一种力学耦合条件下隧道冒浆试验装置及方法

1.本发明属于铁路隧道冒浆检测技术领域，具体涉及一种力学耦合条件下隧道冒浆试验装置及方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.隧道基底结构作为结构自重、列车荷载的主要承重结构，同时围岩压力与地下水压力的荷载作用使得隧道基底结构力学环境复杂多变，此外，富水铁路隧道地下水丰富，渗流场复杂多变。基底下基岩在列车动载的反复作用下受到振动、冲击，部分岩块破碎至发生细颗粒的迁移，甚至出现“空洞”，恶化了隧道基底结构的受力条件，隧道基底地下水存在于围岩裂隙以及围岩与隧道基底结构接触面之间的空隙中，在列车高速冲击荷载的作用下处于隧道基底的地下水来不及消散产生很高的孔隙水压力，列车大轴重、高密度的运营使轨下基础承受更大的振动荷载，更易出现大变形而形成裂缝，加之隧道开挖与支护过程中仰拱分块施工，部分施工缝防水不密实，泥浆将通过裂缝或施工缝向上泵出，从而导致基底冒浆病害的发生。
4.当前研究铁路冒浆多针对轨下结构为路基结构，研究方法多主要是现场勘察、数值模拟和室内模型试验，由于富水隧道岩土体渗流场分布复杂，模型试验通过相似比模拟实际工程地层条件和力学环境，成为研究铁路隧道运营期翻浆冒泥现象的重要手段。目前关于隧道渗流场及力学环境的模型试验越来越多，但大部分渗流压力由可升降供水箱单点加压提供，速度慢且不均匀，列车动载多为一维点荷载，且未考虑列车动载-水-土耦合作用，难以全面还原隧道真实力学环境，对于富水隧道铁路冒浆现象病害的形成、演化及其对工程影响不能提供精准可靠的理论支撑。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种力学耦合条件下隧道冒浆试验装置及方法，该装置可以解决现有运营期隧道模拟装置无法真实全面还原列车动载-水-土耦合作用下铁路冒浆现象的问题。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明提供了一种力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，包括用于注入模拟岩土体填土的模型加载箱体，模型加载箱体的侧部和顶部设置挤压机构对填土进行挤压；所述模型加载箱体横向开设隧道模型孔洞用以放置隧道相似模型，隧道相似模型内设置钢桁架梁，钢桁架梁两侧顶部均设置纵向的作动器，钢桁架梁底部连接车轮组；所述模型加载箱体还与渗流供水装置连接，以对模型加载箱体中填土进行供水。
8.作为进一步的技术方案，所述渗流供水装置包括水箱，水箱与多个上部渗流管、多个底部渗流管连接，上部渗流管设置于模型加载箱体顶部，底部渗流管设置于模型加载箱体底部，水箱和上部渗流管、底部渗流管连通处设置阀门。
9.作为进一步的技术方案，所述水箱上部设置水压计与水位监测计；上部渗流管和底部渗流管竖向上下对称布置，外部均使用滤纸包裹；所述水箱和液压泵连接，液压泵和电机连接。
10.作为进一步的技术方案，所述隧道相似模型处设置浊液集排装置，浊液集排装置包括设置于隧道相似模型仰拱的环向盲管和纵向盲管，环向盲管和纵向盲管均带有孔洞。
11.作为进一步的技术方案，在模型加载箱体仰拱及其填充接触部位、仰拱底部竖直方向设置浊度孔，环向盲管和纵向盲管连通，纵向盲管和浊度孔连通，以由浊度孔收集浊液。
12.作为进一步的技术方案，所述模型加载箱体左右两侧、顶部开口设置；所述挤压机构包括上部挤压机构和侧部挤压机构，上部挤压机构与上部盖板连接，上部盖板设置于模型加载箱体顶部，侧部挤压机构与夹板连接，夹板设置于模型加载箱体左右两侧，夹板、上部盖板与模型加载箱体的内壁密封配合，两夹板与上部盖板之间形成填土加载腔室。
13.作为进一步的技术方案，所述上部盖板留有通孔用以定位管埋置以及上部渗流管的置换，上部渗流管穿过模型加载箱体顶部的上部盖板。
14.作为进一步的技术方案，所述隧道相似模型内设置孔隙水压力计，所述模型加载箱体内设置土压力盒，隧道相似模型外侧设置分布式传感光纤，孔隙水压力计、土压力盒、分布式传感光纤均与控制器连接。
15.作为进一步的技术方案，所述模型加载箱体两侧设置反力架，挤压机构与反力架连接；所述模型加载箱体外侧设置固定装置，固定装置包括钢板，钢板设置多对，钢板成对布置于模型加载箱体前后两侧，每一对钢板一端均与反力架立柱连接，多对钢板另一端通过连接板连接。
16.第二方面，本发明还提供了一种如上所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置的试验方法，包括如下步骤：
17.填土：在模型加载箱体中预设底部渗流管，注入模拟岩土体的填土至隧道模型孔洞底部并压实，在隧道模型孔洞放置隧道相似模型，继续注入填土至隧道相似模型顶部并压实，插入上部渗流管，在两侧隧道模型孔洞接口处设置橡胶止水带；
18.加压：通过顶部的挤压机构提供竖向应力，侧部的挤压机构挤压模型加载箱体腔内填土提供水平应力；
19.供水：由渗流供水装置将水流供入模型加载箱体的填土中；
20.动力加载：钢桁架梁设置于隧道相似模型中，使作动器动作，对钢桁架梁进行加载；
21.数据监测：通过隧道相似模型内的孔隙水压力计测量水压得到水力梯度，通过填土中土压力盒测量不同深度土压力，通过隧道相似模型外侧的分布式传感光纤测量应力，由模型加载箱体的浊度孔收集浊液，使用浊度仪分析浊度。
22.上述本发明的有益效果如下：
23.本发明的隧道冒浆试验装置，通过填样模型加载箱体顶部及双侧挤土作用以及压力检测，可还原并控制隧道不同地应力状态，同时，利用两侧固定夹板一端安装挤土装置，可同时达到挤土、固定箱体的作用，拆卸更加方便。
24.本发明的隧道冒浆试验装置，通过两侧双动力加载加装钢桁架梁与车轮组，打破
传统一维点荷载限制，实现三维列车动力荷载施加，并通过钢桁架梁预留通孔实现不同间距、不同点位车轮加载。
25.本发明的隧道冒浆试验装置，通过液压水泵提供高水头，上下渗流管对称分布，双向渗流加快水流速率使填土快速达到饱水状态且分布更加均匀，真实还原铁路隧道围岩内水流环境。
26.本发明的隧道冒浆试验装置，构建了列车动载-水-土耦合条件，打破传统试验装置针对单一因素作用的局限性。
27.本发明的隧道冒浆试验装置，在隧道仰拱及其填充接触部位预设环向、纵向浊液集排盲管，在仰拱底部设置浊度孔，对于铁路隧道极易出现积水发生细颗粒迁移的部位实现了泥浆的集排。
28.本发明的隧道冒浆试验装置，隧道衬砌缩尺模型外侧布设分布式传感光纤，更加全面的实时监测其动力响应。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1为本发明力学耦合条件下隧道冒浆试验装置的结构示意图；
31.图2为本发明的模型加载箱体及固定装置的结构示意图；
32.图3为本发明的渗流供水装置的结构示意图；
33.图4为本发明的动力加载装置的结构示意图；
34.图5为本发明的浊液集排装置的结构示意图；
35.图6为本发明的挤土装置的结构示意图；
36.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
37.其中，1模型加载箱体，2挤土装置，3反力架，4渗流供水装置，5浊液集排装置，6动力加载装置，7隧道相似模型，8固定装置；
38.11隧道模型孔洞，21上部挤压机构，22上部挤压机构，23侧部挤压机构，24侧部挤压机构，25上部盖板，26夹板，27夹板，41上部渗流管，42底部渗流管，431阀门，432阀门，44水箱，451进水管阀门，452泄水管阀门，46电机，47液压泵，48三向接头，51分布式传感光纤，52环向盲管，53纵向盲管，61作动器，62钢桁架梁，621角钢，622工字钢，623钢板，63钢板，64车轮组，81钢板，82转轴，85螺栓杆。
具体实施方式
39.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
40.本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，该装置可用于列车动载下富水隧道铁路基底冒浆检测，其由模型加载箱体1、挤土装置2、反力架3、渗流供水装置4、浊液集排装置5、动力加载装置6、隧道相似模型7、固定装置8、监测装置组成。
41.其中，模型加载箱体1用于注入模拟岩土体的填土，模型加载箱体前后两侧设置有钢板，其内侧置有压力监测单元。
42.模型加载箱体左右两侧、顶部开口设置，挤土装置2包括设置于模型加载箱体1左右两侧的夹板26、夹板27，以及设置于模型加载箱体1顶部的上部盖板25，上部挤压机构和侧部挤压机构；模型加载箱体1两侧由夹板26、夹板27固定，侧部挤压机构23连接于夹板26侧部，侧部挤压机构24连接于夹板27侧部，上部盖板25顶部与上部挤压机构21、上部挤压机构22连接，在双侧及顶部挤压机构的作用下，夹板、上部盖板与模型加载箱体的内壁密封配合，两夹板与上部盖板之间形成填土加载腔室。
43.模型加载箱体1设有横向设置的隧道模型孔洞11，用以放置隧道相似模型7。
44.浊液集排装置5设置于隧道相似模型7处，其包括设置于隧道相似模型7仰拱及其填充之间的环向盲管52和纵向盲管53，环向盲管52和纵向盲管53相垂直设置，环向盲管52和纵向盲管53均带有孔洞；同时，在模型加载箱体仰拱及其填充接触部位、仰拱底部竖直方向设置若干浊度孔，环向盲管和纵向盲管连通，纵向盲管和浊度孔连通，环向盲管将浊液汇集至纵向盲管，由模型加载箱体的浊度孔收集。
45.反力架3设置于模型加载箱体1两侧，反力架为门式结构，上部挤压机构21、上部挤压机构22均连接于反力架横梁底部，侧部挤压机构23连接于反力架立柱侧部。
46.固定装置8，用以固定模型加载箱体的位置；其包括钢板81，钢板设置多对，钢板成对布置于模型加载箱体1前后两侧，每一对钢板一端均通过转轴82与反力架立柱连接，多对钢板另一端通过连接板连接，且在该端每对钢板之间通过螺栓杆85固定连接，由此将模型加载箱体进行固定；侧部挤压机构24可连接于多对钢板的连接板处。
47.动力加载装置6包括作动器61，作动器沿纵向设置，其设置于钢桁架梁62两侧，钢桁架梁62设置于隧道模型孔洞11内的隧道相似模型7中，作动器通过钢板63连接隧道模型孔洞内的钢桁架梁，钢桁架梁在作动器作用下模拟列车的振动荷载；钢桁架梁62由工字钢622形成框架，由角钢621通过钢板623连接，使得传力更加平衡，底部预留通孔方便连接车轮组64，根据试验需求设置不同间距轮对。
48.作动器61与伺服液压系统连接，伺服液压系统作用于作动器61，使之产生竖向荷载。
49.渗流供水装置4包括水箱44、电机46、液压泵47，水箱44上部设置水压计与水位监测计，水箱44与模型加载箱体1通过若干带有孔洞的水管连接并设置阀门；具体的，在模型加载箱体1顶部设置多个上部渗流管41，模型加载箱体1底部设置多个底部渗流管42，上部渗流管41和底部渗流管42竖向上下对称布置，外部使用滤纸包裹防止土颗粒渗入；多个上部渗流管41、多个底部渗流管42均连通至总管路后通过三向接头48与水箱44连通，总管路上设置阀门431和阀门432以进行启闭；水箱44和液压泵47连接，并在二者之间设置进水管阀门451、泄水管阀门452，液压泵47和电机46连接。
50.上部渗流管41穿过模型加载箱体顶部的上部盖板25，在上部盖板25中留有若干通孔用以定位管埋置以及上部渗流管的置换。
51.监测装置，包括孔隙水压力计、土压力盒、分布式传感光纤51；其中，孔隙水压力计设置于隧道相似模型7内的水平、竖直方向；土压力盒设置于夹板26、夹板27以及上部盖板25内侧以及填土竖直方向；分布式传感光纤51分布于隧道相似模型7外侧。孔隙水压力计、
土压力盒、分布式传感光纤均与控制器连接，以将所监测数据传输。
52.本发明的另一种典型的实施方式中，提出如上所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置的试验方法，包括如下步骤：
53.1.填土；
54.在模型加载箱体1中预设底部渗流管42，注入模拟岩土体的填土至隧道模型孔洞11底部并压实，在隧道模型孔洞11放置布置有分布式传感光纤51与环向盲管52与纵向盲管53的隧道相似模型7，继续注入填土至隧道相似模型7顶部并压实，在填土上部插入与上部渗流管41等直径同分布的空心定位管，继续注入填土至模型加载箱体1顶部并压实，待土体不易松动时，分离定位管，加装上部盖板25，利用上部盖板25预留的上部渗流管定位孔洞插入上部渗流管41，在两侧隧道模型孔洞接口处设置橡胶止水带，防止隧道模型微小位移导致水土于侧壁流出；
55.2.挤土装置加压；
56.上部挤压机构21与上部挤压机构22对上部盖板25加压，提供竖向应力，模型加载箱体1使用上下双侧钢板81连接固定，钢板与反力架通过转轴82连接，钢板81的连接板处加装侧部挤压机构24与安装在对侧反力架立柱的侧部挤压机构23共同挤压模型加载箱体腔内填土，提供水平应力；
57.3.液压水泵供水；
58.打开水箱44的进水管阀门451供水，读取水箱水位，待水位达到后打开模型加载箱体阀门431与阀门432，开启电机46与液压泵47，水流通过上部渗流管和底部渗流管进入模型加载箱体1的填土中，上下渗流管交接处采用三向接头48连接，便于填土时拆卸安装，渗流管外部以滤纸遮挡防止砂石进入，根据每组试验预设的水头差，调整进出口水头，排水时开启水箱泄水管阀门452；
59.4.动力加载；
60.动力加载装置纵向双侧作动器61与钢桁架梁62使用钢板63通过螺栓连接，钢桁架梁62由工字钢622作为框架，由角钢621通过钢板623连接，底部多组预留通孔用以安装车轮组64，模拟列车不同作用点位，不同轮组动载；
61.钢桁架梁设置于隧道相似模型中，伺服液压系统对作动器作用产生荷载，并作用于钢桁架梁，进行加载；
62.5.数据监测；
63.通过孔隙水压力计测量水压得到水力梯度，通过土压力盒测量不同深度土压力(地应力)，通过分布式传感光纤分布于隧道相似模型外侧测量应力，由浊度孔收集浊液，使用浊度仪分析浊度(细颗粒含量)；
64.得到各种数据后进行相应的数据分析。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，其特征是，包括用于注入模拟岩土体填土的模型加载箱体，模型加载箱体的侧部和顶部设置挤压机构对填土进行挤压；所述模型加载箱体横向开设隧道模型孔洞用以放置隧道相似模型，隧道相似模型内设置钢桁架梁，钢桁架梁两侧顶部均设置纵向的作动器，钢桁架梁底部连接车轮组；所述模型加载箱体还与渗流供水装置连接，以对模型加载箱体中填土进行供水。2.如权利要求1所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，其特征是，所述渗流供水装置包括水箱，水箱与多个上部渗流管、多个底部渗流管连接，上部渗流管设置于模型加载箱体顶部，底部渗流管设置于模型加载箱体底部，水箱和上部渗流管、底部渗流管连通处设置阀门。3.如权利要求2所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，其特征是，所述水箱上部设置水压计与水位监测计；上部渗流管和底部渗流管竖向上下对称布置，外部均使用滤纸包裹；所述水箱和液压泵连接，液压泵和电机连接。4.如权利要求1所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，其特征是，所述隧道相似模型处设置浊液集排装置，浊液集排装置包括设置于隧道相似模型仰拱的环向盲管和纵向盲管，环向盲管和纵向盲管均带有孔洞。5.如权利要求4所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，其特征是，在模型加载箱体仰拱及其填充接触部位、仰拱底部竖直方向设置浊度孔，环向盲管和纵向盲管连通，纵向盲管和浊度孔连通，以由浊度孔收集浊液。6.如权利要求1所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，其特征是，所述模型加载箱体左右两侧、顶部开口设置；所述挤压机构包括上部挤压机构和侧部挤压机构，上部挤压机构与上部盖板连接，上部盖板设置于模型加载箱体顶部，侧部挤压机构与夹板连接，夹板设置于模型加载箱体左右两侧，夹板、上部盖板与模型加载箱体的内壁密封配合，两夹板与上部盖板之间形成填土加载腔室。7.如权利要求6所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，其特征是，所述上部盖板留有通孔用以定位管埋置以及上部渗流管的置换，上部渗流管穿过模型加载箱体顶部的上部盖板。8.如权利要求1所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，其特征是，所述隧道相似模型内设置孔隙水压力计，所述模型加载箱体内设置土压力盒，隧道相似模型外侧设置分布式传感光纤，孔隙水压力计、土压力盒、分布式传感光纤均与控制器连接。9.如权利要求1所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置，其特征是，所述模型加载箱体两侧设置反力架，挤压机构与反力架连接；所述模型加载箱体外侧设置固定装置，固定装置包括钢板，钢板设置多对，钢板成对布置于模型加载箱体前后两侧，每一对钢板一端均与反力架立柱连接，多对钢板另一端通过连接板连接。10.如权利要求1-9任一项所述的力学耦合条件下隧道冒浆试验装置的试验方法，其特征是，包括如下步骤：填土：在模型加载箱体中预设底部渗流管，注入模拟岩土体的填土至隧道模型孔洞底部并压实，在隧道模型孔洞放置隧道相似模型，继续注入填土至隧道相似模型顶部并压实，插入上部渗流管，在两侧隧道模型孔洞接口处设置橡胶止水带；加压：通过顶部的挤压机构提供竖向应力，侧部的挤压机构挤压模型加载箱体腔内填
土提供水平应力；供水：由渗流供水装置将水流供入模型加载箱体的填土中；动力加载：钢桁架梁设置于隧道相似模型中，使作动器动作，对钢桁架梁进行加载；数据监测：通过隧道相似模型内的孔隙水压力计测量水压得到水力梯度，通过填土中土压力盒测量不同深度土压力，通过隧道相似模型外侧的分布式传感光纤测量应力，由模型加载箱体的浊度孔收集浊液，使用浊度仪分析浊度。

技术总结
本发明公开了一种力学耦合条件下隧道冒浆试验装置及方法，属于铁路隧道冒浆检测技术领域，包括用于注入模拟岩土体填土的模型加载箱体，模型加载箱体的侧部和顶部设置挤压机构对填土进行挤压；所述模型加载箱体横向开设隧道模型孔洞用以放置隧道相似模型，隧道相似模型内设置钢桁架梁，钢桁架梁两侧顶部均设置纵向的作动器，钢桁架梁底部连接车轮组；所述模型加载箱体还与渗流供水装置连接，以对模型加载箱体中填土进行供水。载箱体中填土进行供水。载箱体中填土进行供水。


技术研发人员：马川义 蒋红光 王新宇 张宁 王川 姚占勇 梁明 姚凯 李利平 王旌 侯福金 薛志超 王凯 王勇 张帅
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/7