用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置

1.本发明涉及岩石力学领域，尤其涉及用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置及试验方法。


背景技术：

2.我国寒冷地区分布广泛，全国5000米以上公路隧道中约1/4分布在常年冻土区和季节性冻土区。同时，作为我国目前和未来交通基础设施建设重点的东北、西北和西南等地主要分布在高纬度地区或高山区，地质环境复杂，海拔高，温度低，温差大。例如，川藏铁路大部分路段位于海拔3000米以上的高原山地，最高处海拔5100 米，途经区域昼夜温差最大可达35℃。低温作用下，孔隙水相变膨胀会引起围岩体积增大挤压衬砌，导致衬砌开裂、漏水、挂冰等灾害。例如，1988年建成的玉希莫勒盖隧道、2007 年建成的野鸡山隧道、2013年建成的新玉希莫勒盖隧道、2015年建成的桦皮岭隧道和千松坝隧道等均出现不同程度的冻害。隧道冻害引发的交通事故常有发生，甚至曾出现因冻害严重而废弃重修的案例。我国约52％的铁路隧道发生了不同程度的冻害，其他高纬度国家的隧道也普遍存在冻害问题(例如挪威几乎所有公路和铁路隧道均出现了冻害问题)。
3.由此可以看出，隧道冻害严重威胁着我国隧道使用寿命和运营安全。根据隧道围岩温度场，可以将围岩分为冻融圈围岩和非冻融圈围岩。低温作用下隧道冻融圈围岩冻胀变形是隧道发生冻害的重要原因，因此，十分有必要开展岩石冻融循环试验，研究岩石的冻融物理力学行为。目前针对岩石冻融物理力学行为的试验研究工作，主要方法为采集岩石试样后开展无约束作用下的冻融循环试验，然后开展物理力学试验研究岩石冻融循环过程中及冻融循环后的物理力学行为。然而，隧道冻融圈围岩除承受长期冻融循环作用外，还承受非冻融圈围岩和衬砌的约束作用。根据《铁路隧道设计规范》和《公路隧道设计规范》，隧道冻融圈围岩承受非冻融围岩和衬砌的恒刚度约束作用。无约束条件下的冻融循环试验不能真实反映隧道围岩的受力状态。因此，有必要发明一种能够模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置及试验方法。


技术实现要素：

4.本发明提供一种操作简单，结果可靠，能够开展模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置和方法。该装置能使得冻融循环实验中的岩石试样满足真实情况下的约束与应力状态。
5.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的：
6.一种用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置，其特征在于，包括框架、上盖板、液压系统、弹簧、刚性垫块；
7.所述框架包括第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱，
8.所述液压系统包括第一液压系统、第二液压系统、第三液压系统，液压系统具有自动测力功能，能够实时读取试样三个方向的受力。
9.所述框架底部安装第一液压系统连接，框架上不在同一直线上的两个立柱上分别安装第二液压系统、第三液压系统；
10.所述第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱的上部与上盖板固定连接；
11.所述弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，弹簧在竖直方向为待测岩石试样提供恒刚度约束作用；第二弹簧的刚度与非冻融圈围岩的刚度相等，第一弹簧的刚度与衬砌的刚度相等；
12.在待测岩石试样的六个侧面均贴合有刚性垫块，刚性垫块的截面尺寸小于对应面岩石试样表面尺寸。
13.所述上盖板为“十”字型板，“十”字型板的每一个边缘末端与一个立柱垂直固定在一起；所述刚性垫块的截面为正方形，刚性垫块的截面宽度和长度尺寸均比试样相应侧面的宽度和长度小1mm。
14.所述刚性垫块为长方体状。
15.本发明还保护一种用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验方法，该试验方法采用上述的试验装置，包括以下步骤：
16.(1)获得待测试岩石试样所处的非冻融圈围岩的刚度和衬砌的刚度，根据非冻融圈围岩的刚度确定第二弹簧402的刚度，根据衬砌的刚度确定第一弹簧401的刚度，弹簧的刚度与相应的非冻融圈围岩和衬砌的刚度相等；
17.(2)准备采集自冻融圈围岩的岩石试样；
18.(3)将三个液压系统分别安装在框架的底部支撑和两个立柱上，这两个立柱不在同一直线上，在底部支撑上连接的液压系统上安装第一弹簧401；
19.(4)在第一弹簧上安装一个刚性垫块，在另外两个液压系统输出面上也均安装刚性垫块，在另外两个立柱上分别直接固定安装有刚性垫块，所有刚性垫块形成一个半封闭空间；将待测岩石试样放置在半封闭空间内，调节相应的液压系统使待测岩石试样的每个侧面均能与相应的刚性垫块贴合；之后在待测岩石试样的顶部也安装一个刚性垫块，并同时安装第二弹簧，在第二弹簧上方固定上盖板，上盖板与四个立柱的顶面固定；所述第二弹簧一端固定在刚性垫块上，另一端与上盖板接触固定，此时第二弹簧和第一弹簧处于自然伸长状态或微压缩状态；
20.(5)通过三个液压系统给岩石试样施加初始应力和边界条件，满足岩石没有开采时的状态，此时两个弹簧的轴向给予初始应力，其他两个方向为本身约束，施加初始应力，使待测岩石试样恢复到未开采时的状态，此时所有刚性垫块都与待测岩石试样和立柱紧密贴合在一起，产生约束的作用；框架与上盖板经过螺栓连接后行成反力框架，待测岩石试样在竖直方向受到两个弹簧的恒刚度约束，在其他方向有刚性垫块和液压系统的恒刚度约束；
21.(6)将步骤(7)安装好待测岩石试样的装置放入冻融环境中进行恒刚度约束下的冻融循环试验。
22.与现有技术相比，本发明的技术效果是毋庸置疑的：
23.(a)本发明装置操作简单，通过螺栓连接即可将装置组装起来。
24.(b)本发明装置能够通过液压系统给岩石试样在三个方向施加应力，模拟隧道围岩的受力状态。
25.(c)通过第一弹簧和第二弹簧能够给试样提供恒刚度约束边界条件，模拟衬砌和非冻融圈围岩对冻融圈围岩的恒刚度约束。
附图说明
26.图1为本发明用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置一种实施例的立体结构示意图。
27.图2为本发明用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置一种实施例的框架的立体结构示意图。
28.图3为本发明用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置一种实施例的上盖板俯视结构示意图。
29.图4为刚性垫块、弹簧、液压系统组合体的安装结构示意图。
30.图中：框架1；第一立柱101；第二立柱102；第三立柱103；第四立柱104；沉孔105；上盖板2；上盖板沉孔201；液压系统3；第一液压系统301；第二液压系统302；第三液压系统303；弹簧4；第一弹簧401；第二弹簧402；刚性垫块5；第一刚性垫块501；第二刚性垫块502；第三刚性垫块503；第四刚性垫块504；第五刚性垫块505；第六刚性垫块506。
具体实施方式
31.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
32.实施例1：
33.本实施例公开一种用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置，参见图1，包括：框架1、上盖板2、液压系统3、弹簧4、刚性垫块5。所述框架1具有底部支撑和垂直于底部支撑的四个立柱，上部敞开，通过螺栓与上盖板2连接形成一个整体，所述上盖板为“十”字型板，“十”字型板的每一个边缘末端与一个立柱垂直固定在一起；
34.在底部支撑的上表面固定有第一液压系统，在第一液压系统通过第一弹簧401安装第四刚性垫块504，在第四刚性垫块上放置待测试样，所述待测岩石试样为长方体结构，在长方体的顶面上设置第三刚性垫块503，第三刚性垫块503的正中央安装有第二弹簧402，第二弹簧402的上端接触上盖板2；在长方体相对的两个侧面中均有一个侧面通过一个刚性垫块连接一个液压系统，这两个液压系统均通过螺栓与相应框架上的立柱固定在一起，在长方体相对的两个侧面中另外的两个侧面直接贴合有刚性垫块；所有长方体侧面经相应的刚性垫块和液压系统或者直接经相应的刚性垫块与框架立柱固定；第一弹簧和第二弹簧的的轴线与岩石试样的竖直轴线在同一直线上。
35.参见图1和图2，所述框架包括第一立柱101、第二立柱102、第三立柱103、第四立柱104，第一立柱101、第二立柱102、第三立柱103、第四立柱104侧面各有一个沉孔105，每个立柱顶部有两个螺纹孔106。
36.参见图4，所述液压系统包括第一液压系统301、第二液压系统302、第三液压系统303，液压系统具有自动测力功能，能够实时读取试样三个方向的受力。
37.参见图1，所述框架1底部采用螺栓与第一液压系统301连接。所述第一立柱101、第
二立柱102采用螺栓分别与第二液压系统302、第三液压系统303连接。
38.参见图1，所述第一立柱101、第二立柱102、第三立柱103、第四立柱104采用螺栓通过相应螺纹孔与上盖板2连接。
39.参见图3，所述上盖板2呈“十”字型，上盖板上有沉孔201，通过螺栓与框架立柱连接。
40.参见图1，所述弹簧4包括第一弹簧401和第二弹簧402，弹簧4在竖直方向为试样提供恒刚度约束作用。
41.参见图4，所述刚性垫块5包括第一刚性垫块501、第二刚性垫块502、第三刚性垫块 503、第四刚性垫块504、第五刚性垫块505、第六刚性垫块506，刚性垫块5紧贴在试样表面，刚性垫块5的截面积尺寸略小于对应试样表面尺寸，以使试样可以自由变形。本实施例中有两种厚度的刚性垫块，第一刚性垫块501、第五刚性垫块505的厚度为50mm左右，其余刚性垫块厚度为10mm左右。
42.所述刚性垫块的截面为正方形，略小于试样1mm，不同刚性垫块的厚度尺寸可不相同，以能保证在刚性垫块存在下能与试样紧贴，所述岩石试样为100mm*100mm*100mm的正方体试样。第二弹簧用于模拟非冻融圈围岩对冻融圈围岩的恒刚度约束，第一弹簧用于模拟衬砌对冻融圈围岩的恒刚度约束。
43.实施例2：
44.本实施例公开一种关于实施例1所述的用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
45.(1)获得待测试岩石试样所处的非冻融圈围岩的刚度和衬砌的刚度，上述刚度可根据实测或经验得到，根据非冻融圈围岩的刚度确定第二弹簧402的刚度，根据衬砌的刚度确定第一弹簧401的刚度，弹簧的刚度与相应的非冻融圈围岩和衬砌的刚度相等。
46.(2)准备采集自冻融圈围岩的岩石试样。
47.(3)将三个液压系统分别安装在框架的底部支撑和两个立柱上，这两个立柱不在同一直线上，在底部支撑上连接的液压系统上安装第一弹簧401；
48.(4)在第一弹簧上安装一个垫块，在另外两个液压系统输出面上也均安装刚性垫块，在另外两个立柱上分别直接固定安装有刚性垫块，所有刚性垫块形成一个半封闭空间；将待测岩石试样放置在半封闭空间内，调节相应的液压系统使待测岩石试样的每个侧面均能与相应的刚性垫块贴合，这时待测岩石试样的每个侧面均能与相应的刚性垫块贴合，垫块正好与试样贴合但未有力的作用；之后在待测岩石试样的顶部也安装一个刚性垫块，并同时安装第二弹簧，在第二弹簧上方固定上盖板，上盖板与四个立柱的顶面固定；所述第二弹簧一端固定在刚性垫块上，另一端与上盖板接触固定，此时第二弹簧和第一弹簧处于自然伸长状态或微压缩状态；
49.(5)通过三个液压系统给岩石试样施加初始应力和边界条件，满足岩石没有开采时的状态，此时两个弹簧的轴向给予初始应力，其他两个方向为本身约束，施加初始应力，使待测岩石试样恢复到未开采时的状态，此时所有刚性垫块都与待测岩石试样和立柱紧密贴合在一起，产生约束的作用。框架经过螺栓连接后行成反力框架，待测岩石试样在竖直方向受到两个弹簧的恒刚度约束，在其他方向有刚性垫块和液压系统的恒刚度约束。
50.(6)将步骤(7)安装好待测岩石试样的装置放入冻融环境中进行恒刚度约束下的
冻融循环试验。
51.弹簧刚度确定后再发生冻融时，冻融会使岩石试样发生体积膨胀，会挤压刚性垫块。在实验使用中，两个弹簧或液压系统均不需调整，但在试验前如需改变试样的约束情况受力状态，可调整液压系统施加的应力大小或更换其他刚度的弹簧，来模拟不同地理环境下寒区隧道冻融圈围岩未开采时的状态。根据冻融圈围岩应力状态调整三个方向的液压系统。
52.本发明可以将上部的第二弹簧与第三刚性垫块整体看做围岩，下部的第一弹簧与第四刚性垫块看做衬砌，能模拟非冻融圈围岩与衬砌对冻融圈围岩的恒刚度作用，同时能模拟冻融圈围岩的初始应力状态实现三向受力。
53.本发明未述及之处适用于现有技术。