CN114152515A - 一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置及工作方法，包括矩形的试验结构架，试验结构架左右两侧分别设有蓄水池和横向加载板，试验结构架前后两侧设有透明面板，试验结构架顶部设有竖向加载板；蓄水池两侧分别设有注水孔和挡水板，注水孔位于试验结构架靠近蓄水池一侧的侧壁上；挡水板与横向加载板相对设置。利用试验结构架内部形成的封闭空间容纳试验体，通过封闭空间内的蓄水池模拟模拟隧道围岩开挖处的水压环境，通过预先在试验体上加载稳定载荷模拟隧道地应力环境，在连通蓄水池和试验体后模拟水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害，并通过试验结构架前后侧的透明面板实时观察试验过程。

Description

一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置及工作方法

技术领域

本发明涉及隧道灾害模拟试验领域，具体为一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

隧道施工过程中经常遭遇断层、节理等非连续地质体，极易诱发隧道围岩垮塌灾害。特别是在地下水作用下，岩体结构面强度弱化，进一步加剧了隧道围岩垮塌灾害。隧道围岩垮塌灾害具有高突发性、强致灾性，轻则造成设备砸毁，造成经济损失，重则造成施工人员伤亡，因此需要研究水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害演化机理，为灾害防控提供理论依据。

目前，此类地质试验多采用数值模拟，现有的试验装置难以实现水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害全过程模拟以及试验现象的可视化，难以有效揭示水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾变机理。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置及工作方法，利用试验结构架内部形成的封闭空间容纳试验体，通过封闭空间内的蓄水池模拟模拟隧道围岩开挖处的水压环境，通过预先在试验体上加载稳定载荷模拟隧道地应力环境，在连通蓄水池和试验体后模拟水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害，并通过试验结构架前后侧的透明面板实时观察试验过程。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，包括矩形的试验结构架，试验结构架左右两侧分别设有蓄水池和横向加载板，试验结构架前后两侧设有透明面板，试验结构架顶部设有竖向加载板，试验结构架内部空间容纳试验体；蓄水池两侧分别设有注水孔和挡水板，注水孔位于试验结构架靠近蓄水池一侧的侧壁上；挡水板与横向加载板相对设置。

横向加载板和竖向加载板分别连接加载单元，加载单元与加载控制系统连接。

还具有水箱，水箱通过注水管与注水孔连接，注水管上设有稳压器和水压加载泵，水箱内的水经水压加载泵加压，经稳压器稳定压力后经注水孔送入蓄水池内。

竖向加载板与加载单元连接，在加载单元的带动下沿垂直方向运动，提供竖直方向的载荷，竖向加载板远离蓄水池的一端设有固定板。

横向加载板与加载单元连接，在加载单元的带动下沿水平方向运动，提供水平方向的载荷，横向加载板靠近试验结构架底部的一端设有滑轮。

试验结构架左右两侧的蓄水池和横向加载板，顶部的竖向加载板，底部的底座以及前后两侧的透明面板，使试验结构架内部形成容纳试验体的密封空间。

试验体内部设有渗流通道，且预埋位移变形传感器、渗压传感器和压力传感器。

位移变形传感器、渗压传感器和压力传感器均连接显示装置，获取监测到的信号显示试验过程。

本发明的第二个方面提供上述试验装置的工作方法，包括以下步骤：

A.预制围岩块体形成试验体。根据试验需求预制隧道围岩块体，配合加载板及固定板对预制块体进行拼装，固定在试验结构架上面，同时埋设位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器。

B.注入稳定水压。关闭挡水板上的出水孔，通过水压加载泵将水箱中的水体注入蓄水池中，并通过稳压器控制水压保持在试验要求的设定值，并通过压力传感器实时监测水箱中的压力值。

C.施加荷载应力。根据试验需求，通过加载控制系统控制加载单元，在试验体上施加稳定的竖向和水平荷载，实现隧道地应力环境的模拟。

D.模拟水岩耦合下的围岩垮塌灾害。打开挡水板上的出水孔，并通过加载控制系统控制横向加载板移动，模拟隧道开挖引起的应力释放现象，实现水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害的模拟。

E.围岩垮塌灾害可视化。通过透明有机玻璃面板，观察并记录出水孔水体在隧道围岩块体中的的渗流路径，进一步实现水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害演化过程的可视化。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、试验装置实现了水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害模拟及现象可视化，为相关理论研究提供了硬件基础。

2、试验装置综合考虑水体对隧道围岩块体的作用力以及对岩体结构面力学性能的弱化作用，试验结果更加准确可靠。

3、通过透明面板，可以清晰地观察到水体的渗流路径以及隧道围岩垮塌灾害的演化过程。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的侧视视角下的结构示意图；

图中：1.水箱；2.稳压器；3.水压加载泵；4.注水管；5.试验结构架；6.注水孔；7.挡水板；8.出水孔；9.竖向加载板；10.预制块体；11.固定板；12.滑轮；13.横向加载板；14.加载单元；15.加载控制系统；16.透明有机玻璃面板；17.渗流通道；18.密封空间；19.蓄水池。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

如图1-2所示，一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，包括矩形的试验结构架5，试验结构架5左右两侧分别设有蓄水池19和横向加载板13，试验结构架5前后两侧设有透明面板，试验结构架5顶部设有竖向加载板9，蓄水池19两侧分别设有注水孔6和挡水板7，注水孔6位于试验结构架5的侧壁上；挡水板7与横向加载板13相对设置的空间内容纳试验体，试验体内设有渗流通道17，横向加载板13和竖向加载板9分别连接加载单元14，加载单元14与加载控制系统15连接。

还具有水箱1，水箱1通过注水管4与注水孔6连接。注水管4上设有并列布置的稳压器2和水压加载泵3，水箱1内的水经水压加载泵3加压，同时经稳压器2稳定压力后经注水孔6送入蓄水池19内。

本实施例中，试验体为内部设有渗流通道17，且预埋了位移变形传感器、渗压传感器和压力传感器的预制块体10。预制块体10与蓄水池19被挡水板7分隔，蓄水池19内的水经加压后通过挡水板7上设置的出水孔8流入预制块体10的内部，位移变形传感器、渗压传感器和压力传感器均连接显示装置，获取监测到的信号从而模拟水岩耦合作用。

竖向加载板9与加载单元14连接，在加载单元14的带动下沿垂直方向运动，提供竖直方向的载荷，竖向加载板9远离蓄水池19的一端设有固定板11，固定板11与横向加载板13配合完全覆盖预制块体10侧部的空间，有利于预制块体10侧部方向的受力。

横向加载板13与加载单元14连接，在加载单元14的带动下沿水平方向运动，提供水平方向的载荷，横向加载板13靠近试验结构架5底部的一端设有滑轮12，引导横向加载板13沿水平方向运动。

整个试验结构架5呈矩形，左右两侧的蓄水池19和横向加载板13，顶部的竖向加载板9，底部的底座，以及前后两侧的透明面板(本实施例中为透明有机玻璃面板16)，使试验结构架5内部形成密封空间18，用于容纳试验体(预制块体10)，同时确保在模拟的水岩耦合作用下预制块体10内的水不会流失。

试验体(预制块体10)内部的渗流通道17可以依据试验需求预先制作，例如可以采用3D打印预制，通过吊装配合加载板及固定板对预制块体进行拼装、固定，并依据试验需求，在设定的位置埋设位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器。

试验时，关闭出水孔，将水箱中的水体注入蓄水池中，并通过稳压器控制水压保持在固定值，并通过压力传感器实时监测水箱中的压力值。

试验时，通过加载控制系统控制加载单元，在预制块体上施加设定载荷的竖向、水平荷载。

以图1所示的方向为例，打开出水孔并控制横向加载板右移，模拟隧道开挖引起的应力释放现象。

试验时，通过透明有机玻璃面板观察水体的渗流路径以及隧道围岩垮塌灾害。

上述结构的试验装置实现了水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害模拟及现象可视化，为相关理论研究提供了硬件基础。

试验装置综合考虑水体对隧道围岩块体的作用力以及对岩体结构面力学性能的弱化作用，试验结果更加准确可靠。

通过透明面板，可以清晰地观察到水体的渗流路径以及隧道围岩垮塌灾害的演化过程。

实施例二：

上述实施例中试验装置的工作方法，包括以下步骤：

A.预制围岩块体。本实施例中，采用3D打印根据试验需求预制隧道围岩块体，通过吊装配合加载板及固定板对预制块体进行拼装，并固定在试验结构架上面，同时埋设位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器。

B.注入稳定水压。关闭挡水板上的出水孔，通过水压加载泵将水箱中的水体注入蓄水池中，并通过稳压器控制水压保持在试验要求的固定值，并通过压力传感器实时监测水箱中的压力值。

C.施加荷载应力。根据试验需求，通过加载控制系统控制加载单元，在预制块体上施加稳定的竖向、水平荷载，实现隧道地应力环境的模拟。

D.模拟水岩耦合下的围岩垮塌灾害。打开挡水板上的出水孔，并通过加载控制系统将横向加载板右移，模拟隧道开挖引起的应力释放现象，实现水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害的模拟。

E.围岩垮塌灾害可视化。通过透明有机玻璃面板，观察并记录出水孔水体在隧道围岩块体中的的渗流路径，进一步实现水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害演化过程的可视化。

本实施例中的水压加载泵、稳压器等设备/仪器均为现有技术，在此不再赘述。

获取预制围岩块体，例如可以采用3D打印技术预制不同形状、大小的隧道围岩块体，以此构建隧道围岩垮塌灾害岩体环境。

通过水压加载泵将水箱中的水体注入蓄水池中，并通过稳压器控制水压保持在试验要求的固定值，以此模拟隧道围岩开挖所处的水压环境。

通过加载控制系统控制加载单元，在预制块体上施加稳定的竖向、水平荷载，以此模拟隧道地应力环境。

打开挡水板上的出水孔，并通过加载控制系统将横向加载板右移，模拟隧道开挖引起的应力释放现象，以此模拟隧道开挖，水体在水压作用下沿隧道围岩块体的结构面渗流；渗流会弱化岩体结构面的力学性能，并与隧道围岩块体相互作用，而在岩体结构面上施加一定的水压力，能够促进隧道围岩垮塌灾害的发生。

通过透明有机玻璃面板，试验人员可以清晰地观察到水体的渗流路径以及隧道围岩垮塌灾害的发生过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，其特征在于：包括矩形的试验结构架，试验结构架左右两侧分别设有蓄水池和横向加载板，试验结构架前后两侧设有透明面板，试验结构架顶部设有竖向加载板，试验结构架内部空间容纳试验体；蓄水池两侧分别设有注水孔和挡水板，注水孔位于试验结构架靠近蓄水池一侧的侧壁上；挡水板与横向加载板相对设置。

2.如权利要求1所述的一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，其特征在于：所述横向加载板和竖向加载板分别连接加载单元，加载单元与加载控制系统连接。

3.如权利要求2所述的一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，其特征在于：所述竖向加载板与加载单元连接，在加载单元的带动下沿垂直方向运动，提供竖直方向的载荷，竖向加载板远离蓄水池的一端设有固定板。

4.如权利要求2所述的一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，其特征在于：所述横向加载板与加载单元连接，在加载单元的带动下沿水平方向运动，提供水平方向的载荷，横向加载板靠近试验结构架底部的一端设有滑轮。

5.如权利要求1所述的一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，其特征在于：所述试验结构架左右两侧的蓄水池和横向加载板，顶部的竖向加载板，底部的底座以及前后两侧的透明面板，使试验结构架内部形成容纳试验体的密封空间。

6.如权利要求5所述的一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，其特征在于：所述试验体内部设有渗流通道，且预埋位移变形传感器、渗压传感器和压力传感器。

7.如权利要求6所述的一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，其特征在于：所述位移变形传感器、渗压传感器和压力传感器均连接显示装置，获取监测到的信号显示试验过程。

8.如权利要求1所述的一种水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌试验装置，其特征在于：还具有水箱，水箱通过注水管与注水孔连接，注水管上设有稳压器和水压加载泵，水箱内的水经水压加载泵加压，经稳压器稳定压力后经注水孔送入蓄水池内。

9.基于权利要求1所述试验装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

预制围岩块体形成试验体；

注入稳定水压；

施加荷载应力；

模拟水岩耦合下的围岩垮塌灾害；

围岩垮塌灾害可视化。

10.如权利要求9所述的工作方法，其特征在于：

所述注入稳定水压的过程具体为：关闭出水孔，通过水压加载泵将水箱中的水注入蓄水池中，通过稳压器控制水压保持在试验要求的设定值；

所述施加荷载应力的过程具体为：通过加载控制系统控制加载单元，在试验体上施加竖向荷载和水平荷载，实现隧道地应力环境的模拟；

所述模拟水岩耦合下的围岩垮塌灾害的过程具体为：打开出水孔，通过加载控制系统控制横向加载板移动，模拟隧道开挖引起的应力释放现象，实现水岩耦合作用下的隧道围岩垮塌灾害的模拟。

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