CN107179269B - 一种可同时模拟降雨和顶部加载的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可同时模拟降雨和顶部加载的试验装置及试验方法，包括带孔均布梁、油压千斤顶、反力调整板和降雨模拟装置，所述带孔均布梁放置于待加载岩土体的上部，所述带孔均布梁的上翼缘上均匀分布设置有若干油压千斤顶，所述反力调整板通过液压升降装置设置在油压千斤顶上方，所述降雨模拟装置悬吊设置在反力调整板下方。本发明可以模拟不同降雨条件和埋深条件控制下的深埋隧道降雨入渗的问题，本试验装置结构简单，试验结果可靠性高，能较好的还原深埋隧道降雨入渗的实际情况。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程地质灾害模型试验领域，具体涉及一种可同时模拟降雨和顶部加载条件下的地表水下渗的试验装置及方法。
背景技术
近几十年来，我国交通运输等重大基础设施蓬勃发展。到2020年，我国高速公路和铁路均将超过12万公里，铁路隧道将达到1万公里。一大批高风险深长隧道即将修建，这些隧道具有“埋深大、洞线长、高应力、高水压和地质构造复杂”的显著特点。突水是深长隧道建设过程中经常遇到的重大地质灾害，据不完全统计，约占各类灾害的40％，超过了岩爆、塌方、瓦斯等地质灾害，成为隧道建设过程中面临的极大挑战。突水突泥灾害一旦发生，对隧道建设安全的影响极大，轻则造成工期延误、机具损坏，重则危及施工人员的生命和财产安全。
引发突水灾害的地下水主要由两部分组成：静储量、动储量。静储量是隧道工程开挖前，在含水层中赋存的地下水，当隧道突水以静储量为主时，由于不存在动储量补给，该类突水会逐步衰减直到最后含水层中的地下水被疏干，从而形成滴漏水或渗析水；动储量是大气降雨积聚的地表水通过下渗的形式不断补给含水层的水体，动储量的大小由地表水的补给量、补给条件及径流、***条件等决定，当隧道突水以动储量为主时，涌水量由小到大变化，逐步趋于与动储量相当，即含水围岩的涌水量等于地表水补给含水层中的地下水。
明显地，以动储量为主的突水破坏形式对隧道工程施工的安全性具有更大的威胁，因此，开展地表水下渗的研究对于隧道工程突水灾害的突水规律以及突水灾害的预防和治理都具有重要的战略意义。目前，关于降雨入渗对隧道突水影响的研究仅仅局限于浅埋隧道，由于缺乏突相应的试验装置，难以展开深埋隧道在降雨条件下引发的地表水下渗的相关研究，模型试验研究处于相对滞后状态。亟需研发一个能综合实现降雨条件和埋深条件同时作用的试验装置，从而针对深埋隧道的降雨入渗问题展开研究。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可同时模拟降雨和顶部加载的试验装置及试验方法，可以模拟不同降雨条件和埋深条件控制下的深埋隧道降雨入渗的问题，本试验装置结构简单，试验结果可靠性高，能较好的还原深埋隧道降雨入渗的实际情况。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可同时模拟降雨和顶部加载的试验装置，包括带孔均布梁、油压千斤顶、反力调整板和降雨模拟装置，所述带孔均布梁放置于待加载岩土体的上部，所述带孔均布梁的上翼缘凹槽滑轨内均匀分布设置有若干油压千斤顶，所述反力调整板通过液压升降装置设置在油压千斤顶上方，所述降雨模拟装置悬吊设置在反力调整板下方。
进一步的，所述带孔均布梁为截面形状为工字形结构体，包括上翼缘、腹板和下翼缘，所述上翼缘和下翼缘之间通过腹板上、下一体设置，所述上翼缘中部分布有凹槽滑轨沿带孔均布梁长度方向延伸，油压千斤顶可放置于凹槽滑轨中滑动至预定位置固定，下翼缘上均匀分布设置有降雨入渗孔，在降雨入渗孔周围板体呈锥形分布，存在的坡度有利于雨水下渗，减少下翼缘板面的存水。
进一步的，所述带孔均布梁上翼缘长度为60a、宽度b1为4a，厚度t为0.6a,腹板厚度tw为0.4a，带孔均布梁截面梁高h为15a,下翼缘长度为60a、宽度b2为10a，厚度t为0.6a,整个梁截面尺寸：h(梁高):b1(上翼缘宽度):b2(下翼缘宽度):tw(腹板厚度)：t(翼缘厚度)＝15a:4a:10a:0.4a:0.6a。上下翼缘的截面积比为2:5，其中，下翼缘中的降雨入渗孔沿下翼缘宽度方向以腹板为轴，两侧均匀分布8排孔，孔间距为a，孔径为0.7a，沿下翼缘长度方向共59个入渗孔，孔间距为a，整个下翼缘共均匀分布472个降雨入渗孔。
进一步的，所述降雨模拟装置包括水箱、输水管、水泵、分水管、进水管、降雨喷头装置和喷头角度调节装置，所述水箱的出水端通过输水管与水泵的进水端连接，所述水泵的出水端与分水管连接，所述分水管的侧壁上均匀分布设置若干进水管，所述进水端分别通过喷头角度调节装置对应设置有降雨喷头装置。
进一步的，所述降雨喷头装置包括喷降雨喷头本体、喇叭式雨型孔、弹簧补偿器和弹性管路，所述进水管与弹性管路采用热熔方式连接，弹性管路外表面分布有弹簧补偿器，在弹性管路和弹簧补偿器的共同作用下可实现降雨喷头在0至90度范围内任意变换，所述降雨喷头本体出水孔处连接喇叭式雨型孔，喇叭式雨型孔选用强弹性材料，根据降雨流量及降雨压力的大小自动对应与其相适应的不同孔径的喇叭式雨型孔孔径，如当降雨类型为暴雨时，降雨流量和降雨压力均较大，将强弹性材料制成的喇叭式雨型孔的孔径撑至与其相适应的大小，直观表现为雨型孔孔径和降雨水压均较大。相反地，当降雨类型为小雨时，降雨流量和降雨压力均较小，对应的喇叭式雨型孔的孔径相应较小。
进一步的，所述喷头角度调节装置包括固定内管、带降雨喷头外管、弹簧和弹簧限位膜，所述固定内管与进水管连接，固定内管和带降雨喷头外管之间作用有弹簧和限定弹簧位置的弹簧限位膜，固定内管外表面1/4管面处标有0至90度的刻度线，转动带降雨喷头外管，外管端部对应的固定内管刻度即为降雨喷头旋转的角度，通过转动带降雨喷头外管可实现降雨喷头0至90度范围内的精确调节控制。
一种可同时模拟降雨和顶部加载的试验装置的试验方法：
1)试验前，调试油压千斤顶、自动控制柜、水泵试验设备，并将带孔均布梁放置于已开挖隧道的周边岩土体的顶部；
2)调节液压升降装置，下降反力调整板使其与油压千斤顶接触，并限定反力调整板的位置；
3)根据试验方案设定自动控制柜的加载压力，通过油压千斤顶、反力调整板作用于带孔均布梁，实现深埋隧道的模拟，调节自动控制柜的加载压力，可实现不同埋深的变化；
4)开启水泵，设定水压力，通过输水管、分水管和进水管将水箱中的水均匀送至降雨喷头装置；
5)转动喷头角度调节装置，使其带动内嵌的降雨喷头本体进行降雨角度的调整，直至其充分覆盖整个带孔均布梁的下翼缘，拧紧设置在喷头角度调节装置端部的螺栓，固定降雨角度；
6)调节水泵压力，改变降雨流量和降雨压力的大小，根据降雨流量及降雨压力的大小自动对应与其相适应的不同孔径的喇叭式雨型孔孔径，从而实现降雨级别(小雨、中雨、大雨、暴雨)的调节，采用控制阀和流量计调节控制降雨时间和降雨量，并做相应记录，然后观察记录降雨入渗情况；
7)展开后续渗流破坏的试验并进行相应的数据后处理。
有益效果：本发明模拟降雨条件下深埋隧道的地表水下渗的试验***装置及方法，采用如上技术方案，可以进行不同降雨条件、埋深条件两个主要因素控制下的地表水下渗的试验模拟。具体体现为：1)通过转动喷头角度调节装置使其带动内嵌的降雨喷头本体进行降雨角度的精确调节控制，直至其充分覆盖整个带孔均布梁的下翼缘，拧紧设置在喷头角度调节装置端部的螺栓，固定降雨角度；通过调节水泵压力，改变降雨流量和降雨压力的大小，根据降雨流量及降雨压力的大小自动对应与其相适应的不同孔径的喇叭式雨型孔孔径，从而实现降雨级别(小雨、中雨、大雨、暴雨)的调节。通过控制阀和流量计控制降雨时间和降雨量；2)下调反力调整板的位置至设计位置并固定，通过自动控制柜设定加载压力，加载压力通过油压千斤顶作用于反力调整板进而作用于整个带孔均布梁的上翼缘，受力情况通过腹板传递至下翼缘从而实现埋深和地应力的模拟，改变加载压力的大小可模拟不同埋深条件和地应力条件，进而可以模拟分析上述影响因素下的地表水的下渗行为，从而为研究深埋隧道因降雨入渗引发的渗流破坏的研究提供试验基础。
附图说明
图1为本发明试验装置的结构示意图；
图2为带孔均布梁的平面结构示意图；
图3为带孔均布梁的横截面及立面结构示意图；
图4为带孔均布梁的三维构造示意图；
图5为降雨装置及局部放大的三维构造示意图；
图6为降雨喷头装置及喷头角度调节装置结构示意图；
图7为降雨喷头本体及喇叭式雨型孔结构示意图；
图8为本发明试验装置的三维构造示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1，一种可同时模拟降雨和顶部加载的试验装置，包括带孔均布梁1、油压千斤顶2、反力调整板4和降雨模拟装置，所述带孔均布梁1放置于待加载岩土体的上部，所述带孔均布梁1的上翼缘上均匀分布设置有若干油压千斤顶2，所述反力调整板4通过液压升降装置设置在油压千斤顶2上方，所述降雨模拟装置通过悬吊支架16悬吊设置在反力调整板4下方。
如附图2、3和4分别为带孔均布梁的平面、横截面、立面和三维结构示意图，所述带孔均布梁1为截面形状为工字形结构体，包括上翼缘11h、腹板12h和下翼缘13h，所述上翼缘11h和下翼缘13h之间通过腹板12h上、下一体设置。具体的，带孔均布梁1的截面形状为工字型结构体，根据中翼缘H型钢标准尺寸(h:b:tw：t＝294:200:8:12)的相关规定，本带孔均布梁1在规定要求的基础上进行尺寸设计。相应地，整个梁截面尺寸：h(梁高):b1(上翼缘宽度):b2(下翼缘宽度):tw(腹板厚度)：t(翼缘厚度)＝15a:4a:10a:0.4a:0.6a；另根据《高规》6.3.1条相关规定，框架结构的主梁截面的跨高比约为10～18，一般宜取为12，结合本带孔均布梁1的特点，上下翼缘宽度不等，上翼缘中部分布有凹槽，下翼缘均匀分布降雨入渗孔对梁的整体强度和稳定性有一定的折减，考虑到本带孔均布梁1主要为加载用途，下方直接接触待加载的岩土体，因此，一定的强度折减不影响使用，综合考虑规范要求并考虑一定的安全系数，本带孔均布梁1的跨高比取为4，相应的带孔均布梁1的长度为60a。
所述上翼缘11h中部分布有凹槽滑轨沿带孔均布梁长度方向延伸，油压千斤顶2可放置于凹槽滑轨中滑动至预定位置固定，可防止油压千斤顶2在加载或固定时的位置偏移，下翼缘13h上均匀分布设置有降雨入渗孔14h，在降雨入渗孔14h周围板体呈锥形分布，存在的坡度有利于雨水下渗，减少下翼缘13h板面的存水。
所述带孔均布梁1的下翼缘13h与待加载的岩土体接触，下翼缘均匀分布降雨入渗孔14h。具体的，下翼缘13h中的降雨入渗孔14h沿下翼缘13h宽度方向以腹板12h为轴，两侧均匀分布8排孔，孔间距为a，孔径为0.7a，沿下翼缘13h长度方向共59个入渗孔，孔间距为a，整个下翼缘13h共均匀分布472个降雨入渗孔14h。
如附图1所述降雨模拟装置包括水箱7、输水管8、水泵9、分水管10、进水管11、降雨喷头装置12和喷头角度调节装置13，所述水箱7的出水端通过输水管8与水泵9的进水端连接，所述水泵9的出水端与分水管10连接，所述分水管10的侧壁上均匀分布设置若干进水管11，所述进水端分别通过喷头角度调节装置13对应设置有降雨喷头装置12。
如附图5为降雨装置及局部放大的三维构造示意图，整个降雨装置由4排降雨喷头装置12组成，以2排为1组均匀分布在以油压千斤顶2对应反力调整板4位置的两侧，降雨过程中，通过转动喷头角度调节装置13，使其带动内嵌的降雨喷头本体121进行降雨角度的调整，直至其充分覆盖整个带孔均布梁1的下翼缘，拧紧设置在喷头角度调节装置13端部的螺栓，固定降雨角度；调节水泵9压力，改变降雨流量和降雨压力的大小，根据降雨流量及降雨压力的大小自动对应与其相适应的不同孔径的喇叭式雨型孔122孔径，从而实现降雨级别小雨、中雨、大雨、暴雨的调节，采用控制阀15和流量计14调节控制降雨时间和降雨量。
如附图6和7，所述降雨喷头装置12包括喷降雨喷头本体121、喇叭式雨型孔122、弹簧补偿器123和弹性管路124，所述进水管11与弹性管路124采用热熔方式连接，弹性管路124外表面分布有弹簧补偿器123，在弹性管路124和弹簧补偿器123的共同作用下可实现降雨喷头在0至90度范围内任意变换，所述降雨喷头本体121出水孔处连接喇叭式雨型孔122，喇叭式雨型孔122选用强弹性材料，根据降雨流量及降雨压力的大小自动对应与其相适应的不同孔径的喇叭式雨型孔122孔径，如当降雨类型为暴雨时，降雨流量和降雨压力均较大，将强弹性材料制成的喇叭式雨型孔122的孔径撑至与其相适应的大小，直观表现为雨型孔孔径和降雨水压均较大。相反地，当降雨类型为小雨时，降雨流量和降雨压力均较小，对应的喇叭式雨型孔122的孔径相应较小。
所述喷头角度调节装置13包括固定内管131、带降雨喷头外管132、弹簧133和弹簧限位膜134，所述固定内管131与进水管11连接，固定内管131和带降雨喷头外管132之间作用有弹簧133和限定弹簧位置的弹簧限位膜134，固定内管外表面1/4管面处标有0至90度的刻度线，转动带降雨喷头外管132，外管端部对应的固定内管131刻度即为降雨喷头旋转的角度，通过转动带降雨喷头外管132可实现降雨喷头0至90度范围内的精确调节控制。
整个降雨过程：带有流量计14的输水管8分别与水箱7和水泵9连接，开启水泵9并设定抽水压力，将水箱7中的水通过输水管8抽送至分水管均匀分配至各个降雨喷头装置12，从而实现人工降雨；加压***由带孔均布梁1、油压千斤顶2、自动控制柜3、反力调整板4、支柱5以及液压升降装置组成。整个加载过程：将带孔均布梁1放置于待加载岩土体的上部，将3个由自动控制柜控制加载压力的油压千斤顶2均匀放于带孔均布梁1的上翼缘的凹槽滑轨内固定，调整液压升降调节装置6沿支柱5下降反力调整板4，使其与油压千斤顶2接触并限定反力调整板4的位置，通过自动控制柜设定加载压力，油压千斤顶2和反力调整板4组成反力***作用于带孔均布梁1，进而实现对岩土体的加载，来达到模拟不同埋深及地应力的目的。
一种可同时模拟降雨和顶部加载的试验装置的试验方法：
1)试验前，调试油压千斤顶2、自动控制柜3、水泵9试验设备，并将带孔均布梁1放置于已开挖隧道的周边岩土体的顶部；
2)调节液压升降装置，下降反力调整板4使其与油压千斤顶2接触，并限定反力调整板的位置；
3)根据试验方案设定自动控制柜3的加载压力，通过油压千斤顶2、反力调整板4作用于带孔均布梁1，实现深埋隧道的模拟，调节自动控制柜的加载压力，可实现不同埋深的变化；
4)开启水泵9，设定水压力，通过输水管8、分水管10和进水管11将水箱7中的水均匀送至降雨喷头装置12；
5)转动喷头角度调节装置13，使其带动内嵌的降雨喷头本体121进行降雨角度的调整，直至其充分覆盖整个带孔均布梁的下翼缘，拧紧设置在喷头角度调节装置13端部的螺栓，固定降雨角度；
6)调节水泵9压力，改变降雨流量和降雨压力的大小，根据降雨流量及降雨压力的大小自动对应与其相适应的不同孔径的喇叭式雨型孔122孔径，从而实现降雨级别(小雨、中雨、大雨、暴雨)的调节，采用控制阀15和流量计14调节控制降雨时间和降雨量，并做相应记录，然后观察记录降雨入渗情况；
7)展开后续渗流破坏的试验并进行相应的数据后处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种可同时模拟降雨和顶部加载的试验装置，其特征在于：包括带孔均布梁(1)、油压千斤顶(2)、反力调整板(4)和降雨模拟装置，所述带孔均布梁(1)放置于待加载岩土体的上部，所述带孔均布梁(1)的上翼缘上均匀分布设置有若干油压千斤顶(2)，所述反力调整板(4)通过液压升降装置设置在油压千斤顶(2)上方，所述降雨模拟装置悬吊设置在反力调整板(4)下方；
所述带孔均布梁(1)为截面形状为工字形结构体，包括上翼缘(11h)、腹板(12h)和下翼缘(13h)，所述上翼缘(11h)和下翼缘(13h)之间通过腹板(12h)上、下一体设置，所述上翼缘(11h)中部分布有凹槽滑轨沿带孔均布梁(1)长度方向延伸，油压千斤顶可放置于凹槽滑轨中滑动至预定位置固定，下翼缘(13h)上均匀分布设置有降雨入渗孔(14h)，在降雨入渗孔(14h)周围板体呈锥形分布；
所述降雨模拟装置包括水箱(7)、输水管(8)、水泵(9)、分水管(10)、进水管(11)、降雨喷头装置(12)和喷头角度调节装置(13)，所述水箱(7)的出水端通过输水管(8)与水泵(9)的进水端连接，所述水泵(9)的出水端与分水管(10)连接，所述分水管(10)的侧壁上均匀分布设置若干进水管(11)，所述进水端分别通过喷头角度调节装置(13)对应设置有降雨喷头装置(12)；
所述降雨喷头装置(12)包括喷降雨喷头本体(121)、喇叭式雨型孔(122)、弹簧补偿器(123)和弹性管路(124)，所述进水管(11)与弹性管路(124)连接，弹性管路(124)外表面分布有弹簧补偿器(123)，在弹性管路(124)和弹簧补偿器(123)的共同作用下可实现降雨喷头在0至90度范围内任意变换，所述降雨喷头本体(121)出水孔处连接喇叭式雨型孔(122)，根据降雨流量及降雨压力的大小自动对应与其相适应的不同孔径的喇叭式雨型孔（122）孔径；
模拟不同降雨条件和埋深条件控制下的深埋隧道降雨入渗的问题，试验方法：
1)试验前，调试油压千斤顶(2)、自动控制柜(3)、水泵(9)试验设备，并将带孔均布梁(1)放置于已开挖隧道的周边岩土体的顶部；
2)调节液压升降装置，下降反力调整板(4)使其与油压千斤顶(2)接触，并限定反力调整板的位置；
3)根据试验方案设定自动控制柜(3)的加载压力，通过油压千斤顶(2)、反力调整板(4)作用于带孔均布梁(1)，实现深埋隧道的模拟，调节自动控制柜的加载压力，可实现不同埋深的变化；
4)开启水泵(9)，设定水压力，通过输水管(8)、分水管(10)和进水管(11)将水箱(7)中的水均匀送至降雨喷头装置(12)；
5)转动喷头角度调节装置(13)，使其带动内嵌的降雨喷头本体(121)进行降雨角度的调整，直至其充分覆盖整个带孔均布梁的下翼缘，拧紧设置在喷头角度调节装置(13)端部的螺栓，固定降雨角度；
6)调节水泵(9)压力，改变降雨流量和降雨压力的大小，根据降雨流量及降雨压力的大小自动对应与其相适应的不同孔径的喇叭式雨型孔孔径(122)，从而实现降雨级别小雨、中雨、大雨、暴雨的调节，采用控制阀(15)和流量计(14)调节控制降雨时间和降雨量，并做相应记录，然后观察记录降雨入渗情况；
7)展开后续渗流破坏的试验并进行相应的数据后处理；
所述喷头角度调节装置(13)包括固定内管(131)、带降雨喷头外管(132)、弹簧(133)和弹簧限位膜(134)，所述固定内管(131)与进水管(11)连接，固定内管(131)和带降雨喷头外管(132)之间作用有弹簧(133)和限定弹簧位置的弹簧限位膜(134)，固定内管外表面1/4管面处标有0至90度的刻度线，转动带降雨喷头外管(132)，外管端部对应的固定内管(131)刻度即为降雨喷头旋转的角度，通过转动带降雨喷头外管(132)可实现降雨喷头0至90度范围内的精确调节控制。
2.根据权利要求1所述的一种可同时模拟降雨和顶部加载的试验装置，其特征在于：所述带孔均布梁上翼缘(11h)长度为60a、宽度b1为4a，厚度t为0.6a,腹板(12h)厚度tw为0.4a，带孔均布梁截面梁高h为15a,下翼缘(13h)长度为60a(13)、宽度b2为10a，厚度t为0.6a,整个梁截面尺寸：h梁高:b1上翼缘宽度:b2下翼缘宽度:tw腹板厚度：t翼缘厚度＝15a:4a:10a:0.4a:0.6a；上下翼缘的截面积比为2:5，其中，下翼缘(13h)中的降雨入渗孔(14h)沿下翼缘(13h)宽度方向以腹板(12h)为轴，两侧均匀分布8排孔，孔间距为a，孔径为0.7a，沿下翼缘(13h)长度方向共59个入渗孔，孔间距为a，整个下翼缘(13h)共均匀分布472个降雨入渗孔(14h)。
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