【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于隧道工程，具體涉及一種隧道開挖室內模型系統及其使用方法。
技術介紹
1、隧道工程具有隱蔽性大，干擾因素多等特點，因此有必要對隧道工程提前進行試驗，以驗證施工方案的可行性。相似模型試驗是以相似理論為基礎，通過計算將原型按規則縮放，從而在試驗室內完成對原型模擬的過程，這是研究隧道施工問題的重要方法之一。
2、相關技術中，隧道模型試驗成孔手段有兩種：第一種是“先挖孔，后加載”，但難以正確反映隧道圍巖的受力情況；第二種是先加載，然后再按照預先設置好的幾何邊界條件，利用小刀等工具挖孔，但是使用工具掏土容易使幾何邊界外土體擾動，造成坍塌，從而與預先設置的試驗條件產生差別，最終影響實驗結果的準確性。
3、因此，實有必要提供一種隧道開挖室內模型系統及其使用方法以解決上述問題。
技術實現思路
1、本專利技術提供一種隧道開挖室內模型系統及其使用方法，根據隧道實際所處地層特性情況，同時使用不同強度配比的填料通過3d打印方式形成不同等級圍巖，結合可根據隧道圍巖等級，設置加熱圓環直徑和間距動態變化，分別模擬隧道開挖初期支護強度高低和施工進度快慢，使隧道模型的開挖條件盡可能接近真實情況，提高試驗結果的準確性和可信度，從而探究不同影響因素和各種復雜工況對隧道開挖的影響，可以有效解決
技術介紹
中至少一個技術問題。
2、為了解決上述技術問題，本專利技術是這樣實現的：
3、一種隧道開挖室內模型系統，包括：
4、模型箱，圍成收容空間；
6、所述地聚物基填料不同節段采用不同配比的地聚物材料配置而成，用于模擬強度不同的隧道圍巖；不同節段的所述地聚物基填料內填充的熱融化填料成分不同，用于模擬不同圍巖條件下的支護強度不同的隧道施工過程。
7、作為一種優選的改進，所述模型箱采用角鋼拼接形成框架主體，底面放置在地面或者其他載體上，底面與地面/載體之間設置有第一柔性層，所述第一柔性層采用橡膠或者海綿材料制成；四個側面采用透明亞克力板包覆，頂面空置。
8、作為一種優選的改進，所述地聚物基填料內部還形成有裂隙和孔洞，用于模擬隧道圍巖內天然存在的裂隙和孔洞。
9、作為一種優選的改進，地聚物材料采用以重量份數計的如下成分配置而成：硅灰：4~5份、粉煤灰：3~3.6份、堿激發材料：0.33~0.5份、聚丙烯纖維：0.22~0.30份、銅尾礦：2~2.5份、高爐礦渣：2~2.5份、增稠劑：0.002~0.006份、減水劑：0.009~0.011份、水：4.4~6份、細沙：7.5份；粗砂：2.5份，其中堿激發材料以naoh和nasio3按照1：3的重量比復配而成。
10、作為一種優選的改進，根據地勘報告按抗壓強度將實際圍巖等級劃分為6個級別，從最好到最差分為i到vi級，使用6種不同配比的地聚物材料來模擬6種不同的圍巖等級；其中：
11、v~vi級圍巖所在節段內填充的熱融化填料為改性瀝青，熔點100℃~120℃；
12、iii~iv級圍巖所在節段內填充的熱融化填料為改性松香，熔點70℃~90℃；
13、i~ii級圍巖所在節段內填充的熱融化填料為石蠟，熔點55℃~60℃。
14、作為一種優選的改進，還包括加載裝置，所述加載裝置包括第二柔性層、鋼板、滑塊、反力梁以及千斤頂，所述第二柔性層鋪設在所述地聚物基填料的頂部，并完全覆蓋所述地聚物基填料，所述鋼板鋪設在所述第二柔性層的頂部，并完全覆蓋所述第二柔性層；所述滑塊安裝在所述模型箱頂部的角鋼上，可以沿角鋼直線滑動以調整位置，所述反力梁固定在所述滑塊上，與所述滑塊的運動狀態保持一致，所述千斤頂安裝在所述反力梁的下方，并觸接所述鋼板，通過所述千斤頂給所述鋼板施加荷載，并將荷載傳導至所述地聚物基填料，用于模擬地層荷載。
15、作為一種優選的改進，還包括開挖模擬裝置，所述開挖模擬裝置包括加熱圓環以及導線，所述加熱圓環嵌入在所述熱融化填料內，所述導線與所述加熱圓環連接，用于所述加熱圓環與外界電源的電導通，所述加熱圓環通電后加熱所述熱融化填料，所述熱融化填料受熱融化，模擬隧道的開挖過程；所述加熱圓環的直徑與當前節段的圍巖等級相匹配，不同節段的所述熱融化填料內，相鄰兩個所述加熱圓環的間距不同；對于i~ii級圍巖，所述加熱圓環的直徑選擇為所述熱融化填料直徑的90%；對于iii~iv級圍巖，所述加熱圓環的直徑選擇為所述熱融化填料直徑的80%；對于v~vi級圍巖，所述加熱圓環的直徑選擇為所述熱融化填料直徑的70%；在改性瀝青節段內，相鄰兩個所述加熱圓環的間距為10cm；在改性松香節段內，相鄰兩個所述加熱圓環的間距為8cm；在石蠟節段內，相鄰兩個所述加熱圓環的間距為6cm。
16、作為一種優選的改進，所述加熱圓環包括由內而外間隔設置的多層加熱單環以及用于固定所述加熱單環的集線盒，每層所述加熱單環均包括環形段和直線段，所述環形段為非閉合的圓環形結構，兩端間隔形成開口，所述直線段的數量為兩個，兩個所述直線段固定在所述環形段的兩端，兩個所述直線段平行間隔設置，多個所述加熱單環的直線段并排固定在所述集線盒內。
17、作為一種優選的改進，還包括測量裝置，所述測量裝置包括dic測量系統和光纖應變測量系統，其中，所述dic測量系統包括dic相機以及dic數據處理模塊，所述dic相機與所述通孔正對設置，用于測量隧道開挖過程中隧道模型孔洞和周圍填料的位移場和應變場，所述dic數據處理模塊與所述dic相機連接，用于對所述dic相機測量的數據進行處理，輸出測量所需的結果；所述光纖應變測量系統包括光纖應變片和應力數據處理模塊，所述光纖應變片貼設在所述通孔的孔壁，用于測量隧道開挖過程中隧道模型孔洞和周圍填料的應力變化，所述應力數據處理模塊與所述光纖應變片連接，用于對所述光纖應變片測量的數據進行處理，輸出測量所需的結果。
18、一種上述的隧道開挖室內模型系統的使用方法，包括如下步驟：
19、步驟s1，提供3d打印成型的地聚物基填料，在所述地聚物基填料的通孔內布置開挖模擬裝置；
20、步驟s2，向所述地聚物基填料的通孔內注入熔融的熱融化填料，待其冷卻硬化；
21、步驟s3，給所述地聚物基填料施加荷載，然后接通所述開挖模擬裝置的電源，所述開挖模擬裝置對所述熱融化填料進行加熱，通過所述熱融化填料的熱融化過程來模擬隧道的開挖過程；
22、步驟s4，利用測量裝置測量隧道開挖過程中所述通孔和周圍地聚物基填料的位移場、應變場和應力數據，基于測量數據對隧道開挖過程作出評價。
23、本專利技術的有益效果在于：
24、根據地勘報告以隧道實際所處地層特性情本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種隧道開挖室內模型系統，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，所述模型箱采用角鋼拼接形成框架主體，底面放置在地面或者其他載體上，底面與地面/載體之間設置有第一柔性層，所述第一柔性層采用橡膠或者海綿材料制成；四個側面采用透明亞克力板包覆，頂面空置。
3.根據權利要求1所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，所述地聚物基填料內部還形成有裂隙和孔洞，用于模擬隧道圍巖內天然存在的裂隙和孔洞。
4.根據權利要求1所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，地聚物材料采用以重量份數計的如下成分配置而成：硅灰：4~5份、粉煤灰：3~3.6份、堿激發材料：0.33~0.5份、聚丙烯纖維：0.22~0.30份、銅尾礦：2~2.5份、高爐礦渣：2~2.5份、增稠劑：0.002~0.006份、減水劑：0.009~0.011份、水：4.4~6份、細沙：7.5份、粗砂：2.5份，其中堿激發材料以NaOH和NaSiO3按照1：3的重量比復配而成。
5.根據權利要求4所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，根據地勘報告按
6.根據權利要求2所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，還包括加載裝置，所述加載裝置包括第二柔性層、鋼板、滑塊、反力梁以及千斤頂，所述第二柔性層鋪設在所述地聚物基填料的頂部，并完全覆蓋所述地聚物基填料，所述鋼板鋪設在所述第二柔性層的頂部，并完全覆蓋所述第二柔性層；所述滑塊安裝在所述模型箱頂部的角鋼上，可以沿角鋼直線滑動以調整位置，所述反力梁固定在所述滑塊上，與所述滑塊的運動狀態保持一致，所述千斤頂安裝在所述反力梁的下方，并觸接所述鋼板，通過所述千斤頂給所述鋼板施加荷載，并將荷載傳導至所述地聚物基填料，用于模擬地層荷載。
7.根據權利要求5所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，還包括開挖模擬裝置，所述開挖模擬裝置包括加熱圓環以及導線，所述加熱圓環嵌入在所述熱融化填料內，所述導線與所述加熱圓環連接，用于所述加熱圓環與外界電源的電導通，所述加熱圓環通電后加熱所述熱融化填料，所述熱融化填料受熱融化，模擬隧道的開挖過程；所述加熱圓環的直徑與當前節段的圍巖等級相匹配，不同節段的所述熱融化填料內，相鄰兩個所述加熱圓環的間距不同；對于I~II級圍巖，所述加熱圓環的直徑選擇為所述熱融化填料直徑的90%；對于III~IV級圍巖，所述加熱圓環的直徑選擇為所述熱融化填料直徑的80%；對于V~VI級圍巖，所述加熱圓環的直徑選擇為所述熱融化填料直徑的70%；在改性瀝青節段內，相鄰兩個所述加熱圓環的間距為10cm；在改性松香節段內，相鄰兩個所述加熱圓環的間距為8cm；在石蠟節段內，相鄰兩個所述加熱圓環的間距為6cm。
8.根據權利要求7所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，所述加熱圓環包括由內而外間隔設置的多層加熱單環以及用于固定所述加熱單環的集線盒，每層所述加熱單環均包括環形段和直線段，所述環形段為非閉合的圓環形結構，兩端間隔形成開口，所述直線段的數量為兩個，兩個所述直線段固定在所述環形段的兩端，兩個所述直線段平行間隔設置，多個所述加熱單環的直線段并排固定在所述集線盒內。
9.根據權利要求1所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，還包括測量裝置，所述測量裝置包括DIC測量系統和光纖應變測量系統，其中，所述DIC測量系統包括DIC相機以及DIC數據處理模塊，所述DIC相機與所述通孔正對設置，用于測量隧道開挖過程中隧道模型孔洞和周圍填料的位移場和應變場，所述DIC數據處理模塊與所述DIC相機連接，用于對所述DIC相機測量的數據進行處理，輸出測量所需的結果；所述光纖應變測量系統包括光纖應變片和應力數據處理模塊，所述光纖應變片貼設在所述通孔的孔壁，用于測量隧道開挖過程中隧道模型孔洞和周圍填料的應力變化，所述應力數據處理模塊與所述光纖應變片連接，用于對所述光纖應變片測量的數據進行處理，輸出測量所需的結果。
10.一種權利要求1-9任一項所述的隧道開挖室內模型系統的使用方法，其特征在于，包括如下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種隧道開挖室內模型系統，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，所述模型箱采用角鋼拼接形成框架主體，底面放置在地面或者其他載體上，底面與地面/載體之間設置有第一柔性層，所述第一柔性層采用橡膠或者海綿材料制成；四個側面采用透明亞克力板包覆，頂面空置。
3.根據權利要求1所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，所述地聚物基填料內部還形成有裂隙和孔洞，用于模擬隧道圍巖內天然存在的裂隙和孔洞。
4.根據權利要求1所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，地聚物材料采用以重量份數計的如下成分配置而成：硅灰：4~5份、粉煤灰：3~3.6份、堿激發材料：0.33~0.5份、聚丙烯纖維：0.22~0.30份、銅尾礦：2~2.5份、高爐礦渣：2~2.5份、增稠劑：0.002~0.006份、減水劑：0.009~0.011份、水：4.4~6份、細沙：7.5份、粗砂：2.5份，其中堿激發材料以naoh和nasio3按照1：3的重量比復配而成。
5.根據權利要求4所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，根據地勘報告按抗壓強度將實際圍巖等級劃分為6個級別，從最好到最差分為i到vi級，使用6種不同配比的地聚物材料來模擬6種不同的圍巖等級；其中：
6.根據權利要求2所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，還包括加載裝置，所述加載裝置包括第二柔性層、鋼板、滑塊、反力梁以及千斤頂，所述第二柔性層鋪設在所述地聚物基填料的頂部，并完全覆蓋所述地聚物基填料，所述鋼板鋪設在所述第二柔性層的頂部，并完全覆蓋所述第二柔性層；所述滑塊安裝在所述模型箱頂部的角鋼上，可以沿角鋼直線滑動以調整位置，所述反力梁固定在所述滑塊上，與所述滑塊的運動狀態保持一致，所述千斤頂安裝在所述反力梁的下方，并觸接所述鋼板，通過所述千斤頂給所述鋼板施加荷載，并將荷載傳導至所述地聚物基填料，用于模擬地層荷載。
7.根據權利要求5所述的隧道開挖室內模型系統，其特征在于，還包括開挖模擬裝置，所述開挖模擬裝置包括加熱圓環以及導線，所述加...
【專利技術屬性】
技術研發人員：羅正東，羅逍，張根寶，王煒杰，董輝，許福，蘇永華，陳英豪，鄧蘭庭，
申請(專利權)人：湘潭大學，
類型：發明
國別省市：
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