本实用新型涉及一种地质力学模型试验系统，具体的说是一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置。
背景技术：
随着经济的发展和交通运输量的增加，我国已经成为世界上隧道工程规模最大、数量最多、修建速度最快的国家。由于地质条件的复杂性、环境温度的周期性以及结构材料自身特性，极易引发隧道施工阶段的塌方、运营阶段的衬砌开裂掉块等灾害。因此，掌握隧道在不同荷载和因素下的变形规律、破坏机理以及如何采取行之有效的处理措施已经成为制约隧道发展的核心问题之一。针对这些问题现阶段主要有理论分析、数值模拟和地质力学模型试验，其中进行以相似理论为基础的地质力学模型试验一直是研究此类问题最普遍、有效的方法之一。
要进行地质力学模型试验，就必须要有地质力学模型试验装置。目前，地质力学模型试验试验多数采用液压伺服控制的千斤顶，此类加载方式具有精度高、响应速度快、负载刚度大等优点，但也存在不易长期稳压的缺点。而隧道作为一种典型的地下结构有时需要考虑大埋深、高地应力、岩土体的固结蠕变、衬砌冻融循环等复杂条件，对隧道进行长期稳定加压的问题，同时还需要对隧道二次衬砌最大承载能力进行试验，因此迫切需要设计一种地质力学模型试验装置既能进行液压式加载，又能进行重力式加载。此外传统地质力学模型试验装置存在设备体积大、不可移动、且需特殊处理地基以施加载荷等不足，难以满足双加载方式的要求。
技术实现要素：
本实用新型的目的是为解决上述现在地质力学模型试验装置存在的问题，提供一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，可同时实现液压式和重力式加载，且装置为自平衡结构，不需要特殊地基处理。
本实用新型采用的技术方案如下：
一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，包括承力台架，设置在承力台架内部的垫板和垫板下方设置的地质力学模型；所述的承力台架为框形结构，内部安装有底板和隔离板；垫板下方填充有充填材料，垫板上方设置有若干只配重块；承力台架上方的设置有若干只反力板，每只反力板下方设置有液压千斤顶，液压千斤顶施压在垫板上，将力学载荷传递至地质力学模型。
上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，隔离板上预留操作洞。
上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，垫板包括底部钢板、中间的型钢和顶部的施力圆棒，所述的施压钢棒垂直于型钢长度方向设置。
上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，液压千斤顶的活动端作用在施力圆棒中部。
上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，若干只液压千斤顶分别通过油路连接至液压工作站，液压工作站与伺服控制器电连接。
上述自平衡双加载方式地质力学模型试验装置中，承力台架和反力板通过螺栓固定为一体化结构。
一种利用自平衡双加载方式地质力学模型试验装置进行二次衬砌模型的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
【1】二次衬砌模型的预制：
根据地质力学模型试验的要求和相似原理，制作隧道二次衬砌模型的预制装置，并预制隧道二次衬砌模型；
【2】力学加载试验：
【2.1】根据试验要求在模型试验装置上布设应变片和应力计；
【2.2】将围岩相似材料分层倒入模型试验装置内部，当达到设定高度时将步骤【1】中预制的二次衬砌模型放入，继续分层将围岩相似材料埋设到模型试验装置顶部，之后放置平板、垫板、反力板和液压千斤顶；
【2.3】通过操作洞将位移传感器、裂缝检测仪、摄像仪放置于二次衬砌模型内部；
【2.4】根据试验要求，先在垫板上放置配重块长时间稳定加压，模拟大埋深、高地应力、岩土体固结蠕变的围岩地质条件下二次衬砌应力应变，并对图像和数据进行分析；
【2.5】逐步加大液压千斤顶载荷至二次衬砌模型裂损破坏进行模型承载试验，并对图像和数据进行分析。
上述二次衬砌模型的试验方法中，步骤【1】二次衬砌模型的预制包括以下步骤：
【1.1】物件准备：对隧道二次衬砌模型横断面按一定比例缩放，按照缩放后的二次衬砌模型结构制备相应尺寸的底板、顶板和拼接内模、外模的板材；
【1.2】内模拼接：在底板上内模对应位置的通孔上插入固定柱，拼接内模至设定高度；
【1.3】环向加强筋布设：在内模的外侧卷绕泡沫缓冲层，将定位支杆的一端插入泡沫缓冲层内；在二次衬砌模型浇筑空腔内布设外侧环向加强筋和内侧环向加强筋，使得外侧环向加强筋和内侧环向加强筋固定在定位支杆的外漏端；
【1.4】外模拼接：拼接外模至设定高度，插入外模对应的固定柱，安装顶板，使得预制装置固为一体；
【1.5】浇筑：将一定配合比的衬砌材料通过下料口浇筑进入预制空腔内，并静置设定的时间；
【1.6】拆模：逐层拆除顶板、内模、外模和固定柱，清除泡沫缓冲层，得到二次衬砌模型。
上述二次衬砌模型的试验方法中，所述的隧道二次衬砌模型的预制装置包括内模、外模、底板、顶板和若干只固定柱，内模和外模设置在底板和顶板之间并形成二次衬砌模型的浇筑空腔；所述的内模和外模在垂直方向均为若干只平板层叠构成，每只板材在水平方向均剖分成两半；所述的内模、外模、底板、顶板上在对应的位置处设置有若干只通孔，固定柱贯穿通孔将预制装置固定为一体；所述的顶板上设置有若干只下料口；内模的外侧设置有泡沫缓冲层。
上述二次衬砌模型的试验方法中，内模和外模之间的空腔内设置有若干条外侧环向加强筋和内侧环向加强筋，所述的泡沫缓冲层上设置有若干只定位支杆，外侧环向加强筋和内侧环向加强筋固定在定位支杆上。
本实用新型具有如下有益效果：
一、本实用新型的地质力学模型试验装置采用了重力式和液压式两种加压方式，其中重力式加载满足了隧道结构体在大埋深、高地应力、岩土体的固结蠕变、衬砌冻融循环等复杂条件下长期稳定加压试验的问题，液压式加载则满足了隧道结构体在承载能力试验中需要快速、大量程加载方式的需求。荷载可根据实验的要求自由选取液压千斤顶式加载或重力式加载，当不需要施加地应力时，也可进行传统边坡、桩基等大尺寸模型试验。
二、传统的试验装置在加载中需要对地基进行处理，地基内部埋设螺栓通过钢丝绳进行载荷的施加，故设备无法移动。本实用新型的地质力学模型试验装置采用自平衡结构，双加载方式的部件和填埋单元均设置在承力台架内部，设备便于移动，此外加载中不需要对地基进行特殊处理。此外在装置结构设计、垫板布局和配重块摆放上均考虑到力学加载位置的平衡，确保了应力加载的稳定性和均匀性。
三、本实用新型的反力板通过高强螺栓与承力台架连接形成一个整体，使装置的加载成为一个独立的自平衡结构，使得装置具有可移动性，同时便于千斤顶的拆卸和试验体的埋设。此外在隔离板上预留操作洞，便于试验体开挖、传感器安装和试件的观察。
四、本实用新型的在隧道二次衬砌模型预制中采用拼装组合式预制装置，克服了传统衬砌制作精度低、成品率低、重复率低和周期长的缺点的同时，降低了预制装置的制作成本和重量，该方案加强筋定位准确、易于拆卸且造价低廉，可用于各类运营期隧道衬砌裂损及产生的灾害等相关的地质力学模型试验，包括山体隧道、盾构隧道、海底隧道、铁路隧道、水工隧道等，与工程试验更为接近、使用范围更广，对于解决对隧道衬砌尺寸有较高要求的运营期隧道衬砌裂损及产生的灾害研究具有重要的意义。
五、本实用新型衬砌模型制备装置的内模和外模均采用板材拼接成不同的长度，适应了模型试验中需要对不同长度隧道试验的需求，同时模具的内模、外模、顶板、底板可以重复使用，降低了试验成本。通过在内模外圈设置泡沫缓冲层，将内模和浇筑的二次衬砌模型进行隔离，一方面方便了拆模时将内模取出，确保了二次衬砌的尺寸结构完整性，另一方面泡沫缓冲层可以作为支撑件，通过插入若干只定位支杆实现内外环向加强筋的布设，实现了内部含有环向加强筋和箍筋的二次衬砌模型制备，从而满足了隧道力学模型试验的准确性和可靠性。
附图说明
图1为本实用新型地质力学模型试验装置的结构示意图；
图2为本实用新型模型试验装置的内部结构示意图；
图3为本实用新型液压千斤顶工作原理示意图
图4为本实用新型垫板及加载结构示意图；
图5为现有隧道二次衬砌钢筋布置图；
图6为本实用新型隧道二次衬砌模型的预制装置结构示意图；
图7为本实用新型内模和外模横截面示意图；
图8为本实用新型底板结构示意图；
图9为本实用新型顶板结构示意图；
图10为本实用新型泡沫缓冲层、加强筋和定位支杆安装示意图。
其中：1-顶板；2-固定柱；3-外模；4-底板；5-泡沫缓冲层；6-内模；7-通孔；8-外侧环向加强筋；9-内侧环向加强筋；10-定位支杆；11-浇筑空腔；12-下料口；13-箍筋。21-承力台架；22-隔离板；23-操作洞；24-反力板；25-液压千斤顶；26-垫板；27-螺栓；28-底板；29-配重块；30-液压工作站；31-伺服控制器；32-充填材料；33-地质力学模型；34-施力圆棒；35-底部钢板；36-型钢。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1和图2所示，本实用新型的自平衡双加载方式地质力学模型试验装置包括承力台架21，设置在承力台架21内部的垫板26、平板35和平板下方设置的地质力学模型33；力台架21为框形结构，底部安装有底板，侧面安装有隔离板22；所述的垫板26设置在平板35上，地质力学模型和平板35下方填充有充填材料32，垫板26上方设置有若干只配重块29；承力台架21上方的设置有若干只反力板24，每只反力板24下方设置有液压千斤顶25，液压千斤顶25施压在垫板26上，将力学载荷传递至地质力学模型33。垫板上安装液压千斤顶25和反力板24，将荷载通过垫板均匀的传递到试验体实现地质力学模型的运行，也可同时实现将重力配重块29放置于垫板26上实现荷载的传递；其中液压千斤顶25、反力板24和垫板26组成快速加载装置，配重块29和垫板26实现长期稳定的重力式加载，用于模拟不同的应力状态。
承力台架21采用强度高、抗腐能力强的镀锌方钢焊接而成，通过增加减少横向纵向方钢实现装置的大小、尺寸改变。隔离板22采用亚克力板，其强度高、质量轻，抗冲击能力强，保证试验安全，此外透明度好便于实验过程中对试验体的观察和监测，隔离板22镶嵌在承力台架内侧，并在隔离板22上预留操作洞23，便于试验过程中对试验体进行开挖和传感器的放置、观察等。
实施中根据地质力学模型试验要求和技术要求，裁切、焊接矩形方钢制作承力台架21；承力台架21焊接时预留宽度用于放置和固定隔离板22，承力台架1底部连接方钢用于放置底板28，并在特定位置焊接角钢用于连接反力板24；反力板24为工字钢，通过高强螺栓与承力台架连接形成一个整体，为千斤顶提供反力。需要指出的是承力台架的形状为矩形，但不局限于矩形，也包括其他形状的组成；千斤顶上部、反力板24之间设有顶板用于连接固定千斤顶的位置，并使加载的方向保持垂直。充填材料32根据试验要求选取，一般选用围岩相似材料，模拟围岩对试验体的应力作用。反力板24预留螺栓孔，便于试验时与承力台架21拼接成整体，使装置的加载成为一个独立的自平衡结构，使得装置具有可移动性，同时便于千斤顶的拆卸和试验体的埋设。
如图3所示，液压加载装置包括液压千斤顶25、液压工作站30和伺服控制器31，通过液压工作站30进行油压的储存和蓄能，伺服控制器31进行荷载的控制和操作，千斤顶采用分离式电力驱动液压泵，采用高压软管连接液压工作站，通过伺服控制器实现荷载的施加和参数调节。
图4所示，垫板26由底部钢板35、中间的型钢36和顶部的施力圆棒34组成，施压钢棒34垂直于型钢长度方向设置，连接部位通过焊接而成。型钢36采用工字钢，施力圆棒34采用圆形的钢筋，当千斤顶作用至施力圆棒34中部时，通过施力圆棒34传力至型钢36和底部钢板35，再作用至试验体上。由于在试验中需要通过多个千斤顶将载荷同步均匀加载至试验体上，故采用施力圆棒34与型钢36表面线接触，将作用力均匀施加给不同位置的型钢36，并减少多个千斤顶加载卸载的同步误差，确保力学加载的均匀性。同时垫板26焊接纵向的钢柱，放置于千斤顶正下方，确保垫板26上的钢柱中轴线与千斤顶中轴线一致，以便荷载均匀传递到试验体。
模型试验装置的制备过程如下：
1)按照技术要求，裁切、焊接矩形方钢制作承力台架；对制作的承力台架和各反力板进行开孔，并且根据承力台架内部平面尺寸设计制作千斤顶式垫板，并保证垫板上的钢柱中轴线与千斤顶中轴线一致，同时保证垫板预留足够空间使用重力配重块。
2)按照技术要求，制作底板和隔离板，将制作好的承力台架、底板和隔离板进行拼装；并在隔离板上预留操作洞，以便于试验过程中对试验体进行开挖和传感器的放置等。
3)将地质力学模型承力台架、反力板和千斤顶进行组装，配合使用配重块、液压加载装置、地质力学模型和其他附属配套设备，实现地质力学模型试验加卸载；该加载过程中，保证各千斤顶的荷载、加载速率一致，从而保证荷载均匀。项目中的地质力学模型试验装置内部空间为3.6×0.6×2.2m，可完成二次衬砌等模型的力学试验。
试验方法包括液压加载和重力加载，液压加载的高应力能够实现对结构破坏特征和极限承载力的研究，有利于研究不同地质条件下衬砌的变形规律和破坏特征研究从而实现探究衬砌裂损的机理和承载力特性，保证衬砌的安全和耐久性。重力加载实现大埋深、高地应力、岩土体的固结蠕变等特殊地质条件，高地应力和大埋深地质条件需要模型衬砌埋设高度较大，但是限于室内模型试验条件无法满足，因此需要通过荷载等效原理将部分埋深等效的荷载施加在试验体上，同时保证试验体在整个试验过程中该荷载保持稳定；岩土体的固结或蠕变则需要一定的荷载施加在岩土体上，保证岩土体的固结和蠕变满足实际环境的等效。
本实用新型的设备用于二次衬砌模型力学加载试验的步骤如下：
【1】根据试验要求在模型试验装置上布设应变片和应力计；
【2】将围岩相似材料分层倒入模型试验装置内部，当达到设定高度时将预制的二次衬砌模型放入，继续分层将围岩相似材料埋设到模型试验装置顶部，之后放置平板35、垫板26、反力板24和液压千斤顶25；
【3】通过操作洞23将位移传感器、裂缝检测仪、摄像仪放置于二次衬砌模型内部；
【4】根据试验要求，先在垫板26上放置配重块29长时间稳定加压，模拟大埋深、高地应力、岩土体固结蠕变的围岩地质条件下二次衬砌应力应变，并对图像和数据进行分析；
【5】逐步加大液压千斤顶载荷至二次衬砌模型裂损破坏进行模型承载试验，并对图像和数据进行分析。
在隧道二次衬砌模型试验中，常采用衬砌相似材料浇筑的方式，由于浇筑初期强度和刚度均远小于钢制模具极易造成衬砌裂损，同时模型浇筑中难以自模具内部埋设加强筋以真实模拟现场钢筋混凝土材料，故二次衬砌模型的制备成为一个关键技术。
如图5所示，传统的隧道二次衬砌包括混凝土结构及内部的加强筋，其中加强筋包括外侧环向加强筋8、内侧环向加强筋9和连接在外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9之间的箍筋13；在二次衬砌模型制备中，除了要预制混凝土结构外，如何在模型内部植入相应的加强筋成为一个难题。
如图6至图9所示，本实用新型的一种地质力学模型试验中隧道二次衬砌模型的预制装置包括内模6、外模3、底板4、顶板1和若干只固定柱2，内模6和外模3设置在底板4和顶板1之间，利用内模6、外模3、底板4和顶板1之间的空间形成隧道二次衬砌模型的浇筑空腔11。所述的内模6和外模3在垂直方向均为若干只平板层叠构成，每只板材在水平方向均以隧道的中心线剖分成对称的两部分，便于拆装。内模6、外模3、底板4、顶板1上在对应的位置处设置有若干只通孔7，每个通孔7对应一只固定柱2，一部分固定柱2用于固定内模6，另一部分固定柱2用于固定外模3，固定柱2贯穿通孔7将包括内模6、外模3、底板4、顶板1的预制装置固定为一体，形成拼接式框架。在拼接式框架的顶部和底部均拼接顶板1和底板4，该拼接式框架可以根据试验隧道的长度需求通过增加减少内外模的层数调节衬砌的长度，从而满足了不同长度隧道模型试验的要求，而且拆除的各个部件还可以重复使用，避免浪费。
上述板材为pvc板、亚克力板或木板，采用激光雕刻机按照设置的尺寸进行紧密加工，确保了模型的尺寸精度。顶板上设置有若干只下料口12，下料口12为设置在二次衬砌模型浇筑空腔11上部的若干只弧形通槽，用于倒入衬砌相似的混凝土材料进行模型浇筑。
如图10所示，内模6的外侧设置有泡沫缓冲层5，用于隔离衬砌和内模，便于内模拆卸，同时用于支撑模型内部的加强筋。众所周知，隧道二次衬砌内部设置有若干环向加强钢筋，故在模型试验中也需要制作一个内部包含缩比钢筋参数的二次衬砌模型进行试验，实施中如何在模型内部植入钢筋成了一个难题。
本实用新型采用一种巧妙的方法，内模6和外模3之间的空腔内设置有若干条外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9，所述的泡沫缓冲层5上设置有若干只定位支杆10，外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9固定在定位支杆10上。作为一种优选方式，外侧环向加强筋8、内侧环向加强筋9和定位支杆10为焊接在一起的铁丝。实施时，先在设定的高度将若干只定位铁丝的一端插入在泡沫缓冲层5，然后将环向的铁丝焊接在定位铁丝上进行固定，通过不同长度的定位铁丝还可以调节环向铁丝在模型中的深度。如此循环，完成若干圈外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9的布设，浇筑时将混凝土物料通过下料口12注入浇筑空腔11内，环向铁丝和定位铁丝则被浇筑在模型的内部，铁丝的直径、密度以及浇筑材料需要根据模拟试验的要求进行选择，以确保缩比试验的准确性和代表性。
本实用新型实现了长度为30cm～100cm，高度36cm宽度54cm的隧道二次衬砌模型的制备，其中板材的厚度为1.5cm，泡沫缓冲层的厚度为1cm，铁丝的直径为0.7mm～1.2mm。泡沫缓冲层可选高密度橡塑海绵，安装时紧贴模具内侧布置，同时模具拆模时减小对衬砌结构的应力集中。
利用上述装置制备隧道二次衬砌模型的方法包括以下步骤：
【1】物件准备：根据地质力学模型试验的要求，对隧道二次衬砌模型横断面按一定比例缩放，根据相似比原理确定衬砌的尺寸，按照缩放后的二次衬砌模型结构制备相应尺寸的底板4、顶板1和拼接内模6、外模3的板材；用激光雕刻机将pvc板、亚克力板或木板切割成合适尺寸的板材，底板仅需开设固定柱孔，内模和外模开孔且需将衬砌轮廓切割成型，顶板除需开设固定柱孔还需打设较大孔洞用于衬砌相似材料的浇筑。
【2】内模拼接：将底板4置于装置底部，在底板4上内模6对应位置的通孔上插入固定柱2，拼接内模6至设定高度；也可以将底板置于底部，拼装内模至一定高度，用固定柱固定位置。
【3】环向加强筋布设：在内模6的外侧卷绕泡沫缓冲层5，将定位支杆10的一端插入泡沫缓冲层5内；在二次衬砌模型浇筑空腔11内布设外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9，使得环向加强筋固定在定位支杆10的外漏端；具体而言，外侧环向加强筋8、内侧环向加强筋9和定位支杆10均采用铁丝，将定位铁丝的一端按照设定的高度插入在泡沫缓冲层5内，然后将环向铁丝焊接在定位铁丝的外漏一端；
【4】外模拼接：拼接外模3至设定高度，插入外模3对应的固定柱2，安装顶板1，使得预制装置固为一体；
【5】浇筑：将一定配合比的衬砌材料通过下料口12浇筑进入预制空腔内，并静置设定的时间；根据试验要求和相似材料配合比，将搅拌均匀的相似材料浇筑模具内，一般需要静置24h。
【6】拆模：逐层拆除顶板1、内模6、外模3和固定柱2，清除泡沫缓冲层5，得到二次衬砌模型。将内外侧模具上部多余衬砌相似材料清除后拆除内侧模具和泡沫缓冲层，待衬砌达到一定强度后拆除外模。拆除顺序是先拆除内模，再拆除外模；拆除内模和外模时，先拔出固定柱再依次拆除内模和外模的板材。
将制备得到的二次衬砌模型进行地质力学模型试验时，将围岩相似材料埋至一定高度后，将预制好的隧道衬砌埋入，继续将围岩材料埋至一定高度，在根据试验要求进行荷载的施加和变形、应力的监测等后续工作。
本实用新型实现了隧道二次衬砌的制备及双模式力学加载试验，并克服了传统地质力学模型试验装置存在设备体积大、不可移动、且需特殊处理地基以施加载荷等不足，具有广泛的应用价值。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替代、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
1.一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：包括承力台架(21)，设置在承力台架(21)内部的垫板(26)和垫板(26)下方设置的地质力学模型(33)；所述的承力台架(21)为框形结构，内部安装有底板和隔离板(22)；垫板(26)下方填充有充填材料(32)，垫板(26)上方设置有若干只配重块(29)；承力台架(21)的上方设置有若干只反力板(24)，每只反力板(24)下方设置有液压千斤顶(25)，液压千斤顶(25)施压在垫板(26)上，将力学载荷传递至地质力学模型(33)。
2.根据权利要求1所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：隔离板(22)上预留操作洞(23)。
3.根据权利要求1所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：垫板(26)包括底部钢板(35)、中间的型钢(36)和顶部的施力圆棒(34)，所述的施力圆棒(34)垂直于型钢长度方向设置。
4.根据权利要求3所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：液压千斤顶(25)的活动端作用在施力圆棒(34)中部。
5.根据权利要求1所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：若干只液压千斤顶(25)分别通过油路连接至液压工作站(30)，液压工作站(30)与伺服控制器(31)电连接。
6.根据权利要求1所述的一种自平衡双加载方式地质力学模型试验装置，其特征在于：承力台架(21)和反力板(24)通过螺栓固定为一体化结构。
技术总结