CN111024498B - 模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置及使用方法 - Google Patents
模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置及使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置及使用方法，利用千斤顶施加不同等级的荷载，模拟隧洞围岩变形作用在流质充填衬砌支护结构上的不同荷载；也可进行循环加载，模拟不同的沉桩过程，通过布设的压力传感器来监测受力大小，同时可通过颜料所呈的形态或是在钢化玻璃表面撒一层磁粉观察磁粉的形态以及分布规律判断内部填充物受力情况、应力集中度等情况；完成后利用抽吸设备吸出填充物，卸除所受较大荷载，达到减载及应力均化效果，最终填充物会因成分的不同产生不同现象，结构简单、成本低、操作方便，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
Description
技术领域
本发明属于工程隧洞支护领域，具体涉及一种模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置及使用方法。
背景技术
目前所见的隧洞受力模拟装置都无法真实的模拟隧洞所受到的力，对隧洞的研究有一定的局限性，其主要在于现有模拟装置体积过大、操作极其不方便、无法准确进行或停止卸载且对其受力不能很好得记录，而有些装置则不能很好得模拟隧洞受力情况，使对其上所受力的分析偏离真实；同时，大多数隧洞的破坏都是由于围岩侵陷引起的，即由于围岩侵陷导致局部应力集中，从而使隧洞局部发生破坏，进而引起整个隧洞的破坏。因此，设计一种模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置及使用方法是非常重要的。
本发明针对自主提出的运用于工程中的流质充填衬砌支护技术，为解决目前的装置不能很好的模拟隧洞开挖后岩体变形荷载下力的消散作用、力的影响变化曲线和影响范围、无法准确进行或停止抽吸卸载且都无法清晰观测到衬砌填充物的受力特征、应力传递规律和相关支护反力规律，同时没有很好得模拟围岩侵陷形成的局部应力集中引起的破坏问题。创新性的自主设计了一种模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置及使用方法，该装置可实时监测测得各项力学参数同时使填充物受力后的应力集中度以及传递情况清晰可视，实时对隧洞受力情况及时反馈，同时可通过自主设计的透明锥形体及铺设的颜料层的变化情况可观测均化、减载效果，也可根据实验数据计算出一定条件下所卸除的填充物的量，以此预测实际工程中的卸载情况；装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，为隧洞流质充填衬砌支护技术的推广打下坚实的基础，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置及使用方法，可以解决无法真实的测得拱形隧洞流质充 填衬砌支护结构围岩侵陷的受力特征和相关规律的问题，可真实模拟拱形隧洞流质充填衬砌支护结构不同区域局部侵陷的受力情况，可实时监测测得各项力学参数同时使填充物受力后的应力集中度以及传递情况清晰可视，实时对隧洞受力情况及时反馈，同时可通过自主设计的透明锥形体及铺设的颜料层的变化情况可观测均化、减载效果，也可根据实验数据计算出一定条件下所卸除的填充物的量，以此预测实际工程中的卸载情况，所用装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置，它包括框架，框架底板连接有可视侧限盒，可视侧限盒侧表面设置有固定端和卸压口；可视侧限盒一侧面板为钢化玻璃，钢化玻璃表面设置刻度尺；可视侧限盒底部和侧壁设置有片状压力传感器；框架顶板下方连接有千斤顶，千斤顶正下方设置有柱状压力传感器。
所述可视侧限盒内设置有填充物，填充物内放置有锥形受力体；填充物的一定厚度处铺设颜料或铁屑。
所述卸压口通过卸压导管与工业吸尘器连接。
所述框架为钢板何钢筋焊接成的上部可拆卸的矩形框架结构。
所述可视侧限盒为上表面开口额中空的立方体结构，其底面以及三个侧面为有足够强度的钢板；且底面的钢板外侧设置有凹槽结构的固定端，一个侧面的钢化玻璃与固定端卡合连接。
所述锥形受力体为透明材料制成的倒圆锥体结构。
所述片状压力传感器与压力采集处理装置连接；可视侧限盒底板中心处设置一个片状压力传感器，四个角上各有一个片状压力传感器，两相邻侧板上沿对角线方向等距离布置有四个片状压力传感器。
所述填充物为不同粒径的砂或碎石土、淤泥等具有较好流动性的材料，填充物等高度分为五层，每层之间采用铁屑、磁粉或不同颜色的颜料进行分隔。
如上所述的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，它包括以下步骤：
Step1：材料准备：准备刚度和强度较大的不同规格的钢板、带螺纹钢筋、钢化玻璃、细砂、土、铁粉、磁粉、多种颜色粉末状颜料、片状压力传感器、柱状压力传感器、千斤顶、橡胶圈、卸压导管、工业吸尘器等；
Step2：制作框架：根据所设计的可视侧限盒尺寸，利用刚度和强度较大的钢板以及带螺纹钢筋制作一个四边形的框架；
Step3：制作可视侧限盒：根据实验要求设计可视侧限盒的尺寸，选择合适的钢板挖出固定钢化玻璃的槽、焊接固定端、开卸压口，焊接后将钢化玻璃注入固定槽内并用玻璃胶进行封闭当钢化玻璃无刻度时应粘贴刻度尺；
Step4：制作锥形受力体：利用刚度较大且透明的材料，例如亚克力板或钢化玻璃，预制需求尺寸的锥形受力体；
Step5：连接卸压导管：将套有橡胶圈的卸压导管置于卸压口中，使橡胶圈卡在卸压口处使卸压口处无缝隙；
Step6：铺设填充物及片状压力传感器：根据实验需求的不同以及实验条件选择填充物，每隔H/高度均匀撒颜料，并在同一截面的不同水平位置，以及不同截面的同一竖直位置设置多组用于对比的片状压力传感器；
Step7：安装加载设备：在填充物上端放置钢板，在钢板上选择施力点放置柱状压力传感器，使其上侧与钢板接触并与电脑相连，在柱状压力传感器上部放置千斤顶使其上端抵住反力框架，下端柱状在压力传感器上；
Step8：进行加载：利用加载设备千斤顶施加不同等级的荷载，以kN为一个量级进行加载，模拟隧洞围岩变形作用在流质充填衬砌支护结构上的不同荷载；也可进行循环加载，模拟不同的沉桩过程，通过布设的压力传感器来监测受力大小，同时可通过颜料所呈的形态或是在钢化玻璃表面撒一层磁粉观察磁粉的形态以及分布规律判断内部填充物受力情况、应力集中度等情况，最终填充物会因成分的不同产生不同现象；待加载荷载达到钢板的屈服极限的%时进行卸压操作，利用抽吸设备吸出填充物，卸除所受较大荷载，达到减载及应力均化效果，待压力卸除完后，最终填充物会因成分的不同产生不同现象，如：土拱现象、抽吸倒锥形空间等，可透过上部和侧壁的钢化玻璃进行观察并确定其土拱半径、抽吸空腔区锥形半径及抽吸体积等数据；
Step9：数据及现象的分析工作机理：采用压力传感器测得的不同位置处压力及其它各项力学参数，得出各区域的应力时空分布规律研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律等，同时根据圆锥体底面的半径可计算抽吸的体积进而算出抽吸过程及速率，为实际工程提供相关的理论支撑。
本发明提供的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置及使用方法，有益效果如下：
1、创新性的使用自制锥形体来模拟隧洞围岩的侵陷情况，通过利用锥形体，能够更加真实可靠地对隧洞围岩的侵陷等进行分析，通过千斤顶施加不同单位的力，模拟不同程度的围岩侵陷，使得试验结果更具有说服力。
2、本发明装置可模拟隧洞围岩不同区域及位置变形作用对衬砌支护结构的作用效果，也可定量研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律效果、应力均化规律及自动卸压规律。
3、本发明装置可实时监测隧洞受力情况，受力机理更加接近隧洞自身受力情况，且充分利用填充物的流动性均化局部大荷载，提出的用卸压设备可及时卸除隧洞围岩大变形产生的荷载，使得隧洞整体衬砌支护结构受力更为均匀和安全。
4、本发明装置通过压力传感器的特定的布置方式，即水平方向和竖直方向一定间隔的代表性布置，以及通过颜料等材料的布置；同时钢化玻璃的使用使得实验过程可视化，能够清晰的得到应力曲线，从而可以直观的看到力的消散及力消散的范围。
5、本发明装置可实时监测隧洞开挖后围岩侵陷的受力变形情况并及时反馈，为工程中监测隧洞变形提供一种新方法，且所测得的数据也为实际工程提供理论支撑，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
6、有效地解决了模拟情况失真，模拟操作不方便等问题，从而能够真实模拟隧洞围岩的受力变形情况，装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，并为隧洞围岩侵陷中流质充填衬砌支护技术的推广打下坚实的基础。
7、解决了现有装置无法较好地模拟隧洞开挖后充填填充物的隧道真实受力情况，无法真实地测得围岩侵陷情况下流质充填衬砌支护结构受力特征和相关规律，且不能有效地研究隧洞不同方位及位置的受力情况等问题，可真实模拟隧洞围岩侵陷中流质充填衬砌支护结构不同区域的受力情况，利用加载设备千斤顶施加不同等级的荷载，以kN为一个量级进行加载，模拟隧洞围岩变形作用在流质充填衬砌支护结构上的不同荷载；也可进行循环加载，模拟不同的沉桩过程，通过布设的压力传感器来监测受力大小，同时可通过颜料所呈的形态或是在钢化玻璃表面撒一层磁粉观察磁粉的形态以及分布规律判断内部填充物受力情况、应力集中度等情况，最终填充物会因成分的不同产生不同现象。待加载荷载达到钢板的屈服极限的%时（即弹簧压缩到一定程度时）进行卸压操作，利用抽吸设备吸出填充物，卸除所受较大荷载，达到减载及应力均化效果，待弹簧恢复原长后可确定为压力卸除完，最终填充物会因成分的不同产生不同现象，如：土拱现象、抽吸倒锥形空间等，可透过上部和侧壁的钢化玻璃进行观察并确定其土拱半径、抽吸空腔区锥形半径及抽吸体积等数据。装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，为研究隧道不同区域受力开辟了新途径，也为拱形隧洞流质充填衬砌支护技术的推广打下坚实的理论基础，具有广泛的工程实践意义及应用前景。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的模拟隧洞立体结构的示意图；
图3为本发明装置的锥形体施力情况示意图；
图4为本发明装置的填充物内部空腔区情况示意图；
图5为本发明装置的应力分析示意图。
图中附图标记为：框架1，锥形受力体11，刻度尺13，填充物14，可视侧限盒2，固定端3，钢化玻璃4，卸压口5，片状压力传感器6，柱状压力传感器7，卸压导管8，工业吸尘器9，千斤顶10。
具体实施方式
如图1-图5所示，一种模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置，它包括框架1，框架1底板连接有可视侧限盒2，可视侧限盒2侧表面设置有固定端3和卸压口5；可视侧限盒2一侧面板为钢化玻璃4，钢化玻璃4表面设置刻度尺13；可视侧限盒2底部和侧壁设置有柱状压力传感器76；框架1顶板下方连接有千斤顶，千斤顶正下方设置有柱状压力传感器。通过采用上述的装置，有效地解决了模拟情况失真，模拟操作不方便等问题，从而能够真实模拟隧洞围岩的受力变形情况，装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于各种不同条件下对隧洞的研究，并为隧洞围岩侵陷中流质充填衬砌支护技术的推广打下坚实的基础。
在优选的方案中，可视侧限盒2内设置有填充物14，填充物14内放置有锥形受力体11；填充物14的一定厚度处铺设颜料。结构简单，使用时，可选用颜料或铁屑或磁粉，其组成形式可有以下选择：①每隔H/5均匀铺设有一层铁屑；②每隔H/5均匀薄铺有一层粉状颜料，不同高度选用不同颜色颜料；③每隔H/5均匀铺设有一层磁粉；通过颜料所呈的形态或是在钢化玻璃4表面撒一层磁粉观察磁粉的形态以及分布规律判断内部填充物14受力情况、应力集中度等情况，最终填充物14会因成分的不同产生不同现象。
在优选的方案中，可视侧限盒2为上表面开口额中空的立方体结构，其底面以及三个侧面为有足够强度的钢板；且底面的钢板外侧设置有凹槽结构的固定端3，一个侧面的钢化玻璃4与固定端3卡合连接。结构简单，使用时，固定端3即安装钢化玻璃4的凹槽；同时，三个钢板和底板直接焊接，钢化玻璃4通过凹槽拼接成可是侧限盒。
在优选的方案中，锥形受力体11为透明材料制成的倒圆锥体结构。结构简单，使用时，锥形受力体11是由透明材料制作而成，其中土拱现象、抽吸之后的倒锥形空间可以通过锥形受力体11直接观测，从而更加方便直观得观测到内部的变化情况。
在优选的方案中，柱状压力传感器76与压力采集处理装置连接；可视侧限盒2底板中心处设置一个柱状压力传感器76，四个角上各有一个柱状压力传感器76，两相邻侧板上沿对角线方向等距离布置有四个柱状压力传感器76。结构简单，使用时，柱状压力传感器76型号为IMS-C10，柱状压力传感器型号为QLLF。
在优选的方案中，填充物14为不同粒径的砂或碎石土、淤泥等具有较好流动性的材料，填充物14等高度分为五层，每层之间采用铁屑、磁粉或不同颜色的颜料进行分隔。结构简单，使用时，充填物下的最大支护力即为填充物14的减载效果，即通过流质填充物14的沉降得到底部压力与千斤顶压力数值之差，进一步得出减载规律，在流质充填物的作用下，围岩局部侵陷力大幅度减小，能够很好地达到均化侵陷力的效果；同时侧壁压力数值的变化很好地反映了应力均化规律，即填充物14沉降量不在变化时的压力差为最大承压效果。
在优选的方案中，如上所述的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，它包括以下步骤：
Step1：材料准备：准备刚度和强度较大的不同规格的钢板、带螺纹钢筋、钢化玻璃4、细砂、土、铁粉、磁粉、多种颜色粉末状颜料、柱状压力传感器76、柱状压力传感器、千斤顶、橡胶圈、卸压导管、工业吸尘器等；
Step2：制作框架1：根据所设计的可视侧限盒2尺寸，利用刚度和强度较大的钢板以及带螺纹钢筋制作一个四边形的框架1；
Step3：制作可视侧限盒2：根据实验要求设计可视侧限盒2的尺寸，选择合适的钢板挖出固定钢化玻璃4的槽、焊接固定端3、开卸压口5，焊接后将钢化玻璃4注入固定槽内并用玻璃胶进行封闭当钢化玻璃4无刻度时应粘贴刻度尺13；
Step4：制作锥形受力体11：利用刚度较大且透明的材料，例如亚克力板或钢化玻璃4，预制需求尺寸的锥形受力体11；
Step5：连接卸压导管：将套有橡胶圈的卸压导管置于卸压口5中，使橡胶圈卡在卸压口5处使卸压口5处无缝隙；
Step6：铺设填充物14及柱状压力传感器76：根据实验需求的不同以及实验条件选择填充物14，每隔H/高度均匀撒颜料，并在同一截面的不同水平位置，以及不同截面的同一竖直位置设置多组用于对比的柱状压力传感器76；
Step7：安装加载设备：在填充物14上端放置钢板，在钢板上选择施力点放置柱状压力传感器，使其上侧与钢板接触并与电脑相连，在柱状压力传感器上部放置千斤顶使其上端抵住反力框架1，下端柱状在压力传感器上；
Step8：进行加载：利用加载设备千斤顶施加不同等级的荷载，以kN为一个量级进行加载，模拟隧洞围岩变形作用在流质充填衬砌支护结构上的不同荷载；也可进行循环加载，模拟不同的沉桩过程，通过布设的压力传感器来监测受力大小，同时可通过颜料所呈的形态或是在钢化玻璃4表面撒一层磁粉观察磁粉的形态以及分布规律判断内部填充物14受力情况、应力集中度等情况，最终填充物14会因成分的不同产生不同现象；待加载荷载达到钢板的屈服极限的%时进行卸压操作，利用抽吸设备吸出填充物14，卸除所受较大荷载，达到减载及应力均化效果，待压力卸除完后，最终填充物14会因成分的不同产生不同现象，如：土拱现象、抽吸倒锥形空间等，可透过上部和侧壁的钢化玻璃4进行观察并确定其土拱半径、抽吸空腔区锥形半径及抽吸体积等数据；
Step9：数据及现象的分析工作机理：采用压力传感器测得的不同位置处压力及其它各项力学参数，得出各区域的应力时空分布规律研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律、应力均化规律等，同时根据圆锥体底面的半径可计算抽吸的体积进而算出抽吸过程及速率，为实际工程提供相关的理论支撑。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，其特征在于：它包括框架（1），框架（1）底板连接有可视侧限盒（2），可视侧限盒（2）侧表面设置有固定端（3）和卸压口（5）；可视侧限盒（2）一侧面板为钢化玻璃（4），钢化玻璃（4）表面设置刻度尺（13）；可视侧限盒（2）底部和侧壁设置有片状压力传感器（6）；框架（1）顶板下方连接有千斤顶（10），千斤顶（10）正下方设置有柱状压力传感器（7）；
上述模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法步骤如下：
Step1：材料准备：准备刚度和强度较大的不同规格的钢板、带螺纹钢筋、钢化玻璃（4）、细砂、土、铁粉、磁粉、多种颜色粉末状颜料、片状压力传感器（6）、柱状压力传感器（7）、千斤顶（10）、橡胶圈、卸压导管（8）和工业吸尘器（9）；
Step2：制作框架：根据所设计的可视侧限盒（2）尺寸，利用刚度和强度较大的钢板以及带螺纹钢筋制作一个四边形的框架（1）；
Step3：制作可视侧限盒（2）：根据实验要求设计可视侧限盒的尺寸，选择合适的钢板挖出固定钢化玻璃的槽、焊接固定端（3）、开卸压口（5），焊接后将钢化玻璃（4）注入固定槽内并用玻璃胶进行封闭，当钢化玻璃无刻度时应粘贴刻度尺；
Step4：制作锥形受力体（11）：利用刚度较大且透明的材料，例如亚克力板或钢化玻璃，预制需求尺寸的锥形受力体（11）；
Step5：连接卸压导管（8）：将套有橡胶圈的卸压导管（8）置于卸压口（5）中，使橡胶圈卡在卸压口（5）处使卸压口（5）处无缝隙；
Step6：铺设填充物（14）及片状压力传感器（6）：根据实验需求的不同以及实验条件选择填充物（14），每隔H/5高度均匀撒颜料，并在同一截面的不同水平位置，以及不同截面的同一竖直位置设置多组用于对比的片状压力传感器（6）；
Step7：安装加载设备：在填充物上端放置钢板，在钢板上选择施力点放置柱状压力传感器（7），使其上侧与钢板接触并与电脑相连，在柱状压力传感器（7）上部放置千斤顶（10）使其上端抵住反力框架，下端柱状在压力传感器（7）上；
Step8：进行加载：利用加载设备千斤顶施加不同等级的荷载，以2kN为一个量级进行加载，模拟隧洞围岩变形作用在流质充填衬砌支护结构上的不同荷载；也可进行循环加载，模拟不同的沉桩过程，通过布设的压力传感器来监测受力大小，同时可通过颜料所呈的形态或是在钢化玻璃表面撒一层磁粉观察磁粉的形态以及分布规律判断内部填充物受力情况和应力集中度情况，最终填充物会因成分的不同产生不同现象；待加载荷载达到钢板的屈服极限的75%时进行卸压操作，利用抽吸设备吸出填充物，卸除所受较大荷载，达到减载及应力均化效果，待压力卸除完后，最终填充物会因成分的不同产生不同现象，如：土拱现象和抽吸倒锥形空间，可透过上部和侧壁的钢化玻璃进行观察并确定其土拱半径、抽吸空腔区锥形半径及抽吸体积数据；
Step9：数据及现象的分析工作机理：采用压力传感器测得的不同位置处压力及其它各项力学参数，得出各区域的应力时空分布规律研究流质充填衬砌支护结构不同荷载作用下和不同充填物下的最大支护力、减载规律和应力均化规律，同时根据圆锥体底面的半径可计算抽吸的体积进而算出抽吸过程及速率，为实际工程提供相关的理论支撑。
2.根据权利要求1所述的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，其特征在于：所述可视侧限盒（2）内设置有填充物（14），填充物（14）内放置有锥形受力体（11）；填充物（14）的一定厚度处铺设颜料（12）或铁屑。
3.根据权利要求1所述的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，其特征在于：所述卸压口（5）通过卸压导管（8）与工业吸尘器（9）连接。
4.根据权利要求1所述的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，其特征在于：所述框架（1）为钢板何钢筋焊接成的上部可拆卸的矩形框架结构。
5.根据权利要求1所述的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，其特征在于：所述可视侧限盒（2）为上表面开口额中空的立方体结构，其底面以及三个侧面为有足够强度的钢板；且底面的钢板外侧设置有凹槽结构的固定端（3），一个侧面的钢化玻璃（4）与固定端（3）卡合连接。
6.根据权利要求2所述的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，其特征在于：所述锥形受力体（11）为透明材料制成的倒圆锥体结构。
7.根据权利要求1所述的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，其特征在于：所述片状压力传感器（6）与压力采集处理装置连接；可视侧限盒（2）底板中心处设置一个片状压力传感器（6），四个角上各有一个片状压力传感器（6），两相邻侧板上沿对角线方向等距离布置有四个片状压力传感器（6）。
8.根据权利要求2所述的模拟隧洞围岩侵陷过程中流质充填衬砌结构支护力测试装置的使用方法，其特征在于：所述填充物（14）为具有较好流动性的材料，包括不同粒径的砂或碎石土以及淤泥；填充物（14）等高度分为五层，每层之间采用铁屑、磁粉或不同颜色的颜料进行分隔。
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