CN108827684A - 一种采用凡士林和薄膜制作软弱夹层的隧道模型试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用凡士林和薄膜制作软弱夹层的隧道模型试验方法，属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，该方法中以凡士林和薄膜制作软弱夹层，所得到的软弱夹层的容重、强度及其变形特性能更好的模拟真实软弱夹层的力学性能。由于该软弱夹层物理和力学性能稳定，不易受外界环境影响，加之其组分单一，能够很好地避免因其组成的原因导致其在试验过程发生变化而影响试验结果，另外，该软弱夹层足够光滑、可重复性强，能够使内摩擦角减小2°‑7°，加上本发明中特定的铺设方式，能够将其很好的固定，不但能够避免软弱夹层与围岩之间发生相对滑动，还能够很好地保证软弱夹层不因围岩压力而被挤出，使最终的测试结果更能体现真实情况。

Description

一种采用凡士林和薄膜制作软弱夹层的隧道模型试验方法

技术领域

本发明属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，具体涉及一种采用凡士林和薄膜制作软弱夹层的隧道模型试验方法。

背景技术

隧道力学的理论分析不能够完全反映实际工程状况，因此国内外很多学者提出了模型试验研究方法，在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，真实、全面、直观地反映隧道开挖过程中围岩的受力特征、变形趋势和稳定性特点，因此隧道模型试验成为了研究隧道问题的重要方法。其中，在隧道模型试验过程中，选择与原型软弱夹层物理力学性能相似的模型材料是模型试验的基础，也是模型试验能否成功的关键。软弱夹层是对实际工程具有较大危险系数的特殊岩体，相较于其他岩体，软弱夹层厚度较薄，其力学强度和变形模量比较低，饱和抗压强度仅为干抗压强度的二分之一甚至更低，其具有高压缩性和低强度的特性，软弱夹层每一部分的结构、致密程度、含水量、孔隙度、塑性指数及力学强度均有所不同。因此，为了准确模拟出岩体结构中的各类软弱夹层，需要能够满足相似关系的软弱夹层模型材料及基于该材料的隧道模型试验方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采用凡士林和薄膜制作软弱夹层的隧道模型试验方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种采用凡士林和薄膜制作软弱夹层的隧道模型试验方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将隧道模型试验箱调平，所述隧道模型试验箱正面和背面对称设置有观测窗口，所述观测窗口内设置有隧道口；

(2)将围岩相似材料分层填入步骤(1)中的隧道模型试验箱内，每层填装完成后进行振捣压实，当所述围岩相似材料填装至隧道口时，置入与所述隧道口大小匹配的沙袋，继续填入所述围岩相似材料至距离所述隧道口拱顶0.3B-0.5B且与水平夹角为25°-40°的位置，振捣压实后根据试验要求填充相应厚度的软弱夹层，然后在所述软弱夹层上布置压力盒，最后再以所述围岩相似材料填充至设计高度；所述B为所述隧道口的跨度；所述软弱夹层由凡士林和薄膜制成；

(3)在所述隧道模型试验箱的正前方安装图像采集器，利用散斑工具对设置在所述隧道模型试验箱正面的观测窗口内填充有围岩相似材料的区域进行无规律散斑标记；

(4)将步骤(2)中置入的沙袋清除，然后采用加载方法逐渐增加上覆荷载至围岩发生大面积塌方，期间对隧道围岩变形及破坏图像进行采集并分析，获得隧道围岩的全场应变，再对隧道围岩应力进行自动连续采集并进行数据处理。

优选地，步骤(1)中，所述观测窗口外还设置有透明的观测窗口挡板。

优选地，步骤(2)中，所述围岩相似材料由重晶石粉、石英砂、石膏和水按质量比11：2：2：0.12混合而成。

优选地，步骤(2)中，所述软弱夹层相似材料的填充方法具体为：首先按横向等距和纵向等距在围岩相似材料表面布满钉子形成钉子层Ⅰ，然后依次铺设薄膜Ⅰ、凡士林和薄膜Ⅱ，所述钉子层Ⅰ依次穿过所述薄膜Ⅰ、凡士林和薄膜Ⅱ，最后按横向等距和纵向等距在所述薄膜Ⅱ表面布满钉子形成钉子层Ⅱ，所述钉子层Ⅱ依次穿过所述薄膜Ⅱ、凡士林和薄膜Ⅰ且钉子层Ⅱ中各钉子与所述钉子层Ⅰ中各钉子错位分布。

优选地，所述钉子层Ⅱ中每个钉子均匀间隔钉在钉子层Ⅰ相邻钉子中间。

优选地，所述薄膜Ⅰ和薄膜Ⅱ为聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或聚苯乙烯薄膜中的一种。

优选地，所述薄膜Ⅰ和薄膜Ⅱ的厚度为0.8-1.3mm。

优选地，步骤(4)中，将沙袋清除后，还包括对隧道口进行修整工序，使所述隧道口规整光滑。

优选地，步骤(4)中，采用Vic-Snap软件对隧道围岩变形及破坏图像进行采集，再通过Vic-2D软件对所采集的图像进行分析，得到隧道围岩的全场应变，再利用传统电测法对隧道围岩应力进行自动连续采集，并通过计算机对采集所得的数据进行处理。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种采用凡士林和薄膜制作软弱夹层的隧道模型试验方法，该方法中以凡士林和薄膜制作软弱夹层，所得到的软弱夹层的容重、强度及其变形特性能更好的模拟真实软弱夹层的力学性能，该软弱夹层变形特征统一，且无毒副作用，不会对人体造成伤害，且原材料来源广，价格低廉。由于该软弱夹层物理和力学性能稳定，不易受外界环境影响，加之其组分单一，能够很好地避免因其组成的原因导致其在试验过程发生变化而影响试验结果，另外，该软弱夹层足够光滑、可重复性强，能够使内摩擦角减小2°-7°，加上本发明中特定的铺设方式，能够将其很好的固定，不但能够避免软弱夹层与围岩之间发生相对滑动，还能够很好地保证软弱夹层不因围岩压力而被挤出，使最终的测试结果更能体现真实情况。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明中隧道模型试验箱示意图；

图2为本发明中软弱夹层铺设位置示意图；

图3为本发明中钉子层Ⅰ和钉子层Ⅱ铺设示意图。

图1中，1栅格框架、2钢板、3底座、4观测窗口、5观测窗口挡板、6隧道口；图3中，Δ表示钉子层Ⅰ中各钉子的铺设点，Ο表示钉子层Ⅱ中各钉子的铺设点。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

图1为本发明中隧道模型试验箱示意图，图1中，1为栅格框架、2为钢板、3为底座、4为观测窗口、5为观测窗口挡板、6为隧道口。

保持软弱夹层与隧道口拱顶的距离不变，分别将软弱夹层的铺设面与水平面的夹角设定为0°，15°，30°，45°，均采用长×高×宽为3m×2.4m×0.55m的隧道模型试验箱进行试验，该隧道模型试验箱的几何相似比为1:30，具体试验方法如下：

(1)分别称取重晶石粉、石英砂、石膏和水，然后按照重晶石粉、石英砂、石膏和水的质量比为11：2：2：0.12进行混合，获得围岩相似材料；

(2)将隧道模型试验箱调平，该隧道模型试验箱正面和背面对称设置有长×高为1m×1m的观测窗口，该观测窗口内设置有跨度为54.9cm的隧道口，观测窗口外设置有透明的观测窗口挡板；

(3)将步骤(1)中获得的围岩相似材料分层填入步骤(2)中的隧道模型试验箱内，每层填装完成后进行振捣压实，当围岩相似材料填装至隧道口时，置入与该隧道口大小匹配的沙袋，继续填入围岩相似材料至距离该隧道口拱顶20cm且与水平夹角为一定夹角的位置，该位置如图2所示，振捣压实后填充1cm后的软弱夹层，然后在该软弱夹层上布置压力盒，最后再以围岩相似材料填充至隧道模型试验箱顶部；其中，软弱夹层按照如下方法填充：首先按横向等距和纵向等距在围岩相似材料表面布满钉子形成钉子层Ⅰ，钉子层Ⅰ中各钉子的铺设点如图3中Δ所示，然后依次铺设1mm厚的聚乙烯薄膜Ⅰ、凡士林和1mm厚的聚乙烯薄膜Ⅱ，且钉子层Ⅰ依次穿过聚乙烯薄膜Ⅰ、凡士林和聚乙烯薄膜Ⅱ，最后按横向等距和纵向等距在聚乙烯薄膜Ⅱ表面布满钉子形成钉子层Ⅱ，钉子层Ⅱ中各钉子的铺设点如图3中Ο所示，钉子层Ⅱ依次穿过所述铺设聚乙烯薄膜Ⅱ、凡士林和聚乙烯薄膜Ⅰ；

(4)在隧道模型试验箱的正前方安装图像采集器，利用散斑工具对设置在该隧道模型试验箱正面的观测窗口内填充有围岩相似材料的区域进行无规律散斑标记；

(5)将步骤(3)中置入的沙袋清除，并利用锯尺对隧道口进行修整工序，使所述隧道口规整光滑，然后采用加载方法逐渐增加上覆荷载至围岩发生大面积塌方，期间采用Vic-Snap软件对隧道围岩变形及破坏图像进行采集，再通过Vic-2D软件对所采集的图像进行分析，得到隧道围岩的全场应变，再利用传统电测法对隧道围岩应力进行自动连续采集，并通过计算机对采集所得的数据进行处理。

测得软弱夹层的铺设面与水平面的夹角分别为0°，15°，30°，45°时软弱夹层的抗剪参数，具体见表1。

表1

夹层倾角/°	内摩擦角/°	粘聚力/kPa	夹层倾角/°	内摩擦角/°	粘聚力/kPa
						0	22.3	3.4	30	24.5	3.7
15	21.1	4.0	45	23.6	3.8

通过表1中的数据，计算得到内摩擦角的平均值为22.9°，粘聚力的平均值为3.7kPa。

对比实施例1

与实施例1的区别在于，将以凡士林和聚乙烯薄膜为原料制备的软弱夹层替换为滑石粉。测得软弱夹层的铺设面与水平面的夹角分别为0°，15°，30°，45°时软弱夹层的抗剪参数，具体见表2。

表2

夹层倾角/°	内摩擦角/°	粘聚力/kPa	夹层倾角/°	内摩擦角/°	粘聚力/kPa
						0	23.4	2.2	30	26.0	2
15	25.3	2.5	45	24.8	2.3

通过表2中的数据，计算得到内摩擦角的平均值为24.9°，粘聚力的平均值为2.25kPa。

对比实施例2

与实施例1的区别在于，将以凡士林和聚乙烯薄膜为原料制备的软弱夹层替换为石膏。测得软弱夹层的铺设面与水平面的夹角分别为0°，15°，30°，45°时软弱夹层的抗剪参数，具体见表3。

表3

夹层倾角/°	内摩擦角/°	粘聚力/kPa	夹层倾角/°	内摩擦角/°	粘聚力/kPa
						0	29.1	1.5	30	30.0	1.3
15	27.6	1.2	45	33.5	1.6

通过表3中的数据，计算得到内摩擦角的平均值为30.05°，粘聚力的平均值为1.4kPa。

通过将实施例1中所获得内摩擦角的平均值与对比实施例1、对比实施例2中所获得内摩擦角的平均值进行对比发现，以本发明中凡士林和薄膜制作的软弱夹层进行隧道模型试验，可以使内摩擦角减小2°-7°。

本发明中除了以1mm厚的聚乙烯薄膜用于制作软弱夹层，还可以选用厚度在0.8-1.3mm范围内的聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或聚苯乙烯薄膜中的任一种用于制作软弱夹层。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种采用凡士林和薄膜制作软弱夹层的隧道模型试验方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)将隧道模型试验箱调平，所述隧道模型试验箱正面和背面对称设置有观测窗口，所述观测窗口内设置有隧道口；

(2)将围岩相似材料分层填入步骤(1)中的隧道模型试验箱内，每层填装完成后进行振捣压实，当所述围岩相似材料填装至隧道口时，置入与所述隧道口大小匹配的沙袋，继续填入所述围岩相似材料至距离所述隧道口拱顶0.3B-0.5B且与水平夹角为25°-40°的位置，振捣压实后根据试验要求填充相应厚度的软弱夹层，然后在所述软弱夹层上布置压力盒，最后再以所述围岩相似材料填充至设计高度；所述B为所述隧道口的跨度；所述软弱夹层由凡士林和薄膜制成；

(3)在所述隧道模型试验箱的正前方安装图像采集器，利用散斑工具对设置在所述隧道模型试验箱正面的观测窗口内填充有围岩相似材料的区域进行无规律散斑标记；

(4)将步骤(2)中置入的沙袋清除，然后采用加载方法逐渐增加上覆荷载至围岩发生大面积塌方，期间对隧道围岩变形及破坏图像进行采集并分析，获得隧道围岩的全场应变，再对隧道围岩应力进行自动连续采集并进行数据处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述观测窗口外还设置有透明的观测窗口挡板。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述围岩相似材料由重晶石粉、石英砂、石膏和水按质量比11：2：2：0.12混合而成。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述软弱夹层相似材料的填充方法具体为：首先按横向等距和纵向等距在围岩相似材料表面布满钉子形成钉子层Ⅰ，然后依次铺设薄膜Ⅰ、凡士林和薄膜Ⅱ，所述钉子层Ⅰ依次穿过所述薄膜Ⅰ、凡士林和薄膜Ⅱ，最后按横向等距和纵向等距在所述薄膜Ⅱ表面布满钉子形成钉子层Ⅱ，所述钉子层Ⅱ依次穿过所述薄膜Ⅱ、凡士林和薄膜Ⅰ且钉子层Ⅱ中各钉子与所述钉子层Ⅰ中各钉子错位分布。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述钉子层Ⅱ中每个钉子均匀间隔钉在钉子层Ⅰ相邻钉子中间。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述薄膜Ⅰ和薄膜Ⅱ为聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或聚苯乙烯薄膜中的一种。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述薄膜Ⅰ和薄膜Ⅱ的厚度为0.8-1.3mm。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，将沙袋清除后，还包括对隧道口进行修整工序，使所述隧道口规整光滑。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，采用Vic-Snap软件对隧道围岩变形及破坏图像进行采集，再通过Vic-2D软件对所采集的图像进行分析，得到隧道围岩的全场应变，再利用传统电测法对隧道围岩应力进行自动连续采集，并通过计算机对采集所得的数据进行处理。