CN116086939A - 模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统 - Google Patents

模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统 Download PDF

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任关良
杜时贵
徐晨
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Abstract

本发明公开的模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统包括隧道模型、刚‑柔联合边界控制系统、地温控制系统、制冷控制系统、加载系统和数据测量与采集系统，隧道模型包括箱体、保温层、保温套、衬砌和围岩，刚‑柔联合边界控制系统包括弹簧、薄钢板和厚钢板，数据测量与采集系统包括多个温度传感器、多个应变片、多个压力盒和数据采集器。本发明创新采用刚‑柔联合边界设计复现隧道洞口段的三维应力场，通过地温控制系统和制冷控制系统模拟寒区隧道寒来暑往冻融循环的三维温度场，实现了寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境模拟，为洞口段冻胀力及其引起的冻害机理研究提供重要的试验系统设计指导，具有较好的科研和工程应用价值。

Description

模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统
技术领域
本发明涉及寒区隧道领域，具体是一种模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统。
背景技术
寒区恶劣的气象条件造成的隧道冻害问题越发突出，严重威胁隧道工程的安全运行，给寒区隧道的抗冻设计及运行维护造成了极大地挑战，充分研究寒区隧道围岩温度场和冻胀力荷载的发展规律则是开展隧道冻害防治设计的重要基础。模拟试验系统是一种高效、经济和真实还原实际工程特点的技术手段，在寒区隧道冻害研究领域中被广泛应用。寒区隧道洞口段是冻害频发和较严重的位置，其冻害机理研究受到学者广泛关注。但是，目前隧道物理模拟试验以平面应变模型居多，均为刚性边界设计，不能真实反映冻害较严重的洞口段围岩的三维应力场状态及结构的受力变形规律，影响寒区隧道洞口段冻害机理的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统，该试验系统创新采用刚-柔联合边界设计复现隧道洞口段的三维应力场，通过地温控制系统和制冷控制系统模拟寒区隧道寒来暑往冻融循环的三维温度场，实现了寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境模拟，为洞口段冻胀力及其引起的冻害机理研究提供重要的试验系统设计指导，具有较好的科研和工程应用价值。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统，包括隧道模型、刚-柔联合边界控制系统、地温控制系统、制冷控制系统、加载系统和数据测量与采集系统，所述的隧道模型包括箱体、保温层、保温套、衬砌和围岩，所述的衬砌贯通布置在所述的围岩的中心位置，所述的箱体置于所述的围岩和所述的保温层的外侧，所述的保温套置于所述的箱体的外侧，所述的保温层置于所述的围岩的上方，所述的箱体的顶板与所述的保温层之间均有高度差，所述的刚-柔联合边界控制系统设于隧道洞口的上侧，所述的刚-柔联合边界控制系统包括弹簧、薄钢板和厚钢板，所述的薄钢板直立设置于所述的衬砌的上侧，所述的薄钢板的内侧面与所述的围岩的外侧面贴合，靠近隧道洞口上侧的箱体的侧板即为所述的厚钢板，所述的薄钢板的外侧面与所述的厚钢板的内侧面之间具有容置腔，所述的容置腔内上下间隔设有多根所述的弹簧，所述的薄钢板与所述的厚钢板经多根所述的弹簧连接，所述的地温控制系统用于控制所述的围岩的顶部和底部的温度，所述的制冷控制系统用于控制隧道洞口和隧道洞内的温度，所述的加载系统用于对所述的围岩的顶部施压，所述的数据测量与采集系统包括多个温度传感器、多个应变片、多个压力盒和数据采集器，所述的多个温度传感器间隔布置在所述的围岩的不同深度处，所述的多个应变片和多个压力盒分别间隔布置于所述的衬砌的内表面、外表面以及所述的围岩的外侧面，所述的多个温度传感器、多个应变片和多个压力盒分别将采集到的数据传输至所述的数据采集器，所述的数据采集器用于将收到的数据传送至电脑端进行处理，由所述的电脑端耦合模拟得到寒区隧道洞口循环冻融过程中冻胀力、围岩温度场、衬砌变形的演化规律。
本发明模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统的工作原理是：首先，采用刚-柔联合边界控制系统分别对隧道模型的洞口侧和洞身侧进行柔性约束和刚性约束，其重点为洞口侧为薄钢板、弹簧和厚钢板组合构成的柔性约束，洞身侧为厚钢板构成的刚性约束；然后，通过加载系统对围岩顶部施压，模拟洞口不同上覆岩层压力，实现隧道洞口段的初始三维应力场状态；随后，通过地温控制系统控制围岩的顶部和底部的温度恒定，模拟围岩初始地温温度场；然后，通过制冷控制系统控制隧道洞口和隧道洞内的温度，使隧道洞口和隧道洞内的温度达到目标低温，模拟隧道洞门墙后和隧道内循环冻融环境的三维温度场，以实现寒区隧道洞口围岩的循环往复的冻结与融化过程；最后，电脑端通过三维应力场和三维温度场的耦合模拟得到寒区隧道洞口循环冻胀力和温度场的演化规律。
作为优选，所述的地温控制系统包括第一控制管路、第二控制管路和控制槽，所述的控制槽置于所述的箱体的外侧，所述的第一控制管路水平铺设于所述的围岩的顶部，所述的第二控制管路水平铺设于所述的围岩的底部，所述的第一控制管路和所述的第二控制管路分别与所述的控制槽连通为地温控制回路。进一步地，所述的制冷控制系统包括制冷管栅、制冷螺旋管路、第一循环槽和第二循环槽，所述的第一循环槽和所述的第二循环槽分别置于所述的箱体的外侧，所述的制冷管栅置于所述的容置腔内，所述的制冷管栅与所述的第一循环槽连通为洞口制冷回路，所述的制冷螺旋管路贯通布置在所述的衬砌内，所述的制冷螺旋管路与所述的第二循环槽连通为洞内螺旋制冷回路。通过上述地温控制系统和制冷控制系统的联动控制，可实现寒区隧道洞门墙后法向和隧道内围岩径向双重的特殊冻结模拟，保证模拟结果的真实度。
作为优选，所述的加载系统包括若干千斤顶、承载板和若干组加强横梁，所述的承载板水平铺设在所述的围岩的顶面，所述的保温层水平铺设在所述的承载板的顶面，所述的若干千斤顶间隔设置在所述的箱体的顶板与所述的承载板之间，所述的若干千斤顶的顶端分别抵靠于所述的箱体的顶板，所述的若干千斤顶的底端分别穿过所述的保温层抵靠于所述的承载板的顶面，所述的若干组加强横梁设于所述的箱体的顶部和底部。上述加载系统使用方便，若干组加强横梁可限制箱体的变形。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明试验系统采用刚-柔联合边界设计，模拟隧道洞口侧的柔性约束和洞身侧的刚性约束条件，即洞口侧为薄钢板、弹簧和厚钢板组合构成的柔性约束，洞身侧为厚钢板构成的刚性约束，并结合加载系统模拟洞口不同上覆岩层压力，可真实还原隧道洞口段的三维应力场，适用于采用不同洞门墙类型的寒区隧道；
(2)本发明试验系统通过地温控制系统和制冷控制系统模拟寒区隧道洞口特殊的循环冻融条件，可实现洞口段围岩三维应力场和循环冻融三维温度场的耦合，真实模拟得到寒区隧道洞口循环冻胀力和温度场的演化规律，提高寒区隧道物理模拟试验技术水平，为洞口段冻胀力及其引起的冻害机理研究提供重要的试验系统设计指导，具有较好的科研和工程应用价值；
(3)本发明试验系统综合考虑了寒区隧道洞口段的真实三维应力场、特殊冻结模式和上覆围岩荷载，可实现不同寒区隧道复杂工程和气象条件的耦合模拟，有利于提高对寒区隧道冻害复杂机理的认识。
附图说明
图1为实施例中试验系统的轴向剖面示意图；
图2为实施例中试验系统的侧视示意简图；
图3为实施例中洞口制冷回路的示意图；
图4为实施例中数据测量与采集系统的布置示意图；
图中标号：11-箱体，12-保温层，13-保温套，14-衬砌，15-围岩，21-弹簧，22-薄钢板，23-厚钢板，24-容置腔，31-温度传感器，32-应变片，33-压力盒，34-数据采集器，35-电脑端，41-第一控制管路，42-第二控制管路，43-控制槽，51-制冷管栅，52-制冷螺旋管路，53-第一循环槽，54-第二循环槽，61-千斤顶，62-承载板，63-加强横梁。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例的模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统，如图所示，包括隧道模型、刚-柔联合边界控制系统、地温控制系统、制冷控制系统、加载系统和数据测量与采集系统，隧道模型包括箱体11、保温层12、保温套13、衬砌14和围岩15，衬砌14贯通布置在围岩15的中心位置，其中，隧道模型根据为根据隧道工程地质条件搭建的隧道相似物理模型，衬砌14和围岩15材料的力学性能通过骨料配比调试达到与施工现场相似，箱体11置于围岩15和保温层12的外侧，保温套13置于箱体11的外侧，保温层12置于围岩15的上方，箱体11的顶板与保温层12之间均有高度差，刚-柔联合边界控制系统设于隧道洞口的上侧，刚-柔联合边界控制系统包括弹簧21、薄钢板22和厚钢板23，薄钢板22直立设置于衬砌14的上侧，薄钢板22的内侧面与围岩15的外侧面贴合，靠近隧道洞口上侧的箱体11的侧板即为厚钢板23，薄钢板22的外侧面与厚钢板23的内侧面之间具有容置腔24，容置腔24内上下间隔设有多根弹簧21，薄钢板22与厚钢板23经多根弹簧21连接，地温控制系统用于控制围岩15的顶部和底部的温度，制冷控制系统用于控制隧道洞口(即衬砌14的入口)和隧道洞内(即衬砌14内)的温度，加载系统用于对围岩15的顶部施压，数据测量与采集系统包括多个温度传感器31、多个应变片32、多个压力盒33和数据采集器34，多个温度传感器31间隔布置在围岩15的不同深度处，多个应变片32和多个压力盒33分别间隔布置于衬砌14的内表面、外表面以及围岩15的外侧面，多个温度传感器31、多个应变片32和多个压力盒33分别将采集到的数据传输至数据采集器34，数据采集器34用于将收到的数据传送至电脑端35进行处理，由电脑端35耦合模拟得到寒区隧道洞口循环冻融过程中冻胀力、围岩15温度场、衬砌14变形的演化规律。
具体地，地温控制系统包括第一控制管路41、第二控制管路42和控制槽43，控制槽43置于箱体11的外侧，第一控制管路41水平铺设于围岩15的顶部，第二控制管路42水平铺设于围岩15的底部，第一控制管路41和第二控制管路42分别与控制槽43连通为地温控制回路；制冷控制系统包括制冷管栅51、制冷螺旋管路52、第一循环槽53和第二循环槽54，第一循环槽53和第二循环槽54分别置于箱体11的外侧，制冷管栅51置于容置腔24内，制冷管栅51与第一循环槽53连通为洞口制冷回路，制冷螺旋管路52贯通布置在衬砌14内，制冷螺旋管路52与第二循环槽54连通为洞内螺旋制冷回路。
具体地，加载系统包括若干千斤顶61、承载板62和六组加强横梁63，承载板62水平铺设在围岩15的顶面，保温层12水平铺设在承载板62的顶面，若干千斤顶61间隔设置在箱体11的顶板与承载板62之间，若干千斤顶61的顶端分别抵靠于箱体11的顶板，若干千斤顶61的底端分别穿过保温层12抵靠于承载板62的顶面，箱体11的顶部和底部分别设有三组加强横梁63。
本发明中未加限定的系统、装置或组件均采用本领域中的常规技术手段。
上述实施例的模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统的试验过程为：
第一步：开启控制槽43，向第一控制管路41和第二控制管路42持续输入恒温液，待围岩15和衬砌14的温度稳定后，将此时压力盒33、应变片32的读数作为初读数，并以此时围岩15温度作为初始地温；
第二步：开启第一循环槽53和第二循环槽54，使洞口制冷回路和洞内螺旋制冷回路的温度按设计的降温速率降至隧址区实际低温温度值，待围岩15温度、压力盒33的读数稳定后，关闭第一循环槽53和第二循环槽54，围岩15温度恢复至初始地温后即完成一次冻融循环；
第三步：重复第二步，持续监测围岩15冻结过程中围岩15温度、衬砌14与洞门墙的冻胀力荷载，当达到等效隧道现场冻融循环次数后停止试验；
第四步：将循环冻融过程中压力、温度和应变的监测数据分别绘制成冻胀力-时间、围岩15温度-时间、衬砌14应变-时间曲线，得到寒区隧道洞口循环冻融过程中冻胀力、围岩15温度场、衬砌14变形的演化规律。

Claims (4)

1.一种模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统，其特征在于，包括隧道模型、刚-柔联合边界控制系统、地温控制系统、制冷控制系统、加载系统和数据测量与采集系统，所述的隧道模型包括箱体、保温层、保温套、衬砌和围岩，所述的衬砌贯通布置在所述的围岩的中心位置，所述的箱体置于所述的围岩和所述的保温层的外侧，所述的保温套置于所述的箱体的外侧，所述的保温层置于所述的围岩的上方，所述的箱体的顶板与所述的保温层之间均有高度差，所述的刚-柔联合边界控制系统设于隧道洞口的上侧，所述的刚-柔联合边界控制系统包括弹簧、薄钢板和厚钢板，所述的薄钢板直立设置于所述的衬砌的上侧，所述的薄钢板的内侧面与所述的围岩的外侧面贴合，靠近隧道洞口上侧的箱体的侧板即为所述的厚钢板，所述的薄钢板的外侧面与所述的厚钢板的内侧面之间具有容置腔，所述的容置腔内上下间隔设有多根所述的弹簧，所述的薄钢板与所述的厚钢板经多根所述的弹簧连接，所述的地温控制系统用于控制所述的围岩的顶部和底部的温度，所述的制冷控制系统用于控制隧道洞口和隧道洞内的温度，所述的加载系统用于对所述的围岩的顶部施压，所述的数据测量与采集系统包括多个温度传感器、多个应变片、多个压力盒和数据采集器，所述的多个温度传感器间隔布置在所述的围岩的不同深度处，所述的多个应变片和多个压力盒分别间隔布置于所述的衬砌的内表面、外表面以及所述的围岩的外侧面，所述的多个温度传感器、多个应变片和多个压力盒分别将采集到的数据传输至所述的数据采集器，所述的数据采集器用于将收到的数据传送至电脑端进行处理，由所述的电脑端耦合模拟得到寒区隧道洞口循环冻融过程中冻胀力、围岩温度场、衬砌变形的演化规律。
2.根据权利要求1所述的一种模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统，其特征在于，所述的地温控制系统包括第一控制管路、第二控制管路和控制槽，所述的控制槽置于所述的箱体的外侧，所述的第一控制管路水平铺设于所述的围岩的顶部，所述的第二控制管路水平铺设于所述的围岩的底部，所述的第一控制管路和所述的第二控制管路分别与所述的控制槽连通为地温控制回路。
3.根据权利要求1或2所述的一种模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统，其特征在于，所述的制冷控制系统包括制冷管栅、制冷螺旋管路、第一循环槽和第二循环槽，所述的第一循环槽和所述的第二循环槽分别置于所述的箱体的外侧，所述的制冷管栅置于所述的容置腔内，所述的制冷管栅与所述的第一循环槽连通为洞口制冷回路，所述的制冷螺旋管路贯通布置在所述的衬砌内，所述的制冷螺旋管路与所述的第二循环槽连通为洞内螺旋制冷回路。
4.根据权利要求1所述的一种模拟寒区隧道洞口三维应力场和循环冻融环境的试验系统，其特征在于，所述的加载系统包括若干千斤顶、承载板和若干组加强横梁，所述的承载板水平铺设在所述的围岩的顶面，所述的保温层水平铺设在所述的承载板的顶面，所述的若干千斤顶间隔设置在所述的箱体的顶板与所述的承载板之间，所述的若干千斤顶的顶端分别抵靠于所述的箱体的顶板，所述的若干千斤顶的底端分别穿过所述的保温层抵靠于所述的承载板的顶面，所述的若干组加强横梁设于所述的箱体的顶部和底部。
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CN116879529A (zh) * 2023-07-11 2023-10-13 山东科技大学 一种高地温隧道变形相似模拟试验系统及其使用方法

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