地壓、水壓可控的隧道滲透失穩模型試驗裝置及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及地壓、水壓可控的隧道滲透失穩模型試驗裝置及試驗方法，是一種用于模擬隧道、礦山等地下工程在不同地應力和水壓力條件下滲透失穩過程的試驗裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，我國隧道、礦山等地下工程建設蓬勃發展。然而，在建設過程中，地下工程結構在地應力和地下水壓力的共同作用下，極易發生滲透失穩，導致突水突泥事故的發生。據不完全統計，突水突泥事故發生頻率排在地下工程事故的第二位，造成了大量的人員傷亡和經濟損失，同時，對地下工程結構的建設、運營安全和長期穩定性構成極大威脅。
[0003]滲透失穩作為隧道突水、突泥發生的直接原因和重要破壞特征，一直是學術界和工程界普遍關注的關鍵問題。以往針對該問題研究大多基于數值模擬方法，并取得了一定的進展，但由于工程介質的多樣性、地質條件的復雜性以及參數選取的局限性，數值模擬結果對于工程實踐的指導性不強。模型試驗是另外一種研究滲透失穩機理的重要方法，它能夠較為全面、可靠地模擬復雜的地質構造和地質條件，可為建立新的理論和數學模型提供分析依據。目前國內外多家單位已開展了隧道滲透失穩模型試驗，存在以下缺點:
[0004]1、為了真實有效的模擬初始地壓和水壓，導致所采用的試驗裝置通常尺寸較大，試驗中面臨模型填筑規模大、試驗操作復雜、試驗周期長、經費需求高、試驗重復性差等問題。
[0005]2、以往試驗裝置無法對地壓、水壓進行梯度調控，難以系統地研究滲透失穩機理。
[0006]3、試驗裝置尺寸過大，導致介質取樣困難，無法對隧道圍巖滲透破壞形式進行微觀研究，導致研究結果無法直接運用于工程實踐，對滲透失穩機理的認識仍然滯后。
[0007]4、傳統的試驗裝置在模擬水壓時普遍采用人工降水模擬系統，即在模型的上方設置若干水管，并在水管上設有若干孔洞，通過水管灑水的方式來模擬降水。這種試驗方式只能模擬潛水情況，而無法模擬承壓水，無法實現對模型水壓的控制。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供地壓、水壓可控的隧道滲透失穩模型試驗裝置及試驗方法。
[0009]為了達成上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0010]地壓、水壓可控的隧道滲透失穩模型試驗裝置，包括介質充填室、加載活塞箱、加載系統和注水系統；所述介質充填室側壁的下方設有預留洞口 ；所述介質充填室內的頂部設有加載活塞箱，所述加載活塞箱的頂部設有進水口、底部設有若干滲水孔，所述加載活塞箱的頂部設有所述加載系統，所述進水口與所述注水系統管路連接。
[0011]所述加載系統通過所述加載活塞箱實現對所述介質充填室內的模型體進行加載，通過控制注水系統對所述加載活塞箱的注水壓力來模擬水壓。通過預留洞口，實現隧道開挖的模擬。
[0012]傳統的模型試驗裝置的介質充填室中，通過頂部加壓系統來模擬地壓。但是加載系統與模型體的頂部、介質充填室側壁接觸處難以密封，導致水從裂隙處滲出，難以進行試驗需求水壓的模擬，且水壓無法有效調控，較難在小尺寸下實現大水頭的模擬。
[0013]本發明巧妙的將加載活塞設計成具有滲水功能的水箱:具有一定厚度的活塞箱結構能有效的保證加載系統與模型的頂部、介質充填室側壁接觸處的密封，避免水從頂部的裂隙處滲出，可以模擬承壓水的情況，解決了密閉式充填方式與模型加水的兩難問題，從而使地壓和水壓可控的模型試驗裝置的小型化成為可能。進而可以解決傳統試驗中模型填筑規模大、試驗操作復雜、試驗周期長、經費需求高、試驗重復性差等問題。
[0014]進一步的，模型試驗裝置包括水平放置的第一承壓板、第二承壓板和第三承壓板，所述加載系統設于所述第一承壓板與所述第二承壓板之間，所述介質充填室設于所述第二承壓板與所述第三承壓板之間，所述第一承壓板和第二承壓板之間、所述第二承壓板和第三承壓板之間依次通過連接桿固定連接，所述第二承壓板上設有與所述進水口連通的過孔。
[0015]進一步的，所述加載系統包括液壓油缸和傳動桿，所述第一承壓板的底面與所述液壓油缸的底座固定連接，所述第二承壓板上設有用以所述傳動桿通過的孔洞；所述液壓油缸的傳動桿下穿所述第二承壓板壓在所述加載活塞箱的上方。
[0016]液壓油缸通過高壓管與外部液壓控制臺相連，實時控制壓力。
[0017]進一步的，所述液壓油缸通過墊塊連接所述傳動桿。
[0018]進一步的，所述第二承壓板上設有圍護所述傳動桿的圓柱墊塊，所述圓柱墊塊的內徑與所述孔洞的直徑相同。
[0019]進一步的，所述孔洞內側設有若干環形密封槽，所述環形密封槽內設有密封圈。
[0020]進一步的，所述第一承壓板、所述第二承壓板和所述第三承壓板均為圓形板件，所述介質充填室的側壁為圓筒體結構，所述側壁由兩個半圓筒體通過緊固裝置拼接而成。
[0021]圓筒體結構通過兩個半圓筒體拼接而成，便于模型材料的取樣，避免取樣過程中的擾動，有利于對隧道圍巖滲透破壞形式進行微觀研究。
[0022]進一步的，所述第二承壓板的下表面和所述第三承壓板的上表面的相應位置設有用以配合固定所述介質充填室的環形槽，所述環形槽內設有橡膠密封墊。
[0023]進一步的，所述介質充填室的側壁上設有若干引線孔，所述引線孔內側設有傳感器固定裝置。
[0024]進一步的，所述滲水孔沿所述加載活塞箱的底部均勻布置；所述加載活塞箱的外側壁上設有若干水平布置的活塞密封槽，所述活塞密封槽內設有彈性密封圈。
[0025]地壓、水壓可控的隧道滲透失穩模型試驗裝置及試驗方法，包括以下步驟:
[0026]步驟1:組裝介質充填室，將預留洞口密封后，向所述介質充填室中充填模型材料，根據實際工程的地質條件，在所述模型材料中預制相應的裂隙和破碎帶，埋設相應的傳感器；
[0027]步驟2:將加載活塞箱置入所述介質充填室頂部，固定第二承壓板、第三承壓板和液壓油缸；
[0028]步驟3:利用液壓油缸通過所述加載活塞箱向模型施加地壓，達到設計要求后，根據試驗方案通過進水孔向加載活塞箱內注入設計水壓地下水，直至達到設計要求，加水時保證所述介質充填室側壁的密封性；
[0029]步驟4:通過所述預留洞口開挖所述模型來模擬隧道開挖，記錄開挖過程中的相關數據，達到突水、突泥后關閉試驗系統。
[0030]試驗完成后，通過打開介質充填室，可以取出滲透失穩固體，放入養護實驗室養護，可以開展后續的相關研究。
[0031]本發明的有益效果是:
[0032]1、實現了隧道滲透失穩模型試驗中地壓及水壓的獨立加載，并能通過液壓控制系統保證加載的穩定，確保試驗開展條件更加貼近真實工況；
[0033]2、可用來模擬孕含不同不良地質構造的多種類介質滲透失穩試驗；
[0034]3、采用雙開式介質充填室更易于模型試驗體的取出，有利于研究滲透失穩介質細部破壞形式，避免了頂出式脫模的繁瑣及對試驗體的破壞；
[0035]4、裝置采用高強螺栓、承壓板并配合使用密封圈，提高了試驗裝置的密封性，可靠性尚;
[0036]5、被注巖體內部可預置多種檢測元件，實時采集滲透失穩過程中巖土體內部物理場的變化規律，增強了該試驗的科學價值；
[0037]6、試驗裝置體型小，操作簡便，可循環使用，解決了大型模型試驗短期無法多次試驗的缺陷，降低了試驗成本。
[0038]本發明試驗裝置的小體量充填及可重復操作性，為通過大量試驗研究不同地壓、水壓條件下隧道的滲透破壞形式提供了可能，實現了小型隧道滲透失穩模型試驗在壓力水環境下地應力的穩定、長效加載，保證了模型試驗開展條件與模擬工程條件的一致性，可準確用于隧道、礦山的復雜地質條件的模擬，為滲透失穩機理研究提供了有力保障。
【附圖說明】
[0039]圖1是本發明結構示意圖；
[0040]圖2是本發明第一高強承壓板俯視圖；
[0041]圖3是本發明第二高強承壓板俯視圖；
[0042]圖4是本發明第三高強承壓板俯視圖
[0043]圖5是本發明介質充填室斷面圖；
[0044]圖6是本發明加載活塞箱俯視圖。
[0045]其中，1-1第一高強承壓板、1-2固定孔1、1-3緊固螺絲1、1_4液壓油缸固定孔、
2-1第二高強承壓板、2-2圓柱墊塊、2-3中心孔、2-4密封槽1、2_5橡膠密封圈1、2_6固定孔I1、2-7固定孔II1、2-8緊固螺絲I1、2-9環形槽1、2_10橡膠密封墊11、3_1第三高強承壓板、3-2固定孔IV、3-3環形槽I1、3-4橡膠密封墊111、4_1液壓油缸、4_2墊塊、4_3傳動桿、5-1介質充填室、5-2緊固孔、5-3緊固螺絲111、5-4引線孔、5-5傳感器固定裝置、5-6預留洞口、6-1加載活塞箱、6-2上部密封板1、6-3下部密封板I1、6-4進水口、6-5滲水孔、6-6密封槽I1、6-7橡膠密封圈IV。
【具體實施方式】
[0046]下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0047]如圖1、圖2所示，第一高強承壓板1-1由高強度合金鋼材料加工成C>780