一种隧道三维模拟实验系统及其试验件的制备方法与流程

本发明涉及隧道模拟实验领域，具体涉及一种隧道三维模拟实验系统及其试验件的制备方法。

背景技术：

1、隧道工程是基础设施建设中的重要组成部分，涉及交通、水利、能源等多个领域。隧道施工过程中，受地下岩土条件、地应力、施工方法等多种因素的影响，隧道结构可能发生变形、破坏或其他安全问题。为了确保隧道工程的安全、高效进行，对隧道结构在施工过程中的受力、变形特性及围岩环境的影响进行研究和模拟至关重要。

2、在过去的研究中，人们主要通过数值模拟和现场实测相结合的方法来研究隧道结构的受力和变形特性。然而，这些方法存在一定局限性，如数值模拟方法受限于模型的准确性、现场实测数据难以获取等。因此，研究者们开始寻求新的方法，以更好地模拟隧道结构的受力和变形特性，如采用实验模型进行物理模拟等。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是如何研究隧道结构的受力和变形特性，目的在于提供一种隧道三维模拟实验系统及其试验件的制备方法，以更好地模拟隧道结构的受力和变形特性。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种隧道三维模拟实验系统，包括：

4、反力框架，其具有上梁、下梁、左梁和右梁，所述上梁和所述下梁水平平行设置，所述左梁和所述右梁竖直平行设置，所述左梁的上端和所述右梁的上端分别与所述上梁的两端垂直固定连接，所述左梁的下端和所述右梁的下端分别与所述下梁的两端垂直固定连接；

5、模型箱体，其具有上侧板、下侧板、左侧板、右侧板、前侧板和后侧板，所述模型箱体设置在所述反力框架内；

6、加载系统，其包括上加载组件、下加载组件、左加载组件和右加载组件，所述左加载组件与所述左梁固定连接，且对所述左侧板施加向右的作用力；所述右加载组件与所述右梁固定连接，且对所述右侧板施加向左的作用力；所述上加载组件与所述上梁固定连接，且对所述上侧板施加向下的作用力；所述下加载组件与所述下梁固定连接，且对所述上侧板施加向上的作用力；

7、所述模型箱体内放置有试验件，且所述试验件的外侧板与所述模型箱体的内侧板贴合。

8、可选地，所述模型箱体包括框架横梁和框架立柱，四个所述框架横梁呈矩形分布，且所述框架横梁的前端与所述前侧板的四角连接，所述框架横梁的后端与所述后侧板的四角连接；

9、四个所述框架立柱呈矩形分布，且两个所述框架立柱分别与所述前侧板的左侧边和右侧边固定连接，另外两个所述框架立柱分别与所述后侧板的左侧边和右侧边固定连接；

10、所述左侧板和所述右侧板通过滑动连接组件与所述前侧板和所述后侧板可滑动连接，且所述左侧板和所述右侧板的滑动方向为左右方向；

11、所述上侧板通过滑动连接组件与所述前侧板和所述后侧板可滑动连接，且所述上侧板的滑动方向为上下方向。

12、作为一个实施方式，所述滑动连接组件包括伸缩杆，所述伸缩杆的第一端与所述左侧板/所述右侧板/所述上侧板垂直固定连接；所述伸缩杆的第二端与所述前侧板/所述后侧板平行且固定连接。

13、作为另一个实施方式，所述滑动连接组件包括：内连接杆、连接横杆和外伸缩杆；

14、所述内连接杆的第一端与所述左侧板/所述右侧板/所述上侧板垂直固定连接；所述外伸缩杆的固定端与所述前侧板/所述后侧板平行且固定连接；所述连接横杆的两端分别与所述内连接杆的第二端和所述外伸缩杆的移动端固定连接；

15、所述连接横杆的大于所述前侧板/所述后侧板的厚度，移动时，所述前侧板/所述后侧板位于所述内连接杆和所述外伸缩杆之间。

16、可选地，所述左侧板和所述右侧板的活动范围为15cm，所述上侧板活动范围为10cm。

17、可选地，所述上加载组件/所述下加载组件/所述左加载组件/所述右加载组件包括呈矩阵分布的多个油压千斤顶，所述油压千斤顶的液压缸与所述上梁/所述下梁/所述左梁/所述右梁垂直固定连接，所述油压千斤顶的液压杆向所述上侧板/所述下侧板/所述左侧板/所述右侧板施加作用力；

18、所述液压千斤顶通过比例电磁阀、电磁球阀、电磁换向阀、油管与油压泵站连通，控制器通过信号线控制比例电磁阀、电磁球阀、电磁换向阀。

19、进一步，还包括运输组件，所述运输组件包括台架、滑动轨道和行走机构，所述台架竖直固定在所述下梁的上侧面，两个所述滑动轨道水平平行设置，且其一端与所述台架连通，所述行走机构设置在所述滑动轨道上，并可以沿所述滑动轨道滑动只所述台架；所述模型箱体设置在所述行走机构上，所述下加载组件位于所述台架之间。

20、更进一步，还包括用于测量所述上侧板、所述左侧板和所述右侧板位移量的位移测量装置；

21、用于测量试验件内部应力变化且设置在试验件内部的应变片；

22、用于测量接触压力的振弦式压力计，其设置在所述上侧板、所述下侧板、所述左侧板、所述右侧板的内侧面。

23、一种隧道三维模拟实验系统的试验件的制备方法，制备放置在如上所述的一种隧道三维模拟实验系统的模型箱体内的试验件，包括：

24、确定模型箱体的尺寸，并确定与待模拟隧道的几何相似比cl＝a和容重相似比cγ＝b；

25、根据几何相似比确定泊松比相似比cv、应力相似比cσ、弹性模量相似比ce、粘聚力相似比cc、内摩擦角相似比应变相似比cε、位移相似比cδ、体积力相似比cx、面力相似比弯矩相似比cm和轴力相似比cn；

26、确定待模拟隧道的岩性；

27、根据相似比和待模拟隧道的岩性，确定相似材料的岩性。

28、配置相似材料中的各个配料，浇筑试件，并在试件脱模后置于模拟养护环境进行养护。

29、可选地，cσ＝ce＝cxcl＝cγcl＝a，cδ＝cl＝a，cc＝cl＝a。

30、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

31、本发明通过设置反力框架和加载系统，并通过钢结构反力框架和加载系统对隧道模型施加围岩边界加载，更接近实际隧道所处的地应力环境，且该系统可以通过调整加载系统的加载参数，模拟不同地应力条件下的隧道结构受力和变形特性，从而为工程设计和施工提供有针对性的参考数据；通过安装监测系统，可以实时获取隧道模型的变形、受力等数据，方便进行数据分析和研究。

技术特征：

1.一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述模型箱体包括框架横梁和框架立柱，四个所述框架横梁呈矩形分布，且所述框架横梁的前端与所述前侧板的四角连接，所述框架横梁的后端与所述后侧板的四角连接；

3.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述滑动连接组件包括伸缩杆，所述伸缩杆的第一端与所述左侧板(23)/所述右侧板(24)/所述上侧板(21)垂直固定连接；所述伸缩杆的第二端与所述前侧板/所述后侧板平行且固定连接。

4.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述滑动连接组件包括：内连接杆、连接横杆和外伸缩杆；

5.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述左侧板(23)和所述右侧板(24)的活动范围为15cm，所述上侧板(21)活动范围为10cm。

6.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，所述上加载组件(31)/所述下加载组件(32)/所述左加载组件(33)/所述右加载组件(34)包括呈矩阵分布的多个油压千斤顶，所述油压千斤顶的液压缸与所述上梁(11)/所述下梁(12)/所述左梁(13)/所述右梁(14)垂直固定连接，所述油压千斤顶的液压杆向所述上侧板(21)/所述下侧板(22)/所述左侧板(23)/所述右侧板(24)施加作用力；

7.根据权利要求1所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，还包括运输组件，所述运输组件包括台架(51)、滑动轨道(53)和行走机构(52)，所述台架(51)竖直固定在所述下梁(12)的上侧面，两个所述滑动轨道(53)水平平行设置，且其一端与所述台架(51)连通，所述行走机构(52)设置在所述滑动轨道(53)上，并可以沿所述滑动轨道(53)滑动只所述台架(51)；所述模型箱体设置在所述行走机构(52)上，所述下加载组件(32)位于所述台架(51)之间。

8.根据权利要求2所述的一种隧道三维模拟实验系统，其特征在于，还包括用于测量所述上侧板(21)、所述左侧板(23)和所述右侧板(24)位移量的位移测量装置；

9.一种隧道三维模拟实验系统的试验件的制备方法，其特征在于，制备放置在如权利要求1-8中任意一项所述的一种隧道三维模拟实验系统的模型箱体内的试验件，包括：

10.根据权利要求9所述的一种隧道三维模拟实验系统的试验件的制备方法，其特征在于，cσ＝ce＝cxcl＝cγcl＝a，cδ＝cl＝a，cc＝cl＝a。

技术总结
本发明公开了一种隧道三维模拟实验系统及其试验件的制备方法，包括反力框架、模型箱体和加载系统，所述模型箱体设置在所述反力框架内；所述模型箱体内放置有试验件，且所述试验件的外侧板与所述模型箱体的内侧板贴合；本发明通过设置反力框架和加载系统，并通过钢结构反力框架和加载系统对隧道模型施加围岩边界加载，更接近实际隧道所处的地应力环境，且该系统可以通过调整加载系统的加载参数，模拟不同地应力条件下的隧道结构受力和变形特性，从而为工程设计和施工提供有针对性的参考数据；通过安装监测系统，可以实时获取隧道模型的变形、受力等数据，方便进行数据分析和研究。

技术研发人员：刘志强,王立川,欧小强,李庆斌,吴剑,于长彬,陈鹏,张京京,李利平
受保护的技术使用者：中铁西南科学研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14