CN218937991U - 一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及衬砌模拟试验装置，具体涉及一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，包括加载机构、隧道模拟机构及检测***，所述加载机构包括作动器及反力架，所述作动器安装于反力架内，并将所述作动器的施力端朝向内侧的隧道模拟机构，所述隧道模拟机构包括衬砌层及围岩模拟部，所述围岩模拟部包括钢制环箱及填充于钢制环箱内的膨胀性围岩模拟层，所述环箱其前侧挡板为可拆卸部件，与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本申请在衬砌受力模拟试验装置中增加膨胀性围岩的模拟层，用于研究膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形特性，整个实验装置对膨胀岩遇水膨胀过程以及膨胀时对隧道衬砌受力和位移造成的影响进行了充分的模拟。

Description

一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置

技术领域

本实用新型涉及隧道衬砌模拟测试装置，具体涉及一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置。

背景技术

近年来，随着我国基础设施建设的发展，越来越多的隧道不可避免地穿越软弱地层或特殊土地区，其中具有裂隙发育且膨胀性显著的膨胀岩尤其具有代表性。由于膨胀性岩含有大量的亲水性物质，具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形特性，随着膨胀、收缩变形的往复发生，岩土体强度逐渐衰减，同时，这种胀缩特性作用在衬砌结构上时表现为力和变形。当隧道结构穿越膨胀性围岩时，在膨胀力的作用下，会产生附加内力和形变，造成隧道衬砌结构开裂和变形，严重影响隧道结构的安全性和稳定性。

由于膨胀岩赋存的离散性、地下水分布的季节性和复杂性，导致施工期难以及时全面掌握膨胀岩和地下水的分布情况，造成施工期甚至运营期隧道底鼓、衬砌结构变形、垮塌、侵限、混凝土腐蚀等现象。因此，采用模型试验的方法研究膨胀岩隧道衬砌结构的受力及变形特性具有重要的理论和现实意义。目前，关于膨胀岩隧道围岩及衬砌结构稳定性的研究主要集中在理论分析、数值模拟和现场监测等方面，尚缺乏合理的模型试验装置来研究围岩吸水膨胀条件下膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形特性。

当前用于膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形研究的模型试验装置还不够完备，设备功能较单一，只能简单的模拟对隧道衬砌结构的加载过程，没有充分的考虑对围岩条件和外部不利边界条件（如地下水等）的模拟，也缺少围岩吸水膨胀后对衬砌受力特性和位移变化的同步有效监测措施，对于隧道衬砌结构所受膨胀力的控制和施加模拟还不够精确，关于膨胀岩隧道衬砌结构膨胀力及膨胀变形结论的总结还缺乏足够的模型试验验证，使数值模拟及理论计算结果缺乏说服力。

因此，开发一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本实用新型得以完成的动力所在和基础。

实用新型内容

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本实用新型人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本实用新型。

具体而言，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，以解决现有模拟装置无法揭示膨胀岩对衬砌影响技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，包括加载机构、隧道模拟机构及检测***，所述加载机构包括作动器及反力架，所述作动器安装于反力架内，并将所述作动器的施力端朝向内侧的隧道模拟机构，所述隧道模拟机构包括衬砌层及围岩模拟部，所述围岩模拟部包括钢制环箱及填充于钢制环箱内的膨胀性围岩模拟层，所述环箱其前侧挡板为可拆卸部件，前侧挡板上沿环向开设若干等距孔，孔中***钢管，钢管外端与注水机构相连，所述衬砌层环设于围岩模拟部内侧。

在本实用新型中，作为一种改进，所述衬砌层环抱为马蹄形，所述围岩模拟部与衬砌层为同心、同形但不同直径的环形，且所述衬砌层贴合于围岩模拟部内侧。

在本实用新型中，作为一种改进，所述检测***包括设置于围岩模拟部与衬砌层之间的薄片式压力传感器及安装于衬砌层内侧的光纤位移传感器，所述压力传感器及位移传感器均环绕设置多个，压力传感器及位移传感器通过信号或线与PC端控制***相连。

在本实用新型中，作为一种改进，所述注水机构包括注水软管、水泵、阀门及水槽，所述软管设置多条，分别与钢管相连，每根软管均由一个阀门控制，所述软管将水泵、水槽及钢管连接为一条注水管路，所述阀门为电控阀门，其电控信号连接至PC端控制***。

在本实用新型中，作为一种改进，所述反力架底部为安装底座，作动器环绕模拟机构设置若干个。

在本实用新型中，作为一种改进，所述环箱钢板为厚度小于4mm的薄钢板，使所述环箱侧壁具有整体变形能力，钢板连接处通过胶条密封，使所述环箱内腔形成不透水腔室。

在本实用新型中，作为一种改进，所述钢管的外径与孔径匹配，均小于4mm，膨胀性围岩模拟层中设置若干细小裂隙，裂隙端部聚集于模拟层侧壁，并与所述钢管的内端连通。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

（1）本申请在衬砌受力模拟试验装置中增加膨胀性围岩的模拟层，用于研究膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形特性，整个实验装置对膨胀岩遇水膨胀过程以及膨胀时对隧道衬砌受力和位移造成的影响进行了充分的模拟，可真实地模拟地应力条件下围岩吸水膨胀后隧道结构的受力状态和变形特征。

（2）本申请通过各种精细化的控制***，很好地实现了对隧道衬砌结构所受膨胀力的施加和精准控制，同时精确地获得了膨胀岩隧道衬砌结构在膨胀力影响下所产生的附加内力和形变，更好地还原和模拟了隧道结构穿越膨胀性围岩时，在围岩吸水膨胀作用下隧道衬砌结构的开裂和变形现象，为数值模拟及理论计算结果提供了验证。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图中：1、衬砌层，2、环箱，3、膨胀性围岩模拟层，4、钢管，6、作动器，7、反力架，8、安装底座，10、注水软管，11、阀门，12、水泵，13、压力传感器，14、光纤传感器，15、PC端控制***，16、水槽，201、前侧挡板，202、内环板，203、外环板。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，如图1所示，包括加载机构、隧道模拟机构及检测***，所述加载机构设置于隧道模拟机构外侧，包括作动器6及反力架7，反力架7由高强度钢板制成，反力架7底部安装底座8，所述底座8用于将反力架7固定于地面或其他安装平面上，作动器6外端安装于反力架7内侧，由反力架7提供反力，所述作动器6的施力端朝向内部的隧道模拟机构，为模拟实际工程中隧道结构的受力条件，所述作动器均匀环绕隧道模拟机构设置。

所述隧道模拟机构包括衬砌层1及围岩模拟部，所述衬砌层1由石膏和水混合制成，衬砌层1的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、单轴抗拉强度等物理力学参数均模拟实际工程需求，且衬砌层1呈环绕的马蹄形。

所述围岩模拟部包括钢制环箱2及填充于钢制环箱2内的膨胀性围岩模拟层3，所述环箱2的钢板为厚度小于4mm的薄钢板，使所述环箱2侧壁具有整体变形能力，所述环箱2的内环面尺寸与衬砌层1的外环面尺寸匹配，使所述衬砌层1紧密贴合于环箱2内侧，所述环箱2包括前后侧挡板及两环板，后侧挡板焊接于内环板202和外环板203之间，并通过密封胶条在连接处做防漏水处理，前侧挡板201为可拆卸部件，同样通过螺栓栓接到两环板侧部，前侧挡板201在膨胀性围岩模拟层3填充完成后，密封于环板前侧，并通过密封条进行防水处理。

所述前侧挡板203上环绕开设若干等距孔，孔直径小于等于4mm，孔内插装钢管4，钢管4内端固定于孔中，外端向外侧延伸、与注水机构相连，所述膨胀性围岩模拟层3中设有细小裂隙，裂隙端部聚拢于钢管4贴合处的膨胀性围岩模拟层3侧壁，所述裂隙可通过敲击等方式形成，模拟实际隧道围岩内的裂隙。

膨胀性围岩模拟层3在实验室内根据施工现场膨胀性隧道围岩的参数由相似材料配置而成，其材料的重度、弹性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角等物理力学参数满足相似比要求。

所述注水机构包括注水软管10、水泵12、阀门11及水槽16，注水软管10将水泵12和水槽16连通，形成注水通道，该通道设置多条，分别连接多个钢管4，每根注水软管10均由一个阀门11控制。

所述检测***包括薄片式压力传感器13及光纤位移传感器14，所述压力传感器13布置于衬砌层1和环箱2之间，环向布设多个，用于监测隧道衬砌层所受到的膨胀力，所述光纤传感器14布置于衬砌层1内侧，同样环向布设多个，用于监测衬砌层1的变形，所述压力传感器13及位移传感器14通过信号或线与PC端控制***15相连，实时监测和记录各个传感器的数据。

该试验装置的具体安装及试验步骤为：

（1）将石膏和水混合，在金属模具内制作衬砌层模型，衬砌层模型浇筑过程中充分振捣，1天后拆模，养护28天达到设计强度；

（2）在衬砌层外表面粘贴薄片式压力传感器13；

（3）将衬砌层模型安放至环箱内侧，并使所述衬砌层与环箱内环面紧密贴合；

（4）根据实际工程中隧道衬砌围岩的物理力学参数制作膨胀性围岩模拟层，并将膨胀性围岩模拟层填充至环箱内，密封环箱前侧钢板；

（5）在衬砌层1内侧布设光纤位移传感器；

（6）由作动器向环箱外侧施加压力，完成初始地应力平衡的模拟；

（7）打开阀门，通过注水通道及钢管4向环箱内的膨胀性围岩模拟层注水；

（8）实时监测和记录压力传感器13及光纤位移传感器14的数据，并调整作动器的输出压力对局部位置的膨胀力进行补偿。

实施例一

布设高度为1.3米，跨度1.5米，径向厚度0.4米的衬砌层，环箱2与衬砌层1径向厚度相同，均为0.4米，环向厚度为0.4米，环箱2的内环尺寸与衬砌层1的***尺寸相同，所述环箱2后侧挡板202焊接于两环板201之间，如图1所示，前侧挡板203上沿环向开设有8个直径为40mm的孔，孔中焊接长度为4cm的钢管，作为注水通道。

所述加载机构中作动器6环绕环箱设置20个，每个作动器6最大可施加50千牛的力，且均能实现单独控制，钢制反力架7和钢制底座8焊接在一起，钢制底座8通过7个高强螺栓9固定在地面上。

如图2所示，所述测量***中，压力传感器13沿环向布设8个，用于监测衬砌层1所受到的膨胀力，其测量精度为1N，光纤位移传感器14沿环向布置在衬砌层1内侧，用于监测衬砌层1的变形，其测量精度为0.1mm，PC端控制***15通过导线与压力传感器13和光纤位移传感器14相连，用于实时监测和记录各个传感器的数据。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，包括加载机构、隧道模拟机构及检测***，所述加载机构包括作动器及反力架，所述作动器安装于反力架内，并将所述作动器的施力端朝向内侧的隧道模拟机构，其特征在于：所述隧道模拟机构包括衬砌层及围岩模拟部，所述围岩模拟部包括钢制环箱及填充于钢制环箱内的膨胀性围岩模拟层，所述环箱其前侧挡板为可拆卸部件，前侧挡板上沿环向开设若干等距孔，孔中***钢管，钢管外端与注水机构相连，所述衬砌层环设于围岩模拟部内侧。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，其特征在于：所述衬砌层环抱为马蹄形，所述围岩模拟部与衬砌层为同心、同形但不同直径的环形，且所述衬砌层贴合于围岩模拟部内侧。

3.根据权利要求1所述的一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置,其特征在于：所述检测***包括设置于围岩模拟部与衬砌层之间的薄片式压力传感器及安装于衬砌层内侧的光纤位移传感器，所述压力传感器及位移传感器均环绕设置多个，压力传感器及位移传感器通过信号或线与PC端控制***相连。

4.根据权利要求1所述的一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，其特征在于：所述注水机构包括注水软管、水泵、阀门及水槽，所述软管设置多条，分别与钢管相连，每根软管均由一个阀门控制，所述软管将水泵、水槽及钢管连接为一条注水管路，所述阀门为电控阀门，其电控信号连接至PC端控制***。

5.根据权利要求1所述的一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，其特征在于：所述反力架底部为安装底座，作动器环绕模拟机构设置若干个。

6.根据权利要求1所述的一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，其特征在于：所述环箱钢板为厚度小于4mm的薄钢板，使所述环箱侧壁具有整体变形能力，钢板连接处通过胶条密封，所述环箱内腔形成不透水腔室。

7.根据权利要求1所述的一种膨胀岩隧道衬砌结构受力及变形试验装置，其特征在于：所述钢管的外径与孔径匹配，均小于等于4mm，膨胀性围岩模拟层中设置若干细小裂隙，裂隙端部聚集于模拟层侧壁，并与所述钢管的内端连通。

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