不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验方法技术

本发明专利技术公开了一种不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验方法。它包括如下步骤：浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构及围岩层，并预留钢绞线孔道；安装不等围岩压力钢绞线预应力加载机构；将衬砌结构与围岩层形成的整体连同预应力钢绞线一起垂直吊装进反力墙内腔；安装和密封上盖板；安装外水压力加载机构；安装内水压力加载机构；外水压力加载；内水压力加载；将引出的监测仪器数据线连接到数据采集仪器进行数据采集和后期处理。该方法能够模拟实际环境中隧洞围岩及输水隧洞衬砌结构在复杂内、外载荷和不等围岩压力下的受力特点和相关变形特性，并能够对衬砌结构破坏形态以及开裂后的裂缝分布进行分析研究。的裂缝分布进行分析研究。的裂缝分布进行分析研究。

【技术实现步骤摘要】
不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验方法


[0001]本专利技术涉及长距离输水隧洞试验结构模型
，具体地指一种不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验方法。

技术介绍

[0002]随着国家综合国力的不断提升，国家基础工程建设迅猛发展。深埋长隧洞在国内各大型地下工程的建设中不断涌现，其施工过程中受开挖影响产生下地下空间，而工程开挖破坏了岩体原有初始地应力的平衡，因而产生一系列复杂的岩体力学作用。一方面，岩体天然平衡状态受开挖影响产生岩体裂隙，隧洞周边岩体将向岩体开挖破坏处不断发生松胀变形，导致围岩中的应力形成新的应力状态，如果围岩的新应力分布超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏，围岩的变形破坏将给衬砌结构施加来自不同方向的不等围岩压力；另一方面，在有压隧洞中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌结构传递给围岩；而围岩外围又有很高的外水压力，并通过围岩层渗透到衬砌结构。为了防止这些复杂的不等围岩压力和内、外水压的作用破坏围岩
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衬砌结构整体性并导致其失稳，必须有针对性的对隧洞围岩
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衬砌结构受力特性进行深入研究，保证隧洞的稳定运行。
[0003]寻找行之有效的试验方法和相应的试验装置并对其结构形式和力学性能进行监测和试验就十分重要。目前针对输水隧洞的力学监测试验多采用数值模拟的方法进行，很难模拟实际环境中隧洞围岩及输水隧洞衬砌结构的受力情况。
[0004]虽然也有一些模拟试验方法，但存在一定的弊端：其一，试验装置稳定性和密封性往往达不到设计要求，导致外水压力或围岩压力难以加载到所需的数值，不能很好的反映出围岩
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衬砌结构在实际复杂荷载下的受力特点和相关变形特征，故针对衬砌结构破坏形态以及开裂后的裂缝分布的研究不易进行；其二，现有的围岩层多采用普通混凝土进行浇筑，不能反映真实围岩结构的裂缝分布，且即使加载到所需的外水压力也不能模拟真实围岩结构的渗水特性，水压力不能很好的传递给衬砌结构，造成试验误差；其三，部分已有的试验方法采用外水压模拟围岩压力的方法直接作用在衬砌结构上进行围岩压力的加载，这与衬砌的实际承受荷载的方式不符。为此，需要研发一种能够模拟不等围压和内、外水压下围岩与衬砌结构试验方法，以实现围岩和衬砌联合承担复杂水压和不等围岩压力作用的仿真，用于研究围岩
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衬砌结构在内、外水压力和不等围岩压力单独作用或共同作用下的力学性能、破坏特征及稳定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是能够真实模拟长距离输水隧洞围岩
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衬砌结构在内、外水压力和不等围岩压力单独作用或共同作用下的力学性能、破坏特征及稳定性，提供一种不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术研制出了一种不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
[0007]步骤1)，浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构及围岩层，其中浇筑衬砌结构包括：根据设计尺寸进行衬砌结构钢筋笼的绑扎，用满足所需设计强度的混凝土进行衬砌结构的浇筑养护，并在衬砌结构内需要检测的位置预埋监测仪器；浇筑围岩层包括：根据设计模板，将围岩层分层浇筑成特定的形状并养护，同样地围岩层内需要检测的位置预埋监测仪器，并在围岩层内预留井字形钢绞线孔道，且钢绞线孔道分布在衬砌结构四周；
[0008]步骤2)，安装不等围岩压力钢绞线预应力加载机构，包括：先固定好浇筑养护完成的衬砌结构，将浇筑养护完成的围岩层按照分层顺序紧贴衬砌结构外壁用砂浆砌筑；待砂浆凝固，将四块传力厚钢板分别内嵌在围岩层四周，并在传力厚钢板上对应于预应力钢绞线孔道延伸处钻孔；将四根预应力钢绞线穿过围岩层内预留的井字形钢绞线孔道，且每根预应力钢绞线末端均固定在传力厚钢板外侧；通过液压拉伸机和电动高压油泵对预应力钢绞线进行张拉，到达预定拉应力时用锚具固定预应力钢绞线两端；
[0009]步骤3)，将衬砌结构与围岩层形成的整体连同预应力钢绞线一起垂直吊装进反力墙内腔，并将衬砌结构底部插入定位钢环中；
[0010]步骤4)，安装和密封上盖板，包括：在反力墙主体开口凸台处及衬砌结构顶部安装橡胶密封圈，在密封圈内盖上密封钢板，在密封钢板上盖上上盖板，衬砌结构与密封钢板和上盖板之间采用螺栓连接，反力墙主体与上盖板之间采用螺栓连接；另外预埋进衬砌结构内的监测仪器数据线及预埋进围岩层内的监测仪器数据线均依次通过密封钢板上的第二仪器线缆出口和上盖板上的第四仪器线缆出口引出；
[0011]步骤5)，安装外水压力加载机构，包括：在反力墙主体外侧的注水阀门接头上安装第二水压力管，并将第二加压水泵、第二水压力表安装在第二水压力管另一端；
[0012]步骤6)，安装内水压力加载机构，包括：在上盖板外侧的注水阀门接头上安装第一水压力管，并将第一加压水泵、第一水压力表安装在第一水压力管另一端；
[0013]步骤7)，外水压力加载，包括：对第二仪器线缆出口、第四仪器线缆出口、密封钢板四周进行密封后，根据实验方案，打开第二加压水泵注水至反力墙四周内壁与衬砌结构外壁之间形成的外加压腔内；
[0014]步骤8)，内水压力加载，包括：对衬砌结构底部、衬砌结构内壁进行密封后，根据实验方案，打开第一加压水泵注水至衬砌结构内壁与反力墙之间形成的内注水加压腔，根据实验方案，注水至水压力设计值，并使用数据采集仪器进行数据采集；
[0015]步骤9)，将引出的监测仪器数据线连接到数据采集仪器进行数据采集，再连接至电脑中，通过数据采集软件对采集到的应力应变，不等围岩预应力钢绞线压力，内、外水压等数据进行采集和后期处理，分析在不同压力荷载下围岩层稳定性和衬砌结构中钢筋和混凝土的应力应变关系。
[0016]进一步地，所述不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验装置包括所述立体空壳结构的反力墙，所述空心筒状衬砌结构竖直布置在反力墙内腔中心处，且衬砌结构高度与反力墙内腔高度相同、端面齐平，从而使反力墙上下内壁与衬砌结构内壁之间形成内注水加压腔，使反力墙四周内壁与衬砌结构外壁之间形成外加压腔；所述内水压力加载机构设置在衬砌结构空心筒上端对应的反力墙上，通过所述内水压力加载机构向内注水加压腔进行注水加压，模拟隧洞内水压力作用；所述外水压力加载机构设置在反力墙开口端外侧，所述外水压力加载机构用于向围岩层和衬砌结构施加四周向中心的外水压力，模拟隧洞外水压
力作用；所述透水混凝土结构的立体围岩层贴合在衬砌结构外壁，所述不等围岩压力钢绞线预应力加载机构布置在围岩层内部，且分布在衬砌结构四周，通过不等围岩压力钢绞线预应力加载机构向围岩层进行左右和前后两个方向挤压，模拟隧洞外不等围岩压力作用；所述试验装置还包括分别预埋在所述围岩层和衬砌结构内的监测系统，所述监测系统用于对围岩层内的围岩压力，内、外水压力和衬砌结构内的应力、应变进行数据采集并分析。
[0017]更进一步地，步骤1)中，所述围岩层从内向外依次布置一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构，所述一次性透水混凝土结构为贴合在衬砌结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)，浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构(2)及围岩层(4)，其中浇筑衬砌结构(2)包括：根据设计尺寸进行衬砌结构(2)钢筋笼的绑扎，用满足所需设计强度的混凝土进行衬砌结构(2)的浇筑养护，并在衬砌结构(2)内需要检测的位置预埋监测仪器(51)；浇筑围岩层(4)包括：根据设计模板，将围岩层(4)分层浇筑成特定的形状并养护，同样地围岩层(4)内需要检测的位置预埋监测仪器(51)，并在围岩层(4)内预留井字形钢绞线孔道(45)，且钢绞线孔道(45)分布在衬砌结构(2)四周；步骤2)，安装不等围岩压力钢绞线预应力加载机构(32)，包括：先固定好浇筑养护完成的衬砌结构(2)，将浇筑养护完成的围岩层(4)按照分层顺序紧贴衬砌结构(2)外壁用砂浆砌筑；待砂浆凝固，将四块传力厚钢板(328)分别内嵌在围岩层(4)四周，并在传力厚钢板(328)上对应于预应力钢绞线(321)孔道延伸处钻孔；将四根预应力钢绞线(321)穿过围岩层(4)内预留的井字形钢绞线孔道(45)，且每根预应力钢绞线(321)末端均固定在传力厚钢板(328)外侧；通过液压拉伸机(322)和电动高压油泵(323)对预应力钢绞线(321)进行张拉，到达预定拉应力时用锚具(325)固定预应力钢绞线(321)两端；步骤3)，将衬砌结构(2)与围岩层(4)形成的整体连同预应力钢绞线(321)一起垂直吊装进反力墙(1)内腔，并将衬砌结构(2)底部插入定位钢环(119)中；步骤4)，安装和密封上盖板(12)，包括：在反力墙主体(11)开口凸台处及衬砌结构(2)顶部安装橡胶密封圈，在密封圈内盖上密封钢板(13)，在密封钢板(13)上盖上上盖板(12)，衬砌结构(2)与密封钢板(13)和上盖板(12)之间采用螺栓连接，反力墙主体(11)与上盖板(12)之间采用螺栓连接；另外预埋进衬砌结构(2)内的监测仪器(51)数据线及预埋进围岩层(4)内的监测仪器(51)数据线均依次通过密封钢板(13)上的第二仪器线缆出口(133)和上盖板(12)上的第四仪器线缆出口(123)引出；步骤5)，安装外水压力加载机构(33)，包括：在反力墙主体(11)外侧的注水阀门接头(114)上安装第二水压力管(333)，并将第二加压水泵(331)、第二水压力表(332)安装在第二水压力管(333)另一端；步骤6)，安装内水压力加载机构(31)，包括：在上盖板(12)外侧的注水阀门接头(126)上安装第一水压力管(313)，并将第一加压水泵(311)、第一水压力表(312)安装在第一水压力管(313)另一端；步骤7)，外水压力加载，包括：对第二仪器线缆出口(133)、第四仪器线缆出口(123)、密封钢板(13)四周进行密封后，根据实验方案，打开第二加压水泵(331)注水至反力墙(1)四周内壁与衬砌结构(2)外壁之间形成的外加压腔内；步骤8)，内水压力加载，包括：对衬砌结构(2)底部、衬砌结构(2)内壁进行密封后，根据实验方案，打开第一加压水泵(311)注水至衬砌结构(2)内壁与反力墙(1)之间形成的内注水加压腔，根据实验方案，注水至水压力设计值，并使用数据采集仪器(52)进行数据采集；步骤9)，将引出的监测仪器(51)数据线连接到数据采集仪器(52)进行数据采集，再连接至电脑中，通过数据采集软件对采集到的应力应变，不等围岩预应力钢绞线压力，内、外水压等数据进行采集和后期处理，分析在不同压力荷载下围岩层(4)稳定性和衬砌结构(2)中钢筋和混凝土的应力应变关系。2.根据权利要求1所述的不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验方法，其特征在于：所
述不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验装置包括所述立体空壳结构的反力墙(1)，所述空心筒状衬砌结构(2)竖直布置在反力墙(1)内腔中心处，且衬砌结构(2)高度与反力墙(1)内腔高度相同、端面齐平，从而使反力墙(1)上下内壁与衬砌结构(2)内壁之间形成内注水加压腔，使反力墙(1)四周内壁与衬砌结构(2)外壁之间形成外加压腔；所述内水压力加载机构(31)设置在衬砌结构(2)空心筒上端对应的反力墙(1)上，通过所述内水压力加载机构(31)向内注水加压腔进行注水加压，模拟隧洞内水压力作用；所述外水压力加载机构(33)设置在反力墙(1)开口端外侧，所述外水压力加载机构(33)用于向围岩层(4)和衬砌结构(2)施加四周向中心的外水压力，模拟隧洞外水压力作用；所述透水混凝土结构的立体围岩层(4)贴合在衬砌结构(2)外壁，所述不等围岩压力钢绞线预应力加载机构(32)布置在围岩层(4)内部，且分布在衬砌结构(2)四周，通过不等围岩压力钢绞线预应力加载机构(32)向围岩层(4)进行左右和前后两个方向挤压，模拟隧洞外不等围岩压力作用；所述试验装置还包括分别预埋在所述围岩层(4)和衬砌结构(2)内的监测系统(5)，所述监测系统(5)用于对围岩层(4)内的围岩压力，内、外水压力和衬砌结构(2)内的应力、应变进行数据采集并分析。3.根据权利要求2所述的不等围压和水压下围岩与衬砌结构试验方法，其特征在于：步骤1)中，所述围岩层(4)从内向外依次布置一次性透水混凝土结构(41)和循环透水混凝土结构(42)，所述一次性透水混凝土结构(41)为贴合在衬砌结构(2)外侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄书岭，丁秀丽，李杉，吴勇进，刘登学，张练，秦洋，马旭强，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：