支护模型试验中，模型箱的主要作用是承载土层防止其倾覆，模型箱一般是固定的。而在静力推覆模型试验中，模型箱的主要作用是给地层提供特定的水平位移，使地层发生特定的剪切变形，其墙体往往需要可以活动。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种隧道开挖支护与静力推覆试验用的模型箱及其使用方法，用于开展隧道开挖支护、隧道结构抗震相关的一系列模型试验。

本发明解决技术问题所采用的方案是，一种隧道开挖支护与静力推覆试验用的模型箱，包括底板、及安装在底板上的固定侧板、活动侧板，所述固定侧板前后对称设置两侧，活动侧板左右对称设置两个，活动侧板位于两个固定侧板的端部之间，固定侧板包括框体A及安装在框体A内侧面的透明亚克力板，框体A与底板经螺栓锁固，活动侧板包括框体B及安装在框体B内侧面的加载板，框体B下端与底板铰接，框体B前后侧分别经螺栓与同侧的框体B的端部锁固，所述透明亚克力板中部开设有模拟隧道孔，模拟隧道孔内设置有与其形状相适配的封板。

进一步的，所述底板经螺栓锁固在地面上，底板左右两侧对称设置有反力墙，反力墙内侧面沿横向安装有作动器，作动器的活动端安装有能抵靠活动侧板进行施力的承压板。

进一步的，所述透明亚克力板外侧面密布的设置有纵横刻度线，透明亚克力板内侧面涂抹润滑剂形成润滑层。

进一步的，所述透明亚克力板、加载板分别与框体A、框体B粘合。

进一步的，所述框体A下端焊接有角钢，角钢经螺栓与底板锁固，框体B下端经弹簧合页与底板相连接。

进一步的，所述框体A左右两端由上至下间隔开设若干纵向螺栓孔A，框体A前后两端由上至下间隔开设若干与纵向螺栓孔A对应配合的纵向螺栓孔B。

一种隧道开挖支护与静力推覆试验用的模型箱的使用方法：

模拟静力推覆：首先，将封板装入模拟隧道孔并将封板固定；然后，向固定侧板、活动侧板围城的区间内填充土体并夯实，形成地层模型型：接着，拆除固定侧板与活动侧板之间的连接螺栓；随后，驱动两侧的作动器，使承压板抵靠活动侧板；然后，另一侧的作动器通过承压板以主动伺服方式推动该侧的活动侧板绕墙趾发生一定量的转动位移，进而推动地层模型发生剪切变形，另一侧的作动器以被动伺服方式为该侧的活动侧板提供必要的支承力，保证两侧墙体的转动位移相，从而模拟静力推覆；

模拟隧道开挖与支护：首先，向固定侧板、活动侧板围城的区间内填充土体并夯实；然后，拆除封板；接着，使用土工具由模拟隧道孔伸入模拟隧道开挖，开挖一进尺后安置预制好的衬砌模型，如此循环以模拟隧道开挖与支护。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构简单，设计合理，操作使用方便，不仅适用于隧道开挖支护全过程的模拟，也可应用于静力推覆试验，极大地提高了模型箱的利用率，节约科研经费。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为固定侧板的结构示意图；

图2为活动侧板的结构示意图；

图3为底板的拼装细节图；

图4为模型箱用于隧道开挖模型试验的示意图；

图5为模型箱用于静力推覆模型试验的示意图。

图中：1-固定侧板；11-透明亚克力板；12-框体A；13-纵向螺栓孔A；14-角钢；15-封板；16-模拟隧道孔；2-活动侧板；21-加载板；22-框体；23-纵向螺栓孔B；24-弹簧合页；3-底板；4-螺帽；5-螺栓；6-衬砌模型；7-填土；8-反力墙；9-作动器；91-承压板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1-5所示，一种隧道开挖支护与静力推覆试验用的模型箱，包括底板3、及安装在底板上的固定侧板1、活动侧板2，所述固定侧板前后对称设置两侧，活动侧板左右对称设置两个，活动侧板位于两个固定侧板的端部之间，固定侧板包括框体A12及安装在框体A内侧面的透明亚克力板11，框体A与底板经螺栓锁固，活动侧板包括框体B22及安装在框体B内侧面的加载板21，框体B下端与底板铰接，框体B前后侧分别经螺栓与同侧的框体B的端部锁固，所述透明亚克力板中部开设有模拟隧道孔16，模拟隧道孔内设置有与其形状相适配的封板15，所述底板经螺栓锁固在地面上，底板左右两侧对称设置有反力墙8，反力墙内侧面沿横向安装有作动器9，作动器的活动端安装有能抵靠活动侧板进行施力的承压板91；

当应用于拟静力推覆试验时，只需将封板放入模拟隧道孔，并经封板与固定侧板临时固定，并将连接固定侧板、活动侧板的螺栓拆除，确保活动侧板能够活动后将其与加载系统相配合，通过主动/被动伺服方式，精确控制墙体的转动位移，达到精确控制地层剪切变形的目的；

当隧道开挖支护试验时，只需将封板由模拟隧道孔取出，使用土工具由模拟隧道孔伸入模拟隧道开挖，开挖一进尺后安置预制好的衬砌模型6，如此循环直至挖通，以模拟隧道的开挖与支护。

在本实施例中，加载板采用透明亚克力板或者橡胶板。

在本实施例中，所述透明亚克力板外侧面密布的设置有纵横刻度线，以便于观察，透明亚克力板内侧面涂抹润滑剂（如凡士林）形成润滑层，以减小摩擦。

在本实施例中，所述透明亚克力板、加载板分别与框体A、框体B通过玻璃胶粘合。

在本实施例中，所述框体A下端焊接有角钢14，角钢经螺栓与底板锁固，框体B下端经弹簧合页24与底板相连接，提供一定的支承弹力且活动侧板绕墙趾旋转。

在本实施例中，所述框体A左右两端由上至下间隔开设若干纵向螺栓孔A13，框体A前后两端由上至下间隔开设若干与纵向螺栓孔A对应配合的纵向螺栓孔B23，螺栓5穿设对应的纵向螺栓孔A、纵向螺栓孔B后经螺帽4锁固。

在本实施例中，框体A、框体B均为钢杆焊接成的框体，底板由厚钢板制成。

一种隧道开挖支护与静力推覆试验用的模型箱的使用方法：

模拟静力推覆：首先，将封板装入模拟隧道孔并将封板固定；然后，向固定侧板、活动侧板围城的区间内填充土体并夯实，形成地层模型型：接着，拆除固定侧板与活动侧板之间的连接螺栓；随后，驱动两侧的作动器，使承压板抵靠活动侧板；然后，另一侧的作动器通过承压板以主动伺服方式推动该侧的活动侧板绕墙趾发生一定量的转动位移，进而推动地层模型发生剪切变形，另一侧的作动器以被动伺服方式为该侧的活动侧板提供必要的支承力，保证两侧墙体的转动位移相，从而模拟静力推覆；

模拟隧道开挖与支护：首先，向固定侧板、活动侧板围城的区间内填充土体并夯实；然后，拆除封板；接着，使用土工具由模拟隧道孔伸入模拟隧道开挖，开挖一进尺后安置预制好的衬砌模型，如此循环以模拟隧道开挖与支护。

本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸的固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。