CN114441332B - 一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置及试验方法，属于隧道模型试验技术领域，目的在于实现试验中水、土压力分别独立控制。它包括岩土三轴试验系统和隧道模型试验箱，前者包括加载框架、注水泵、压力体积控制器和总控计算机，后者包括密封连接的箱盖和箱体，箱体上层包括活塞组件，下层包括模拟地层，模拟地层中设隧道模型；模拟地层上铺设孔隙加载板；活塞组件包括配合设置的上段加载活塞、下段加载活塞，以及平衡缸，上段加载活塞穿过箱盖的贯穿孔与荷重传感器连接，下段加载活塞的下端与孔隙加载板连接；注水泵和压力体积控制器通过液压管路与箱体底部的水压加载孔连接；总控计算机与压力体积控制器、加载框架电连接。

Description

一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及隧道模型试验技术领域，具体涉及一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置及试验方法。

背景技术

为加速建设地下交通体系，我国隧道数量呈井喷式发展，运营里程已超过2万公里。隧道工程的主要任务之一是保证所修建的隧道结构安全稳定，即隧道结构在允许的变形范围内抵抗住周围水、土压力，这就需要研究隧道在水、土压力组合作用下的力学响应。隧道在运营寿命内所受的水、土压力往往是变化的，以城市地下交通隧道为例，其所受水压和土压主要由地下水位和上覆土重决定，而地下水位随降雨、地下水抽排等因素而变化，上覆土重也受地面加载(如堆载)、卸载(如开挖)等影响。因此，在隧道力学响应研究中，所施加的水、土压力应是可变的。

模型试验又称相似试验，是利用相似理论将实际工况(隧道结构、地层、载荷等)按比例缩小至合适的尺度再开展试验，因其可信度和经济性俱佳，已成为工程研究的主要手段。随着试验装备技术的发展，当前隧道模型试验装置已能够实现土压力的单独控制，部分装置可实现水、土压力联合控制(同步控制)。但对于加载条件更为复杂的水、土压力分别独立控制，目前尚未有成熟的模型试验装置。

因此，亟需提供一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置和试验方法，以避水压力和土压力的相互影响。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当视为承认或以任何形式暗示该信息为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置和试验方法，利用岩土三轴试验系统作为加载源，模拟地层中孔隙水压由压力体积控制器控制，土压力的施加则采用孔隙加载板配合平衡缸式加载活塞实现，利用上述自平衡加载结构和三轴试验系统的实时联动加载能力，实现水、土压力的加载互不影响。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置，包括：

岩土三轴试验系统，所述岩土三轴试验系统包括加载框架、注水泵、压力体积控制器和总控计算机，所述加载框架包括底部承压台，所述底部承压台上方设有加载推杆，所述底部承压台与两侧承压架相连，所述两侧承压架之间顶部焊接有横梁，所述横梁下端设有荷重传感器；

隧道模型试验箱，所述隧道模型试验箱包括密封连接的箱盖和箱体，所述箱盖中部开设有一贯穿孔；所述箱体分成上下两层空间，上层空间包括活塞组件，下层空间通过设置直接承受加载推杆反力的模拟地层，所述模拟地层中埋设隧道模型，用于模拟既有隧道；所述模拟地层上表面还铺设有孔隙加载板；所述活塞组件包括配合设置的上段加载活塞、下段加载活塞，以及围合于二者之间的平衡缸，所述上段加载活塞穿过所述箱盖的贯穿孔与荷重传感器下表面连接，所述下段加载活塞的下端与所述孔隙加载板的上表面连接；

所述箱体底部设有水压加载孔，所述注水泵和压力体积控制器通过液压管路与所述水压加载孔连接；

所述总控计算机与所述压力体积控制器、加载框架电连接。

与现有技术相比，本发明有益的技术效果在于：

本发明提供的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，包括岩土三轴试验系统和隧道模型试验箱，岩土三轴试验系统包括加载框架、注水泵、压力体积控制器和总控计算机，隧道模型试验箱包括密封连接的箱盖和箱体，箱盖中部开设有一贯穿孔；箱体分成上下两层空间，上层空间包括活塞组件，下层空间通过设置直接承受加载推杆反力的模拟地层，模拟地层中埋设隧道模型，用于模拟既有隧道；模拟地层上表面还铺设有孔隙加载板；活塞组件包括配合设置的上段加载活塞、下段加载活塞，以及围合于二者之间的平衡缸，上段加载活塞穿过箱盖的贯穿孔与荷重传感器下表面连接，下段加载活塞的下端与孔隙加载板的上表面连接；箱体底部设有水压加载孔，注水泵和压力体积控制器通过液压管路与水压加载孔连接；总控计算机与所述压力体积控制器、加载框架电连接。与现有隧道模型试验技术相比，本发明分别使用两套独立的力控设备，分别为压力体积控制器和加载框架，控制模型试验箱内的水压力和土压力，并利用孔隙加载板和平衡缸式加载活塞实现了水压加载的自平衡，避免了水、土压力加载的相互影响，实现了试验中水、土压力分别独立控制，能够实施水压大于土压等极端加载条件。

与现有隧道模型试验加载方式相比，本发明直接利用岩土三轴试验系统作为压力控制设备，借助岩土三轴试验系统的性能优势，进行高精度的水、土压力联动控制，可按照控制需求，根据一种压力的实时状态自动调整另一种压力。

进一步地，所述箱盖上还设有排气孔一。

进一步地，所述上段加载活塞形状为凹阶梯圆台、且设有通气孔，所述下段加载活塞形状为凸阶梯形圆台，所述上、下段加载活塞间的空腔为平衡缸，所述平衡缸分别连接引水孔和排气孔二，所述平衡缸的横截面积等于下段加载活塞底面面积乘以孔隙加载板的孔隙率。从而使得水压在下段加载活塞的上、下端面作用力相等，避免了水压对活塞传力的影响。

进一步地，所述孔隙加载板采用孔隙介质材料加工而成。与致密不透水板材相比，孔隙加载板一方面使得试验箱体内水力路径更加均匀，优化了水压加载效果，另一方面避免了水压对不透水加载板产生附加作用力(水压对不透水加载板上、下端面作用面积不同)，保障了水、土压力分别控制的独立性。

进一步地，为了取材方便，节省成本，所述孔隙加载板可采用透水石加工而成。

进一步地，所述隧道模型和模拟地层的几何和物性参数根据所研究的工程对象和相似理论计算获得。

进一步地，所述隧道模型上设置应变测试装置，所述应变测试装置包括位移计与应变片，位移计、应变片与数据采集仪连接，可以实时监测隧道模型受力后的变形演化情况。

本发明还提供了一种水土压力分别可控的模型隧道试验方法，采用所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，所述试验方法包括如下步骤：

步骤S1、隧道模型与模拟地层填装：

针对所研究的工程对象，制作隧道模型、配置模拟地层；然后将模拟地层逐层铺装在箱体内部，同时将隧道模型埋入模拟地层内部；

步骤S2、隧道模型试验箱组装：

将孔隙加载板、下段加载活塞和上段加载活塞依次装入箱体的中心位置，孔隙加载板底面与模拟地层顶面接触，下段加载活塞的底面插入孔隙加载板顶面中心处的定位槽中、顶面沿轴线自下向上插入上段加载活塞的内凹段；然后将箱盖套在上段加载活塞外侧，并与箱体顶面接触；最后用紧固螺栓连接箱体和箱盖，并将二者接触面密封后完成试验箱组装；

步骤S3、预压加载：

将组装完成的隧道模型试验箱转移至加载框架内部，使加载推杆自下而上插入箱体底面中心的定位槽内，然后利用液压管路将水压加载孔与注水泵、压力体积控制器连接；启动注水泵向隧道模型试验箱内缓慢注水，当排气孔一开始出水后将其密封，随后继续注水，当排气孔二开始出水后关闭注水泵，并密封排气孔二；启动总控计算机，并调整加载框架使上段加载活塞的顶面与荷重传感器的底面刚好接触；最后，根据所研究的工程情况对隧道模型试验箱施加初始水压和土压，使模拟地层开始固结；

步骤S4、试验测试：

待模拟地层固结完成后，根据试验计划，利用总控计算机在试验箱中分阶段调整水压和土压，使隧道模型经受试验设计的所有水、土压力组合情况，并利用隧道模型内安装的应变测试装置记录隧道模型的变形响应；最后，利用总控计算机将水压、土压同步完全卸载，试验结束。

附图说明

图1为本发明一实施例中水土压力分别可控的模型隧道试验装置的结构示意图。

图中：

1-加载框架、2-加载推杆、3-荷重传感器、4-注水泵、5-压力体积控制器、6-总控计算机、7-箱体、8-水压加载孔、9-箱盖、10-排气孔一、11-紧固螺栓、12-上段加载活塞、13-通气孔、14-下段加载活塞、15-平衡缸、16-引水孔、17-排气孔二、18-孔隙加载板、19-隧道模型、20-模拟地层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的水土压力分别可控的模型隧道试验装置及试验方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

发明原理：本发明使用岩土三轴试验系统作为加载源，利用压力体积控制器控制试验中模拟地层的孔隙水压，利用加载框架通过在活塞组件和孔隙加载板施加土压，通过活塞组件内配置平衡缸和使用孔隙材料作为加载板，避免了水、土压力施加的相互影响，能够实现水压大于土压等极端加载条件。

实施例一

下面结合图1，详细说明本发明的水土压力分别可控的模型隧道试验装置的结构组成。

请参考图1，一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置，包括岩土三轴试验系统和隧道模型试验箱，岩土三轴试验系统包括加载框架1、注水泵4、压力体积控制器5和总控计算机6，加载框架1包括底部承压台，底部承压台上方设有加载推杆2，底部承压台与两侧承压架相连，两侧承压架之间顶部焊接有横梁，横梁下端设有荷重传感器3。隧道模型试验箱包括密封连接的箱盖9和箱体7，箱盖9中部开设有一贯穿孔；箱体7分成上下两层空间，上层空间包括活塞组件，下层空间通过设置直接承受加载推杆2反力的模拟地层20，模拟地层20中埋设隧道模型19，用于模拟既有隧道；模拟地层20上表面还铺设有孔隙加载板18；活塞组件包括配合设置的上段加载活塞12、下段加载活塞14，以及围合于二者之间的平衡缸15，上段加载活塞12穿过箱盖9的贯穿孔与荷重传感器3下表面连接，下段加载活塞14的下端与孔隙加载板18的上表面连接；箱体7底部设有水压加载孔8，注水泵4和压力体积控制器5通过液压管路与水压加载孔8连接；总控计算机6与压力体积控制器5、加载框架1电连接。

具体来说，本发明提供的水土压力分别可控的模型隧道试验装置包括岩土三轴试验系统和隧道模型试验箱。岩土三轴试验系统由注水泵4、压力体积控制器5、加载框架1和总控计算机6构成。注水泵4和压力体积控制器5通过液压管路与隧道模型试验箱的水压加载孔8连接，能够实时控制箱体7内水的压力和体积；加载框架1为反力架结构，并配置有加载推杆2和荷重传感器3，加载推杆2顶面与箱体7底面的定位槽接触、荷重传感器3底面与箱体7的上段加载活塞12顶面接触；总控计算机6通过数据线与压力体积控制器5、加载框架1连接。

隧道模型试验箱由箱体7、试验箱盖9、上段加载活塞12、下段加载活塞14、孔隙加载板18、隧道模型19和模拟地层20组成。箱体7和箱盖9由紧固螺栓11密封连接，密封面处设置有密封圈，箱体7的底面中心设置有定位槽，该定位槽的平面面积与加载推杆2的顶面面积相等，箱盖9的中心设置有活塞孔，活塞孔内侧面设置有密封圈槽，箱盖9设置有排气孔一10；上段加载活塞12通过活塞孔穿过试验箱盖9，上段加载活塞12形状为内凹双阶梯圆台、并设有通气孔13，下段加载活塞14形状为外凸单阶梯形圆台，上段加载活塞12的中间台阶面面积、内凹平面面积分别与下段加载活塞14台阶面面积、外凸平面(顶面)面积相等，上段加载活塞12的内凹深度大于下段加载活塞14的外凸长度，下段加载活塞14从下方沿轴线向上插入上段加载活塞12，相接触的侧面均设有密封圈，上段加载活塞12和下段加载活塞14间形成的空腔为平衡缸15，平衡缸15对应设置有引水孔16和排气孔二17；孔隙加载板18的顶面中心设置有定位槽，该定位槽的平面面积与下段加载活塞14的底面面积相等，下段加载活塞14插入定位槽中与孔隙加载板18紧密接触；孔隙加载板18底面与模拟地层20顶面紧密接触；

隧道模型19埋设在模拟地层20内部，隧道模型19内表面安装有应变测试装置。应变测试装置包括位移计与应变片，位移计、应变片与数据采集仪连接，可以实时监测隧道模型受力后的变形演化情况。

请继续参考图1，本发明还提供了一种水土压力分别可控的模型隧道试验方法，该试验方法包括如下步骤：

步骤S1、隧道模型19与模拟地层20填装：

针对所研究的工程对象，根据相似理论计算隧道模型19和模拟地层20的几何尺寸和物性参数，按照计算结果制作隧道模型19、配置模拟地层20；然后将模拟地层20逐层铺装在试验箱体7内部，铺装过程中将隧道模型19埋入模拟地层20内部。

步骤S2、隧道模型试验箱组装：

将孔隙加载板18、下段加载活塞14和上段加载活塞12依次装入箱体7的中心位置，孔隙加载板18底面与模拟地层20顶面接触，下段加载活塞14的底面插入孔隙加载板18顶面中心处的定位槽中、顶面沿轴线自下向上插入上段加载活塞12的内凹段；然后将箱盖9套在上段加载活塞12外侧，并与箱体7顶面接触；最后用紧固螺栓11连接箱体7和箱盖9，完成隧道模型试验箱组装。

步骤S3、预压加载：

将组装完成的隧道模型试验箱转移至加载框架1内部，使加载推杆2自下而上插入试验箱体7底面中心的定位槽内，然后利用液压管路将水压加载孔8与注水泵4、压力体积控制器5连接；启动注水泵4向隧道模型试验箱内缓慢注水，当排气孔一10开始出水后将其密封，随后继续注水，当排气孔二17开始出水后关闭注水泵4，并密封排气孔二17；启动总控计算机6，并调整加载框架1使上段加载活塞12的顶面与荷重传感器3的底面刚好接触；最后，根据所研究的工程情况对隧道模型试验箱施加初始水压和土压，使模拟地层20开始固结。

步骤S4、试验测试：

待模拟地层20固结完成后，根据试验计划，利用总控计算机6在试验箱中分阶段调整水压和土压，使隧道模型19经受试验设计的所有水、土压力组合情况，并利用隧道模型19内安装的应变测试装置记录隧道模型19的变形响应；最后，利用总控计算机6将水压、土压同步完全卸载，试验结束。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定。本领域的技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，包括：

岩土三轴试验系统，所述岩土三轴试验系统包括加载框架、注水泵、压力体积控制器和总控计算机，所述加载框架包括底部承压台，所述底部承压台上方设有加载推杆，所述底部承压台与两侧承压架相连，所述两侧承压架之间顶部焊接有横梁，所述横梁下端设有荷重传感器；

隧道模型试验箱，所述隧道模型试验箱包括密封连接的箱盖和箱体，所述箱盖中部开设有一贯穿孔；所述箱体分成上下两层空间，上层空间包括活塞组件，下层空间通过设置直接承受加载推杆反力的模拟地层，所述模拟地层中埋设隧道模型，用于模拟既有隧道；所述模拟地层上表面还铺设有孔隙加载板；所述活塞组件包括配合设置的上段加载活塞、下段加载活塞，以及围合于二者之间的平衡缸，所述上段加载活塞穿过所述箱盖的贯穿孔与荷重传感器下表面连接，所述下段加载活塞的下端与所述孔隙加载板的上表面连接；

所述箱体底部设有水压加载孔，所述注水泵和压力体积控制器通过液压管路与所述水压加载孔连接；

所述总控计算机与所述压力体积控制器、加载框架电连接；

所述箱盖上还设有排气孔一；所述上段加载活塞形状为凹阶梯圆台、且设有通气孔，所述下段加载活塞形状为凸阶梯形圆台，所述上、下段加载活塞间的空腔为平衡缸，所述平衡缸分别连接引水孔和排气孔二，所述平衡缸的横截面积等于下段加载活塞底面面积乘以孔隙加载板的孔隙率。

2.根根据权利要求1所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述孔隙加载板采用孔隙介质材料加工而成。

3.根据权利要求2所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述孔隙加载板采用透水石加工而成。

4.根据权利要求1所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述隧道模型和模拟地层的几何和物性参数根据所研究的工程对象和相似理论计算获得。

5.根据权利要求1所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述隧道模型上设置应变测试装置，所述应变测试装置包括位移计与应变片，位移计、应变片与数据采集仪连接。

6.一种水土压力分别可控的模型隧道试验方法，其特征在于，利用权利要求1至5任一项所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，所述试验方法包括如下步骤：

步骤S1、隧道模型与模拟地层填装：

针对所研究的工程对象，根据相似理论计算隧道模型和模拟地层的几何尺寸和物性参数，按照计算结果制作隧道模型、配置模拟地层；然后将模拟地层逐层铺装在箱体内部，同时将隧道模型埋入模拟地层内部；

步骤S2、隧道模型试验箱组装：

将孔隙加载板、下段加载活塞和上段加载活塞依次装入箱体的中心位置，孔隙加载板底面与模拟地层顶面接触，下段加载活塞的底面插入孔隙加载板顶面中心处的定位槽中、顶面沿轴线自下向上插入上段加载活塞的内凹段；然后将箱盖套在上段加载活塞外侧，并与箱体顶面接触；最后用紧固螺栓连接箱体和箱盖，并将二者接触面密封后完成试验箱组装；

步骤S3、预压加载：

将组装完成的隧道模型试验箱转移至加载框架内部，使加载推杆自下而上插入箱体底面中心的定位槽内，然后利用液压管路将水压加载孔与注水泵、压力体积控制器连接；启动注水泵向隧道模型试验箱内缓慢注水，当排气孔一开始出水后将其密封，随后继续注水，当排气孔二开始出水后关闭注水泵，并密封排气孔二；启动总控计算机，并调整加载框架使上段加载活塞的顶面与荷重传感器的底面刚好接触；最后，根据所研究的工程情况对隧道模型试验箱施加初始水压和土压，使模拟地层开始固结；

步骤S4、试验测试：

待模拟地层固结完成后，根据试验计划，利用总控计算机在试验箱中分阶段调整水压和土压，使隧道模型经受试验设计的所有水、土压力组合情况，并利用隧道模型内安装的应变测试装置记录隧道模型的变形响应；最后，利用总控计算机将水压、土压同步完全卸载，试验结束。