CN105242010A - 干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置及方法，装置包括上部开放的隧道模型架，所述隧道模型架内设有模拟实际工程的隧道模型，所述隧道模型内设有数据采集装置；所述隧道模型架顶部设有降雨和日照模拟装置，所述降雨和日照模拟装置为一底部设有若干漏水孔洞的容器，所述容器底部设有可拆卸的强光灯，利用所述漏水孔洞的漏水及所述强光灯照明实现隧道围岩干湿循环的模拟；所述强光灯的光照强度和光照时间由电脑进行控制，以此达到真实模拟工程实际条件。

Description

干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置及方法。

背景技术

随着我国高速公路、高铁等基础建设向我国西南等偏远山区的发展和推广，隧道建设不可避免地遇到一些特殊地质区域，如膨胀土、黄土等胀缩性土质。在施工建设过程，由于部分地区气候特征存在降雨和日照交替出现，致使隧道地表和开挖掌子面始终处于干湿循环状态，从而导致胀缩性土质围岩产生较大变形和失稳，导致初支结构断裂、支撑变形等施工问题，严重影响施工进度、安全和质量。因此，揭示干湿循环作用下胀缩性土质隧道围岩失稳破坏机理，对于特殊地质条件下隧道工程建设的设计、施工尤为重要。然而，已有的理论分析和数值计算方法，无法采用合理的胀缩性土的力学模型，致使准确地再现干湿循环作用下胀缩性土质隧道围岩失稳破坏过程较难；同时，开展大规模现场试验进行分析，其操作过程不仅可变性因素重多难于掌控，而且试验成本较大，极易延误施工建设过程，因此也很少使用。

发明内容

本发明专利为了解决上述问题，提出了一种干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置及方法，该装置和方法能够有效、真实地揭示干湿循环作用下胀缩性土质隧道围岩失稳破坏的发展、扩展及其最终形态，揭示隧道支护结构的受力状态与变形模式，评价隧道施工工艺和支护措施的优缺点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，包括上部开放的隧道模型架，所述隧道模型架内设有模拟实际工程的隧道模型，所述隧道模型内设有数据采集装置；所述隧道模型架顶部设有降雨和日照模拟装置，所述降雨和日照模拟装置为一底部设有若干漏水孔洞的容器，所述容器底部设有可拆卸的强光灯，利用所述漏水孔洞的漏水及所述强光灯照明实现隧道围岩干湿循环的模拟；所述强光灯的光照强度和光照时间由电脑进行控制，以此达到真实模拟工程实际条件。

通过电脑调节日照时间和强度，有效地模拟光照条件对于胀缩土质隧道围岩缩水固结的影响；以此总结并揭示干湿循环作用下胀缩性土质隧道围岩失稳破坏机理。

所述隧道模型根据实际工程的地质情况，采用相似材料构筑而成。

根据实际工程地质情况，采用相似材料构筑隧道，可以为胀缩性土质下隧道工程建设的设计、施工提供评价依据。

所述容器为塑料方桶，所述塑料方桶底部均匀布设直径为1mm-3mm的圆孔，孔间距为2mm-4mm。

所述容器上方设有用于储存降水总量的储水池，所述储水池上设有带控制阀的水管，所述水管的出口对准所述容器；所述电脑与所述控制阀连接，并控制所述水管的水流量和水流时间，进而控制降雨强度和降雨时间。

通过电脑调节降雨设备，使其真实再现工程实际降雨历程与降雨强度，能够充分研究不同降雨历程和不同降雨强度条件下胀缩性土质隧道围岩膨胀失稳与支护结构变形规律。

所述隧道模型架由钢板焊接而成，所述隧道模型架的前侧设有钢化玻璃。

隧道模型架前侧设有钢化玻璃，方便观测隧道变形和控制实验过程。

所述数据采集装置，为应变砖、应力传感器、土压力盒、多点位移计中的任意一种或几种。

所述隧道模型装置内埋设排水管与进水管。

所述排水管平行布设于所述隧道模型装置的底部，所述进水管上设有控制进水流量的水阀。

其中，排水管用于将多余降雨所产生的雨水排出模型装置，防止由于雨水过多造成模型试验浸泡；进水管用于控制模型试验过程中地下水位保持恒定。

干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验方法，包括以下步骤：

步骤1：按照实际工程配置胀缩性土的相似材料，依据相似比例填筑隧道模型，并在所需位置预埋监测元件；

步骤2：调整所述监测元件的初始值，之后进行隧道开挖与支护，并在相应过程中进行日照和降雨的模拟，在此过程中实时采集所述监测元件的变化数据，以此评判胀缩性土质隧道围岩在降雨和日照不同阶段的胀缩规律，以及降雨与日照交替情况下所述隧道围岩与支护结构的应力应变状态。

步骤3：当监测数据稳定后，依据所述监测数据和隧道围岩与支护结构的变形状态，评价施工工艺和支护措施的效果。

所述日照和降雨模拟过程通过预先设定，在隧道开挖与支护前、支护中或支护后的相应阶段进行模拟。

通过干湿循环作用下胀缩性土质隧道围岩孕灾机理研究的模型试验装置及其方法分析，真实再现实际工程中典型的施工工艺和支护措施，能够有效地再现隧道围岩在干湿循环作用过程中不同时期的围岩与支护结构的稳定性状态和破碎过程，相比其他方法，能够综合全面地揭示隧道施工过程与支护措施的效果和问题。

本发明专利的有益效果为：

干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置及方法，不仅解决了无法采用合理的胀缩性土的力学模型，从而无法准确地再现干湿循环作用下胀缩性土质隧道围岩失稳破坏过程的难题；而且，节省了现场试验成本和掌控了实际工程的诸多因素，完全不延误现场施工与支护。具体具有以下优点：(1)典型的施工工艺和支护措施评价方面：采用典型的施工工艺和支护加固措施开展干湿循环作用下胀缩性土质隧道围岩加固效果评价，不仅可以真实再现建设过程指导现场施工，而且为设计单位提供了重要设计参数和改善依据。(2)干湿循环模拟效果方面：能够有效地模拟不同地区、不同气候的降雨与日照，相比其他方法，能够综合全面地评价干湿循环模拟效果与问题。

综上所述，干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置及方法，能够有效、真实地揭示干湿循环作用下胀缩性土质隧道围岩失稳破坏的发展、扩展及最终形态，揭示其孕灾机理，评价支护加固效果；与此同时，不仅可以真实再现建设过程指导现场施工，而且为设计单位提供了重要设计参数和改善依据，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明专利的正视图；

图2为本发明专利的侧视图；

其中，1、储水池；2、降雨池；3、隧道模型架；4、隧道模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

应当理解，本文中所涉及的重点在于干湿循环作用下胀缩性土质隧道围岩孕灾机理研究的真实性和有效性方面的改善，对其中所涉及的钢拱架的相应结构，本领域的技术人员根据本领域相关技术容易确知。

干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，如图1、图2所示，包括人工降雨与日照设备、隧道模型装置、进排水设备和实时监测数据采集系统。

所述人工降雨与日照设备包括储水池1、降雨池2。储水池1用于储存基于工程实际计算所得到的降水总量；所述的储水池1采用厚度为0.5cm的硬塑料板组合而成。降雨池2是长度为200cm(与隧道模型装置长度相同)，高度为10cm，宽度为150cm的塑料方桶组成，方桶底部布设的圆孔，其中孔间距为3mm。降雨池2同时作为强光灯架：模拟完降雨后，降雨池2底部安装日照灯，用于模拟日照作用。

所述隧道模型装置包括隧道模型4和隧道模型架3；其中隧道模型4是依据工程实际需要，采用相似材料构筑而成。隧道模型架3是由厚度为10mm或15mm的钢板焊接而成，前侧为钢化玻璃(用于实施监测隧道变形，控制试验过程)。长200cm，宽150cm，高200cm。

所述进排水设备为隧道模型装置底部埋设排水管(由铜管平行铺设在底部)和进水管(管，由水阀控制进水流量)。

所述实时监测数据采集系统，通过预埋应变砖、应力传感器、土压力盒、多点位移计等监测仪器，实时监测与采集相关数据，以此揭示干湿循环作用过程中隧道围岩灾变过程。

模型装置的工作原理为：在储水池1内储存基于工程实际计算所得到的降水总量，通过控制阀放水到降雨池2中，通过降雨池2底部的圆孔将雨水均匀降落到隧道模型架3内的隧道模型4的表面，其雨量大小由储水池控制阀放水速度控制，雨水通过隧道模型4，进入隧道模型架3的底部排水管排出；当进行日照试验时，降雨池2底部安装强日光灯，强烈照射隧道模型架3内的隧道模型4的表面以实现。

模拟胀缩性土干湿循环作用下的模型实验方法如下：

(1)按照实际工程配置胀缩性土的相似材料，依据相似比例填筑隧道模型4。

(2)隧道模型4填筑过程中，按照设计图纸预埋监测元件。

(3)隧道模型4填筑完成稳定后，预埋监测元件初始值调整为0后，进行第一步开挖与初支加固，开挖过程采用人工开挖，初支加固采用纱网和竹条进行支护。

(4)当第一步开挖与初支加固稳定后，按照实际工程模拟降雨过程，打开储水池控制阀，通过降雨池2降雨。

(5)在人工降雨处理过程中，实时采集各监测元件的变化数据，以此评判胀缩性土质隧道围岩在降雨过程中的稳定性。

(6)人工降雨完成后，通过安装强日光灯照射隧道表面模拟日照，继续保持各监测元件的数据采集与分析，进一步揭示隧道围岩与支护结构的应力应变状态。

(7)隧道模型4内部监测数据稳定后，依据监测数据和隧道围岩与支护结构的变形状态，以此评价施工工艺和支护措施的效果。

上述虽然结合附图对本发明专利的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明专利保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明专利的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明专利的保护范围以内。

Claims (10)

1.干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，其特征在于：包括上部开放的隧道模型架，所述隧道模型架内设有模拟实际工程的隧道模型，所述隧道模型内设有数据采集装置；所述隧道模型架顶部设有降雨和日照模拟装置，所述降雨和日照模拟装置为一底部设有若干漏水孔洞的容器，所述容器底部设有可拆卸的强光灯，利用所述漏水孔洞的漏水及所述强光灯照明实现隧道围岩干湿循环的模拟；所述强光灯的光照强度和光照时间由电脑进行控制，以此达到真实模拟工程实际条件。

2.根据权利要求1所述的干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，其特征在于：所述隧道模型根据实际工程的地质情况，采用相似材料构筑而成。

3.根据权利要求1所述的干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，其特征在于：所述容器为塑料方桶，所述塑料方桶底部均匀布设直径为1mm-3mm的圆孔，孔间距为2mm-4mm。

4.根据权利要求1或3所述的干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，其特征在于：所述容器上方设有用于储存降水总量的储水池，所述储水池上设有带控制阀的水管，所述水管的出口对准所述容器；所述电脑与所述控制阀连接，并控制所述水管的水流量和水流时间，进而控制降雨强度和降雨时间。

5.根据权利要求1所述的干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，其特征在于：所述隧道模型架由钢板焊接而成，所述隧道模型架的前侧设有钢化玻璃。

6.根据权利要求1所述的干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，其特征在于：所述数据采集装置，为应变砖、应力传感器、土压力盒、多点位移计中的任意一种或几种。

7.根据权利要求1所述的干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，其特征在于：所述隧道模型装置内埋设排水管与进水管。

8.根据权利要求7所述的干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验装置，其特征在于：所述排水管平行布设于所述隧道模型装置的底部，所述进水管上设有控制进水流量的水阀。

9.干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照实际工程配置胀缩性土的相似材料，依据相似比例填筑隧道模型，并在所需位置预埋监测元件；

步骤2：调整所述监测元件的初始值，之后进行隧道开挖与支护，并在相应过程中进行日照和降雨的模拟，在此过程中实时采集所述监测元件的变化数据，以此评判胀缩性土质隧道围岩在降雨和日照不同阶段的胀缩规律，以及降雨与日照交替情况下所述隧道围岩与支护结构的应力应变状态；

步骤3：当监测数据稳定后，依据所述监测数据和隧道围岩与支护结构的变形状态，评价施工工艺和支护措施的效果。

10.根据权利要求9所述的干湿循环作用下胀缩性土质隧道的模型试验方法，其特征在于：所述日照和降雨模拟过程通过预先设定，在隧道开挖与支护前、支护中或支护后的相应阶段进行模拟。