[发明专利]一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置及方法

权利要求书

1.一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置，其特征在于：包括：压力室、围岩模型(5)、扁形橡胶水囊(6)、柱形橡胶水囊(7)、土工布(8)、孔隙水压力传感器(9)、水管组件(10)、液压传感器组件(11)、液压加载器组件(12)和控制器组件(13)和数字图像采集系统(15)；

所述水管组件(10)包括第一水管(10a)、第二水管(10b)、第三水管(10c)和第四水管(10d)；

所述液压传感器组件(11)包括第一液压传感器(11a)、第二液压传感器(11b)、第三液压传感器(11c)和第四液压传感器(11d)；

所述液压加载器组件(12)包括第一液压加载器(12a)、第二液压加载器(12b)、第三液压加载器(12c)和第四液压加载器(12d)；

所述控制器组件(13)包括第一控制器(13a)、第二控制器(13b)、第三控制器(13c)和第四控制器(13d)；

所述压力室包括钢底座(1)、钢侧壁(2)、透明有机玻璃顶盖(3)和若干螺栓(4)；通过若干螺栓(4)，钢侧壁(2)和透明有机玻璃顶盖(3)均固定于所述钢底座(1)，所述钢底座(1)和透明有机玻璃顶盖(3)上均设置有对应的扁形的凹槽，在该凹槽中嵌入匹配的钢侧壁(2)；

每个液压伺服加载系统均有1个液压传感器、1个液压加载器和1个控制器组成，用于实现对水管内的液体压力进行伺服加卸载控制；液压传感器的输入端连接水管，液压传感器的第一输出端连接液压加载器的输入端，液压传感器的第二输出端连接控制器的一端，液压加载器的输出端连接控制器的另一端；

在压力室中心处安装有围岩模型(5)，围岩模型(5)的中心处设置有以隧道断面轮廓按相似比缩小的孔洞，该孔洞内安装柱形橡胶水囊(7)，压力室与围岩模型(5)外侧间的空隙内安装扁形橡胶水囊(6)，所述扁形橡胶水囊(6)和柱形橡胶水囊(7)均通过水管组件(10)分别连接到液压伺服加载系统，分别用于施加所述围岩模型的外压和内压；所述围岩模型(5)内预埋孔隙水压力传感器(9)，所述孔隙水压力传感器(9)用于监测试验过程中的孔隙水压力的变化；

所述围岩模型(5)与所述扁形橡胶水囊(6)及所述柱形橡胶水囊(7)之间均放置若干层土工布(8)，土工布(8)通过水管连接到液压伺服加载系统，所述土工布(8)用于引导孔隙水流动及施加孔隙水压力；

所述有机玻璃顶盖(3)上方设置有数字图像采集系统(15)，所述数字图像采集系统(15)用于采集围岩模型(5)表面的图像数据，进而用于无接触测量岩体模型(5)的应变与变形。

2.如权利要求1所述的一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置，其特征在于：所述透明有机玻璃顶盖(3)为所述压力室的顶盖，所述钢底座(1)为压力室的底座。

3.如权利要求1所述的一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置，其特征在于：所述围岩模型(5)为圆柱形，由与围岩相似材料制成。

4.如权利要求1所述的一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置，其特征在于：还包括两个球阀(14)，其中一个球阀(14)的输入端连接于柱形橡胶水囊(7)，该球阀(14)的输出端连接另一个球阀(14)的第一输入端，该另一个球阀(14)的第二输入端连接土工布(8)，该另一个球阀(14)的输出端连接到水管的一端，水管的另一端连接到液压伺服加载系统。

5.如权利要求1所述的一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置，其特征在于：所述扁形橡胶水囊(6)及所述柱形橡胶水囊(7)与所述压力室的接触面上均涂抹有润滑油，用于提高外压和内压施加的均匀性。

6.如权利要求1所述的一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置，其特征在于：所述围岩模型(5)与所述钢底座(1)及所述有机玻璃顶盖(3)的接触面上均涂抹有透明硅脂耦合剂，用于避免孔隙水沿着接触面流动及提高所述围岩模型(5)在所述压力室顶部的可视性。

7.如权利要求1所述的一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置，其特征在于：所述围岩模型(5)与所述扁形橡胶水囊(6)及所述柱形橡胶水囊(7)之间均放置2层土工布(8)。

8.一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验方法，采用如权利要求1-7所述的任一项全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置；其特征在于：包括以下步骤：

S1：在钢底座(1)上利用相应的模具及与岩石相似材料制作围岩模型(5)，所述围岩模型(5)的中心处设置有以隧道断面轮廓按相似比缩小的孔洞；

S2：通过若干螺栓(4)，钢侧壁(2)和透明有机玻璃顶盖(3)均固定于钢底座(1)，拼装成压力室；在围岩模型(5)外侧与压力室间的空隙和孔洞中分别嵌入扁形橡胶水囊(6)和柱形橡胶水囊(7)，扁形橡胶水囊(6)和柱形橡胶水囊(7)与压力室的接触面上分别涂抹润滑油，在围岩模型(5)和压力室的接触面上涂抹透明硅脂耦合剂；

S3：扁形橡胶水囊(6)和柱形橡胶水囊(7)连接水管及液压伺服加载系统；

S4：液压伺服加载系统分别对扁形橡胶水囊(6)和柱形橡胶水囊(7)施加围岩压力和隧道孔洞内侧的压力至预定值；

S5：通过液压伺服加载系统对土工布(8)处连接的水管中施加孔隙水压力至预定值，并维持一段时间，对围岩模型(5)进行饱和；

S6：关闭连接到孔洞内壁的土工布(8)处的管道上的球阀(14)；

S7：分级卸载柱形橡胶水囊(7)的压力，每一级压力均维持一段时间，通过孔隙水压力传感器(9)获取试验过程中对应不同深度的孔隙水压力的变化值，通过数字图像采集系统(15)采集围岩模型(5)的图像数据，所有数据均进行全程实时记录；

S8：处理采集到的图像数据，得到围岩模型(5)的应变和位移，并结合孔隙水压力的监测数据对不同应力释放率下的试验结果进行分析，以得到测量岩体模型(5)的应变与变形。