CN106248409A - 低温‑渗流‑力耦合作用的隧道模型试验系统及测试方法 - Google Patents

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王军祥
陈四利
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Abstract

本发明是一种低温‑渗流‑力耦合作用的小间距隧道模型试验系统及测试方法，主要包括：钢结构主加载框架部分、渗流部分、低温制冷装置部分以及自动化监测‑反馈分析部分。由H型钢焊接构成整体反力框架，模拟竖向荷载的千斤顶分别置于模型上部的两侧，通过传压工字钢施加荷载，前后设有可开启挡板。不锈钢水箱架设于钢结构主加载框架上，整体由液压水泵、储水箱、截止阀等组成，不锈钢水箱下开有小孔。采用特殊形式的蒸发器实现洞腔温度的变化。基于自动化监测、无线传输技术以及智能优化算法等技术进行数据实时采集和反馈分析。根据实际岩石物理力学指标配比相似材料，将其装入整体加载架中施加竖向荷载，进行隧道洞室的挖掘。

Description

低温-渗流-力耦合作用的隧道模型试验系统及测试方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域地质力学模型加载试验机与测试方法，尤其涉及复杂环境侵蚀（低温-渗流-力耦合）条件下隧道模型加载试验机及测试方法。
背景技术
在寒区（或季节性）的富水区地下隧道修建过程中，在开挖扰动下围岩应力场进行二次分布，出现裂隙，同时还受冻融循环影响，在这些复杂因素共同作用下给岩土工程安全性和稳定性带来重大影响。对这类问题的评价与预测，需要对复杂环境侵蚀条件下岩石的力学和损伤特性进行深入探索研究。与此同时，隧道模型试验以相似原理为理论基础，是一种发展较早、形象直观的岩土介质、工程结构、物理力学特性的研究方法。其能够避开数学和力学上的困难，全面、直观、准确地反应岩土体支护体系的力学特性，使人们更容易全面把握隧道工程的整体受力特征、变形趋势及稳定性特点。它一方面可以与数学模型相互验证；另一方面也为发现一些新的力学现象和规律，建立新的计算理论和数学模型提供重要依据。
研究隧道围岩在复杂环境侵蚀下的损伤特性具有重要的实际意义，对于这种复杂因素作用下的研究，离不开试验设备的创新和研究。目前，关于环境侵蚀条件下的模型试验设备整体还是处于较低的技术水平，很少部分的试验设备能够供普遍使用，大多研制停留在特定问题的研究。了解已有公开介绍的隧道模型加载试验设备，涉及环境侵蚀（低温-渗流-力耦合）作用下小间距隧道模型试验系统及相关测试方法鲜见公开报道。
发明内容
发明目的：根据现有技术存在局限的问题，本发明提出了一种低温-渗流-力耦合作用的小间距隧道模型试验系统及测试方法，主要包括：整体主加载框架部分（与水溶液渗流一体）、低温冻融部分及自动化监测-反馈分析部分。上述各部分均与整体主加载框架部分直接或间接相连，它们构成为统一整体。
技术方案：
一种低温-渗流-力耦合作用的隧道模型试验系统，其特征在于：该系统包括包括钢结构主加载框架、与所述钢结构主加载框架配合使用的低温制冷装置及自动化监测-反馈分析部分；
所述钢结构主加载框架包括底部承压台；所述底部承压台与两侧承压架相连；所述两侧承压架与工字钢上横梁焊接；所述底部承压台和两侧承压架与前、后可升降自动挡板相连接；所述工字钢横梁与同步顶升千斤顶相连接，所述千斤顶与传压工字钢相连；所述钢结构主加载框架上连接有不锈钢水箱，所述不锈钢水箱的出液口通过细钢管依次连接液压水泵、储水箱后接回不锈钢水箱的进液口；所述液压水泵与不锈钢水箱之间设置有截止阀；
所述低温制冷装置包括压缩机、低压表、冷凝器、膨胀阀、干燥过滤器、蒸发器、高压表、测温元件和温控器组成；所述压缩机与蒸发器相连，在所述压缩机和蒸发器之间连接有高压表；所述蒸发器布置在隧道洞室周围；所述蒸发器与冷凝器连接；在冷凝器和蒸发器之间连接有膨胀阀和干燥过滤器；所述冷凝器与压缩机连接；在隧道洞室内布置有测温元件；在压缩机与冷凝器之间有低压表；
所述自动化监测-反馈分析部分包括在隧道围岩中埋设的监测元件；所述监测元件与数据采集箱相连；所述数据采集箱通过无线传输模块将数据传输到服务器；所述服务器连接有移动PC和移动终端。
所述的低温-渗流-力耦合作用的隧道模型试验系统，其特征在于：所述自动化监测-反馈分析部分还与非接触视频测量系统相连，能够同时采集数据和图像。
所述的低温-渗流-力耦合作用的隧道模型试验系统的测试方法，其特征在于：
该方法包括以下步骤：
步骤1：根据相似原理，经过比选调配，确定围岩的相似材料，将该相似材料制成标准圆柱试件；
步骤2：将上述步骤1中的标准圆柱试件进行基本力学性能的测试，得到力学参数弹性模量、黏聚力、摩擦角进行材料的重新配比，直至符合要求；
步骤3：按照要求的力学指标完成配比后，将材料分层摊铺在加载架中，进行隧道模型的制作，同时埋设监测元件；
步骤4：打开不锈钢水箱的进水口开关，关闭出水口开关，启动液压泵将水注入到水箱，然后打开渗流通道，进行水溶液渗流，测定渗流通道的水流量，完成指定时间内的渗流过程；
步骤5：将上述液压泵、进水口及渗流通道关闭，打开出水开关将水排回至储水箱，启动低温制冷装置调节试验所需的温度T，进行反复的冻融循环，直至总体完成一次循环；
步骤6：对隧道模型施加竖向压力，通过位移计、压力计、渗压计采集位移数据，然后由自动化采集箱采集，通过无线网络将其发送到服务器（3-4）中；
步骤7：进行参数反分析和数值计算，同时，可以通过给定钻孔数据建立地质体可视化模型；
步骤8：通过外加的摄像机，可以远程实时显示模型加载过程模型的破坏过程，将图像和数据传输到计算机中进行图像分析。
所述的低温-渗流-力耦合作用的隧道模型试验系统的测试方法，其特征在于：每次试验按照原型应力的一定比例分级加载，直到模型破坏时再卸载；在试验过程中，每次荷载施加后，观察洞室周边围岩及支护状况，并记录裂纹的发生发展过程，在材料硬度较大时，随着载荷的增加可能会出现岩爆现象。
优点及效果：相比现有技术主要具有以下优点：（1）在结构形式上，采用各部分功能模块集成的思想，将各部分，如：渗流部分、低温冻融部分、主加载部分以及自动化监测-反馈分析部分有机的结合起来，更加方便实现各部分功能的改进和完善；（2）目前已报道设备鲜见考虑低温冻融影响的小间距隧道模型试验系统，本发明中采用特殊形式的蒸发器制冷系统实现隧道洞腔围岩的冻融效果，从而可以深入展开温度影响的小间距模型试验研究；（3）本发明采用自动化监测设备、无线传输技术、非接触视频测量技术以及智能算法技术，实现了数据和图像的实时采集以及反馈分析；（4）基于相似材料原理，调配与隧道原岩物理力学性质相似的类岩石材料，进行基本力学性能的测试。在此基础上制作小间距隧道模型，同时布置传感器以及自动化采集设备等，进行数据的实时采集，如果选择脆性相似材料，可以进一步模拟岩爆现象。
综上所述，本发明主要效果是能够解决了低温-渗流-力耦合复杂环境下的隧道围岩损伤力学特性的测试，为开展复杂环境下隧道模型试验提供技术手段，研究成果为复杂环境下修建大规模地铁隧道等工程提供参考和依据。
附图说明：
图1-图3为本发明中低温-渗流-力耦合作用的小间距隧道模型试验系统结构示意图；
其中：
图1为低温-渗流-力耦合作用的小间距隧道模型试验系统主视图；
图2为低温-渗流-力耦合作用的小间距隧道模型试验系统侧视图；
图3为低温-渗流-力耦合作用的小间距隧道模型试验系统俯视图；
图4为本发明中低温制冷装置示意图；
图5为本发明中自动化监测-反馈分析部分示意图
图中标注：1-1不锈钢水箱；1-2细钢管；1-3截止阀；1-4液压水泵；1-5储水箱；1-6同步顶升千斤顶；1-7加载架上横梁；1-8两侧承压架；1-9传压工字钢；1-10可升降前、后挡板；1-11挡板插关；1-12可移动侧挡板；1-13侧挡板移动螺栓；1-14插关锁；1-15三角稳定架；2-1压缩机；2-2低压表；2-3冷凝器；2-4膨胀阀；2-5干燥过滤器；2-6蒸发器；2-7高压表；2-8测温元件；2-9温控器；3-1监测元件（包括温度计、渗流计等）；3-2数据采集箱；3-3无线传输模块；3-4服务器；3-5移动PC；3-6移动终端；3-7非接触视频测量装置。
具体实施方式：
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
图1-图3所示，所述钢结构主加载架1，所述1相关的有底部承压台，所述底部承压台1-12与两侧承压架1-8相连，所述1-8与工字钢上横梁1-7焊接，所述底部承压台和1-8与前、后可升降自动挡板1-10相连接，所述工字钢横梁1-7与同步顶升千斤顶1-6相连接，所述千斤顶1-6与传压工字钢1-9相连。
如图1-图3所示，所述钢结构主加载部分1还包括不锈钢水箱1-1、液压水泵1-4、截止阀1-3，所述钢结构主加载部分1连接有不锈钢水箱1-1，所述1-1的出液口通过细钢管1-2与液压水泵1-4相连，所述液压水泵1-4一端与不锈钢水箱1-1之间设置有截止阀1-3，所述1-4的另一端通过系钢管1-2与储水箱1-5进液口相连。
如图4所示，所述低温制冷装置2由压缩机2-1、低压表2-2冷凝器2-3、膨胀阀2-4、干燥过滤器2-5、蒸发器2-6、高压表2-7、测温元件2-8、温控器2-9组成。制冷剂通过所述压缩机2-1压缩后进入蒸发器2-6，在所述2-1和2-6之间连接有高压表2-7，在蒸发器2-6中制冷剂由液态转化为气态，所述蒸发器2-6布置在隧道洞室周围，吸收热量以降低气温，气态的制冷剂最后进入冷凝器2-3进行冷凝后，在2-3和2-6之间连接有膨胀阀2-4和干燥过滤器2-5，制冷剂再重新回到压缩机2-1进行压缩，再此进入蒸发器2-6中，依次循环，此外在隧道洞室内布置有测温元件2-8，所述2-8与温控器2-9相连。
如图5所示，所述自动化监测-反馈分析部分3包括监测元件3-1、数据采集箱3-2、无线传输模块3-3、服务器3-4、移动PC 3-5、移动终端3-6、智能反馈分析软件。在所述隧道围岩中埋设有监测元件3-1，所述3-1与数据采集箱3-2相连，所述数据采集箱3-2通过无线传输模块3-3将数据传输到服务器3-4，所述服务器3-4连接有移动PC 3-5和移动终端3-6，所述3-5和3-6中装载有智能反馈分析软件。
如图5所示，所述自动化监测-反馈分析部分3还与非接触视频测量装置3-7相连，能够同时采集数据和图像，所述3-7所采集的数据和图像通过上述智能反馈分析软件进行进一步分析。
如图5所示，所述智能反馈分析软件，主要由自主开发数值计算模块、反分析模块、图像处理分析模块以及基于钻孔数据的三维可视化模块。
所述数据采集装置包括位移传感器和压力传感器。
本发明还包括一种低温-渗流-力耦合作用的小间距隧道模型试验系统及测试方法，包括以下步骤：
步骤1：根据相似原理，经过反复比选调配，确定围岩的相似材料，研制一种新材料相似材料，制成标准圆柱试件；，
步骤2：将上述步骤1中的标准圆柱试件进行基本力学性能的测试，得到力学参数弹性模量、黏聚力、摩擦角进行材料的重新配比，直至符合要求；
步骤3：按照要求的力学指标完成配比后，将材料分层摊铺在加载架中，进行隧道模型的制作，同时埋设监测元件；
步骤4：打开不锈钢水箱的进水口开关，关闭出水口开关，启动液压泵将水注入到水箱，然后打开渗流通道，进行水溶液渗流，测定渗流通道的水流量，完成指定时间内的渗流过程；
步骤5：将上述液压泵、进水口及渗流通道关闭，打开出水开关将水排回至储水箱，启动低温制冷装置调节试验所需的温度T，进行反复的冻融循环，直至总体完成一次循环；
步骤6：对隧道模型施加竖向压力，通过位移计、压力计、渗压计采集位移数据，然后由自动化采集箱采集，通过无线网络将其发送到服务器中；
步骤7：采用智能反馈分析软件进行参数反分析和数值计算，同时，可以通过给定钻孔数据建立地质体可视化模型；
步骤8：通过外加的摄像机，可以远程实时显示模型加载过程模型的破坏过程，将图像和数据传输到智能反馈软件中进行图像分析。
此外，每次试验按照原型应力的一定比例分级加载，直至模型破坏时在卸载。在试验过程中，每次荷载施加后，可观察洞室周边围岩及支护状况，并记录裂纹的发生发展过程。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低温-渗流-力耦合作用的隧道模型试验系统，其特征在于：该系统包括包括钢结构主加载框架（1）、与所述钢结构主加载框架（1）配合使用的低温制冷装置（2）及自动化监测-反馈分析部分（3）；
所述钢结构主加载框架（1）包括底部承压台（1-12）；所述底部承压台（1-12）与两侧承压架（1-8）相连；所述两侧承压架（1-8）与工字钢上横梁（1-7）焊接；所述底部承压台（1-12）和两侧承压架（1-8）与前、后可升降自动挡板（1-10）相连接；所述工字钢横梁（1-7）与同步顶升千斤顶（1-6）相连接，所述千斤顶（1-6）与传压工字钢（1-9）相连；所述钢结构主加载框架（1）上连接有不锈钢水箱（1-1），所述不锈钢水箱（1-1）的出液口通过细钢管（1-2）依次连接液压水泵（1-4）、储水箱（1-5）后接回不锈钢水箱（1-1）的进液口；所述液压水泵（1-4）与不锈钢水箱（1-1）之间设置有截止阀（1-3）；
所述低温制冷装置（2）包括压缩机（2-1）、低压表（2-2）、冷凝器（2-3）、膨胀阀（2-4）、干燥过滤器（2-5）、蒸发器（2-6）、高压表（2-7）、测温元件（2-8）和温控器（2-9）组成；所述压缩机（2-1）与蒸发器（2-6）相连，在所述压缩机（2-1）和蒸发器（2-6）之间连接有高压表（2-7）；所述蒸发器（2-6）布置在隧道洞室周围；所述蒸发器（2-6）与冷凝器（2-3）连接；在冷凝器（2-3）和蒸发器（2-6）之间连接有膨胀阀（2-4）和干燥过滤器（2-5）；所述冷凝器（2-3）与压缩机（2-1）连接；在隧道洞室内布置有测温元件（2-8）；在压缩机（2-1）与冷凝器（2-3）之间有低压表（2-2）；
所述自动化监测-反馈分析部分（3）包括在隧道围岩中埋设的监测元件（3-1）；所述监测元件（3-1）与数据采集箱（3-2）相连；所述数据采集箱（3-2）通过无线传输模块（3-3）将数据传输到服务器（3-4）；所述服务器（3-4）连接有移动PC（3-5）和移动终端（3-6）。
2.根据权利要求1所述的低温-渗流-力耦合作用的隧道模型试验系统，其特征在于：所述自动化监测-反馈分析部分（3）还与非接触视频测量系统（3-7）相连，能够同时采集数据和图像。
3.如权利要求1所述的低温-渗流-力耦合作用的隧道模型试验系统的测试方法，其特征在于：
该方法包括以下步骤：
步骤1：根据相似原理，经过比选调配，确定围岩的相似材料，将该相似材料制成标准圆柱试件；
步骤2：将上述步骤1中的标准圆柱试件进行基本力学性能的测试，得到力学参数弹性模量、黏聚力、摩擦角进行材料的重新配比，直至符合要求；
步骤3：按照要求的力学指标完成配比后，将材料分层摊铺在加载架中，进行隧道模型的制作，同时埋设监测元件；
步骤4：打开不锈钢水箱（1-1）的进水口开关，关闭出水口开关，启动液压泵（1-4）将水注入到水箱，然后打开渗流通道，进行水溶液渗流，测定渗流通道的水流量，完成指定时间内的渗流过程；
步骤5：将上述液压泵、进水口及渗流通道关闭，打开出水开关将水排回至储水箱，启动低温制冷装置调节试验所需的温度T，进行反复的冻融循环，直至总体完成一次循环；
步骤6：对隧道模型施加竖向压力，通过位移计、压力计、渗压计采集位移数据，然后由自动化采集箱采集，通过无线网络将其发送到服务器（3-4）中；
步骤7：进行参数反分析和数值计算，同时，可以通过给定钻孔数据建立地质体可视化模型；
步骤8：通过外加的摄像机，可以远程实时显示模型加载过程模型的破坏过程，将图像和数据传输到计算机中进行图像分析。
4.根据权利要求3所述的低温-渗流-力耦合作用的隧道模型试验系统的测试方法，其特征在于：每次试验按照原型应力的一定比例分级加载，直到模型破坏时再卸载；在试验过程中，每次荷载施加后，观察洞室周边围岩及支护状况，并记录裂纹的发生发展过程，在材料硬度较大时，随着载荷的增加可能会出现岩爆现象。
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