[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

说明书

本发明提供了一种全断面隧道开挖渗流‑应力耦合模型试验装置及方法，在压力室内利用模具制作围岩模型，在围岩模型外侧空隙和中心的孔洞中分别嵌入扁形橡胶水囊和柱形橡胶水囊，橡胶水囊均通过水管分别连接液压加载器，用于模拟围岩压力和隧道开挖过程中的应力释放过程。橡胶水囊与围岩模型之间均放置土工布，并连接液压加载器，用于施加孔隙水压力边界。围岩模型内预埋孔隙水压力传感器，用于监测孔隙水压力变化。采用数字图像采集系统无接触测量岩体模型的全场应变与变形。本发明的有益效果是：用于研究饱和低渗透性地层隧道开挖时，测量应力释放的过程中围岩应力‑应变的特性和渗流‑应力耦合特性，为隧道的开挖提供试验支持。

技术领域

本发明涉及隧道与地下空间工程领域，尤其涉及一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置及方法。

背景技术

饱和低渗透性地层(如泥岩)是隧道工程中常见的地质情况，在这种地层中开挖隧道的施工涉及到复杂的渗流-应力耦合问题：在隧道开挖的过程中，随着掌子面推进，围岩的应力逐步释放。在围岩的应力重新分布的过程中，孔隙水压力也会发生较大变化并随着时间演化，围岩应力与孔隙水压力的相互耦合作用对隧道的变形和稳定性有较大影响，是目前隧道工程的重要研究方向。

用相似材料进行模型试验是研究隧道开挖施工过程中受力、变形问题的常见方式。常规的模型试验方法是先采相用似材料填筑地层模型，然后加载按照相似原理确定的荷载，最后移除隧道轮廓范围内的相似材料并测量应力和变形。但是这种试验方法难以模拟隧道推进过程中应力逐步释放的过程，而且无法考虑隧道开挖过程中的渗流-应力耦合机制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种全断面隧道开挖渗流-应力耦合模型试验装置及方法，用于研究饱和低渗透性地层隧道开挖时，应力释放的过程中围岩应力-应变的特性和渗流-应力耦合特性，以便在隧道开挖时使用。包括：压力室、围岩模型、扁形橡胶水囊、柱形橡胶水囊、土工布、孔隙水压力传感器、水管组件、液压传感器组件、液压加载器组件和控制器组件和数字图像采集系统；

所述水管组件包括第一水管、第二水管、第三水管和第四水管；

所述液压传感器组件包括第一液压传感器、第二液压传感器、第三液压传感器和第四液压传感器；

所述液压加载器组件包括第一液压加载器、第二液压加载器、第三液压加载器和第四液压加载器；

所述控制器组件包括第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器；

所述压力室包括钢底座、钢侧壁、透明有机玻璃顶盖和若干螺栓；所述钢侧壁的四角加厚形成立柱，在四边形成安放所述扁形水囊的空间；通过若干螺栓，钢侧壁和透明有机玻璃顶盖均固定于所述钢底座，透明有机玻璃顶盖为所述压力室的顶盖，所述钢底座和透明有机玻璃顶盖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；

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，围岩模型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，压力室与围岩模型之间的间隙内安装扁形橡胶水囊，所述扁形橡胶水囊和柱形橡胶水囊均通过水管组件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；所述围岩模型内预埋孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器用于监测试验过程中的孔隙水压力的变化；

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