CN111780902A - 一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冻胀实验设备技术领域，具体的讲涉及一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置及实验方法。其实验设备包括整体位于框架内的模拟衬砌和模拟围岩，模拟衬砌内具有容纳积水的槽体，模拟围岩将槽体封闭，模拟围岩与模拟衬砌之间设置间距测量器，用于反映槽体内积水冻胀的膨胀量；槽体底部设置压力传感器，用于反馈槽体内积水冻胀的膨胀力；间距测量器和压力传感器均与数据采集设备电气连接。利用该实验装置的试验方法能够较好的模拟隧道衬砌积水冻胀过程，并且获得实时变化信息，结合处理设备进行数据加工，形成的实验结果对工程质量极具参考价值。
Description
技术领域
本发明冻胀实验设备技术领域，具体的讲涉及一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置及实验方法。
背景技术
寒区隧道衬砌背部空洞积水结冰后，由于水体体积变大产生一定的膨胀变形，现有的衬砌空隙满足不了水体相变时体积膨胀的需求，并且积水结冰体积膨胀变形的过程中由于受到隧道围岩的约束会产生冻胀力，造成隧道衬砌变形甚至裂损，目前，由寒冷等自然条件引起的病害普遍存在于寒区隧道中。
岩石本身的冻胀可以忽略不计，因此在寒区隧道中，衬砌的冻胀压力主要由衬砌背后积存的水体冻胀引起。为了解隧道冻害机理研究寒区隧道衬砌背后局部积水冻胀力与膨胀率的影响，现有技术主要采用仿真分析和工程实测方法。仿真分析方法存在的问题主要是由于缺乏实测数据，针对性不强，对工程设计指导价值不高；工程实测方法存在的问题主要是工作代价高昂、实验结果滞后，仅可表征工程设计的单一结果，不具有方案比较试验可能性；并且现有的冻胀实验设备结构复杂，使用成本高，实验参数难调节，数据结果与实际工况脱节，工程参考价值度低。
发明内容
本发明的目的就是提供一种结合环境温度、围岩刚度、积水量、水质硬度等多种因素对寒区隧道衬砌背后局部积水冻胀力与膨胀率造成影响的实验装置和实验方法，能够较好的模拟隧道衬砌积水冻胀过程，并且获得实时变化信息，结合处理设备进行数据加工，形成的实验结果对工程质量极具参考价值。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置，其特征在于：包括整体位于框架内的模拟衬砌和模拟围岩，所述模拟衬砌内具有容纳积水的槽体，所述模拟围岩将所述槽体封闭，所述模拟围岩与模拟衬砌之间设置间距测量器，用于反映所述槽体内积水冻胀的膨胀量；所述槽体底部设置压力传感器，用于反馈所述槽体内积水冻胀的膨胀力；所述间距测量器和压力传感器均与数据采集设备电气连接。
构成上述一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置的附加技术特征还包括：
——所述间距测量器为高度测量仪，其由设置在所述模拟衬砌外部的参照部和设置在所述模拟围岩外部的活动部构成；
——所述压力传感器包括通过导线连接的电阻应变片和电阻应变仪，所述电阻应变片置于所述槽体内部且其上覆盖密封隔板，所述电阻应变仪置于所述模拟衬砌外部且与所述数据采集设备连接，所述模拟衬砌具有供所述导线贯穿的通孔；
——所述框架包括由型钢构成的上框体和下框体，所述上框体和下框体的四角处具有设置紧固螺栓的延长端；
——所述紧固螺栓的螺母下部具有套装在所述紧固螺栓上的预紧弹簧，所述预紧弹簧的压缩量不小于所述模拟衬砌内积水冻胀后的膨胀量；
——所述数据采集设备为PC机或PLC控制器，所述PC机或PLC控制器内具有对采集数据进行计算分析的处理模块；
——所述模拟衬砌整体呈圆柱状，所述槽体位于上表面中心，所述模拟围岩为正面钢板及底面橡胶板复合而成的圆片或圆盘且其与所述模拟衬砌上表面大小一致；
——所述模拟围岩的正面钢板、所述模拟衬砌均由Q235钢制成，覆盖所述电阻应变片的密封隔板包括与所述槽体内径大小一致的钢垫板，所述钢垫板的周围设置密封圈。
本发明还提供了一种利用上述实验装置进行模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验方法，包括以下步骤：
步骤一，组装实验装置
在所述模拟衬砌的槽体底部设置压力传感器，将设定规格的水体注入到槽体内，用所述模拟围岩进行封闭，所述框架使所述模拟围岩与模拟衬砌呈相对自由状态或者所述框架的预紧弹簧使所述模拟衬砌与模拟围岩整体处于弹性压紧状态，在所述模拟衬砌和模拟围岩之间安装间距测量器，所述压力传感器和间距测量器均与数据采集设备电气连接；
步骤二，模拟冻胀过程
将步骤一种装配好的实验装置置于制冷箱中，在预定时间内确保实验装置内的积水完全冻结；
步骤三，实验数据采集
在步骤二的预定时间内，所述压力传感器和间距测量器向所述数据采集设备实时反馈冻胀力和膨胀量的数据，所述数据采集设备存储或输出实验结果。
——在所述步骤一中增加实验参数的调节步骤，
其包括对构成所述模拟围岩的Q235钢板和橡胶板的厚度进行调节，以获得不同的压缩弹性模量；
或者对所述模拟衬砌内槽体深度的调节，以获得不同大小的模拟隧道内部积水空洞；
或者对所述槽体内注入水质的调节，以获得不同硬度的模拟空洞积水。
——在所述步骤二中增加实验参数的调节步骤，其包括对所述制冷箱中保持温度的调节，以获得模拟隧道内部积水的不同冻胀环境；
——在所述步骤三中增加对采集数据的分析步骤，其包括所述数据采集设备的处理模块对采集的冻胀力和膨胀量数据进行计算，形成随时间变化的实验结果或者其他加工数据。
本发明所提供的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置同现有技术相比，具有以下优点：其一，由于该实验装置包括整体位于框架内的模拟衬砌和模拟围岩，模拟衬砌内具有容纳积水的槽体，模拟围岩将槽体封闭，从而模拟隧道衬砌背部的积水空洞，整体结构简单，加工制造方便，使用费用低，并且结构可以针对围岩刚度、积水量等作出相应的调整，提高了实验装置的使用范围；其二，由于在模拟围岩与模拟衬砌之间设置间距测量器，用于反映槽体内积水冻胀的膨胀量，槽体底部设置压力传感器，用于反馈槽体内积水冻胀的膨胀力，间距测量器和压力传感器均与数据采集设备电气连接，该实验装置能够实时记录冻胀力和膨胀量的数据信息，获得的实验数据贴近工程实际情况，进一步的，数据采集设备对采集数据进行计算分析的处理模块，能够对实验数据进行深度加工，处理结果更具参考价值；其三，主要利用上述装置的实验方法，完全模拟了隧道衬砌背部空洞积水的冻胀过程，通过实施采集冻胀力和膨胀量数据，获得贴近隧道实际工况的实验结果，并且根据生产需要，可以对各种数据进行深度加工，该方法操作简单，实验环节清晰，参数便于调节，数据结果准确，实用价值高。
附图说明
图1为本发明一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置的结构示意图（虚线以下部分为该实验装置的立体图）；
图2为该实验装置中框架内包括预紧弹簧的结构示意图；
图3为三组实验模型的参数示意图；
图4-1为第一组实验模型在不同温度下的冻胀力-时间曲线；
图4-2为第一组实验模型试验模型的膨胀率对比直方图；
图5-1为第二组实验模型在模拟围岩不同刚度下的冻胀力-时间曲线；
图5-2为第二组实验模型试验模型的膨胀率对比直方图；
图6-1为第三组实验模型在不同水质条件下的冻胀力-时间曲线；
图6-2为第三组实验模型试验模型的膨胀率对比直方图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提供的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置的结构和工作原理作进一步的详细说明。
参见图1，为本发明所提供的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置的结构示意图。构成该实验装置的结构包括整体位于框架1内的模拟衬砌2和模拟围岩3，模拟衬砌2内具有容纳积水的槽体21，模拟围岩3将槽体21封闭，模拟围岩3与模拟衬砌2之间设置间距测量器，用于反映槽体21内积水冻胀的膨胀量；槽体21底部设置压力传感器，用于反馈槽体21内积水冻胀的膨胀力；间距测量器和压力传感器均与数据采集设备电气连接。
其工作原理为：该装置的模拟衬砌2的槽体21内注满实验积水，其上用模拟围岩3封闭，将二者整体置于框架1内，在框架1内模拟围岩3与模拟衬砌2处于相对自由状态，当模拟衬砌2内的水体冻结后，向上顶起模拟围岩3，使之与模拟衬砌2的间距发生改变，间距测量器将上述数据实时发送给数据采集设备；同时，由于模拟衬砌2的槽体21内部设置的压力传感器，水体冻结过程中，压力传感器将冻胀力数据实时发送给数据采集设备。
在构成上述实验装置的结构中，
——为了准确的反应冻胀过程中积水的膨胀量，上述间距测量器为高度测量仪4，其由设置在模拟衬砌2外部的参照部41和设置在模拟围岩3外部的活动部42构成，模拟围岩3受到积水冻结后的顶靠，向上运动形成模拟围岩3和模拟衬砌2的间距变化，采用高度测量仪4检测变化状态后相对高度的改变量，该改变量可以推断积水冻结后的膨胀率；
——优选地，上述压力传感器包括通过导线50连接的电阻应变片51和电阻应变仪52，为提高实验精度，电阻应变片51最好选择使用超薄型，用耐低温的环氧树脂粘合剂将超薄电阻应变片51粘贴在模拟衬砌2中心槽体21的底部，电阻应变仪52最好选择使用动静态电阻应变仪，将电阻应变片51置于槽体21内部且其上覆盖密封隔板，防止积水渗透浸渍，损坏电子器件，电阻应变仪52置于模拟衬砌2外部且与数据采集设备连接，模拟衬砌2具有供导线50贯穿的通孔53，积水冻结后下压电阻应变片51，冻胀力通过电阻应变仪52转化为电子数据发送给数据采集设备；
——上述框架1包括由型钢构成的上框体11和下框体12，上框体11和下框体12的四角处具有设置紧固螺栓13的延长端，在具体实验中，根据模拟衬砌2内实验积水的注入体积可以推导出冻结后的理论膨胀量，此时将上框体11通过紧固螺栓13定位在该理论膨胀量之上，从而满足模拟围岩3的相对自由运动，即积水结冰膨胀不收模拟围岩3的约束，此种框架1用于模拟围岩3不对冻胀产生压迫作用的情况；
——进一步的，上述紧固螺栓13的螺母14下部具有套装在紧固螺栓13上的预紧弹簧15，预紧弹簧15的压缩量不小于模拟衬砌2内积水冻胀后的膨胀量，添加了预紧弹簧15的框架1将模拟围岩3和模拟衬砌2整体处于弹性压紧状态，积水冻结后向上膨胀受到模拟围岩3的压迫，更加贴近隧道内衬砌背部空洞积水冻胀力的实际分布情况，提高了该实验装置的适用范围和数据多样性；
——优选地，上述数据采集设备为PLC控制器或PC机6，PLC控制器或PC机6内具有对采集数据进行计算分析的处理模块（包括分析软件），可以对收集的冻胀力和膨胀量数据进行深度加工，比如高度测量仪4检测的相对高度差转化为积水冻结后膨胀率、绘制输出冻胀力/膨胀率的时间变化曲线，使实验数据可视化、多样化，便于指导施工；
——该实验装置用于模拟寒区隧道的情况时，隧道可以近似为一个周围约束、顶面自由、底面刚性的柱形容器，限制局部空洞积水结冰后的体积沿法线方向自由膨胀，因此上述模拟衬砌2整体呈圆柱状，槽体21位于上表面中心，模拟围岩3为正面钢板31及底面橡胶板32复合而成的圆片或圆盘且其与模拟衬砌2上表面大小一致；
——优选地，为了提高模拟围岩3的结构强度，上述模拟围岩3的正面钢板31、模拟衬砌2均由Q235钢制成，在低温冻结后，发生变形量小，相对于积水冻胀变化，其形变量可以忽略不计，覆盖电阻应变片51的密封隔板包括与槽体21内径大小一致的钢垫板22，钢垫板22的周围设置密封圈23，确保了电阻应变仪52受力均衡，冻胀力检测更加精准。
利用上述实验装置进行模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验，本专利具体实施例中共涉及到17个模拟隧道局部空洞积水结冰工况，分成3组试验，具体方案如图3所示：
组I包括3组平行试验，每组平行试验中包括三种模拟空洞深度不同的试验模型，试验过程中每组平行试验模拟围岩3刚度相同，但所处温度不同；
组II中试验模型的物理尺寸一致、水位高度一致、试验温度环境一致，模拟围岩3刚度不同；
组III中模拟围岩3刚度相同，试验模型物理尺寸相同，试验温度一致，注入模拟空洞内水的硬度不同。
具体实验过程如下：
用耐低温的环氧树脂粘合剂将电阻应变片51粘贴在模拟衬砌2槽体21的底部，其上用5mm厚的钢垫板22覆盖，钢垫板22边缘设置密封圈，用于隔绝水体；
按实验方案向各模拟衬砌2的槽体21内注入相应高度的水，用模拟围岩3将槽体21封闭，将二者置于框架1内，框架1的上框体按照槽体21内水体冻结后的理论膨胀量设定模拟围岩3与模拟衬砌2的间距（相对高度）并用紧固螺栓13锁死，或者紧固螺栓13上设置预紧弹簧15将模拟围岩3弹性压紧在模拟衬砌2上，两种结构均能实现实验积水冻结膨胀，前者不受模拟围岩3的约束，或者受到模拟围岩3的约束，测量初始状态下模拟围岩3与模拟衬砌2相对高度h1，并置于实验方案中设计温度的制冷箱（低温环境箱）中冷冻5小时，确保试验模型内的水全部结冰；
测量实验积水结冰后模拟围岩3与模拟衬砌2相对高度h2，由于试验模型受冷的膨胀体积可忽略不计，故水结冰前后的模拟围岩3与模拟衬砌2相对高度差即膨胀量，计算出各试验模型中实验积水结冰的体积膨胀率为（h2-h1）/槽体深度，其中，槽体深度即实验积水的初始深度，当高度测量仪4的参照部41设置在与模拟衬砌2槽体21底部处于同一水平位置、高度测量仪4的活动部42设置在与模拟围岩3下沿处于同一水平位置时，各试验模型中实验积水结冰的体积膨胀率为（h2-h1）/h1，h1即实验积水的初始深度；
电阻应变仪52和高度测量仪4向数据采集设备发送试验模型所受的冻胀应力和膨胀量数据，由数据采集设备储存或向外输出；
由于试验过程中温度变化幅度比较大，因此本专利实施例中选择自动补偿温度型电阻应变片51监测模拟隧道试验模型内壁所受的冻胀力，利用动静态电阻应变仪52测量出各应变片处的应变值，数据采集设备以设定的采样频率采集应变值并上传至处理模块，比如PC计算机6或PLC控制器，经计算出其所受冻胀力、膨胀率并后绘制出应变—时间曲线；
试验结果及分析
1、实验积水冻结温度不同
为了探讨温度对寒区隧道衬砌背后积水产生的冻胀力与膨胀率的影响。本专利实施例中进行三组平行冻胀试验，每组平行试验中均包括模拟衬砌2槽体21深度（模拟空洞深度）为10mm、20mm、30mm的试验模型各一个。各试验模型中，模拟围岩3采用8mm厚橡胶板+12mm厚钢板，模拟衬砌2采用Q235钢板，超薄电阻应变片51安装在5mm厚钢垫板22底部用于测量冻胀力，根据模拟衬砌2空洞的深度依次向试验模型中注满水，然后将每组试验模型分别放入温度为-10℃、-15℃、-20℃的低温环境箱中五个小时，设定固定的应变值的采样频率，试验结束后绘制出不同温度下的冻胀力-时间曲线如图4-1所示，试验模型的膨胀率对比直方图如图4-2所示。
由图4-1、图4-2分析可知，各试验模型的冻胀力-时间曲线的走势大致相同，均可分为三个阶段：无冻胀力阶段、冻胀力急剧上升阶段、冻胀力趋于稳定阶段。横向对比三组平行试验内三个模拟空洞深度相同的试验模型可知：物理尺寸相同的试验模型冻胀力受温度影响较大，所处温度越低、冻结速率越快，最终所受冻胀力越大，膨胀率越小。
以模拟空洞深度为30mm的试验模型为例，在-10℃环境下，试验模型I-3无冻胀力阶段保持时间约为1小时，冻胀力急剧上升阶段时间约为1.5小时，最终其冻胀力稳定在0.24MPa；在-15℃环境下，试验模型I-6无冻胀力阶段保持时间约为45分钟小时，冻胀力急剧上升阶段时间约为1小时15分钟，水完全结冰后其冻胀力在0.43MPa附近上下浮动；而在-20℃环境下，试验模型I-9无冻胀力阶段保持时间约为20分钟，冻胀力急剧上升阶段时间约为1小时，最终其所受冻胀力约为0.48MPa。在其它条件一致的情况下，冻胀力和冻结速率随温度的降低而增加，膨胀率随温度的降低而变小。
同时，纵向对比每组平行试验中三个模拟空洞深度不同的试验模型可知：同一温度条件下，积水量越少其冻结速度越快，试验模型内水全部冻结成冰后，产生的冻胀力随积水量的增多而变大，而体积膨胀率趋于稳定不变。以温度为-10℃为例加以说明，模拟空洞深度为10mm、20mm、30mm的试验模型最终所受冻胀力大小分别为0.06MPa、0.12MPa、0.24MPa，而三者膨胀率均约为10.7%，因此，同一温度条件下，膨胀率基本保持不变，但冻胀力随积水的增多而变大。
2、模拟围岩级别不同
本专利实施例中采用四种不同刚度的模拟围岩3来探究围岩级别不同对寒区隧道衬砌背后积水产生冻胀力以及膨胀率的影响。本组试验选用的四个试验模型其模拟围岩3分别为5mm厚橡胶板+35mm厚钢板、4mm厚橡胶板+36mm厚钢板、2mm厚橡胶板+38mm厚钢板和1mm厚橡胶板+39mm厚钢板，依次对应的压缩弹性模量为200MPa 、400MPa、800MPa、1600MPa，模拟空洞深度均为30mm，模拟衬砌2采用Q235钢板，超薄电阻应变片51安装在5mm厚钢垫板22底部用于测量冻胀力，依次向试验模型中注满水，然后将各试验模型分别放入温度为-20℃的低温环境箱中五个小时，设定固定的应变值的采样频率，试验结束后绘制出模拟围岩3不同刚度下的冻胀力-时间曲线如图5-1所示，试验模型的膨胀率对比直方图如图5-2所示。
由图5-1、图5-2分析可知，试验模型
-1、
-2、
-3、
-4最终所受冻胀力依次在
4.11MPa 、8.80MPa 、13.62MPa和24.45MPa上下浮动；体积膨胀率依次为：8.34%、6.62%、
3.32%和1.72%。由上述数据可得，模拟隧道试验模型所受冻胀力随模拟围岩3刚度的增加而
增加，且明显高于同等水柱高度无压状态下的冻胀力大小；水结冰的体积膨胀率随模拟围
岩3刚度的增加而降低，且明显低于同等水柱高度无压状态下体积膨胀率。
试验结果表明：围岩级别对积水产生的冻胀力和膨胀率的影响显著，在其它条件一致的前提下，围岩刚度越大，寒区隧道衬砌所受冻胀力越大，水结冰产生的膨胀率越小。
3、水的硬度不同
不同地质中所含矿物质种类与含量不同，因此，不同地质条件下积水内所含矿物质种类与含量也不尽相同，水中矿物质的含量直接影响水的硬度，工程项目中，测量积水冻胀力难度较大且耗时较长，而检测水的硬度难度较小，因此，弄清水的硬度对寒区隧道衬砌背后积水的冻胀力和膨胀率的影响极为重要。
为了探索水的硬度对寒区隧道同一位置处冻胀力以及膨胀率的变化规律，本专利实施例选取了四个模拟空洞深度为30mm的试验模型，模拟围岩3采用1mm厚橡胶板+39mm厚钢板，模拟衬砌2采用Q235钢板，超薄电阻应变片51安装在5mm厚钢垫板22底部用于测量冻胀力，分别用蒸馏水、碳酸钙含量分别为0.5mg/L、1.5mg/L、3.5mg/L的水注满试验模型III-1、III-2、III-3、III-4，最后放入温度为-20℃的低温环境箱中冷冻五小时，设定固定的应变值采样频率，试验结束后绘制出不同水质条件下的冻胀力-时间曲线如图6-1所示，试验模型的膨胀率对比直方图如图6-2所示。
由图6-1分析可得，试验模型III-1、III-2、III-3、III-4最终所受冻胀力大小依次约为：24.46MPa、23.82MPa、23.40MPa和23.08Mpa，由图6-2可得，以上四个试验模型最终体积膨胀率依次为：1.71%、1.73%、1.76%和1.78%。最终分析可知，积水的硬度对寒区隧道衬砌所受冻胀力和积水体积膨胀率有一定的影响，由于水中的矿物质在低温环境下体积膨胀可忽略不计，水在膨胀的过程中膨胀变形被大部吸收，故减弱了积水结冰产生的冻胀力，因此，其它条件一致的情况下，水的硬度越大膨胀率越大、冻胀力越小。
Claims (12)
1.一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置，其特征在于：包括整体位于框架内的模拟衬砌和模拟围岩，所述模拟衬砌内具有容纳积水的槽体，所述模拟围岩将所述槽体封闭，所述模拟围岩与模拟衬砌之间设置间距测量器，用于反映所述槽体内积水冻胀的膨胀量；所述槽体底部设置压力传感器，用于反馈所述槽体内积水冻胀的膨胀力；所述间距测量器和压力传感器均与数据采集设备电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置，其特征在于：所述间距测量器为高度测量仪，其由设置在所述模拟衬砌外部的参照部和设置在所述模拟围岩外部的活动部构成。
3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置，其特征在于：所述压力传感器包括通过导线连接的电阻应变片和电阻应变仪，所述电阻应变片置于所述槽体内部且其上覆盖密封隔板，所述电阻应变仪置于所述模拟衬砌外部且与所述数据采集设备连接，所述模拟衬砌具有供所述导线贯穿的通孔。
4.根据权利要求1所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置，其特征在于：所述框架包括由型钢构成的上框体和下框体，所述上框体和下框体的四角处具有设置紧固螺栓的延长端。
5.根据权利要求4所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置，其特征在于：所述紧固螺栓的螺母下部具有套装在所述紧固螺栓上的预紧弹簧，所述预紧弹簧的压缩量不小于所述模拟衬砌内积水冻胀后的膨胀量。
6.根据权利要求1所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置，其特征在于：所述数据采集设备为PC机或PLC控制器，所述PC机或PLC控制器内具有对采集数据进行计算分析的处理模块。
7.根据权利要求1或3所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置，其特征在于：所述模拟衬砌整体呈圆柱状，所述槽体位于上表面中心，所述模拟围岩为正面钢板及底面橡胶板复合而成的圆片或圆盘且其与所述模拟衬砌上表面大小一致。
8.根据权利要求7所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验装置，其特征在于：所述模拟围岩的正面钢板、所述模拟衬砌均由Q235钢制成，覆盖所述电阻应变片的密封隔板包括与所述槽体内径大小一致的钢垫板，所述钢垫板的周围设置密封圈。
9.一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验方法，其特征在于：利用权利要求1至8所述的实验装置，包括以下步骤：
步骤一，组装实验装置
在所述模拟衬砌的槽体底部设置压力传感器，将设定规格的水体注入到槽体内，用所述模拟围岩进行封闭，所述框架使所述模拟围岩与模拟衬砌呈相对自由状态或者所述框架的预紧弹簧使所述模拟衬砌与模拟围岩整体处于弹性压紧状态，在所述模拟衬砌和模拟围岩之间安装间距测量器，所述压力传感器和间距测量器均与数据采集设备电气连接；
步骤二，模拟冻胀过程
将步骤一种装配好的实验装置置于制冷箱中，在预定时间内确保实验装置内的积水完全冻结；
步骤三，实验数据采集
在步骤二的预定时间内，所述压力传感器和间距测量器向所述数据采集设备实时反馈冻胀力和膨胀量的数据，所述数据采集设备存储或输出实验结果。
10.根据权利要求9所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实验方法，其特征在于：在所述步骤一中增加实验参数的调节步骤，
其包括对构成所述模拟围岩的Q235钢板和橡胶板的厚度进行调节，以获得不同的压缩弹性模量；
或者对所述模拟衬砌内槽体深度的调节，以获得不同大小的模拟隧道内部积水空洞；
或者对所述槽体内注入水质的调节，以获得不同硬度的模拟空洞积水。
11.根据权利要求9所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实
验方法，其特征在于：在所述步骤二中增加实验参数的调节步骤，其包括对所述制冷箱中保持温度的调节，以获得模拟隧道内部积水的不同冻胀环境。
12.根据权利要求9所述的一种模拟隧道衬砌内部积水冻胀的实
验方法，其特征在于：在所述步骤三中增加对采集数据的分析步骤，其包括所述数据采集设备的处理模块对采集的冻胀力和膨胀量数据进行计算，形成随时间变化的实验结果或者其他加工数据。
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|---|---|---|---|---|
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2020
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| CN113139224B (zh) * | 2021-04-20 | 2021-11-02 | 河北交通职业技术学院 | 一种寒区隧道安全运行监测系统 |
| CN114485516A (zh) * | 2022-01-26 | 2022-05-13 | 重庆交通大学 | 计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统 |
| CN114485516B (zh) * | 2022-01-26 | 2023-07-14 | 重庆交通大学 | 计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统 |
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