CN105181730A - 一种寒区隧道冻胀力室内试验模型及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内模型试验技术领域，具体涉及一种寒区隧道冻胀力的室内试验模型及测试方法，包括模型箱、冷浴系统和用于采集监测数据的数据采集系统，所述模型箱内填充有模拟围岩，模拟围岩内设置有模拟二次衬砌；所述冷浴系统设置在二次衬砌内；数据采集系统包括若干传感器以及与各传感器相连接的数据采集箱；模型箱包括框架结构和设置在框架上的钢化玻璃；在框架结构的模拟空间中，模拟围岩和模拟二次衬砌均能够重复试验来模拟不同工况；通过设置的冷浴系统模拟实际中不同工况的环境温度，利用数据采集系统收集监测数据，便于后期分析；本发明结构明确，便于实施，能够测得不同工况下寒区隧道冻胀力的分布规律，为寒区隧道设计提供依据。

Description

一种寒区隧道冻胀力室内试验模型及其测试方法

技术领域

本发明涉及室内模型试验技术领域，具体涉及一种测试寒区隧道冻胀力室内试验模型及其测试方法。

背景技术

西部大开发战略的实施，使得西部交通事业也得到大力发展，越来越多的寒区隧道投入建设和运营。然而统计资料表明多数已建成的寒区隧道均受到冻胀力而出现衬砌开裂漏水，剥落酥碎，路面结冰等病害，严重威胁隧道的运营安全，有的寒区隧道甚至由于冻害而出现常年无法使用的怪象，因此探明寒区隧道的温度场和冻胀力大小及分布规律，对于寒区隧道冻害的防治具有重要意义，但是由于隧道围岩的复杂性和环境温度的多变性，很难准确得到不同隧道的冻胀力大小及分布，一直以来，寒区隧道冻胀力始终是困扰工程技术人员的一道难关。目前学者们已采用多种方法致力于冻胀力的研究，如有的学者采用有限元软件进行数值模拟不同工况下的冻胀力分布情况，但是数值模拟存在其参数取值不确定性，且多是理想化的工况，与实际中隧道冻胀力可能存在一定误差；还有学者采用现场测试的方法进行冻胀力的实测，如申请号为201410712858.0的专利给出了一种冻胀力的现场测试系统，得到的结果是最真实的，但是每座隧道的围岩情况及温度变化情况均不相同，得到的测试结果只能代表这一座隧道冻胀力的分布规律，推广应用有一定局限性，另外现场测试需要耗费大量的人力物力财力，且在测试过程中始终需要有专人负责，工程量浩大，经济实用性一般。目前还没有一种研究寒区隧道温度场和冻胀力分布的有效手段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种寒区隧道冻胀力室内试验模型及其测试方法，通过室内试验模型可以设计模拟不同工况、不同温度下冻胀力的大小及分布规律，为寒区隧道冻胀力的防治提供一定依据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种寒区隧道冻胀力室内试验模型，包括模型箱、冷浴系统和用于采集监测数据的数据采集系统，所述模型箱包括框架结构和设置在框架结构上的钢化玻璃，所述模型箱内填充有模拟围岩，所述模拟围岩内设置有模拟二次衬砌；所述冷浴系统设置在二次衬砌内；所述数据采集系统包括若干传感器以及与各传感器相连接的数据采集箱。

进一步的，所述数据采集系统包括若干土压力盒和温度传感器；所述土压力盒均匀设置在模拟二次衬砌和模拟围岩之间，所述温度传感器沿隧道径向均匀分布在模拟围岩内；各土压力盒和温度传感器均与数据采集箱相连接。

进一步的，所述土压力盒和温度传感器采用预先埋设的方式设置。

进一步的，所述模型箱外表面设置有厚度为5cm的聚氨酯保温板。

进一步的，所述模型箱的钢化玻璃上预留隧道断面形状的开口。

进一步的，所述冷浴系统包括相互连接的低温控制槽和冷却管。

本发明提供的测试方法包括以下步骤：

1)模型箱的制作，将多条钢臂采用焊接的方式制作成框架结构，然后安装钢化玻璃，在钢化玻璃中间预留有隧道断面的开口，框架结构与钢化玻璃共同组成模拟试验空间；

2)模拟围岩的填筑，首先按照某一种工况配置模拟围岩材料，然后在模型箱内填筑模拟围岩材料并压实，当填筑至模拟二次衬砌位置时暂停，填筑过程中同步安装二次衬砌下方的温度传感器；

3)模拟二次衬砌安装，首先根据相似原理采用与实际衬砌性能相似的材料预制模拟二次衬砌，选择不同厚度来模拟实际衬砌；其次将土压力盒固定在模拟二次衬砌表面，模拟二次衬砌放入预定位置后进一步填筑模拟围岩材料至模型箱顶部，填筑过程中同步安装剩余的温度传感器；

4)数据采集系统的安装与调试，模型填筑完毕后，将所有测试仪器引线连接到数据采集箱，将数据采集箱与计算机连接控制，通过软件进行初步调试，测试元件的成活率等；

5)安装冷浴系统，将冷浴系统的冷却管放置于模拟衬砌内部，并通过低温控制槽控制其温度来模拟不同环境温度，低温控制槽与计算机连接，通过计算机进行控制；整个系统安装完毕后在模型箱表面覆盖厚度为5cm的聚氨酯保温层；

6)测试与数据采集，通过低温控制槽设定冷浴系统为某一工况下的模拟温度，同步的通过数据采集系统采集土压力盒和温度传感器的数据，稳定后进行后续数据分析工作。

进一步的，所述步骤6)操作前还包括：系统进一步调试与完善，首先检测冷浴系统是否运行正常，并同步观测测试数据的变化，确定数据采集系统工作正常，一切正常后对系统初始化准备测试。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明的模型箱由框架结构和钢化玻璃组成一起提供了模拟隧道的空间，模拟围岩材料可根据配比不同来模拟实际中不同级别的围岩，模拟二衬衬砌也能通过设置不同的刚度和厚度来近似模拟实际中二次衬砌，在框架结构的模拟空间中，模拟围岩和模拟二次衬砌均能够重复试验来模拟不同工况。通过设置的冷浴系统模拟实际中不同工况的环境温度，冷浴系统是独立的制冷系统，放置于隧道内部的二次衬砌表面可以模拟实际中不同工况的环境温度。

进一步的，通过将温度传感器和土压力盒采用预埋设的方式设置，与现场测试方法相比能保证测试仪器的成活率高，得到的测试数据更完全，便于结果分析。

进一步的，通过模型箱表面设置保温板，使模拟环境更接近于真实环境，保证测试结果可靠性。

进一步的，通过在钢化玻璃上预留隧道断面形状的开口，便于放置冷浴系统和测试元件引线，方便操作。

本发明提供的寒区隧道室内试验模型及测试方法能够有效的模拟实际情况下不同工况的环境条件，与现场测试方法相比能保证测试仪器的成活率高，得到的测试数据更完全，便于结果分析，且本发明结构明确，成本可控，便于实施，能够测得不同工况下寒区隧道冻胀力的分布规律，为寒区隧道设计提供依据。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为冷浴系统设置示意图；

图3为测试元件布置示意图；

图4为本发明系统组成图；

其中：1为框架结构，2为钢化玻璃，3为模拟围岩，4为模拟二次衬砌，5为温度传感器；6为土压力盒；7为低温控制槽；8为冷却管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1至图4，本发明包括模型箱，冷浴系统和数据采集系统，模型箱外表面设置有厚度为5cm的聚氨酯保温板。

所述模型箱包括框架结构1和设置在框架1上的钢化玻璃2；冷浴系统包括相互连接的低温控制槽7和冷却管8。模型箱内填充有模拟围岩，所述模拟围岩3内设置有模拟二次衬砌4；所述冷浴系统设置在二次衬砌4内。

数据采集系统包括若干传感器以及与各传感器相连接的数据采集箱；数据传感器包括若干土压力盒6和温度传感器5；所述土压力盒6均匀设置在模拟二次衬砌4和模拟围岩3之间，所述温度传感器5沿隧道径向均匀分布在模拟围岩4内。土压力盒6和温度传感器5采用预先埋设的方式设置。

框架结构1由若干钢臂焊接固定而成，钢化玻璃2预留有隧道断面形状的开口，便于测试元件引线和放置冷浴系统，框架结构1提供模拟隧道的空间，所述模拟围岩3可根据实际围岩进行材料配比设计，模拟二次衬砌4采用与实际衬砌力学性能相似的材料预制而成；所述冷浴系统通过低温控制槽7进行实时温度控制，能够模拟不同工况的隧道环境温度，冷却管8中有乙二醇与水1:1混合组合的冷却液；数据采集系统通过温度传感器5和土压力盒6分别监测围岩温度和围岩与衬砌之间的接触压力，温度传感器5和土压力盒6分别在模拟围岩3和模拟衬砌4安装过程中同步安装，模拟二次衬砌4由材料配比而成可选取不同厚度模拟不同真实衬砌厚度，模拟围岩3也通过模拟材料配合而成，模拟不同性质的围岩，冷浴系统和数据采集系统均连接计算机由计算机软件直接控制。

模型箱加工完成后可实施试验，首先进行模拟围岩3的材料配比，根据某一实际隧道的围岩情况，根据相似准则尽量配出与实际围岩和二衬衬砌特性相似的模拟围岩3和模拟二次衬砌4，在框架结构1的空间中填模拟围岩3材料至模拟二次衬砌4底部并压实；进一步安装模拟二次衬砌4，并同步安装采集系统的温度传感器5和土压力盒5，其中温度传感器5根据设计尺寸预埋设，土压力盒6胶结固定在模拟二次衬砌4表面；进一步填筑模拟围岩3材料至框架结构1顶部，模拟围岩3材料填筑过程中注意温度传感器5和土压力盒6的保护，并注意引线，全部安装完毕后，在模型箱表面覆盖保温板保温，使模拟环境更接近于真实环境，接下来将冷浴系统的冷却管8设置在模拟二次衬砌4的内表面，设置好温度即可进行模拟试验，通过测试系统得到冻胀力的分布规律。

本发明提供的测试方法，包括以下步骤：

步骤1)，模型箱的制作，将多条钢臂采用焊接的方式制作成框架结构，然后安装钢化玻璃，在钢化玻璃中间预留有隧道断面的开口，框架结构与钢化玻璃共同组成模拟试验空间；

步骤2)，模拟围岩的填筑，首先按照某一种工况配置模拟围岩材料，然后在模型箱内填筑模拟围岩材料并压实，当填筑至模拟二次衬砌位置时暂停，填筑过程中同步安装衬砌下方的温度传感器；

步骤3)，模拟二次衬砌安装，首先根据相似原理采用与实际衬砌性能相似的材料预制模拟二次衬砌，选择不同厚度来模拟实际衬砌；其次将土压力盒固定在模拟二次衬砌表面，模拟二次衬砌放入预定位置后进一步填筑模拟围岩材料至模型箱顶部，填筑过程中同步安装剩余的温度传感器；

步骤4)，数据采集系统的安装与调试，模型填筑完毕后，将所有测试仪器引线连接到数据采集箱，将数据采集箱与计算机连接控制，通过软件进行初步调试，测试元件的成活率等；

步骤5)，安装冷浴系统，将冷浴系统的冷却管放置于模拟衬砌内部，并通过低温控制槽控制其温度来模拟不同环境温度，低温控制槽与计算机连接，通过计算机进行控制；整个系统安装完毕后在模型箱表面覆盖厚度为5cm的聚氨酯保温层；

步骤6)，进一步调试与完善测试系统，通过计算机首先检测冷浴系统是否运行正常，并同步观测数据采集系统测试数据的变化，确定数据采集系统工作正常，一切正常后对系统初始化准备测试；

步骤7)，测试与数据采集，通过低温控制槽设定冷浴系统为某一工况下的模拟温度，同步的通过数据采集系统采集土压力盒和温度传感器的数据，稳定后进行后续数据分析工作。

步骤8)，重复步骤2)-7)可进行下一组工况的试验，从而得到不同工况下的试验数据。

本发明的模型箱由框架结构和钢化玻璃组成一起提供了模拟隧道的空间，模拟围岩材料可根据配比不同来模拟实际中不同级别的围岩，模拟二衬衬砌也能通过设置不同的刚度和厚度来近似模拟实际中二次衬砌，在框架结构的模拟空间中，模拟围岩和模拟二次衬砌均能够重复试验来模拟不同工况；冷浴系统是独立的制冷系统，放置于隧道内部的二次衬砌表面可以模拟实际中不同工况的环境温度；测试系统包括温度传感器和土压力盒等，均采用预埋设的方式设置，与现场测试方法相比能保证测试仪器的成活率高，得到的测试数据更完全，便于后期分析。本发明的测试方法明确，成本可控，便于实施，能够测得不同工况下寒区隧道冻胀力的分布规律，为寒区隧道设计提供依据。

Claims (8)

1.一种寒区隧道冻胀力室内试验模型，其特征在于，包括模型箱、冷浴系统和用于采集监测数据的数据采集系统，所述模型箱包括框架结构(1)和设置在框架上的钢化玻璃(2)，所述模型箱内填充有模拟围岩(3)，所述模拟围岩(3)内设置有模拟二次衬砌(4)；所述冷浴系统设置在二次衬砌(4)内；所述数据采集系统包括若干传感器以及与各传感器相连接的数据采集箱。

2.根据权利要求1所述的一种寒区隧道冻胀力室内试验模型，其特征在于，所述数据采集系统包括若干土压力盒(6)和温度传感器(5)；所述土压力盒(6)均匀设置在模拟二次衬砌(4)和模拟围岩(3)之间，所述温度传感器(5)沿隧道径向均匀分布在模拟围岩(3)内；各土压力盒(6)和温度传感器(5)均与数据采集箱相连接。

3.根据权利要求2所述的一种寒区隧道冻胀力室内试验模型，其特征在于，所述土压力盒(6)和温度传感器(5)采用预先埋设的方式设置。

4.根据权利要求1所述的一种寒区隧道冻胀力室内试验模型，其特征在于，所述模型箱外表面设置有厚度为5cm的聚氨酯保温板。

5.根据权利要求1所述的一种寒区隧道冻胀力室内试验模型，其特征在于，所述模型箱的钢化玻璃(2)上预留隧道断面形状的开口。

6.根据权利要求1所述的一种寒区隧道冻胀力室内试验模型，其特征在于，所述冷浴系统包括相互连接的低温控制槽(7)和冷却管(8)。

7.根据权利要求1-6任一项所述模型的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)模型箱的制作，将多条钢臂采用焊接的方式制作成框架结构(1)，然后安装钢化玻璃(2)，在钢化玻璃(2)中间预留有隧道断面的开口，框架结构(1)与钢化玻璃(2)共同组成模拟试验空间；

2)模拟围岩(3)的填筑，首先按照某一种工况配置模拟围岩(3)材料，然后在模型箱内填筑模拟围岩(3)材料并压实，当填筑至模拟二次衬砌(4)位置时暂停，填筑过程中同步安装衬砌下方的温度传感器(5)；

3)模拟二次衬砌(4)安装，首先根据相似原理采用与实际衬砌性能相似的材料预制模拟二次衬砌(4)，选择不同厚度来模拟实际衬砌；其次将土压力盒(6)固定在模拟二次衬砌(4)表面，模拟二次衬砌(4)放入预定位置后进一步填筑模拟围岩(3)材料至模型箱顶部，填筑过程中同步安装剩余的温度传感器(5)；

4)数据采集系统的安装与调试，模型填筑完毕后，将所有测试仪器引线连接到数据采集箱，将数据采集箱与计算机连接控制，通过软件进行初步调试，测试元件的成活率等；

5)安装冷浴系统，将冷浴系统的冷却管(8)放置于模拟二次衬砌(4)内部，并通过低温控制槽(7)控制其温度来模拟不同环境温度，低温控制槽(7)与计算机连接，通过计算机进行控制；整个系统安装完毕后在模型箱表面覆盖厚度为5cm的聚氨酯保温层；

6)测试与数据采集，通过低温控制槽(7)设定冷浴系统为某一工况下的模拟温度，同步的通过数据采集系统采集土压力盒(6)和温度传感器(5)的数据，稳定后进行后续数据分析工作。

8.根据权利要求7所述的一种寒区隧道冻胀力室内测试系统测试方法，其特征在于，所述步骤6)操作前还包括：系统进一步调试与完善，首先检测冷浴系统是否运行正常，并同步观测测试数据的变化，确定数据采集系统工作正常，一切正常后对系统初始化准备测试。