一种隧道衬砌力学试验装置及试验方法

本发明涉及隧道模型试验，尤其涉及一种隧道衬砌力学试验装置及试验方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、交通工程领域中，无论是公路隧道还是地铁交通隧道，在施工和运营过程中受地质条件、交通荷载、施工质量等因素的影响不可避免的会产生一系列隧道衬砌病害，隧道衬砌工程的安全开展和运营需要进行大量的科学研究，隧道衬砌力学模型试验是研究隧道力学性能的重要途径。

3、目前，隧道模型试验主要是大尺寸的相似模型试验，主要包括采用围岩相似材料和不采用围岩相似材料两种方式。模型试验中围岩相似材料可以较好的模拟隧道工程中衬砌围岩压力，但如果模型试验尺寸较大，采用围岩相似材料进行试验的工作量巨大，且围岩相似材料力学属性的可控性较低，对试验结果的一致性存在较大的影响。不采用围岩相似材料则是通过在衬砌周围布置大量伺服加载机构的方式模拟围岩压力，这个方式的优点是工作量较小、可控性高，但试验装置的成本较高。

4、发明人发现，公路隧道和轨道交通隧道衬砌形状存在一定的差异，而现有的试验装置由于其装置结构本身的原因，严重限制了试验装置的适用范围。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种隧道衬砌力学试验装置，可适用多种隧道结构，大大降低装置成本，提高试验效率。

2、为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

3、一种隧道衬砌力学试验装置，包括：加载组件和支撑组件；所述加载组件包括反力架和伺服加载机构，所述反力架为环形，多个所述加载机构设置在所述反力架内侧，反力架底侧具有多个可伸缩支座；所述支撑组件设置在环形反力架内部用于支撑衬砌模型，包括支撑平台和所述支撑平台下设置的多个可调节支座。

4、优选地，所述反力架包括框架结构，所述框架结构为圆环结构，沿着框架结构的侧壁呈圆周阵列方式布置多个挡板，挡板上设置安装所述加载机构的固定孔。

5、优选地，所述可伸缩支座包括固定于地面的挡板、与所述框架结构连接的连接座以及双头螺栓，所述双头螺栓设置于所述挡板和连接座之间，并与所述挡板和连接座螺纹连接，所述双头螺栓两端的螺纹旋向相反。

6、优选地，所述加载机构包括活动铰支座和伺服液压顶，所述活动铰支座安装于所述反力架内侧，所述伺服液压顶第一端与所述活动铰支座转动连接，第二端用于向衬砌模型加载。

7、优选地，所述伺服液压顶第二端设置加载板，加载板加载面积大于所述伺服液压顶的加载面积。

8、优选地，所述伺服液压顶和加载板之间设置压力传感器。

9、优选地，所述支撑平台具有定位孔，所述定位孔形状与衬砌模型内孔形状相匹配。

10、优选地，所述支撑平台上设置用于支撑衬砌模型的滑动支撑单元，通过滑动支撑单元对衬砌模型进行固定支撑或滑动支撑；所述滑动支撑单元包括支撑座、高度调节旋钮、滚轮和支座，通过调节高度调节旋钮调整支座的伸出长度，当支座伸出长度大于滚轮的高度时，支座处于承载状态，滑动支撑单元固定支撑衬砌模型，当支座伸出长度小于滚轮的高度时，滚轮处于支撑状态，滑动支撑单元滑动支撑衬砌模型。

11、优选地，所述反力架外侧设置油电管线结构，所述油电管线结构包括油管结构和电路结构，所述油管结构和电路结构绕制在所述框架结构外侧。

12、本发明实施例还提供了上述隧道衬砌力学试验装置的试验方法，包括：根据试验要求设计装置尺寸，调节反力架和支撑平台高度和角度，安装伺服加载机构；伺服加载机构安装完成后，在支撑平台安装相应的衬砌模型，通过定位孔确定衬砌模型的位置；衬砌模型安装后，通过伺服控制，对衬砌模型进行相应的约束和加载；试验完成后，收回相应的约束和加载，搬运试验后的衬砌模型，完成一次试验过程。

13、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

14、1、本发明的试验装置中，外侧的反力架底侧设置多个可伸缩支座，内侧的支撑平台底侧设置多个可调节支座，通过可伸缩支座和可调节支座的配合能够灵活的调整反力架和支撑平台的相对高度，满足不同纵向尺寸的衬砌模型试验需求。进一步的，调整多个可伸缩支座(或可调节支座)为不同高度时，即可使伺服加载机构的加载横截面与衬砌模型呈预定角度，同时选择不同位置的伺服加载机构进行加载，可以提供多种不同的加载方式并满足不同衬砌轮廓的试验需求。通过可调节支架和可调节支座的配合可以方便调节反力架和支撑平台的相对高度和相对角度，既能提供足够的强度又方便观察试验过程，可适用公路隧道和地铁隧道不同形式、不同尺寸的隧道模型，满足多种试验需求。

15、2、本发明的反力架设有挡板和多个定位孔，通过不同的定位孔实现拱顶、拱肩、拱脚、仰拱四处位置单独或组合加载方式的衬砌模型试验。

16、3、本发明的伺服加载机构与反力架之间设有活动铰支座，并集成了压力计和液压顶，方便加载过程中荷载的精确控制和加载方向的自适应调整。

17、4、本发明通过在在支撑平台上设置多个滑动支撑单元，滑动支撑单元在不同的试验阶段切换不同的支撑状态，在试验前调整为固定支撑状态，在试验过程中调整为滑动支撑状态，通过滚轮的设置保证试验过程中衬砌模型边界条件摩擦力最小，有效减小试验误差。

18、5、本发明的油电管线结构以圆形结构固定于反力架外侧，既能实现相应的功能，又可以简化模型试验装置结构的复杂性，减少试验空间，提高试验装置的稳定性。在满足试验液压用油和机电控制的前提下最大化利用试验空间。

19、6、本发明的油电管线结构以圆形结构固定于反力架外侧，既能实现相应的功能，又可以简化模型试验装置结构的复杂性，减少试验空间，提高试验装置的稳定性。

20、本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

21、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种隧道衬砌力学试验装置，其特征在于，包括：加载组件和支撑组件；

2.如权利要求1所述的隧道衬砌力学试验装置，其特征在于，所述反力架包括框架结构，所述框架结构为圆环结构，沿着框架结构的侧壁呈圆周阵列方式布置多个挡板，挡板上设置安装所述加载机构的固定孔。

3.如权利要求2所述的隧道衬砌力学试验装置，其特征在于，所述可伸缩支座包括固定于地面的挡板、与所述框架结构连接的连接座以及双头螺栓，所述双头螺栓设置于所述挡板和连接座之间，并与所述挡板和连接座螺纹连接，所述双头螺栓两端的螺纹旋向相反。

4.如权利要求1所述的隧道衬砌力学试验装置，其特征在于，所述加载机构包括活动铰支座和伺服液压顶，所述活动铰支座安装于所述反力架内侧，所述伺服液压顶第一端与所述活动铰支座转动连接，第二端用于向衬砌模型加载。

5.如权利要求4所述的隧道衬砌力学试验装置，其特征在于，所述伺服液压顶第二端设置加载板，加载板加载面积大于所述伺服液压顶的加载面积。

6.如权利要求5所述的隧道衬砌力学试验装置，其特征在于，所述伺服液压顶和加载板之间设置压力传感器。

7.如权利要求1所述的隧道衬砌力学试验装置，其特征在于，所述支撑平台具有定位孔，所述定位孔形状与衬砌模型内孔形状相匹配。

8.如权利要求1所述的隧道衬砌力学试验装置，其特征在于，所述支撑平台上设置用于支撑衬砌模型的滑动支撑单元，通过滑动支撑单元对衬砌模型进行固定支撑或滑动支撑；所述滑动支撑单元包括支撑座、高度调节旋钮、滚轮和支座，通过调节高度调节旋钮调整支座的伸出长度，当支座伸出长度大于滚轮的高度时，支座处于承载状态，滑动支撑单元固定支撑衬砌模型，当支座伸出长度小于滚轮的高度时，滚轮处于支撑状态，滑动支撑单元滑动支撑衬砌模型。

9.如权利要求2所述的隧道衬砌力学试验装置，其特征在于，所述反力架外侧设置油电管线结构，所述油电管线结构包括油管结构和电路结构，所述油管结构和电路结构绕制在所述框架结构外侧。

10.一种隧道衬砌力学试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的隧道衬砌力学试验装置进行，包括：

技术总结
本发明涉及隧道模型试验技术领域，尤其涉及一种隧道衬砌力学试验装置及试验方法。隧道衬砌力学试验装置包括：加载组件和支撑组件；所述加载组件包括反力架和伺服加载机构，所述反力架为环形，多个所述加载机构设置在所述反力架内侧，反力架底侧具有多个可伸缩支座；所述支撑组件设置在环形反力架内部用于支撑衬砌模型，包括支撑平台和所述支撑平台下设置的多个可调节支座，该试验装置可适用多种隧道结构，大大降低装置成本，提高试验效率。

技术研发人员：吕高航,张田涛,刘健,于浩,解全一,李月祥,张学森
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13