CN103267835B - 可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架及试验方法，包括一个台架体，其各内壁设有钢化玻璃内衬隔水层从而组成一个密封空间，在密封空间顶部设有进水口，在该密封空间内设有断层预制模块，所述断层预制模块包括一个模板固定框架，模板固定框架两侧与钢化玻璃内衬隔水层安装在一起，同时在模板固定框架两侧分别至少设有一对倾角可调的模块滑动导轨，在模板滑动导轨上放置断层预制模板；在密封空间内铺设流-固耦合相似材料，流-固耦合相似材料中埋设有监测元件，监测元件与信息采集存储装置连接，信息采集存储装置和信息实时显示装置连接。它模拟穿越断层处隧道的流固耦合特性，得出更符合实际情况的结论，保证施工的质量及安全。

Description

可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架及试验方法

技术领域

本发明涉及一种模型试验装置，具体的说是一种可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架及试验方法。

背景技术

随着我国经济和科学技术的发展，交通建设中穿越断层的海底隧道、过江隧道及岩溶地区的深埋大断面隧道也越来越常见，水对这些工程的成功修建的影响也十分显著，许多技术问题急需解决。很多专家希望通过模型试验来实现现场工况的模拟，得出结论以便指导现场施工的安全顺利进行。

目前虽有用于流-固耦合模型试验的装置，但该类设备其主要是用于模拟现场真实情况下渗流场及应力场、直观的观察施工过程中隧道围岩渗流特征及加载过程中围岩破裂和突水过程的、模拟平面及准三维流-固耦合模型试验。

但上述传统的地质力学模型试验一般采用均匀各向同性的材料，很少涉及断层等不良地质环境，也极少考虑实验中水的介入，无法实现水体与模拟围岩材料流-固耦合模拟，因此得出的结论不能真实反映存在断层时的实际情况。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上面所述的模型试验中没有模拟断层情况的不足，提供一种可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架及试验方法，该台架通过模块化拼接实现拓展进而适应不同试验的尺寸要求从而实现台架的循环利用；同时采用高强度钢骨架内附钢化玻璃的设计理念，保证了装置的水封性同时实现了实验过程中的不借助仪器的实时现象观测；内部加装断层预制模板后可以进行断层的预制，模拟穿越断层处隧道的流-固耦合特性，进行复杂地质环境下的渗流场与应力场的模型试验分析研究，得出更符合实际情况的结论，进而更好的指导实际工程，保证施工的质量及安全。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架，包括一个台架体，台架体各内壁设有钢化玻璃内衬隔水层从而组成一个密封空间，在密封空间顶部设有进水口，在该密封空间内设有断层预制模块，所述断层预制模块包括一个模板固定框架，模板固定框架两侧与钢化玻璃内衬隔水层安装在一起，同时在模板固定框架两侧分别至少设有一对倾角可调的模块滑动导轨，在模板滑动导轨上放置断层预制模板；在密封空间内铺设流-固耦合相似材料，流-固耦合相似材料中埋设有监测元件，监测元件与信息采集存储装置连接，信息采集存储装置和信息实时显示装置连接。

所述模板滑动导轨可改变倾角和彼此相邻的间距，实现任意方向和厚度的断层模拟。

所述台架体为镂空的钢骨架，该钢骨架由底梁、前、后山墙、两侧边墙活动拼接而成，其中底梁及山墙预留拼接接口，使台架体尺寸可调；模板固定框架的两侧与两边墙内侧的钢化玻璃内衬隔水层连接。

所述模板固定框架与钢化玻璃内衬隔水层间设有橡胶缓冲层。

所述底梁、前、后山墙、两侧边墙均由模块组装而成，其中两侧边墙中间的模块有模拟隧道断面用的开挖洞口，开挖洞口设有可拆卸的封堵钢化玻璃，通过更换该模块进行开挖洞口尺寸的改变。

所述信息采集存储装置为计算机。

所述信息实时显示装置包括至少一台大屏幕的显示器。

一种采用可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架的试验方法，包括以下几个步骤：

A.组装试验台架体；

B.断层预制模板的安装：在台架体内侧安装模板固定框架，再安装模板滑动导轨并且调节好角度和间距，放入断层预制模板；

C.铺设流-固耦合相似材料和监测元件，并将监测元件与信息采集存储装置连接，信息采集存储装置与信息实时显示装置安装；

D.开挖前准备：向台架体内加水，将流-固耦合相似材料浸泡饱和，使台架体的模型内部渗流场和应力场均达到动态稳定平衡状态，并测量开挖扰动前的各监测元器件的初始值；

E.试验进行：打开所有的信息采集存储装置和信息实时显示装置，然后通过开挖洞口进行开挖模拟，模拟时按照实际开挖的顺序进行；同时设置系统将测的数据记录保存；等开挖完了，再进行后续渗水量的采集测量。

所述步骤C中，将试验拟采用的流-固耦合相似材料拌合好，分层铺设、夯实，随着填料过程的推进，手动向上滑动断层预制模板并固定，如此往复；直到模型体封顶；填料过程中根据试验之前要测量的物理量及其位置，将选用的监测元件埋设在指定的位置；将流-固耦合相似材料放置晾干，同时测试监测元件的工作情况，检测埋设过程中是否损坏。

本发明研究了传统地质力学模型试验存在的一些不足，在原有的试验技术基础上进行了一系列革新，解决了传统地质力学模型试验台架不可重复利用、无法实现断层预制的弊端，同时实现了流-固耦合模型试验数据的实时采集显示以及试验过程的可视化。更加贴近实际工程，反映工程问题，使得到的试验成果应用范围更广，更能指导实际施工过程。

本发明解决了传统流-固耦合模型试验台架不可重复利用的问题，实现了流-固耦合模型试验中断层的预制，具有一下优点：

1.实现了大型流-固耦合模型试验台架的模块化可拓展，试验台架可以在不同试验尺寸要求条件下重复使用，节约经费。

2.充分考虑了地质环境的复杂性，可进行断层破碎带的预制，使得试验结果更贴近工程实际。

3.致力于试验过程的可视化，能够从外面直接观察到材料在水的浸泡作用下的软化过程及渗流通道的发展演化历程，实现试验装置的可视化。

4.试验台架满足水封性要求，将水的作用引进地质力学模型实验中，实现渗流场与应力场的耦合模拟。

5.信息数据实时采集分析显示，可以将直接观察到的现象和数据反应的变化联系起来分析思考问题。

附图说明

图1是本发明的断层预制模板系统示意图；

图2是台架体结构示意图；

图3是图2的右视图（右侧山墙图）；

图3a为组成山墙的第一个模块；

图3b为组成山墙的第二个模块；

图3c为组成山墙的第三个模块；

图3d为组成山墙的第四个模块；

图3e为组成山墙的第五个模块。

其中，1模板固定框架；2模板滑动导轨；3断层预制模板，4.边墙，5山墙，6信息实时显示装置，7信息采集存储装置，8开挖洞口，9，底梁，10.模块。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1中，断层预制模板包括模板固定框架1、模板滑动导轨2和断层预制模板3。台架体的内部为钢化玻璃内衬隔水层，模板固定框架1与钢化玻璃内衬隔水层的直接接触面有橡胶缓冲层。使用时先将模板固定框架1根据台架体尺寸在其内部组装好，然后调节模板滑动导轨2间距和角度，将断层预制模板3沿调节模板滑动导轨2滑入即可进行流-固耦合相似材料的填筑，制作模型体。填筑到一定高度就向上滑动一下断层预制模板3，如此往复直到模型体制作完成。

图2、图3中，整个台架体包括底梁9、前、后山墙5、两侧的边墙4拼接组成。底梁9、前、后山墙5及两侧边墙4共同构成台架体的镂空的钢骨架，该钢骨架由高强度钢板拼接而成，台架体各内壁设有钢化玻璃内衬隔水层从而组成一个密封空间，在密封空间顶部设有进水口。在密封空间内铺设流-固耦合相似材料，流-固耦合相似材料中埋设有监测元件，监测元件与信息采集存储装置7连接，信息采集存储装置7和信息实时显示装置6连接。

底梁9、前、后山墙5、两侧边墙4均由模块10组装而成（如图3a、图3b、图3c、图3d、图3e，各模块10是一个纵向的钢结构；当然模块10也可采用其他各种模块式的结构，其体积也是根据需要而调整），其中两侧边墙4中间的模块10有模拟隧道断面用的开挖洞口8，开挖洞口8设有可拆卸的封堵钢化玻璃，通过更换该模块10进行开挖洞口8尺寸的改变。

底梁9及前、后山墙5制造时预留拼接接口，通过螺栓连接，可通过变更连接组合实现台架体尺寸的改变，从而适应不同尺寸模型试验的要求。

钢骨架采用镂空设计保证其可视性，同时内附钢化玻璃内衬隔水层，保证其水封性。

断层预制模板3安装于模板滑动导轨2上，模板滑动导轨2固定于两侧山墙5的钢化玻璃内衬隔水层内侧，模板滑动导轨2可改变间距和倾角，从而可以实现任意方向和厚度的断层模拟。

信息采集存储装置7由装有各种采集信息软件的高性能计算机主机担当，保证数据的实时采集和存储。

信息实时显示装置6有两台大屏的显示器组成，分区显示不同类型数据，实现数据的实时直观显示，方便试验工程中的观察。

一种用于预制断层的大型流-固耦合模型试验的试验方法，包括以下几个步骤：

A.试验台架体的组装。将底梁9、前、后山墙5、两侧的边墙4进行拼接组装，然后在它们的内侧粘贴海绵双面胶，将钢化玻璃内衬隔水层附于内侧，稍作固定，然后在钢化玻璃内衬隔水层连接处涂抹玻璃胶密封，最后再将各个连接螺栓拧紧。

B.断层预制模板的安装。在台架体内侧安装模板固定框架1，再安装模板滑动导轨2并且调节好角度和间距，放入断层预制模板3。

C.流-固耦合相似材料相似材料及监测元器件的填充埋设。将试验拟采用的流-固耦合相似材料拌合好，分层铺设、夯实，随着填料过程的推进，手动向上滑动断层预制模板3并固定，如此往复，直到模型体封顶。填料过程中根据试验之前计划要测量的物理量及其位置，将选用的监测元件埋设在指定的位置。将流固耦合相似材料放置晾干，同时测试监测元件的工作情况，检测埋设过程中是否损坏。

D.开挖前准备。向台架体内加水，将流-固耦合相似材料浸泡饱和，使模型内部渗流场和应力场均达到一种动态稳定平衡状态，并测量开挖扰动前的各监测元件的初始值。

E.试验进行。打开所有的信息采集存储装置7，然后通过开挖洞口进行开挖步骤的模拟，模拟时严格按照实际开挖的顺序进行。同时将测的数据记录保存。等开挖完了，再进行后续渗水量的采集测量。

Claims (8)

1.一种可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架，包括一个台架体，台架体各内壁设有钢化玻璃内衬隔水层从而组成一个密封空间，在密封空间顶部设有进水口，其特征是，在该密封空间内设有断层预制模块，所述断层预制模块包括一个模板固定框架，模板固定框架两侧与钢化玻璃内衬隔水层安装在一起，同时在模板固定框架两侧分别至少设有一对倾角可调的模板滑动导轨，在模板滑动导轨上放置断层预制模板；在密封空间内铺设流-固耦合相似材料，流-固耦合相似材料中埋设有监测元件，监测元件与信息采集存储装置连接，信息采集存储装置和信息实时显示装置连接；

所述模板滑动导轨可改变倾角和彼此相邻的间距，实现任意方向和厚度的断层模拟。

2.如权利要求1所述的可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架，其特征是，所述台架体为镂空的钢骨架，该钢骨架由底梁、前、后山墙、两侧边墙活动拼接而成，其中底梁及山墙预留拼接接口，使台架体尺寸可调；模板固定框架的两侧与两边墙内侧的钢化玻璃内衬隔水层连接。

3.如权利要求2所述的可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架，其特征是，所述模板固定框架与钢化玻璃内衬隔水层间设有橡胶缓冲层。

4.如权利要求2所述的可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架，其特征是，所述底梁、前、后山墙、两侧边墙均由模块组装而成，其中两侧边墙中间的模块有模拟隧道断面用的开挖洞口，开挖洞口设有可拆卸的封堵钢化玻璃，通过更换该模块进行开挖洞口尺寸的改变。

5.如权利要求1所述的可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架，其特征是，所述信息采集存储装置为计算机。

6.如权利要求1所述的可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架，其特征是，所述信息实时显示装置包括至少一台大屏幕的显示器。

7.一种采用可预制断层的大型流-固耦合模型试验台架的试验方法，其特征是：包括以下几个步骤：A.组装试验台架体；B.断层预制模板的安装：在台架体内侧安装模板固定框架，再安装模板滑动导轨并且调节好角度和间距，放入断层预制模板；C.铺设流-固耦合相似材料和监测元件，并将监测元件与信息采集存储装置连接，信息采集存储装置与信息实时显示装置安装；D.开挖前准备：向台架体内加水，将流-固耦合相似材料浸泡饱和，使台架体的模型内部渗流场和应力场均达到动态稳定平衡状态，并测量开挖扰动前的各监测元器件的初始值；

E.试验进行：打开所有的信息采集存储装置和信息实时显示装置，然后通过开挖洞口进行开挖模拟，模拟时按照实际开挖的顺序进行；同时设置系统将测的数据记录保存；等开挖完了，再进行后续渗水量的采集测量。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征是，所述步骤C中，将试验拟采用的流-固耦合相似材料拌合好，分层铺设、夯实，随着填料过程的推进，手动向上滑动断层预制模板并固定，如此往复；直到模型体封顶；填料过程中根据试验之前要测量的物理量及其位置，将选用的信息采集存储装置埋设在指定的位置；将流-固耦合相似材料放置晾干，同时测试监测元件的工作情况，检测埋设过程中是否损坏。