[发明专利]一种混凝土衬砌预压力测定试验装置及其试验方法

权利要求书

1.一种混凝土衬砌预压力测定试验装置的试验方法，其特征在于：

所述混凝土衬砌预压力测定试验装置包括：围岩及衬砌模拟系统、灌浆系统和量测系统；

围岩及衬砌模拟系统用于模拟隧洞围岩灌浆圈和灌浆圈外的岩体、混凝土衬砌；

灌浆系统用于将浆液灌入围岩灌浆圈；

量测系统用于测量围岩及衬砌模拟系统的预压力、灌浆量和排水量；

钢筒(1)、待灌裂隙岩体(2)、混凝土衬砌(3)、滤网(11)和密封盖板(14)；

钢筒(1)为圆柱形，用于模拟灌浆圈外岩体，其为刚性体；

待灌裂隙岩体(2)为圆管型，可用实际工程中的岩块加工而成，也可用混凝土进行模拟，用混凝土进行模拟时，不同开度的裂隙用平行板间放置不同直径的金属丝控制，在混凝土浇筑前埋设加热可融石蜡，混凝土浇筑后对石蜡进行融化冲洗而形成裂隙，采用3D打印技术进行成型；

混凝土衬砌(3)为圆管型，待灌裂隙岩体(2)设置完成后，铺设模板进行浇筑形成；

钢筒(1)底部连接排水管(12)，钢筒(1)底部还铺设滤网(11)，滤网(11)采用土工织物或小网眼金属网片；

钢筒(1)、待灌裂隙岩体(2)和混凝土衬砌(3)的高度相同；

待灌裂隙岩体(2)的外壁直径略小于钢筒(1)的内壁直径，待灌裂隙岩体(2)的内壁直径略大于混凝土衬砌(3)的外壁直径；混凝土衬砌(3)放入待灌裂隙岩体(2)的内壁，待灌裂隙岩体(2)放入钢筒(1)内，并采用密封剂密封待灌裂隙岩体(2)外壁与钢筒(1)内壁之间的空隙；

所述密封盖板(14)盖住钢筒(1)的开口并通过螺栓连接密封，

密封盖板(14)表面开有灌浆孔和数据传输线孔，灌浆孔对应待灌裂隙岩体(2)，数据传输线(6)孔对应混凝土衬砌(3)的中心，灌浆孔根据试验需要布置多个；

从待灌裂隙岩体(2)上表面灌浆孔的位置向下钻灌浆孔柱(4)，灌浆孔柱(4)高度小于待灌裂隙岩体(2)高度；

灌浆系统，包括：灌浆泵(8)、灌浆管路(9)和阀门(15)；

灌浆管路(9)一端连接灌浆泵(8)，另一端插入灌浆孔一定深度，并牢固固定，灌浆管路(9)中设有阀门(15)；

量测系统，包括：应力传感器(5)、数据传输线(6)、采集单元(7)、流量计(10)和水量量测装置(13)；

应力传感器(5)，设置在混凝土衬砌(3)内壁上，设置多个，用于量测混凝土衬砌(3)预压力；

数据传输线(6)穿过数据传输线孔，连接应力传感器(5)与采集单元(7)，采集单元(7)设置在围岩及衬砌模拟系统之外，用于采集应力传感器(5)的量测值；

流量计(10)设置在灌浆管路(9)上量测灌浆量；

水量量测装置(13)设置在排水管(12)下部，用于量测灌浆过程中及灌浆结束后的排水量；

所述试验方法，包括以下步骤：

(1)待灌裂隙岩体(2)加工成型为圆管型；

(2)在待灌裂隙岩体(2)内部铺设模板，采用砂浆、水泥净浆或混凝土浇筑混凝土衬砌(3)，待7天后拆除模板；

(3)对混凝土衬砌(3)进行保温、保湿养护，达到强度要求后，在混凝土衬砌(3)内表面粘结应力传感器(5)；

(4)加工带有排水管(12)的钢筒(1)，并在其底部设置滤网(11)；

(5)将待灌裂隙岩体(2)、混凝土衬砌(3)、应力传感器(5)形成的整体构件小心缓慢放入钢筒(1)，并采用密封剂密封待灌裂隙岩体(2)外表面与钢筒(1)内表面的空隙；

(6)加工密封盖板(14)，并采用螺栓连接方法将密封盖板(14)与厚壁钢筒(1)紧密连接，加工密封盖板(14)上表面开设预留灌浆孔和数据传输线孔；

(7)将数据传输线(6)从数据传输线孔引出；

(8)通过密封盖板(14)上部预留灌浆孔，从待灌裂隙岩体(2)上表面钻设灌浆孔柱至预定深度；

(9)将灌浆管路(9)一端放入灌浆孔一定深度，并在孔顶部位置牢固固定且密封；

(10)将数据传输线(6)与采集单元(7)进行连接；水量量测装置(13)置于排水管(12)下方；

(11)打开灌浆管路(9)上的阀门(15)，灌浆泵(8)开始小流量灌注水泥浆，流量计(10)、采集单元(7)、水量量测装置(13)开始测量；

(12)灌浆压力达到预定压力，且单位时间内的水泥浆液灌注量小于设定值后，再灌注30min，关闭灌浆管路(9)上的阀门(15)，停止灌浆；

(13)通过流量计(10)，绘制灌入水泥浆液量-时间关系曲线；

(14)间隔一定时间采集单元(7)、水量量测装置(13)进行定时测量，至少测定24小时后停止测量，绘制各应力传感器(5)应力值-时间、收集水量-时间关系曲线；

(15)拆除模型，对停止测量后的不同时间点衬砌测点预压力进行预测，并形成衬砌测点预压力随时间长期变化曲线：

(16)在浆液压力及衬砌预压力作用下，待灌裂隙岩体(2)中未灌入浆液的连通裂隙将待灌裂隙岩体(2)中的水缓慢排出，是混凝土衬砌(3)预压力衰减的主要因素；认为排水体积ΔQ与灌后待灌裂隙岩体(2)体积变形量ΔV之比与衬砌上预压力改变量ΔP和灌后最大预压力ΔP_m存在一定的关系，用ΔQ/ΔV＝α(ΔP/ΔP_m)表示，α为传感器的比例系数；

(17)将各传感器应力值-时间、收集水量-时间关系曲线带入步骤(16)中的算式，计算得到不同传感器的比例系数α；

(18)根据式计算不同时间点t的ΔQ；水力坡降Δt为时间增量，ρ为水的密度，g为重力加速度，l为裂隙扩散方向上的长度，v表示：岩体泊松比；

(19)根据式ΔV＝ΔP_mhlb/E，b＝l cosθ-d sinθ，计算不同时间点的ΔV；h为灌浆圈厚度，θ为裂隙与水平方向的夹角，E为围岩等效变形模量，d表示：裂隙的开度；

(20)将不同传感器的比例系数α、ΔV、ΔQ带入步骤(16)中的算式，可计算衬砌上预压力改变量ΔP，衬砌上的预压力P＝ΔP_m-ΔP。