CN111289346A - 含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，属于隧道工程技术领域。该试验方法所用设备及材料分别有自制试验模型箱、石膏、石英砂、重晶石粉、滑石粉等。按设计在隧道拱顶上方，隧道侧壁，仰拱3倍洞泾范围内埋设压力传感器，掌子面中心处埋设纵向压力传感器。围岩材料填至与模型箱上表面齐平。在模型的上方通过采用传力钢板和反力梁、油压千斤顶来进行加载。试验采取全断面无支护开挖方式，开挖进尺4cm/次，共开挖25次，共有2个监测断面和一个数字散斑拍摄面，以监测开挖过程中的围岩应力及位移，能更好的模拟围岩及破碎带的力学性能，且原材料无毒副作用不会对人体造成伤害，原材料易得，价格低廉。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，涉及含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法。
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，选择与原型隧道开挖面尺寸、原型围岩材料、原型破碎带材料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。隧道周围的断层破碎带对实际工程具有较大危险系数，相较于其他地质条件，破碎带区域具有较大孔隙率、较强的离散性、且围岩稳定性差等特点。因此，为了准确模拟出岩体结构中的破碎带，需要能够满足相似关系的破碎带模型材料及基于该材料的含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，所用材料与原型材料具有非常相似的物理、力学性质，因而能更好的模拟围岩及破碎带的力学性能，且原材料无毒副作用不会对人体造成伤害，原材料易得，价格低廉。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，该方法包括以下步骤：
S1：模型容器的准备；
S2：围岩相似材料与破碎带相似材料的准备；
S3：围岩相似材料、破碎带相似材料填埋；
S4：压力盒的埋设；
S5：非接触式全场应变测量系统的布置及数据采集；
S6：模型实验开挖过程。
可选的，所述S1具体为：结合1:70的模型相似比，模型试验箱尺寸为1m长×0.65m宽×1m高，其中共有4块刚度较大的钢板，厚度均为6mm厚；为使加载阶段顶部作用力均匀分布在材料表面，在一块钢板表面沿4个对角布置4块肋条；在沿隧道进尺方向，测量全场应变和位移，布置1m长×0.012m厚×1m高的钢化玻璃。
可选的，所述S2具体为：选择重晶石粉、石英砂、石膏、水、滑石粉为原材料进行配比试验通过直剪试验以及GDS三轴压缩试验，得到模拟围岩的材料配比为：
重晶石粉：20-40目的石英砂：石膏：水＝1：0.18:0.13:0.08
破碎带的材料配比为：
8-12目的砂：20-40目的细砂：滑石粉＝0.5:0.45:1。
可选的，所述S3具体为：围岩相似材料、破碎带相似材料填埋：将搅拌均匀的材料倒入模型试验箱内，材料分层填筑，每填筑10cm，根据V级围岩的密度，压实到一定厚度后进行下一次填筑，基于断层破碎带的倾角过于倾斜，填筑时采用两块木板空出断层带区域，往中间填入断层模拟材料，为保持均匀，围岩材料和断层破碎带材料同时填筑压实。
可选的，所述S4具体为：压力盒的埋设：在填筑相似材料过程中，同时进行压力盒的埋设，首先将压力盒根据监测断面及位置进行编号，然后按位置距离进行埋设，光滑面为承力面，朝向土体并与所测压力方向垂直；埋设时，压力盒附近的土体宜紧不宜松，在土压力盒下面铺设一定厚度的细砂；引线应蛇形布置，以免土体不均匀沉降和变形破坏导线；模型箱填筑完毕，采集压力盒初始数值并做好记录。
可选的，所述S5具体为：非接触式全场应变测量系统的布置及数据采集：将钢化玻璃取下，在其表面布置散斑点，散斑点的布置要随机布置，布置完毕后再把钢化玻璃安装到模型箱上；在试验观察面的正前方安装测量系统，包括LED光源、相机的布置，并用VIC-3D软件进行数据采集并进行后期分析。
可选的，所述S5具体为：模型实验开挖过程：采用铁铲以每次4cm的开挖步距从左侧开始开挖，当开挖到断层破碎带时，用铁铲从右侧以每次4cm的开挖步距进行开挖，直至隧道贯通；非接触式全场应变测量系统对整个动态过程全程监测记录。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种在断层破碎带影响下的隧道开挖时的三维力学监测，通过合理设计模型试验箱，破碎带材料，围岩材料，通过压力传感器和数字散斑技术进行测量，能够更好地模拟和测量出在断层破碎带影响下的隧道开挖时的三维力学响应的实际情况。
本模型试验装置几大特色在于：
一、本发明自制模型试验箱由钢板和高强度玻璃板拼接而成，能够拆卸和组装，可以进行多次试验，并且钢材具有较大的刚度和强度，有效的抵抗住来自填充材料的压力及外部荷载的施加；方便隧道围岩内部应力测量；、适用于围岩全场变形测量；满足隧道开挖影响围岩3-5倍洞泾范围；隧道开挖面要光滑平顺；便于顶部加载。
二、本发明的V级围岩相似材料在查阅相关文献的基础上，选取重晶石粉、石英砂(20-40 目)、石膏和水为原材料，经过GDS标准三轴试验仪和直剪试验仪获取材料的物理力学参数，经过反复试验，最终确定满足V级围岩的材料的配比为：重晶石粉：石英砂(20-40目)：石膏：水＝1：0.18:0.13:0.08。
三、本发明的断层破碎带相似材料在查阅相关文献的基础上，选取细砂(8-12目)、石英砂(20-40目)、滑石粉为原材料，经过GDS标准三轴试验仪和直剪试验仪获取材料的物理力学参数，经过反复试验，最终确定满足V级围岩的材料的配比为：细砂(8-12目)：石英砂(20-40目)：滑石粉＝0.5:0.45:1。由于断层破碎带主要由断面填充物和派生裂缝组成，能使断层两侧的岩体丧失连续性和完整性，本发明的断层破碎带相似材料能满足其特点。
四、本发明的数字散斑技术，利用非接触式全场应变测量系统采集围岩全场应变与位移场，传统的应变片方法只能得到材料表面局部的平均应变，它并不能观察围岩全场的应力及位移应变等信息，因此本次研究在传统测量方法的基础上应用数字散斑技术对围岩全场应变进行测量，它具有非接触、全场量测、精度高、操作简单等优点，并且可以测量三维表面坐标X,Y,Z分量，三维位移U,V,W分量和变形速度。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为模型试验箱外部结构图；
图2为模型试验箱透视结构图；
图3为隧道半边断面图；
图4为土压力盒布置图；图(a)为A监测断面压力盒布置图；图(b)为B监测断面压力盒布置图；图(c)为断面上下表面压力盒布置图；
图5为量测系统布置示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为模型试验箱外部结构图；图2为模型试验箱透视结构图；图3为隧道半边断面图；图4为土压力盒布置图；图(a)为A监测断面压力盒布置图；图(b)为B监测断面压力盒布置图；图(c)为断面上下表面压力盒布置图；图5为量测系统布置示意图。
(1)模型容器的准备：结合1:70的模型相似比，考虑其具有多功能，为了可进行多次试验，模型试验箱可组装、拆卸，因此模型箱的尺寸为1m(长)×0.65m(宽)×1m(高)，其模型箱尺寸如图2所示。其中共有4块刚度较大的钢板，厚度均为6mm厚；此外，为了使加载阶段顶部作用力均匀分布在材料表面，在一块钢板表面沿4个对角布置4块肋条，其模型箱具体实物图如图1所示。在沿隧道进尺方向，为便于观察，测量全场应变和位移，布置一1m(长)×0.012m(厚)×1m(高)的钢化玻璃。隧道半边断面尺寸如图3所示。
(2)围岩相似材料与破碎带相似材料的准备：根据对前人的研究结果，经过对不同材料进行反复试验，最终选择重晶石粉、石英砂、石膏、水、滑石粉为原材料进行配比试验通过直剪试验以及GDS三轴压缩试验，得到模拟围岩的材料配比为：
重晶石粉：石英砂(20-40目)：石膏：水＝1：0.18:0.13:0.08
破碎带的材料配比为：
砂(8-12目)：细砂(20-40目)：滑石粉＝0.5:0.45:1
(3)围岩相似材料、破碎带相似材料填埋：将搅拌均匀的材料倒入模型试验箱内，材料分层填筑，每填筑10cm，根据V级围岩的密度，压实到一定厚度后进行下一次填筑，如图4，基于断层破碎带的倾角过于倾斜，填筑时采用两块木板空出断层带区域，往中间填入断层模拟材料，为了保持均匀，围岩材料和断层破碎带材料同时填筑压实。
(4)压力盒的埋设：在填筑相似材料过程中，同时进行压力盒的埋设，首先将压力盒根据监测断面及位置进行编号，然后按位置距离进行埋设，光滑面为承力面，必须朝向土体并与所测压力方向垂直；埋设时，压力盒附近的土体宜紧不宜松，可以在土压力盒下面铺设一定厚度的细砂；引线应蛇形布置，以免土体不均匀沉降和变形破坏导线；模型箱填筑完毕后，采集压力盒初始数值并做好记录。
(5)非接触式全场应变测量系统的布置及数据采集：将钢化玻璃取下，在其表面布置散斑点，散斑点的布置要随机布置，布置完毕后再把钢化玻璃安装到模型箱上。在试验观察面的正前方安装测量系统，包括LED光源、相机等的布置，并用VIC-3D软件进行数据采集并进行后期分析。
(6)模型实验开挖过程：采用铁铲以每次4cm的开挖步距从左侧开始开挖。当开挖到断层破碎带时，用铁铲从右侧以每次4cm的开挖步距进行开挖，直至隧道贯通。其中非接触式全场应变测量系统对整个动态过程全程监测记录。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：模型容器的准备；
S2：围岩相似材料与破碎带相似材料的准备；
S3：围岩相似材料、破碎带相似材料填埋；
S4：压力盒的埋设；
S5：非接触式全场应变测量系统的布置及数据采集；
S6：模型实验开挖过程。
2.根据权利要求1所述的含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，其特征在于：所述S1具体为：结合1:70的模型相似比，模型试验箱尺寸为1m长×0.65m宽×1m高，其中共有4块刚度较大的钢板，厚度均为6mm厚；为使加载阶段顶部作用力均匀分布在材料表面，在一块钢板表面沿4个对角布置4块肋条；在沿隧道进尺方向，测量全场应变和位移，布置1m长×0.012m厚×1m高的钢化玻璃。
3.根据权利要求1所述的含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，其特征在于：所述S2具体为：选择重晶石粉、石英砂、石膏、水、滑石粉为原材料进行配比试验通过直剪试验以及GDS三轴压缩试验，得到模拟围岩的材料配比为：
重晶石粉：20-40目的石英砂：石膏：水＝1：0.18:0.13:0.08
破碎带的材料配比为：
8-12目的砂：20-40目的细砂：滑石粉＝0.5:0.45:1。
4.根据权利要求1所述的含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，其特征在于：所述S3具体为：围岩相似材料、破碎带相似材料填埋：将搅拌均匀的材料倒入模型试验箱内，材料分层填筑，每填筑10cm，根据V级围岩的密度，压实到一定厚度后进行下一次填筑，基于断层破碎带的倾角过于倾斜，填筑时采用两块木板空出断层带区域，往中间填入断层模拟材料，为保持均匀，围岩材料和断层破碎带材料同时填筑压实。
5.根据权利要求1所述的含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，其特征在于：所述S4具体为：压力盒的埋设：在填筑相似材料过程中，同时进行压力盒的埋设，首先将压力盒根据监测断面及位置进行编号，然后按位置距离进行埋设，光滑面为承力面，朝向土体并与所测压力方向垂直；埋设时，压力盒附近的土体宜紧不宜松，在土压力盒下面铺设一定厚度的细砂；引线应蛇形布置，以免土体不均匀沉降和变形破坏导线；模型箱填筑完毕，采集压力盒初始数值并做好记录。
6.根据权利要求1所述的含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，其特征在于：所述S5具体为：非接触式全场应变测量系统的布置及数据采集：将钢化玻璃取下，在其表面布置散斑点，散斑点的布置要随机布置，布置完毕后再把钢化玻璃安装到模型箱上；在试验观察面的正前方安装测量系统，包括LED光源、相机的布置，并用VIC-3D软件进行数据采集并进行后期分析。
7.根据权利要求1所述的含断层破碎带隧道围岩变形破坏的三维模型试验方法，其特征在于：所述S5具体为：模型实验开挖过程：采用铁铲以每次4cm的开挖步距从左侧开始开挖，当开挖到断层破碎带时，用铁铲从右侧以每次4cm的开挖步距进行开挖，直至隧道贯通；非接触式全场应变测量系统对整个动态过程全程监测记录。
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| US20150338549A1 (en) * | 2014-01-07 | 2015-11-26 | Shandong University | Tunnel construction large-scale integrated geophysical advanced detection model test device |
| CN105973620A (zh) * | 2016-04-29 | 2016-09-28 | 重庆交通大学 | 用于全场观测围岩变形破坏的隧道模型试验装置 |
-
2020
- 2020-02-14 CN CN202010092939.0A patent/CN111289346A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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