一种梯度加压实验装置及梯度加压法

摘要

本发明提供了一种梯度加压实验装置及梯度加压法，属于隧道工程领域。该梯度加压实验装置包括加压组件和隧道模型实验装置。加压组件包括分隔架和多个加压袋，分隔架上形成多个互相分隔的容置空间，加压袋与容置空间适配。加压袋上设有加压进口，用于向加压袋中输入流体，隧道模型实验装置上形成空腔，加压组件与空腔的侧壁适配。本发明还基于该梯度加压实验装置提出了一种梯度加压法。本发明提供的梯度加压实验装置和梯度加压法，可以对实验中的地层模拟材料和地下结构模型提供呈梯度分布的压力，从而更加贴近实际情况，提高实验结果的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体而言，涉及一种梯度加压实验装置及梯度加压法。

背景技术

隧道是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。根据其所在位置可分为山岭隧道、水下隧道和城市隧道三大类。随着工程设备和技术的发展，隧道已成为一种十分常见的建筑形式。隧道相关技术的发展离不开模拟实验。在模拟实验中，需要满足静力效应等效、动力效应等效、边界效应等效三个原则。

现有的针对隧道模型的实验方法受限于现有的实验箱结构，不能准确地模拟隧道的真实受力情况，使得实验结果与实际值偏差较大。

发明内容

本发明提供了一种梯度加压实验装置及梯度加压法，旨在解决现有技术中隧道模型实验装置及实验法存在的上述问题。

本发明是这样实现的：

一种梯度加压实验装置，包括加压组件和隧道模型实验装置；

所述加压组件包括分隔架和多个加压袋，所述分隔架上形成多个互相分隔的容置空间，所述加压袋与所述容置空间适配；

所述加压袋上设有加压进口，用于向加压袋中输入液体或气体；

所述隧道模型实验装置上形成空腔，所述加压组件与所述空腔的侧壁适配。

在本发明的较佳的实施例中，所述分隔架包括第一连接杆和与所述第一连接杆相对设置的第二连接杆，所述第一连接杆和所述第二连接杆之间架设分隔杆，所述分隔杆、所述第一连接杆和所述第二连接杆围成多个互相分隔的容置空间。

在本发明的较佳的实施例中，所述加压袋上设有加压管道，所述加压管道一端与所述加压进口相连。

在本发明的较佳的实施例中，所述加压袋与压力计相连。

在本发明的较佳的实施例中，所述隧道模型实验装置包括侧板组件和端面板组件，所述侧板组件与所述端面板组件围成空腔；

所述侧板组件包括三个以上的侧板，多个所述侧板依次铰接并使所述侧板组件形成柱体结构；

所述端面板组件包括第一端面板和第二端面板，所述第一端面板与所述第二端面板相对设置，所述第一端面板与所述侧板组件一端相连，所述第二端面板与所述侧板组件另一端相连；

所述侧板组件包括第一侧板和连接于第一侧板两端的第二侧板和第三侧板，所述第一侧板和所述第三侧板可拆卸地相连。

在本发明的较佳的实施例中，所述侧板组件还包括第四侧板，所述第一侧板和所述第四侧板相对设置，所述第二侧板和所述第三侧板相对设置，所述侧板组件上的各侧板依次铰接；

所述第一端面板包括第一叶片和第一连接件，所述第一连接件上包括叶片连接部和两个侧板连接部，所述叶片连接部与所述第一叶片固定相连，其中一个所述侧板连接部与所述第二侧板铰接，另一个所述侧板连接部与所述第三侧板铰接。

在本发明的较佳的实施例中，所述第一端面板还包括第二叶片、第三叶片、第二连接件和第三连接件，所述第一叶片与所述第二叶片部分重叠，所述第二叶片与所述第三叶片部分重叠；

所述第二连接件与所述第二叶片固定相连，所述第二连接件与所述第二侧板和所述第三侧板铰接；

所述第三连接件与所述第三叶片固定相连，所述第三连接件与所述第二侧板和所述第三侧板铰接。

一种梯度加压法，基于上述的梯度加压实验装置，所述梯度加压法包括以下步骤：

a.将所述加压袋置于所述容置空间中，将所述加压组件置于所述空腔并与所述空腔的壁面贴合；

b.在所述空腔中加入地层模拟材料；

c.将地下结构模型放入所述空腔中；

d.在所述空腔中加入地层模拟材料，使所述地层模拟材料覆盖所述地下结构模型；

e.向各加压袋中加压。

在本发明的较佳的实施例中，步骤e是通过向加压袋中充入气体实现的。

在本发明的较佳的实施例中，步骤e是通过向加压袋中充入液体实现的。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的梯度加压实验装置及梯度加压法，使用时，可以给施加呈特定规律分布的压力，从而得到符合各类地层条件的压力分布和实验结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的梯度加压实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的加压袋的结构示意图；

图3是本发明实施方式提供的隧道模型实验装置的结构示意图；

图4是本发明实施方式提供的隧道模型实验装置在剪切状态下的结构示意图；

图5是本发明实施方式提供的第一侧板的结构示意图；

图6是本发明实施方式提供的第一端面板的结构示意图；

图7是本发明实施方式提供的第一端面板在剪切状态下的结构示意图；

图8是本发明实施方式提供的第一连接件的结构示意图；

图9是利用本发明实施方式提供的梯度加压实验装置进行梯度加压的示意图。

图标：100-隧道模型实验装置；110-侧板组件；130-端面板组件；150-阻尼组件；111-第一侧板；112-第二侧板；113-第三侧板；114-第四侧板；131-第一端面板；133-第一连接件；134-第二连接件；135-第三连接件；1112-侧板基体；1114-第一侧板边翼；1116-第二侧板边翼；1311-第一叶片；1312-第二叶片；1313-第三叶片；1314-连接座；1331-叶片连接部；1333-侧板连接部；1118-第一连接孔；1128-第二连接孔；1119-第一转轴；200-加压组件；210-分隔架；230-加压袋；211-第一连接杆；213-第二连接杆；215-分隔杆；217-容置空间；231-袋体；233-加压管道；235-压力计；237-阀门；001-梯度加压实验装置。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

本实施例提供了一种梯度加压实验装置001，请参阅图9，这种梯度加压实验装置001包括加压组件200和隧道模型实验装置100。

请参阅图1，加压组件200包括分隔架210和加压袋230。

分隔架210包括第一连接杆211和第二连接杆213，第一连接杆211和第二连接杆213相对设置。第一连接杆211和第二连接杆213之间架设有分隔杆215。分隔杆215、第一连接杆211和第二连接杆213围成多个互相分隔的容置空间217。

请参阅图2，加压袋230包括袋体231和加压管道233。袋体231上设有加压进口，加压管道233一端与加压进口相连。加压管道233上还连接有压力计235和阀门237，加压管道233另一端用于与液泵或气泵相连。

袋体231与容置空间217相适配。

隧道模型实验装置100包括侧板组件110、端面板组件130和阻尼组件150。侧板组件110和端面板组件130围成一空腔。

侧板组件110包括第一侧板111、第二侧板112、第三侧板113和第四侧板114，第一侧板111、第二侧板112、第三侧板113和第四侧板114依次铰接并围成横截面为矩形的柱体。

具体的，第一侧板111与第四侧板114相对设置，第二侧板112与第三侧板113相对设置。第一侧板111一端与第二侧板112相连，第一侧板111另一端与第三侧板113相连。

第一侧板111上设有第一连接孔1118，第二侧板112上设有第二连接孔1128，第一转轴1119依次穿过第一连接孔1118和第二连接孔1128，从而实现第一侧板111与第二侧板112的转动相连。

进一步的，第一侧板111与第三侧板113之间、第四侧板114与第三侧板113之间、第四侧板114与第二侧板112之间，均可采用与第一侧板111和第二侧板112相同的连接方式。

请参阅图5，进一步的，第一侧板111包括侧板基体1112、第一侧板边翼1114和第二侧板边翼1116。第一侧板边翼1114和第二侧板边翼1116分设于侧板基体1112两端，第一侧板边翼1114与第二侧板边翼1116与侧板基体1112相连。具体的，第一侧板边翼1114和第二侧板边翼1116垂直于侧板基体1112。

进一步的，第二侧板112、第三侧板113和第四侧板114均采用与第一侧板111相同的结构。请参阅图3及图4，各侧板上的侧板边翼可互不干扰地相对错动。

端面板组件130包括第一端面板131和第二端面板(图中未示出)。第一端面板131与第二端面板相对设置。第一端面板131连接于侧板组件110一端，第二端面板连接于侧板组件110另一端。

请参阅图3及图4，进一步的，第一侧板111、第二侧板112、第三侧板113和第四侧板114上的侧板边翼覆盖于第一端面板131和第二端面板上。

请参阅图6及图7，进一步的，第一端面板131包括第一叶片1311、第二叶片1312和第三叶片1313。第一叶片1311通过第一连接件133与侧板组件110相连。该连接具体是这样实现的：

请参阅图8，第一连接件133上设有两个叶片连接部1331和两个侧板连接部1333，两个叶片连接部1331和两个侧板连接部1333均布于杆状结构的第一连接件133基体上，两个侧板连接部1333分布于两个叶片连接部1331的两端。叶片连接部1331与第一叶片1311固定相连，两个侧板连接部1333分别与第二侧板112和第三侧板113铰接。

第二叶片1312和第三叶片1313以同样的方式与侧板组件110相连。第二叶片1312位于第一叶片1311与第三叶片1313之间，且第一叶片1311与第二叶片1312部分重叠，第二叶片1312与第三叶片1313部分重叠。

第二端面板与第一端面板131结构相同。

进一步的，第一端面板131与第二端面板均采用透明材料制成，从而方便实验人员观察隧道模型实验装置100的内部情况。

阻尼组件150包括两个阻尼器。两个阻尼器相互交叉地连接于侧板组件110上各侧板的铰接轴上。即：其中一个阻尼器一端连接于第一侧板111与第二侧板112的铰接轴上，另一端连接于第三侧板113与第四侧板114的铰接轴上；另一个阻尼器一端连接于第一侧板111与第三侧板113的铰接轴上，另一端连接于第三侧板113与第二侧板112间的铰接轴上。

进一步的，阻尼器两端为钩状结构，钩状结构与侧板组件110上各侧板间的铰接轴配合，即实现阻尼器的连接。

具体的，阻尼器为弹性件。

需要说明的是：在本发明的其他的实施方式中，侧板组件110上的侧板个数不限于四个，凡能实现隧道模型实验装置100的剪切变形的侧板个数，均应包含在本发明的保护范围内；

在本发明的其他实施方式中，第一端面板131上的叶片个数不限于三个，而是可以为任何正整数；

在本发明实施例中，设置阻尼组件150的目的是，使阻尼组件150为隧道模型实验装置100提供阻尼，具体的，可以选用弹性阻尼、粘性阻尼、塑性阻尼、弹-黏-塑性组合性阻尼等形式的阻尼组件150，还可以将阻尼组件150设置为刚性索，当阻尼组件150设置为刚性索时，隧道模型实验装置100即为刚性箱；

第一端面板131和第二端面板设置为透明材料的目的是，便于实验人员对隧道模型实验装置100内部情况进行观察，当然，在本发明的其他的实施方式中，第一端面板131和第二端面板还可以设置为不透明材料。

加压组件200与隧道模型实验装置100的空腔尺寸相适配，即：加压组件200可与隧道模型实验装置100的壁面相贴合。

基于该梯度加压实验装置001的梯度加压法包括以下步骤：

a.将所述加压袋230置于所述容置空间217中，将所述加压组件200置于所述空腔并与所述空腔的壁面贴合；

b.在所述空腔中加入地层模拟材料；

c.将地下结构模型放入所述空腔中；

d.在所述空腔中加入地层模拟材料，使所述地层模拟材料覆盖所述地下结构模型；

e.向各加压袋230中加压。

进一步的，加压袋230可以是气囊或水囊，步骤e可以通过向加压袋230中充入气体或液体来实现。当向加压袋230中充入气体时，气体的体积可有一定程度的压缩，因此可用于模拟柔性加载；当向加压袋230中充入液体时，液体的体积不可压缩，因此可用于模拟刚性加载。加压管道233上连接有压力计235和阀门237，使得实验人员可以将各加压袋230中的流体压力控制在特定值。

由于各个容置空间217互相分隔，故可以单独控制各个加压袋230内压力大小，从而施加具有各种分布规律(如梯度分布规律)的载荷(请参阅图9)。

由于实际情况中，地层中的压力并不是均值分布，因此，本发明所提供的梯度加压实验装置001和梯度加压法，有助于得到更贴近于实际的实验结果，从而提高模拟实验模型的准确性和实验结果的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。