CN116429822A - 不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，包括装置箱、隧道、边部冻结系统、角部冻结系统和内部冻结系统，所述角部冻结系统位于装置箱内四个直角处，所述边部冻结系统位于装置箱内四个侧边，所述隧道位于装置箱内部，所述装置箱与隧道外侧之间填充土体，所述内部冻结系统位于地铁隧道内部，所述内部冻结系统与地铁隧道内侧之间填充土体，土体区域设有土压力计、位移计和含水率探测头。以及提供一种不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试方法。本发明能快速测试区域不均匀冻胀对隧道内力和变形的不利影响。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置及方法，适用于不均匀冻结对隧道性状的测试。
背景技术
冻结法利用人工制冷技术，将天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，已广泛应用于地下工程。但人工冻结使得地层温度急剧降低，产生巨大的冻胀力，会导致周围地下结构出现一定程度的破坏。现有的冻结模拟装置在实现冻胀的过程中采用低温介质与土体进行长时间的能量交换方法来实现土体的冻结且难以精准控制冻结区域大小。因此现有方法还存在如下不足：
1)常规的冻结装置采用冻结管模式，要达到所需冻结效果通常需要48天以上的冻结时间，无法快速测试冻胀对隧道的影响；
2)采用低温介质进行热量交换的冻结方法产生的冻结区域沿着冻结管轴向均匀分布，无法实现轴向不均匀冻胀的测试；
3)现有冻胀装置只能测试隧道外侧冻胀导致的隧道变化，无法实现隧道内冻胀的模拟。
发明内容
为了克服现有冻胀测试方式的无法快速实现冻胀，也无法实现轴向不均匀冻胀，也不能实现隧道内冻胀的模拟的不足，本发明提供一种不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置及方法，能快速测试区域不均匀冻胀对隧道内力和变形的不利影响，本装置不但可以实现隧道轴向任意位置的不均匀冻胀测试效果，而且简单方便、造价低、时间短。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，包括装置箱、隧道、边部冻结系统、角部冻结系统和内部冻结系统，所述角部冻结系统位于装置箱内四个直角处，所述边部冻结系统位于装置箱内四个侧边，所述隧道位于装置箱内部，所述装置箱与隧道外侧之间填充土体，所述内部冻结系统位于隧道内部，所述内部冻结系统与隧道内侧之间填充土体，土体区域设有土压力计、位移计和含水率探测头。
进一步，所述装置箱包括箱体、箱体上盖和连接端口，所述装置箱由箱体上盖与箱体拼接而成，连接端口位于装置箱的前后面板上。
更进一步，所述角部冻结系统包括角部固定架、角部控制杆、角部气压计、角部条形气囊和伸缩旋杆，所述角部控制杆安装在角部固定架预留的轨道内，所述角部条形气囊一端固定在角部固定架上，一端固定在角部控制杆端部，在角部固定架与角部条形气囊之间设置角部气压计，伸缩旋杆为独立部件，使用时可插入角部控制杆。
更进一步，所述边部冻结系统包括边部连接管、边部伸缩杆、边部控制轴、边部控制面板、边部气压计、边部条形气囊、边部旋转接头、边部旋转盖和边部自锁按钮，所述边部伸缩杆嵌入边部控制轴预留的孔洞中，边部控制轴的端部固定边部自锁按钮，多个边部自锁按钮组合形成边部控制面板，边部连接管通过边部旋转接头采用套筒的方式进行连接，边部控制面板固定在边部连接管的前端，边部旋转盖固定在边部连接管的尾端，边部控制轴固定在边部连接管内，边部条形气囊两端固定在边部旋转接头两侧，在边部条形气囊和边部旋转接头之间设置边部气压计。
更进一步，所述隧道包括管片主体和管片封顶块，管片主体与管片封顶块拼接形成所述隧道。
更进一步，所述内部冻结系统包括固定圆管、内部气囊、伸缩机械板、固定圆管连接件、出气孔、固定卡扣和内部气压计，所述伸缩机械板上预留的小孔为出气孔，伸缩机械板一端通过固定卡扣与固定圆管进行连接，一端连接内部气囊，内部气囊的两端固定在相邻两个伸缩机械板端部，在内部气囊与固定圆管之间设置内部气压计，固定圆管连接件安装在固定圆管的前后两端，可嵌入所述装置箱的连接端口。
一种不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、根据隧道管径、隧道埋深、土层厚度及装置箱尺寸的相互关系确定测试装置的相似比；
步骤2、根据地勘报告和隧道埋深来确定测试所需要的土层，确定土层厚度及分布；
步骤3、安装不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，所述测试装置包括装置箱、隧道、边部冻结系统、角部冻结系统、内部冻结系统，所述角部冻结系统位于装置箱内四个直角处，所述边部冻结系统位于装置箱内四个侧边，所述隧道位于装置箱内，所述隧道内外两侧设置应变片，所述装置箱与隧道外侧之间填充土体，所述内部冻结系统位于隧道内部，所述内部冻结系统与隧道内侧之间填充土体，土体区域设有土压力计、位移计和含水率探测头；
步骤4、根据冻胀体积的位置及大小，调节相应区域的气囊大小，使气囊膨胀位置及体积与工程要求确定的位置及大小相同；根据冻胀体积的大小、土体参数等指标计算相应冻胀力，换算为气压压力；
步骤5、开始试验并进行数据采集：试验开始前记录各传感器的初始数据，当各气压计读数达到确定的压力数值并保持恒定后，按照每隔设定时间段记录各监测点的数据，当监测点的数据达到稳定后，停止试验；
步骤6、隧道外部任意位置冻胀的测试，重复步骤3到步骤5，实现隧道外部任意位置冻胀的测试；
步骤7、隧道内部不同位置冻胀的测试，重复步骤3到步骤5，实现隧道内部任意位置冻胀的测试。
步骤8、隧道内外不同位置同时冻胀的测试，重复步骤3到步骤5，实现隧道内外不同位置同时冻胀的测试
步骤9、结束试验，放气卸压，清除土体，拆除装置。
进一步，所述步骤5中，所述设定时间段为半小时。
所述步骤3中，安装不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置的过程如下：
3.1、根据隧道的内径、埋深和内部环境中冻结点的位置，确定内部冻结系统中各部件尺寸和数量，固定圆管位于装置箱的正中心，考虑到冻结区域的大小，在固定圆管上布置内部气囊和伸缩机械板，伸缩机械板与固定圆管在轴向上的长度相同；
3.2根据隧道的外径、埋深和外部环境中冻结点的位置，确定边部冻结系统和角部冻结系统中各部件尺寸和数量，在装置箱中布置边部冻结系统和部冻结系统，边部条形气囊最大可形成半径100mm的半圆，角部条形气囊最大可形成半径300mm的四分之一圆；
3.3组装角部冻结系统并安装于装置箱内，首先在角部固定架上等距离安装角部控制杆，然后将角部条形气囊的一端固定于角部固定架，另一端固定于角部控制杆端部，随后在角部条形气囊和角部固定架之间放置角部气压计，形成一套角部冻结系统；按上述次序组装角部冻结系统后，将其分别安装于装置箱的四角；
3.4组装边部冻结系统并安装于装置箱内，首先在边部控制轴上等距离固定边部伸缩杆并安装边部自锁按钮，形成边部控制面板，然后将边部连接管通过边部旋转接头进行连接并在尾端安装边部旋转盖，随后将装有边部伸缩杆的边部控制轴固定在连接完毕的边部连接管内部，接着将边部条形气囊固定于连接完毕的边部连接管上并在外部条形气囊和连接管之间放置外部气压计，形成一套外部冻结系统；按上述次序组装边部冻结系统，并将其按照设定间距，依次安装在装置箱的四个侧边；
3.5填筑隧道下方土体并埋设传感器，往装置箱内填筑土层至设定深度并埋置相应的传感器；传感器的埋设与土体填筑同步进行，土压力计、位移计与含水率探测头布置在装置箱与隧道之间的土体内部；在径向上，三类传感器围绕装置箱的中心点，按照10°圆心角的间隔交错布置，在轴向上，各传感器之间等间隔布置；
3.6粘贴应变片并安装隧道于装置箱内，把应变片对称粘贴于隧道内外侧的管壁上，应变片径向按30°圆心角、轴向按150mm等间距布置，然后将隧道主体放置在填筑的土层上方；
3.7填筑内部冻结系统下方土体并埋置传感器，继续填筑土体至预设深度并埋置相应的传感器，传感器的埋置与土体填筑同步进行，隧道内侧的传感器布置方式如下：在径向上，土压力计、位移计与含水率探测头围绕装置箱的中心点，按照15°圆心角的间隔交错布置，在轴向上，各传感器之间的等间隔布置；
3.8组装内部冻结系统并安装于装置箱内，首先将伸缩机械板底部通过固定卡扣连接于固定圆管上，然后在各伸缩机械板的两端固定内部气囊，随后在各气囊内安装内部气压计，接着将固定圆管连接件与固定圆管连接并安装在连接端口上；
3.9继续填筑土体并埋置传感器，继续填筑土体至指定深度后，安装隧道封顶块，随后将装置箱内填满土体并安装箱体上盖，传感器的埋置与土体填筑同步进行；
3.10确定冻胀力参数，考虑到隧道内外发生的冻胀均为条状区域冻胀，假定隧道及冻结后土体处于弹性变形，按照
计算初始冻胀力，并根据实际工程情况确定修正后的冻胀力，其中n为孔隙率，α为水变成冰的体积膨胀系数，E2为冻结后土体的弹性模量，μ1、μ2分别为衬砌和冻结后土体的泊松比，e为冻结后土体的弹性模量与衬砌弹性模量的比值，p、q、m1、m2为与衬砌尺寸、冻结区域大小等相关的系数。
所述步骤4中，内部冻结系统调节过程为：根据工程实际情况，确定隧道内部冻胀位置及分布，然后调节内部冻结系统对应位置的伸缩机械板，改变内部气囊的位置及大小，使隧道内部的冻胀区域与实际工程相一致；
边部及角部冻结系统调节过程为：根据工程实际情况，确定隧道外部冻胀位置及分布，然后利用边部控制面板调节边部旋转接头，改变边部条形气囊对应位置的气囊大小，接着利用伸缩旋杆旋转角部控制杆改变角部条形气囊对应位置的气囊大小，使隧道外部的冻胀区域与实际工程相一致。
所述步骤6中，根据隧道外部任意位置冻胀情况，重复步骤4计算隧道外部任意位置的冻胀力；调节某套边部冻结系统中不同位置的边部旋转接头或某套角部冻结系统中不同位置的角部控制杆，可使冻胀发生的位置和冻胀区域的大小在轴向上变化；重复步骤5可实现隧道外部任意位置发生冻胀的测试；
所述步骤7中，根据隧道内部任意位置冻胀情况，重复步骤4计算隧道内部任意位置的冻胀力；调节内部冻结系统中某一块伸缩机械板的长度，可使冻胀区域的大小在轴向上变化；重复步骤5可实现隧道内部任意位置发生冻胀的测试。
本发明给出了不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，能够高效测试隧道内外发生的不均匀冻胀。具有如下优点：1)能够快速实现冻胀效果，采用气压压力模拟冻胀力，通过充气手段快速模拟冻胀力和冻胀导致的体积变化；2)能够控制轴向不均匀冻结区域的大小，通过伸缩机械板和内部气囊等装置可实现隧道内部条状冻结区域的控制；通过控制轴和条形气囊可实现隧道外部条状冻结区域的控制；3)通过对不同位置的气囊进行充气来模拟冻胀，从而实现隧道内外同时冻胀效果的测试；4)通过控制气压变化模拟不同程度冻胀对隧道的影响，模拟简单方便、造价低、时间短。
附图说明
图1是不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置的正视图。
图2是不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置的A-A剖面图。
图3是伸缩机械板细部图。
图4是边部冻结系统剖面图。
图5是边部冻结系统横剖图。
图6是边部控制面板及边部旋转接头细部图，其中，(a)是边部控制面板，(b)是激活状态，(c)是锁定状态。
图7是边部控制轴细部图，其中，(a)是激活状态，(b)是锁定状态。
图8是角部冻结系统剖面图。
图9是角部冻结系统横剖图。
附图标记为：1.装置箱，1-1.箱体；1-2.箱体上盖；1-3.连接端口；2.隧道，2-1.管片主体；2-2.管片封顶块；3.边部冻结系统，3-1.边部连接管；3-2.边部伸缩杆；3-3.边部控制轴；3-4.边部控制面板；3-5.边部气压计；3-6.边部条形气囊；3-7.边部旋转接头；3-8.边部旋转盖；3-9.边部自锁按钮；4角部冻结系统，4-1.角部固定架；4-2.角部控制杆；4-3.角部气压计；4-4.角部条形气囊；4-5.伸缩旋杆；5.内部冻结系统，5-1.固定圆管；5-2.内部气囊；5-3.伸缩机械板；5-4.固定圆管连接件；5-5.出气孔；5-6.固定卡扣；5-7.内部气压计；6.土压力计；7.位移计；8.含水率探测头；9.应变片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图9，一种不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，包括装置箱1、隧道2、边部冻结系统3、角部冻结系统4和内部冻结系统5，所述角部冻结系统4位于装置箱1内四个直角处，所述边部冻结系统3位于装置箱1内四个侧边，所述隧道2位于装置箱1内部，所述装置箱1与隧道2外侧之间填充土体，所述内部冻结系统5位于隧道2内部，所述内部冻结系统5与隧道5内侧之间填充土体，土体区域设有土压力计6、位移计7和含水率探测头8。
进一步，所述装置箱1包括箱体1-1、箱体上盖1-2和连接端口1-3，所述装置箱由箱体上盖与箱体拼接而成，连接端口位于装置箱的前后面板上。
更进一步，所述角部冻结系统4包括角部固定架4-1、角部控制杆4-2、角部气压计4-3、角部条形气囊4-4和伸缩旋杆4-5，所述角部控制杆安装在角部固定架预留的轨道内，所述角部条形气囊一端固定在角部固定架上，一端固定在角部控制杆端部，在角部固定架与角部条形气囊之间设置角部气压计，伸缩旋杆为独立部件，使用时可插入角部控制杆。
更进一步，所述边部冻结系统3包括边部连接管3-1、边部伸缩杆3-2、边部控制轴3-3、边部控制面板3-4、边部气压计3-5、边部条形气囊3-6、边部旋转接头3-7、边部旋转盖3-8和边部自锁按钮3-9，所述边部伸缩杆嵌入边部控制轴预留的孔洞中，边部控制轴的端部固定边部自锁按钮，多个边部自锁按钮组合形成边部控制面板，边部连接管通过边部旋转接头采用套筒的方式进行连接，边部控制面板固定在边部连接管的前端，边部旋转盖固定在边部连接管的尾端，边部控制轴固定在边部连接管内，边部条形气囊两端固定在边部旋转接头两侧，在边部条形气囊和边部旋转接头之间设置边部气压计。
更进一步，所述隧道2包括管片主体2-1和管片封顶块2-2，管片主体与管片封顶块拼接形成所述隧道。
更进一步，所述内部冻结系统5包括固定圆管5-1、内部气囊5-2、伸缩机械板5-3、固定圆管连接件5-4、出气孔5-5、固定卡扣5-6和内部气压计5-7，所述伸缩机械板上预留的小孔为出气孔，伸缩机械板一端通过固定卡扣与固定圆管进行连接，一端连接内部气囊，内部气囊的两端固定在相邻两个伸缩机械板端部，在内部气囊与固定圆管之间设置内部气压计，固定圆管连接件安装在固定圆管的前后两端，可嵌入所述装置箱的连接端口。一种不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、根据隧道管径、隧道埋深、土层厚度及装置箱尺寸的相互关系确定测试装置的相似比；
步骤2、根据地勘报告和隧道埋深来确定测试所需要的土层，确定土层厚度及分布；
步骤3、安装不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，所述测试装置包括装置箱1、隧道2、边部冻结系统3、角部冻结系统4和内部冻结系统5，所述角部冻结系统4位于装置箱1内四个直角处，所述边部冻结系统3位于装置箱1内四个侧边，所述隧道2位于装置箱1内部，所述装置箱1与隧道2外侧之间填充土体，所述内部冻结系统5位于隧道2内部，所述内部冻结系统5与隧道2内侧之间填充土体，土体区域设有土压力计6、位移计7和含水率探测头8；
步骤4、根据冻胀体积的位置及大小，调节相应区域的气囊大小，使气囊膨胀位置及体积与工程要求确定的位置及大小相同；根据冻胀体积的大小、土体参数等指标计算相应冻胀力，换算为气压压力；
步骤5、开始试验并进行数据采集：试验开始前记录各传感器的初始数据，当各气压计读数达到确定的压力数值并保持恒定后，按照每隔半小时记录各监测点的数据，当监测点的数据达到稳定后，停止试验；
步骤6、隧道外部任意位置冻胀的测试，重复步骤3到步骤5，实现隧道外部任意位置冻胀的测试；
步骤7、隧道内部不同位置冻胀的测试，重复步骤3到步骤5，实现隧道内部任意位置冻胀的测试。
步骤8、隧道内外不同位置同时冻胀的测试，重复步骤3到步骤5，实现隧道内外不同位置同时冻胀的测试
步骤9、结束试验，放气卸压，清除土体，拆除装置。
某城市地铁隧道盾构隧道直径6.2m，埋深20m，线路间联络通道开挖需要进行冻结法施工，为了能够快速测试区域不均匀冻胀对隧道内力及变形的不利影响，采用本发明提供的不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置及方法。
本实施例中，根据现场地勘报告，盾构机穿越的土层自上而下分别为杂填土、黏土、淤泥质粉质粘土、砂质粉土，厚度分别为2m、5m、8m、9m。模型箱的尺寸为1.2m×1.6m×1.2m(长×宽×高)。箱体采用不锈钢材料。
本实施例的实施过程如下：
(1)根据工程的实际情况和测试场地的现状，由隧道管径、土层厚度确定测试装置的相似比为20:1。
(2)确定装置箱的尺寸。根据步骤(1)中的相似比可确定装置箱1的尺寸为1.2m×1.6m×1.2m(长×宽×高)，装置箱1采用不锈钢材料。
(3)根据隧道的内径、埋深和内部环境中冻结点的位置，确定内部冻结系统5中各部件尺寸和数量。由本工程的实际情况，可确定固定圆管5-1的直径为144mm，固定圆管5-1位于装置箱1的正中心，考虑到冻结区域的大小，在固定圆管5-1上布置8个内部气囊5-2和8个伸缩机械板5-3，伸缩机械板5-3与固定圆管5-1在轴向上的长度相同，伸缩机械板5-3完全收缩时长度为56mm，伸长时最大长度为150mm。
(4)根据隧道的外径、埋深和外部环境中冻结点的位置，确定边部冻结系统3和角部冻结系统4中各部件尺寸和数量。由本工程的实际情况，在装置箱1中布置12套边部冻结系统3和4套角部冻结系统4，边部条形气囊3-6最大可形成半径100mm的半圆柱体，角部条形气囊4-6最大可形成半径300mm的四分之一圆柱体。
(5)确定土层厚度及分布。根据地勘报告确定测试所需要的土层，本次实施例中，土层自上而下分别是杂填土、黏土、淤泥质粉质粘土、砂质粉土，各层土体的厚度分别为2m、5m、8m、9m。由步骤(1)中的相似比可确定装置箱中的土层厚度分别为0.1m、0.25m、0.4m、0.45m。
(6)组装角部冻结系统并安装于装置箱内。首先在角部固定架4-1上等距离安装11个角部控制杆4-2，然后将角部条形气囊4-4的一端固定于角部固定架4-1，另一端固定于角部控制杆4-2端部，随后在角部条形气囊4-4和角部固定架4-1之间放置角部气压计4-3，形成一套角部冻结系统4。按上述次序组装4套角部冻结系统后，将其分别安装于装置箱1的四角。
(7)组装边部冻结系统并安装于装置箱内。首先在边部控制轴3-3上等距离固定11个边部伸缩杆3-2并安装11个边部自锁按钮3-9，形成边部控制面板3-4，然后将10节边部连接管3-1通过边部旋转接头3-7进行连接并在尾端安装边部旋转盖3-8，随后将装有边部伸缩杆3-2的边部控制轴3-3固定在连接完毕的边部连接管3-1内部，接着将边部条形气囊3-6固定于连接完毕的边部连接管3-1上并在外部条形气囊3-6和连接管3-1之间放置外部气压计3-5，形成一套外部冻结系统3。按上述次序组装12套边部冻结系统3，并将其按照200mm的间距，依次安装在装置箱1的四个侧边。
(8)填筑隧道下方土体并埋设传感器。往装置箱1内填筑土层至180mm并埋置相应的传感器。传感器的埋设与土体填筑同步进行，土压力计6、位移计7与含水率探测头8布置在装置箱1与隧道2之间的土体内部。在径向上，三类传感器围绕装置箱的中心点，按照10°圆心角的间隔交错布置，半径分别为465mm和520mm；在轴向上，各传感器之间的间距为150mm。
(9)粘贴应变片并安装隧道于装置箱内。把应变片9对称粘贴于隧道2内外侧的管壁上，应变片9径向按30°圆心角、轴向按150mm等间距布置，然后将隧道主体2-1放置在步骤(8)填筑的土层上方。
(10)填筑内部冻结系统下方土体并埋置传感器。继续填筑土体至470mm并埋置相应的传感器。传感器的埋置与土体填筑同步进行。隧道2外侧的传感器布置方式与步骤(8)中的相同，隧道2内侧的传感器布置方式如下：在径向上，土压力计6、位移计7与含水率探测头8围绕装置箱的中心点，按照15°圆心角的间隔交错布置，半径分别为210mm和295mm；在轴向上，各传感器之间的间距为150mm。
(11)组装内部冻结系统并安装于装置箱内。首先将伸缩机械板5-3底部通过固定卡扣6-6连接于固定圆管5-1上，然后在各伸缩机械板5-3的两端固定内部气囊5-2，随后在各气囊内安装内部气压计5-7，接着将固定圆管连接件5-4与固定圆管5-1连接并安装在连接端口1-3上。
(12)继续填筑土体并埋置传感器。继续填筑土体至980mm后，安装管片封顶块2-2，随后将装置箱1内填满土体并安装箱体上盖1-2，传感器的埋置与土体填筑同步进行。隧道2外侧的传感器布置方式与步骤(8)中的相同，隧道2内侧的传感器布置方式与步骤(10)中的相同。
(13)确定冻胀力参数。考虑到隧道内外发生的冻胀均为条状区域冻胀，假定隧道及冻结后土体处于弹性变形，按照
计算初始冻胀力，并根据实际工程情况确定修正后的冻胀力，其中n为孔隙率，α为水变成冰的体积膨胀系数，E2为冻结后土体的弹性模量，μ1、μ2分别为衬砌和冻结后土体的泊松比，e为冻结后土体的弹性模量与衬砌弹性模量的比值，p、q、m1、m2为与衬砌尺寸、冻结区域大小等相关的系数。
(14)内部冻结系统调节。根据工程实际情况，确定隧道内部冻胀位置及分布，然后调节内部冻结系统5对应位置的伸缩机械板5-3，改变内部气囊5-2的位置及大小，使隧道内部的冻胀区域与实际工程相一致。
(15)边部及角部冻结系统调节。根据工程实际情况，确定隧道外部冻胀位置及分布，然后利用边部控制面板3-4调节边部旋转接头3-7，改变边部条形气囊3-6对应位置的气囊大小，接着利用伸缩旋杆4-5旋转角部控制杆4-2改变角部条形气囊4-4对应位置的气囊大小，使隧道外部的冻胀区域与实际工程相一致。
(16)开始冻胀试验并进行数据采集。首先，在试验开始前记录各传感器的初始数据，然后对步骤(14)中的内部冻结系统5中的对应位置的内部气囊5-2进行充气加压，使得内部气压计5-7的读数达到步骤(13)中确定的数值，对步骤(15)中的边部冻结系统3中对应位置的边部条形气囊3-6进行充气加压，直到边部气压计3-5的读数达到步骤(13)中确定的数值，对步骤(15)中的角部冻结系统4中对应位置的角部条形气囊4-4进行充气加压，直到角部气压计4-3的读数达到步骤(13)中确定的数值。每隔半小时记录各监测点的数据，当监测点的数据达到稳定后，停止试验。
(17)隧道外部任意位置发生冻胀的测试。根据隧道外部任意位置冻胀情况，重复步骤(13)计算隧道外部任意位置的冻胀力；重复步骤(15)调节某套边部冻结系统3中不同位置的边部旋转接头3-7或某套角部冻结系统4中不同位置的角部控制杆4-2，可使冻胀发生的位置和冻胀区域的大小在轴向上变化；重复步骤(16)可实现隧道外部任意位置发生冻胀的测试。
(18)隧道内部任意位置发生冻胀的测试。根据隧道内部任意位置冻胀情况，重复步骤(13)计算隧道内部任意位置的冻胀力；重复步骤(15)调节内部冻结系统5中某一块伸缩机械板5-3的长度，可使冻胀区域的大小在轴向上变化；重复步骤(16)可实现隧道内部任意位置发生冻胀的测试。
(19)隧道内部和外部同时发生不均匀冻胀的测试。重复步骤(18)
和(19)，可实现隧道内部和外部同时发生不均匀冻胀的测试。
(20)结束实验。关闭试验仪器，首先对边部条形气囊3-6、角部条形气囊4-4和内部气囊5-2进行放气卸压，然后将伸缩机械板5-3收缩至最小，拆除箱体上盖1-2后逐层清理装置箱1中的土体，依次拆除管片封顶块2-2、内部冻结系统5、管片主体2-1、角部冻结系统4和边部冻结系统3，完成实验。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.一种不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，其特征在于，所述测试装置包括装置箱、隧道、边部冻结系统、角部冻结系统和内部冻结系统，所述角部冻结系统位于装置箱内四个直角处，所述边部冻结系统位于装置箱内四个侧边，所述隧道位于装置箱内部，所述装置箱与隧道外侧之间填充土体，所述内部冻结系统位于隧道内部，所述内部冻结系统与隧道内侧之间填充土体，土体区域设有土压力计、位移计和含水率探测头。
2.如权利要求1所述的不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，其特征在于，所述装置箱包括箱体、箱体上盖和连接端口，所述装置箱由箱体上盖与箱体拼接而成，连接端口位于装置箱的前后面板上。
3.如权利要求1或2所述的不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，其特征在于，所述角部冻结系统包括角部固定架、角部控制杆、角部气压计、角部条形气囊和伸缩旋杆，所述角部控制杆安装在角部固定架预留的轨道内，所述角部条形气囊一端固定在角部固定架上，一端固定在角部控制杆端部，在角部固定架与角部条形气囊之间设置角部气压计，伸缩旋杆为独立部件，使用时可插入角部控制杆。
4.如权利要求1或2所述的不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，其特征在于，所述边部冻结系统包括边部连接管、边部伸缩杆、边部控制轴、边部控制面板、边部气压计、边部条形气囊、边部旋转接头、边部旋转盖和边部自锁按钮，所述边部伸缩杆嵌入边部控制轴预留的孔洞中，边部控制轴的端部固定边部自锁按钮，多个边部自锁按钮组合形成边部控制面板，边部连接管通过边部旋转接头采用套筒的方式进行连接，边部控制面板固定在边部连接管的前端，边部旋转盖固定在边部连接管的尾端，边部控制轴固定在边部连接管内，边部条形气囊两端固定在边部旋转接头两侧，在边部条形气囊和边部旋转接头之间设置边部气压计。
5.如权利要求1或2所述的不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，其特征在于，所述隧道包括管片主体和管片封顶块，管片主体与管片封顶块拼接形成所述隧道。
6.如权利要求1或2所述的不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，其特征在于，所述内部冻结系统包括固定圆管、内部气囊、伸缩机械板、固定圆管连接件、出气孔、固定卡扣和内部气压计，所述伸缩机械板上预留的小孔为出气孔，伸缩机械板一端通过固定卡扣与固定圆管进行连接，一端连接内部气囊，内部气囊的两端固定在相邻两个伸缩机械板端部，在内部气囊与固定圆管之间设置内部气压计，固定圆管连接件安装在固定圆管的前后两端，可嵌入所述装置箱的连接端口。
7.一种如权利要求1所述的不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置实现的方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
步骤1、根据隧道管径、隧道埋深、土层厚度及装置箱尺寸的相互关系确定测试装置的相似比；
步骤2、根据地勘报告和隧道埋深来确定测试所需要的土层，确定土层厚度及分布；
步骤3、安装不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试装置，所述测试装置包括装置箱、隧道、边部冻结系统、角部冻结系统、内部冻结系统，所述角部冻结系统位于装置箱内四个直角处，所述边部冻结系统位于装置箱内四个侧边，所述隧道位于装置箱内，所述隧道内外两侧设置应变片，所述装置箱与隧道外侧之间填充土体，所述内部冻结系统位于隧道内部，所述内部冻结系统与隧道内侧之间填充土体，土体区域设有土压力计、位移计和含水率探测头；
步骤4、根据冻胀体积的位置及大小，调节相应区域的气囊大小，使气囊膨胀位置及体积与工程要求确定的位置及大小相同；根据冻胀体积的大小、土体参数等指标计算相应冻胀力，换算为气压压力；
步骤5、开始试验并进行数据采集：试验开始前记录各传感器的初始数据，当各气压计读数达到确定的压力数值并保持恒定后，按照每隔设定时间段记录各监测点的数据，当监测点的数据达到稳定后，停止试验；
步骤6、隧道外部任意位置冻胀的测试，重复步骤4到步骤5，实现隧道外部任意位置冻胀的测试；
步骤7、隧道内部不同位置冻胀的测试，重复步骤4到步骤5，实现隧道内部任意位置冻胀的测试；
步骤8、隧道内外不同位置同时冻胀的测试，重复步骤4到步骤5，实现隧道内外不同位置同时冻胀的测试；
步骤9、结束试验，放气卸压，清除土体，拆除装置。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，安装不均匀冻结施工对隧道承载性能影响的测试方法的主要过程如下：
3.1、根据隧道的内径、埋深和内部环境中冻结点的位置，确定内部冻结系统中各部件尺寸和数量，考虑到冻结区域的大小，获得在固定圆管上布置内部气囊和伸缩机械板的数量，且伸缩机械板与固定圆管在轴向上的长度相同；
3.2根据隧道的外径、埋深和外部环境中冻结点的位置，确定边部冻结系统和角部冻结系统中各部件尺寸和数量，其中，边部条形气囊可形成相应尺寸的半圆柱体，角部条形气囊可形成四分之一圆柱体；
3.3组装角部冻结系统并安装于装置箱内，首先在角部固定架上等距离安装角部控制杆，然后将角部条形气囊的一端固定于角部固定架，另一端固定于角部控制杆端部，随后在角部条形气囊和角部固定架之间放置角部气压计，形成一套角部冻结系统；按上述次序组装角部冻结系统后，将其分别安装于装置箱的四角；
3.4组装边部冻结系统并安装于装置箱内，首先在边部控制轴上等距离固定边部伸缩杆并安装边部自锁按钮，形成边部控制面板，然后将边部连接管通过边部旋转接头进行连接并在尾端安装边部旋转盖，随后将装有边部伸缩杆的边部控制轴固定在连接完毕的边部连接管内部，接着将边部条形气囊固定于连接完毕的边部连接管上并在外部条形气囊和连接管之间放置外部气压计，形成一套外部冻结系统；按上述次序组装边部冻结系统，并将其按照设定间距，依次安装在装置箱的四个侧边；
3.5填筑隧道下方土体并埋设传感器，往装置箱内填筑土层至设定深度并埋置相应的传感器；在径向上，三类传感器围绕装置箱的中心点，按照10°圆心角的间隔交错布置，在轴向上，各传感器之间等间隔布置；
3.6粘贴应变片并安装隧道于装置箱内，把应变片对称粘贴于隧道内外侧的管壁上，应变片径向按等圆心角、轴向按等间距布置，然后将隧道主体放置在填筑的土层上方；
3.7填筑内部冻结系统下方土体并埋置传感器，在径向上，土压力计、位移计与含水率探测头围绕装置箱的中心点，按照15°圆心角的间隔交错布置，在轴向上，各传感器之间的等间隔布置；
3.8组装内部冻结系统并安装于装置箱内，首先将伸缩机械板底部通过固定卡扣连接于固定圆管上，然后在各伸缩机械板的两端固定内部气囊，随后在各气囊内安装内部气压计，接着将固定圆管连接件与固定圆管连接并安装在连接端口上；
3.9继续填筑土体至指定深度后，安装管片封顶块，随后将装置箱内填满土体并安装箱体上盖，传感器的埋置与土体填筑同步进行；
3.10确定冻胀力参数，考虑到隧道内外发生的冻胀均为条状区域冻胀，按照
计算初始冻胀力，其中n为孔隙率，α为水变成冰的体积膨胀系数，E2为冻结后土体的弹性模量，μ1、μ2分别为衬砌和冻结后土体的泊松比，e为冻结后土体的弹性模量与衬砌弹性模量的比值，p、q、m1、m2为与衬砌尺寸、冻结区域大小等相关的系数，并根据实际工程情况确定修正后的冻胀力。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，内部冻结系统调节过程为：根据工程实际情况，确定隧道内部冻胀位置及分布，然后调节内部冻结系统对应位置的伸缩机械板，改变内部气囊的位置及大小，使隧道内部的冻胀区域与实际工程相一致；
边部及角部冻结系统调节过程为：根据工程实际情况，确定隧道外部冻胀位置及分布，然后利用边部控制面板调节边部旋转接头，改变边部条形气囊对应位置的气囊大小，接着利用伸缩旋杆旋转角部控制杆改变角部条形气囊对应位置的气囊大小，使隧道外部的冻胀区域与实际工程相一致。
10.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤6中，根据隧道外部任意位置冻胀情况，重复步骤4计算隧道外部任意位置的冻胀力；调节某套边部冻结系统中不同位置的边部旋转接头或某套角部冻结系统中不同位置的角部控制杆，可使冻胀发生的位置和冻胀区域的大小在轴向上变化；重复步骤5可实现隧道外部任意位置发生冻胀的测试；
所述步骤7中，根据隧道内部任意位置冻胀情况，重复步骤4计算隧道内部任意位置的冻胀力；调节内部冻结系统中某一块伸缩机械板的长度，可使冻胀区域的大小在轴向上变化；重复步骤5可实现隧道内部任意位置发生冻胀的测试。
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