CN114858847B - 模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置及方法，属于岩土工程技术领域。它能适用于寒区隧道衬砌结构裂缝冻胀变形的模拟，可精准测出寒区隧道衬砌结构裂缝的冻胀变形程度。隧道衬砌放置在试样安装测试系统内，固定装置用于密封试样安装测试系统，压力控制系统用于控制试样安装测试系统内的压力，模拟外部压力和孔隙水压，制冷系统用于调控试样安装测试系统内部温度，模拟实际衬砌结构受到的外界温度。本发明通过设置合理的制冷系统，实现隧道衬砌结构在冻融循环下裂缝的冻胀变形程度。通过该装置可以探究衬砌裂缝在不同水热力环境下发展机理，为开发相关冻害治理措施奠定基础。

Description

模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置及方法。

背景技术

近年来，我国寒区隧道建设的规模和数量与日俱增。在寒区修建的很多隧道都不同程度地遭受冻害，威胁隧道的正常运营。如西罗奇2号隧道、白卡山隧道、八苏木隧道、关角隧道等都出现了冻害问题。有学者针对高纬度地区122座隧道进行了统计，其中有冻害的为51座；高海拔地区34座隧道中，有冻害的为15座，可见在寒区隧道中，出现冻害问题十分普遍。而在寒区隧道冻害问题中，衬砌开裂、漏水挂冰的病害较为普遍且危害严重。在寒冷高温差环境中，隧道衬砌背后一定范围内的围岩及土体含水并且结冰发生冻结膨胀，极易产生过大的冻胀压力而使衬砌结构产生裂缝。而裂缝产生之后，衬砌裂缝周围土体内水分乃至地下水流入裂缝，在冬季降温时，衬砌混凝土在压力作用下现有裂缝中水分冻结膨胀，进一步导致裂缝的发展，随着冻融次数的增加，裂缝规模也不断扩大，甚至形成贯通裂缝，造成衬砌漏水挂冰现象产生，严重损害了隧道的安全，甚至导致隧道无法运营。

所以，提供一种能够探究衬砌裂缝在不同水热力环境下发展机理的装置，为开发相关冻害治理措施奠定基础，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

基于以上问题，本发明提供模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置及方法，能适用于寒区隧道衬砌结构裂缝冻胀变形的模拟，可精准测出寒区隧道衬砌结构裂缝的冻胀变形程度。

本发明所采取的技术方案是：

模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置，包括试样安装测试系统以及安装在试样安装测试系统上的固定装置、压力控制系统、数据采集装置和制冷系统；所述隧道衬砌放置在试样安装测试系统内，所述固定装置用于密封试样安装测试系统，所述压力控制系统用于控制试样安装测试系统内的压力，模拟外部压力和孔隙水压，所述制冷系统用于调控试样安装测试系统内部温度，模拟实际衬砌结构受到的外界温度，数据采集装置用于对隧道衬砌的温度和压力的数据进行采集。

模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的方法，包括以下步骤：

S1.制作隧道衬砌并安装；

S2.制备饱和土体；

S3.给刚性保温基座安装刚性保温上盖并注压；

S4.进行试验与数据采集。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明通过设置合理的制冷系统，实现隧道衬砌结构在冻融循环下裂缝的冻胀变形程度。通过该装置可以探究衬砌裂缝在不同水热力环境下发展机理，为开发相关冻害治理措施奠定基础。

本发明的压力控制系统使隧道衬砌内部初始压力可以控制，且能保持压力稳定，能通过向土体内部注水来模拟不同含水率和孔隙水压土体下衬砌裂缝的冻胀情况，空压机则可以控制活塞板上部空间压力。刚性保温上盖和钢壁的内部及底部都填充了保温材料，能使装置不与外界环境发生热交换。采用温度传感器用于测试岩土体测试基体实时温度、压力传感器可以实时反映裂缝所受的冻胀力。使用风冷系统，能快速精确降温到指定温度，并且与实际工程中隧道降温过程相似，能真实有效模拟实际寒区隧道衬砌结构裂缝冻胀变形过程。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1中A-A断面俯视图；

其中：1、固定杆限位螺母；2、补压管；3、压力表；4、空压机；5、体积压力控制器；6、裂缝；7、饱和土体；8、温度传感器；9、固定杆；10、注水管；11、数据采集线；12、隧道衬砌；13、刚性保温上盖；14、排气阀；15、刚性保温基座；16、电脑；17、保温填充材料；18、钢壁；19、进风管；20、压力传感器；21、风冷机；22、钢片；23、数据采集仪；24、滤纸薄膜；25、刚性活塞板；26、出风孔；27、排水阀门；28、液体阀门；29、透水石。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。

参照图1、图2所示，本发明的一种模拟隧道衬砌结构裂缝冻胀变形试验装置，包括试样安装测试系统、固定装置、制冷系统、压力控制系统、数据采集装置；隧道衬砌12放置在试样安装测试系统内，固定装置用于密封试样安装测试系统，压力控制系统用于控制试样安装测试系统内的压力，模拟外部压力和孔隙水压，制冷系统用于调控试样安装测试系统内部温度，模拟实际衬砌结构受到的外界温度，数据采集装置用于对隧道衬砌12的温度和压力的数据进行采集。

其中：试样安装测试系统包括刚性保温基座15、压力传感器20、钢片22及多个温度传感器8；刚性保温基座15为带有敞口的空腔的矩形座体，空腔为矩形腔，刚性保温基座15的侧壁采用带有夹层的钢壁18，所述钢片22上表面为外凸弧形面，钢片22放置在刚性保温基座15内层钢壁凸起处。测试基体为具有裂缝6的隧道衬砌12，隧道衬砌12放置在钢片22上方，且刚性保温基座15的空腔下端设有凸起部，凸起部与钢片22配和，使隧道衬砌12能够固定于刚性保温基座15内层钢壁凸起处，隧道衬砌12的裂缝6处设置压力传感器20，隧道衬砌12的表面设置有温度传感器8、滤纸薄膜24，隧道衬砌12上部覆盖饱和土体7，饱和土体7内部设置温度传感器8，在饱和土体7上安放透水石29，并安装注水管10，随后用刚性活塞板25覆盖饱和土体7及透水石29，固定注水管10。

固定装置包括刚性保温上盖13、固定杆9及固定杆限位螺母1；所述刚性保温基座15的侧壁采用带有夹层的钢壁18，所述多个固定杆9均设置在钢壁18的夹层内，且固定杆9下端均与刚性保温基座15连接，固定杆9上端穿过刚性保温上盖13，每个固定杆9上各设置两个固定杆限位螺母1将刚性保温上盖13夹持固定刚性保温基座15上端。

刚性保温基座15与上端刚性保温上盖13之间通过多个固定杆9连接，能约束整个装置，保证整个结构装置的稳定性，并在每个固定杆9上设置两个固定杆限位螺母1，用固定杆限位螺母1调整和固定刚性保温上盖13位置。

制冷系统包括风冷机21、进风管19、出风孔26，风冷机21设置于试验主体装置外部，进行温度设定，启动后风冷机21通过进风管19向装置内部吹入相应温度的空气，使设备内温度降低，即可在，隧道衬砌12内边界施加不同的温度边界，送入的空气流通之后送出风孔26流出，达到循环，温度持续稳定下降，具备恒温能力，并且可以设定冻胀温度持续时间以及冻融循环次数。

压力控制系统包括补压管2、压力表3、空压机4、体积压力控制器5、注水管10、排水阀门27及液体阀门28；所述空压机4与刚性保温基座15的空腔之间连接有补压管2，补压管2上安装有压力表3，空压机4通过补压管2控制刚性活塞板25上部空间的压力，模拟实际衬砌结构的不同受力状态，所述注水管10下端固定在透水石29内，注水管10上端穿出刚性保温上盖13与体积压力控制器5连接，注水管10上安装有排水阀门27和液体阀门28，通过注排水控制隧道衬砌12的含水率和孔隙压力，注水管10在刚性保温基座15内部的部分为具有弹性的橡胶软管。

压力控制系统通过空压机4、体积压力控制器5进行压力控制；饱和土体7安装好后，空压机4通过补压管2向刚性保温基座15内部加压，通过压力表3实时反映内部压力值，加压时打开排水阀门27，使饱和土体7受到压力压缩后水能排出，注水管10在试验装置内部部分为具有弹性的橡胶软管，土体压缩时可以相应伸长。达到设定压力并固结完成后，关闭排水阀门27，打开液体阀门28，体积压力控制器5通过注水管10向饱和土体7注水，使其达到所需含水率和孔隙压力，与此同时，空压机4同步通过补压管2控制测试装置刚性活塞板25上部空间的压力，空压机4向试验装置内部施加不同水平的气体压力，并通过体积压力控制器5维持内外压力差不变，气压作用于刚性活塞板26进而传递作用于饱和土体7，从而可以实现不同的孔隙水压和外部围压，模拟实际衬砌结构的不同受力状态，满足不同试验条件下的要求，并且在试验过程中具有可以保持装置内压力不变的功能。

数据采集装置包括数据采集仪23、数据采集线11、电脑16；温度传感器8和压力传感器20的数据通过数据采集线11传输到数据采集仪23，数据采集仪23连接电脑16，由电脑16处理数据，空压机4、体积压力控制器5的数据通过数据采集线11连接电脑16。

制冷系统是由风冷机21、进风管19、出风孔26组成。可以快速稳定制冷，自主调节温度，恒温效果好，操作简单方便。刚性保温基座15需设置2个管道孔，2个管道孔分别设置进风管19和出风孔26，进风管19从刚性保温基座15侧面与风冷机21连接，刚性保温上盖13设有一个排气阀14。

刚性保温上盖13完全覆盖住测试装置的顶部，刚性保温上盖13除边缘突出的实心部分外，其余内部空间充填保温填充材料17，钢壁18内部也充填了保温填充材料17，而刚性保温基座15底部的钢片22与刚性保温基座15之间也充填了保温填充材料17以隔绝测试基体与外界环境的热量交换，保证温度稳定均匀。

隧道衬砌12冻胀变形测试主要是通过压力系统以及制冷装置实现的。空压机4、体积压力控制器5与电脑16连接，通过电脑16分析数据。体积压力控制器5向饱和土体7内部注水，空压机4通过补压管2向内部空间注入气体，在实验中通过电脑设定压力值和控制速率，可使饱和土体7内部和刚性活塞板25上部空间压力增长速率相同且差值维持为一恒定值，在达到设定压力后可以维持不变，可以模拟不同应力态，制冷装置工作降温，衬砌结构发生冻胀变形。

模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的方法：

步骤一、制作隧道衬砌12并安装

首先，制作带有裂缝6的模具，根据试验要求准备混凝土浇筑，并在指定高度布置温度传感器8，用于在实验中实时收集隧道衬砌12内部温度，在规定条件下养护隧道衬砌12试件，养护完成后测量裂缝6深度宽度等数据，再将隧道衬砌12安装至试验装置内，固定于刚性保温基座15内层钢壁凸起处，在裂缝6内安装压力传感器20，试验中实时收集隧道衬砌12裂缝6所受冻胀力。随后在隧道衬砌12表面布贴滤纸薄膜24，保证水能自由接触隧道衬砌12并进入裂缝6中，在滤纸薄膜24表面设置温度传感器8，实验中收集隧道衬砌12表面及裂缝6处温度变化情况。

步骤二、制备饱和土体7

采用砂雨法制作饱和土体7，向试验装置内通入适量水，将试验需要的砂土装入砂筒内；然后,将砂土提升至一定的落距；最后，砂土颗粒从按照既定运动轨迹移动的出砂头自由落下，使其在水中降落，在模型箱中形成均匀的饱和砂土层，并且在指定高度布置温度传感器8、用于在试验中收集土体内部各深度温度变化情况，在使用砂雨法制作饱和土体时，要注意水面始终应高于砂土面即完全浸没砂土，直至砂土层达到预定厚度，再抽去多余水，若在制备过程中水无法完全浸没，应停止落砂，加水后再继续落砂。砂雨法制备饱和土体7完成后，在土体上安放透水石29，并安装注水管10，随后用刚性活塞板覆盖饱和土体7及透水石29，固定注水管10。

步骤三、安装上盖并注压

在刚性保温基座15上安装刚性保温上盖13，封闭试验装置顶部，使用固定杆限位螺母1固定上盖，准备开始试验。

首先对土体施加外部压力，打开排水阀门27，关闭液体阀门28，根据试验所需，通过空压机4向试验装置内施加压力，刚性活塞板25受到压力向下移动，将压力传递至饱和土体7，饱和土体7被压缩，土中水流出，通过注水管10、经开启的排水阀门27流出。待空压机达到所需压力，土体固结完成后，关闭排水阀门27，打开液体阀门28，启动体积压力控制器5，根据试验所需孔隙水压，通过液体阀门28和注水管10向饱和土体7内部注水，与此同时设置空压机4同样以相同速度向装置内部增加同等大小的压力，保证饱和土体7内部与试验上部压力差保持不变。

步骤四、试验与数据采集

完成外部压力和孔隙水压的设置后，启动风冷机，根据试验要求设定所需温度、持续时长和冻融循环次数等，制冷气体从进风管19吹入试验装置，再从出风孔26排出，使试验装置开始稳定降温，降温过程中可通过之前布置在隧道衬砌12和饱和土体7内部的温度传感器8获取实时温度、通过布置在裂缝6中的压力传感器20获取裂缝6内部受到的实时冻胀压力，采集到的数据通过数据采集线11传递至数据采集仪23，在电脑16进行观察记录。

试验结束后，通过排气阀14卸压，打开刚性保温上盖13，清除饱和土体7，取出隧道衬砌12、重新测量经过冻胀后裂缝6深度宽度等数据，研究隧道衬砌12在冻融循环下裂缝6的冻胀变形程度。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置，其特征在于：包括试样安装测试系统以及安装在试样安装测试系统上的固定装置、压力控制系统、数据采集装置和制冷系统；隧道衬砌（12）放置在试样安装测试系统内，所述固定装置用于密封试样安装测试系统，所述压力控制系统用于控制试样安装测试系统内的压力，模拟外部压力和孔隙水压，所述制冷系统用于调控试样安装测试系统内部温度，模拟实际衬砌结构受到的外界温度，数据采集装置用于对隧道衬砌（12）的温度和压力的数据进行采集，所述试样安装测试系统包括刚性保温基座（15）、压力传感器（20）、钢片（22）及多个温度传感器（8）；所述刚性保温基座（15）为带有敞口的空腔的座体，钢片（22）放置在刚性保温基座（15）的空腔内，隧道衬砌（12）放置在刚性保温基座（15）内层钢壁凸起处，并在隧道衬砌（12）的裂缝（6）处设置压力传感器（20），隧道衬砌（12）的表面设置有温度传感器（8）、滤纸薄膜（24），隧道衬砌（12）上部覆盖饱和土体（7），饱和土体（7）内部设置温度传感器（8），在饱和土体（7）上安放透水石（29），刚性活塞板（25）覆盖在透水石（29）上。

2.根据权利要求1所述的模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置，其特征在于：所述固定装置包括刚性保温上盖（13）、多个固定杆（9）及多个固定杆限位螺母（1）；所述刚性保温基座（15）与上端刚性保温上盖（13）之间通过多个固定杆（9）连接，能约束整个装置，保证整个结构装置的稳定性，并在每个固定杆（9）上设置两个固定杆限位螺母（1），用固定杆限位螺母（1）调整和固定刚性保温上盖（13）位置。

3.根据权利要求1所述的模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置，其特征在于：所述压力控制系统包括补压管（2）、压力表（3）、空压机（4）、体积压力控制器（5）、注水管（10）、排水阀门（27）及液体阀门（28）；所述空压机（4）与刚性保温基座（15）的空腔之间连接有补压管（2），补压管（2）上安装有压力表（3），空压机（4）通过补压管（2）控制刚性活塞板（25）上部空间的压力，模拟实际衬砌结构的不同受力状态，所述注水管（10）下端固定在透水石（29）内，注水管（10）上端穿出刚性保温上盖（13）与体积压力控制器（5）连接，注水管（10）上安装有排水阀门（27）和液体阀门（28），通过注排水控制隧道衬砌（12）的含水率和孔隙压力，注水管（10）在刚性保温基座（15）内部的部分为具有弹性的橡胶软管。

4.根据权利要求1所述的模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置，其特征在于：所述数据采集装置包括数据采集仪（23）、数据采集线（11）及电脑（16）；所述温度传感器（8）、压力传感器（20）、空压机（4）、体积压力控制器（5）的数据通过数据采集线（11）传输到数据采集仪（23），所述数据采集仪（23）连接电脑（16），由电脑（16）处理数据。

5.根据权利要求2所述的模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置，其特征在于：所述制冷系统包括排气阀（14）、风冷机（21）及进风管（19）；所述刚性保温基座（15）上设置出风孔（26）和进风管（19），所述进风管（19）与风冷机（21）连接，所述刚性保温上盖（13）上设有排气阀（14）。

6.一种利用权利要求1~5任意一项所述的模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1. 制作隧道衬砌（12）并安装；

S2. 制备饱和土体（7）；

S3. 给刚性保温基座（15）安装刚性保温上盖（13）并注压，包括以下步骤：

S31.在刚性保温基座（15）上安装刚性保温上盖（13），封闭试验装置顶部，使用固定杆限位螺母（1）固定刚性保温上盖（13），准备开始试验；

S32.对饱和土体（7）施加外部压力，打开排水阀门（27），关闭液体阀门（28），根据试验所需，通过空压机（4）向试验装置内施加压力，刚性活塞板（25）受到压力向下移动，将压力传递至饱和土体（7），饱和土体（7）被压缩，土中水流出，通过注水管（10）、经开启的排水阀门（27）流出；

S33. 待空压机达到所需压力，饱和土体（7）固结完成后，关闭排水阀门（27），打开液体阀门（28），启动体积压力控制器（5），根据试验所需孔隙水压，通过液体阀门（28）和注水管（10）向饱和土体（7）内部注水，与此同时设置空压机（4）同样以相同速度向装置内部增加同等大小的压力，保证饱和土体（7）内部与试验上部压力差保持不变；

S4. 进行试验与数据采集。

7.根据权利要求6所述的模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置的方法，其特征在于：所述S1制作隧道衬砌（12）并安装，包括以下步骤：

S11.制作带有裂缝（6）的模具；

S12.根据试验要求准备混凝土浇筑，并在指定高度布置温度传感器（8），用于在实验中实时收集隧道衬砌（12）内部温度；

S13.养护隧道衬砌（12）试件；

S14.养护完成后测量裂缝（6）深度宽度数据；

S15. 将隧道衬砌（12）安装至试验装置内，固定于刚性保温基座（15）内层钢壁凸起处，在隧道衬砌（12）裂缝（6）内安装压力传感器（20），用于试验中实时收集隧道衬砌（12）裂缝（6）所受冻胀力；

S16.在隧道衬砌（12）表面布贴滤纸薄膜（24），保证水能自由接触隧道衬砌（12）并进入裂缝（6）中，在滤纸薄膜（24）表面设置温度传感器（8），实验中收集隧道衬砌（12）表面及裂缝（6）处温度变化情况。

8.根据权利要求6所述的模拟衬砌结构冻胀诱发裂缝发展过程的试验装置的方法，其特征在于：所述S4. 进行试验与数据采集，包括以下步骤：

S41.启动风冷机（21），根据试验要求设定所需温度、持续时长和冻融循环次数，制冷气体从进风管（19）吹入试验装置，再从出风孔（26）排出；

S42.试验装置开始稳定降温，降温过程中通过布置在隧道衬砌（12）和饱和土体（7）内部的温度传感器（8）获取实时温度、通过布置在裂缝（6）中的压力传感器（20）获取裂缝（6）内部受到的实时冻胀压力；

S43.采集到的数据通过数据采集线（11）传递至数据采集仪（23），在电脑（16）进行观察记录；

S44.试验结束后，通过排气阀（14）卸压，打开刚性保温上盖（13），清除饱和土体（7），取出隧道衬砌（12）、重新测量经过冻胀后裂缝（6）深度宽度数据，研究隧道衬砌（12）在冻融循环下裂缝（6）的冻胀变形程度。