局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法及系统技术方案

本发明专利技术属隧道工程技术领域，尤其涉及局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法，包括以下步骤：制备温控软化围岩材料；制作隧道模型；在密封箱体内填装围岩相似材料，并将隧道模型放置在围岩相似材料内，同时，将温控软化围岩材料设置在隧道模型周围预定位置和范围；将密封箱体密封固定，并将密封箱体与围岩环境模拟组件连接，随后开始试验；还包括基于上述方法设置的一种试验系统。本发明专利技术通过调整温控软化围岩材料的温度以改变局部材料参数来模拟遇水软化效果，达到模拟隧道周围局部围岩不同程度软化的特殊环境，有效模拟了富水岩溶地区局部围岩软化条件下隧道衬砌结构的受力、破坏全过程。破坏全过程。破坏全过程。

【技术实现步骤摘要】
局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法及系统


[0001]本专利技术属隧道工程
，尤其涉及局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法及系统。

技术介绍

[0002]现有模型试验研究只考虑衬砌结构外部围岩荷载和水压荷载，地下水长期浸泡、侵蚀引起的局部岩体破碎、软化现象与高水压的耦合作用对衬砌结构力学响应的影响尚不明确。高水压环境下局部泥质灰岩遇水浸泡软化现象将显著改变衬砌结构的受力状态，造成衬砌结构产生局部不均匀变形，进而引发一系列安全问题。因此设计一种富水地层局部遇水软化围岩条件下隧道衬砌力学响应的试验方法及系统具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法及系统，以解决上述问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法，包括以下步骤：S1、制备温控软化围岩材料，在所述温控软化围岩材料内设置温度控制装置；S2、制作隧道模型，在所述隧道模型上设置变形和应变测试装置；S3、在密封箱体内填装围岩相似材料，并将所述隧道模型放置在所述围岩相似材料内，同时，将所述温控软化围岩材料设置在所述隧道模型周围预定位置和范围；S4、在所述隧道模型周围设置水压土压监测装置；S5、将所述密封箱体密封固定，并将所述密封箱体与围岩环境模拟组件连接，使所述围岩环境模拟组件作用在所述围岩相似材料上；S6、试验测试，通过所述温度控制装置调整所述温控软化围岩材料的温度以改变局部材料参数，模拟遇水软化效果，通过所述围岩环境模拟组件调整所述隧道模型水压土压环境，通过所述变形和应变测试装置记录所述隧道模型的受力响应。
[0005]优选的，所述S1中，所述温控软化围岩材料的制备包括以下步骤：S11、基于局部软化围岩的原型参数和相似比，以石英砂、重晶石粉和凡士林作为原材料在室温5℃环境下进行配比试验，获得未软化时石英砂、重晶石粉和凡士林原材料的配比，并制备成试件；S12、将所述试件加热到不同温度后再次进行三轴压缩和直剪试验，获得不同温度下温控材料的物理力学参数，建立“温度－软化围岩材料力学参数”之间的对应关系。
[0006]优选的，所述S2中，所述隧道模型的制备包括如下步骤：S21、以石膏和水为原材料针对所研究的工程对象制作所述隧道模型；S22、将所述变形和应变测试装置 安装在所述隧道模型预定位置，并做防水处理。
[0007]优选的，所述S4中，所述围岩相似材料的制备包括如下步骤：
S31、基于实际围岩的基本参数，以重晶石粉和石英砂为原材料配置所述围岩相似材料。
[0008]局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验系统，基于上述的局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法，包括钢制基础底座，所述密封箱体固接在所述钢制基础底座上，所述隧道模型固定在所述密封箱体的中部，所述温控软化围岩材料设置在所述隧道模型外侧周围预定位置和范围，所述围岩相似材料填充在所述密封箱体的空隙；所述变形和应变测试装置安装在所述隧道模型上；所述温度控制装置设置在所述温控软化围岩材料内；所述围岩环境模拟组件安装在所述密封箱体上，所述围岩环境模拟组件作用在所述围岩相似材料上；所述水压土压监测装置设置在所述隧道模型周围，所述水压土压监测装置埋设在所述围岩相似材料内。
[0009]优选的，所述变形和应变测试装置包括若干光栅位移传感器和若干应变片；若干所述光栅位移传感器架设在所述隧道模型内侧，所述光栅位移传感器的滑动测杆与隧道模型内表面接触设置，若干所述光栅位移传感器电性连接有静态应变采集仪；若干所述应变片固接在所述隧道模型内侧和外侧，若干所述应变片与所述静态应变采集仪电性连接；所述水压土压监测装置包括若干微型水压力传感器和若干微型土压力传感器，若干所述微型水压力传感器和若干所述微型土压力传感器环绕设置在所述隧道模型周围，若干所述微型水压力传感器和若干所述微型土压力传感器埋设在所述围岩相似材料内，所述若干微型水压力传感器和若干微型土压力传感器与所述静态应变采集仪电性连接；所述静态应变采集仪电性连接有监测计算机。
[0010]优选的，所述温度控制装置设置包括温度传感器、温度控制器和温度控制计算机，所述温度传感器和所述温度控制器埋设在所述温控软化围岩材料内，所述温度传感器和所述温度控制器与所述温度控制计算机电性连接。
[0011]优选的，所述围岩环境模拟组件包括水压模拟部和土压模拟部，所述土压模拟部的施压端作用在所述围岩相似材料的顶面，所述土压模拟部的固定端与所述钢制基础底座固接；所述水压模拟部的出水端与所述密封箱体顶部的注水孔连通，所述水压模拟部的回水端与所述密封箱体底部的排水孔连通。
[0012]优选的，所述土压模拟部包括反力架，所述反力架底部与所述钢制基础底座顶部固接，所述反力架顶部中部固接有油压泵的固定端，所述油压泵的活动端固接有竖向位移动作器，所述竖向位移动作器下方接触设置有打孔钢垫板的顶部，所述打孔钢垫板底部与所述围岩相似材料接触设置；所述竖向位移动作器与所述打孔钢垫板固接有压力传感器；所述油压泵、所述竖向位移动作器和所述压力传感器与地应力控制计算机电性连接。
[0013]优选的，所述水压模拟部包括注水泵，所述注水泵通过导水管连通有控制阀门的一端，所述控制阀门的另一端连通有水压计的一端，所述水压计的另一端与所述注水孔连
通，所述排水孔通过排水管连通有排水箱。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：使用时，待围岩相似材料固结完成后，根据试验计划，利用温度控制装置在密封箱体中分阶段调整隧道模型周围的温控软化围岩材料的温度，改变温控软化围岩材料参数，模拟遇水软化效果，然后利用围岩环境模拟组件调整隧道模型所处的水土环境。并利用隧道模型内安装的变形和应变测试装置记录隧道模型的受力响应，达到模拟隧道周围局部围岩不同程度软化的特殊环境，有效模拟了富水岩溶地区局部围岩软化条件下隧道衬砌结构的受力、破坏全过程。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术温控软化围岩材料及温度传感器和温度控制器连接示意图；图3为本专利技术应变片、微型土压力传感器、微型水压力传感器和光栅位移传感器结构示意图；其中，1、密封箱体；2、注水孔；3、加强肋；4、排水孔；5、钢制基础底座；6、围岩相似材料；7、温控软化围岩材料；8、温度传感器；9、温度控制器；10、温度控制计算机；11、注水泵；12、水压计；13、控制阀门；14、导水管；15、反力架；16、油压泵；17、竖向位移动作器；18、压力传感器；19、打孔钢垫板；20、地应力控制计算机；21、监测计算机；22、静态应变采集仪；23、微型水压力传感器；24、微型土压力传感器；25、光栅位移传感器；2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备温控软化围岩材料（7），在所述温控软化围岩材料（7）内设置温度控制装置；S2、制作隧道模型（29），在所述隧道模型（29）上设置变形和应变测试装置；S3、在密封箱体（1）内填装围岩相似材料（6），并将所述隧道模型（29）放置在所述围岩相似材料（6）内，同时，将所述温控软化围岩材料（7）设置在所述隧道模型（29）周围预定位置和范围；S4、在所述隧道模型（29）周围设置水压土压监测装置；S5、将所述密封箱体（1）密封固定，并将所述密封箱体（1）与围岩环境模拟组件连接，使所述围岩环境模拟组件作用在所述围岩相似材料（6）上；S6、试验测试，通过所述温度控制装置调整所述温控软化围岩材料（7）的温度以改变局部材料参数，模拟遇水软化效果，通过所述围岩环境模拟组件调整所述隧道模型（29）水压土压环境，通过所述变形和应变测试装置记录所述隧道模型（29）的受力响应。2.根据权利要求1所述的局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法，其特征在于：所述S1中，所述温控软化围岩材料的制备包括以下步骤：S11、基于局部软化围岩的原型参数和相似比，以石英砂、重晶石粉和凡士林作为原材料在室温5℃环境下进行配比试验，获得未软化时石英砂、重晶石粉和凡士林原材料的配比，并制备成试件；S12、将所述试件加热到不同温度后再次进行三轴压缩和直剪试验，获得不同温度下温控材料的物理力学参数，建立“温度－软化围岩材料力学参数”之间的对应关系。3.根据权利要求1所述的局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法，其特征在于：所述S2中，所述隧道模型的制备包括如下步骤：S21、以石膏和水为原材料针对所研究的工程对象制作所述隧道模型；S22、将所述变形和应变测试装置安装在所述隧道模型预定位置，并做防水处理。4.根据权利要求1所述的局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法，其特征在于：所述S4中，所述围岩相似材料的制备包括如下步骤：S31、基于实际围岩的基本参数，以重晶石粉和石英砂为原材料配置所述围岩相似材料。5.局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验系统，基于权利要求1
‑
4任一所述的局部遇水软化围岩隧道衬砌力学响应的试验方法，其特征在于：包括钢制基础底座（5），所述密封箱体（1）固接在所述钢制基础底座（5）上，所述隧道模型（29）固定在所述密封箱体（1）的中部，所述温控软化围岩材料（7）设置在所述隧道模型（29）外侧周围预定位置和范围，所述围岩相似材料（6）填充在所述密封箱体（1）的空隙；所述变形和应变测试装置安装在所述隧道模型（29）上；所述温度控制装置设置在所述温控软化围岩材料（7）内；所述围岩环境模拟组件安装在所述密封箱体（1）上，所述围岩环境模拟组件作用在所述围岩相似材料（6）上；所述水压土压监测装置设置在所述隧道模型（29）周围，所述水压土压监测装置埋设在所述围岩相似材料（6）内。6.根据权利要求5所述的局部遇水软化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翾，闵博，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：