干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道的模型試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道的 模型試驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國尚速公路、尚鐵等基礎(chǔ)建設(shè)向我國西南等偏遠(yuǎn)山區(qū)的發(fā)展和推廣，險(xiǎn)道 建設(shè)不可避免地遇到一些特殊地質(zhì)區(qū)域，如膨脹土、黃土等脹縮性土質(zhì)。在施工建設(shè)過程， 由于部分地區(qū)氣候特征存在降雨和日照交替出現(xiàn)，致使隧道地表和開挖掌子面始終處于干 濕循環(huán)狀態(tài)，從而導(dǎo)致脹縮性土質(zhì)圍巖產(chǎn)生較大變形和失穩(wěn)，導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)斷裂、支撐變形 等施工問題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、安全和質(zhì)量。因此，揭示干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道 圍巖失穩(wěn)破壞機(jī)理，對于特殊地質(zhì)條件下隧道工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工尤為重要。然而，已有 的理論分析和數(shù)值計(jì)算方法，無法采用合理的脹縮性土的力學(xué)模型，致使準(zhǔn)確地再現(xiàn)干濕 循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道圍巖失穩(wěn)破壞過程較難；同時(shí)，開展大規(guī)?，F(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行分析， 其操作過程不僅可變性因素重多難于掌控，而且試驗(yàn)成本較大，極易延誤施工建設(shè)過程，因 此也很少使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明專利為了解決上述問題，提出了一種干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道的模 型試驗(yàn)裝置及方法，該裝置和方法能夠有效、真實(shí)地揭示干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道 圍巖失穩(wěn)破壞的發(fā)展、擴(kuò)展及其最終形態(tài)，揭示隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與變形模式，評價(jià) 隧道施工工藝和支護(hù)措施的優(yōu)缺點(diǎn)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] 干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道的模型試驗(yàn)裝置，包括上部開放的隧道模型架， 所述隧道模型架內(nèi)設(shè)有模擬實(shí)際工程的隧道模型，所述隧道模型內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)采集裝置；所 述隧道模型架頂部設(shè)有降雨和日照模擬裝置，所述降雨和日照模擬裝置為一底部設(shè)有若干 漏水孔洞的容器，所述容器底部設(shè)有可拆卸的強(qiáng)光燈，利用所述漏水孔洞的漏水及所述強(qiáng) 光燈照明實(shí)現(xiàn)隧道圍巖干濕循環(huán)的模擬；所述強(qiáng)光燈的光照強(qiáng)度和光照時(shí)間由電腦進(jìn)行控 制，以此達(dá)到真實(shí)模擬工程實(shí)際條件。
[0006] 通過電腦調(diào)節(jié)日照時(shí)間和強(qiáng)度，有效地模擬光照條件對于脹縮土質(zhì)隧道圍巖縮水 固結(jié)的影響；以此總結(jié)并揭示干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道圍巖失穩(wěn)破壞機(jī)理。
[0007] 所述隧道模型根據(jù)實(shí)際工程的地質(zhì)情況，采用相似材料構(gòu)筑而成。
[0008] 根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況，采用相似材料構(gòu)筑隧道，可以為脹縮性土質(zhì)下隧道工程 建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工提供評價(jià)依據(jù)。
[0009] 所述容器為塑料方桶，所述塑料方桶底部均勻布設(shè)直徑為的圓孔，孔間 距為2mm-4mm〇
[0010] 所述容器上方設(shè)有用于儲存降水總量的儲水池，所述儲水池上設(shè)有帶控制閥的水 管，所述水管的出口對準(zhǔn)所述容器；所述電腦與所述控制閥連接，并控制所述水管的水流量 和水流時(shí)間，進(jìn)而控制降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間。
[0011] 通過電腦調(diào)節(jié)降雨設(shè)備，使其真實(shí)再現(xiàn)工程實(shí)際降雨歷程與降雨強(qiáng)度，能夠充分 研究不同降雨歷程和不同降雨強(qiáng)度條件下脹縮性土質(zhì)隧道圍巖膨脹失穩(wěn)與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形 規(guī)律。
[0012] 所述隧道模型架由鋼板焊接而成，所述隧道模型架的前側(cè)設(shè)有鋼化玻璃。
[0013] 隧道模型架前側(cè)設(shè)有鋼化玻璃，方便觀測隧道變形和控制實(shí)驗(yàn)過程。
[0014] 所述數(shù)據(jù)采集裝置，為應(yīng)變磚、應(yīng)力傳感器、土壓力盒、多點(diǎn)位移計(jì)中的任意一種 或幾種。
[0015] 所述隧道模型裝置內(nèi)埋設(shè)排水管與進(jìn)水管。
[0016] 所述排水管平行布設(shè)于所述隧道模型裝置的底部，所述進(jìn)水管上設(shè)有控制進(jìn)水流 量的水閥。
[0017] 其中，排水管用于將多余降雨所產(chǎn)生的雨水排出模型裝置，防止由于雨水過多造 成模型試驗(yàn)浸泡；進(jìn)水管用于控制模型試驗(yàn)過程中地下水位保持恒定。
[0018] 干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道的模型試驗(yàn)方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟1 :按照實(shí)際工程配置脹縮性土的相似材料，依據(jù)相似比例填筑隧道模型，并 在所需位置預(yù)埋監(jiān)測元件；
[0020] 步驟2 :調(diào)整所述監(jiān)測元件的初始值，之后進(jìn)行隧道開挖與支護(hù)，并在相應(yīng)過程中 進(jìn)行日照和降雨的模擬，在此過程中實(shí)時(shí)采集所述監(jiān)測元件的變化數(shù)據(jù)，以此評判脹縮性 土質(zhì)隧道圍巖在降雨和日照不同階段的脹縮規(guī)律，以及降雨與日照交替情況下所述隧道圍 巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。
[0021] 步驟3:當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，依據(jù)所述監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形狀 態(tài)，評價(jià)施工工藝和支護(hù)措施的效果。
[0022] 所述日照和降雨模擬過程通過預(yù)先設(shè)定，在隧道開挖與支護(hù)前、支護(hù)中或支護(hù)后 的相應(yīng)階段進(jìn)行模擬。
[0023] 通過干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道圍巖孕災(zāi)機(jī)理研究的模型試驗(yàn)裝置及其方 法分析，真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際工程中典型的施工工藝和支護(hù)措施，能夠有效地再現(xiàn)隧道圍巖在干 濕循環(huán)作用過程中不同時(shí)期的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性狀態(tài)和破碎過程，相比其他方法， 能夠綜合全面地揭示隧道施工過程與支護(hù)措施的效果和問題。
[0024] 本發(fā)明專利的有益效果為：
[0025] 干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道的模型試驗(yàn)裝置及方法，不僅解決了無法采用合 理的脹縮性土的力學(xué)模型，從而無法準(zhǔn)確地再現(xiàn)干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道圍巖失穩(wěn) 破壞過程的難題；而且，節(jié)省了現(xiàn)場試驗(yàn)成本和掌控了實(shí)際工程的諸多因素，完全不延誤現(xiàn) 場施工與支護(hù)。具體具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)典型的施工工藝和支護(hù)措施評價(jià)方面：采用典型 的施工工藝和支護(hù)加固措施開展干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道圍巖加固效果評價(jià)，不僅 可以真實(shí)再現(xiàn)建設(shè)過程指導(dǎo)現(xiàn)場施工，而且為設(shè)計(jì)單位提供了重要設(shè)計(jì)參數(shù)和改善依據(jù)。 (2)干濕循環(huán)模擬效果方面：能夠有效地模擬不同地區(qū)、不同氣候的降雨與日照，相比其他 方法，能夠綜合全面地評價(jià)干濕循環(huán)模擬效果與問題。
[0026] 綜上所述，干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道的模型試驗(yàn)裝置及方法，能夠有效、真 實(shí)地揭示干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道圍巖失穩(wěn)破壞的發(fā)展、擴(kuò)展及最終形態(tài)，揭示其 孕災(zāi)機(jī)理，評價(jià)支護(hù)加固效果；與此同時(shí)，不僅可以真實(shí)再現(xiàn)建設(shè)過程指導(dǎo)現(xiàn)場施工，而且 為設(shè)計(jì)單位提供了重要設(shè)計(jì)參數(shù)和改善依據(jù)，提高了工作效率。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明專利的正視圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明專利的側(cè)視圖；
[0029] 其中，1、儲水池；2、降雨池；3、隧道模型架；4、隧道模型。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0031] 應(yīng)當(dāng)理解，本文中所涉及的重點(diǎn)在于干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道圍巖孕災(zāi)機(jī) 理研究的真實(shí)性和有效性方面的改善，對其中所涉及的鋼拱架的相應(yīng)結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員根據(jù)本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)容易確知。
[0032] 干濕循環(huán)作用下脹縮性土質(zhì)隧道的模型試驗(yàn)裝置，如圖