一種寒區(qū)隧道凍脹力室內試驗模型及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及室內模型試驗技術領域，具體涉及一種測試寒區(qū)隧道凍脹力室內試驗模型及其測試方法。
【背景技術】
[0002]西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，使得西部交通事業(yè)也得到大力發(fā)展，越來越多的寒區(qū)隧道投入建設和運營。然而統(tǒng)計資料表明多數(shù)已建成的寒區(qū)隧道均受到凍脹力而出現(xiàn)襯砌開裂漏水，剝落酥碎，路面結冰等病害，嚴重威脅隧道的運營安全，有的寒區(qū)隧道甚至由于凍害而出現(xiàn)常年無法使用的怪象，因此探明寒區(qū)隧道的溫度場和凍脹力大小及分布規(guī)律，對于寒區(qū)隧道凍害的防治具有重要意義，但是由于隧道圍巖的復雜性和環(huán)境溫度的多變性，很難準確得到不同隧道的凍脹力大小及分布，一直以來，寒區(qū)隧道凍脹力始終是困擾工程技術人員的一道難關。目前學者們已采用多種方法致力于凍脹力的研究，如有的學者采用有限元軟件進行數(shù)值模擬不同工況下的凍脹力分布情況，但是數(shù)值模擬存在其參數(shù)取值不確定性，且多是理想化的工況，與實際中隧道凍脹力可能存在一定誤差；還有學者采用現(xiàn)場測試的方法進行凍脹力的實測，如申請?zhí)枮?01410712858.0的專利給出了一種凍脹力的現(xiàn)場測試系統(tǒng)，得到的結果是最真實的，但是每座隧道的圍巖情況及溫度變化情況均不相同，得到的測試結果只能代表這一座隧道凍脹力的分布規(guī)律，推廣應用有一定局限性，另外現(xiàn)場測試需要耗費大量的人力物力財力，且在測試過程中始終需要有專人負責，工程量浩大，經濟實用性一般。目前還沒有一種研究寒區(qū)隧道溫度場和凍脹力分布的有效手段。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的缺陷和不足，提供一種寒區(qū)隧道凍脹力室內試驗模型及其測試方法，通過室內試驗模型可以設計模擬不同工況、不同溫度下凍脹力的大小及分布規(guī)律，為寒區(qū)隧道凍脹力的防治提供一定依據(jù)。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0005]—種寒區(qū)隧道凍脹力室內試驗模型，包括模型箱、冷浴系統(tǒng)和用于采集監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述模型箱包括框架結構和設置在框架結構上的鋼化玻璃，所述模型箱內填充有模擬圍巖，所述模擬圍巖內設置有模擬二次襯砌；所述冷浴系統(tǒng)設置在二次襯砌內；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括若干傳感器以及與各傳感器相連接的數(shù)據(jù)采集箱。
[0006]進一步的，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括若干土壓力盒和溫度傳感器；所述土壓力盒均勻設置在模擬二次襯砌和模擬圍巖之間，所述溫度傳感器沿隧道徑向均勻分布在模擬圍巖內；各土壓力盒和溫度傳感器均與數(shù)據(jù)采集箱相連接。
[0007]進一步的，所述土壓力盒和溫度傳感器采用預先埋設的方式設置。
[0008]進一步的，所述模型箱外表面設置有厚度為5cm的聚氨酯保溫板。
[0009]進一步的，所述模型箱的鋼化玻璃上預留隧道斷面形狀的開口。
[0010]進一步的，所述冷浴系統(tǒng)包括相互連接的低溫控制槽和冷卻管。
[0011]本發(fā)明提供的測試方法包括以下步驟:
[0012]I)模型箱的制作，將多條鋼臂采用焊接的方式制作成框架結構，然后安裝鋼化玻璃，在鋼化玻璃中間預留有隧道斷面的開口，框架結構與鋼化玻璃共同組成模擬試驗空間；
[0013]2)模擬圍巖的填筑，首先按照某一種工況配置模擬圍巖材料，然后在模型箱內填筑模擬圍巖材料并壓實，當填筑至模擬二次襯砌位置時暫停，填筑過程中同步安裝二次襯砌下方的溫度傳感器；
[0014]3)模擬二次襯砌安裝，首先根據(jù)相似原理采用與實際襯砌性能相似的材料預制模擬二次襯砌，選擇不同厚度來模擬實際襯砌；其次將土壓力盒固定在模擬二次襯砌表面，模擬二次襯砌放入預定位置后進一步填筑模擬圍巖材料至模型箱頂部，填筑過程中同步安裝剩余的溫度傳感器；
[0015]4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的安裝與調試，模型填筑完畢后，將所有測試儀器引線連接到數(shù)據(jù)采集箱，將數(shù)據(jù)采集箱與計算機連接控制，通過軟件進行初步調試，測試元件的成活率等;
[0016]5)安裝冷浴系統(tǒng)，將冷浴系統(tǒng)的冷卻管放置于模擬襯砌內部，并通過低溫控制槽控制其溫度來模擬不同環(huán)境溫度，低溫控制槽與計算機連接，通過計算機進行控制；整個系統(tǒng)安裝完畢后在模型箱表面覆蓋厚度為5cm的聚氨酯保溫層；
[0017]6)測試與數(shù)據(jù)采集，通過低溫控制槽設定冷浴系統(tǒng)為某一工況下的模擬溫度，同步的通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集土壓力盒和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，穩(wěn)定后進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析工作。
[0018]進一步的，所述步驟6)操作前還包括:系統(tǒng)進一步調試與完善，首先檢測冷浴系統(tǒng)是否運行正常，并同步觀測測試數(shù)據(jù)的變化，確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常，一切正常后對系統(tǒng)初始化準備測試。
[0019]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果:本發(fā)明的模型箱由框架結構和鋼化玻璃組成一起提供了模擬隧道的空間，模擬圍巖材料可根據(jù)配比不同來模擬實際中不同級別的圍巖，模擬二襯襯砌也能通過設置不同的剛度和厚度來近似模擬實際中二次襯砌，在框架結構的模擬空間中，模擬圍巖和模擬二次襯砌均能夠重復試驗來模擬不同工況。通過設置的冷浴系統(tǒng)模擬實際中不同工況的環(huán)境溫度，冷浴系統(tǒng)是獨立的制冷系統(tǒng)，放置于隧道內部的二次襯砌表面可以模擬實際中不同工況的環(huán)境溫度。
[0020]進一步的，通過將溫度傳感器和土壓力盒采用預埋設的方式設置，與現(xiàn)場測試方法相比能保證測試儀器的成活率高，得到的測試數(shù)據(jù)更完全，便于結果分析。
[0021]進一步的，通過模型箱表面設置保溫板，使模擬環(huán)境更接近于真實環(huán)境，保證測試結果可靠性。
[0022]進一步的，通過在鋼化玻璃上預留隧道斷面形狀的開口，便于放置冷浴系統(tǒng)和測試元件引線，方便操作。
[0023]本發(fā)明提供的寒區(qū)隧道室內試驗模型及測試方法能夠有效的模擬實際情況下不同工況的環(huán)境條件，與現(xiàn)場測試方法相比能保證測試儀器的成活率高，得到的測試數(shù)據(jù)更完全，便于結果分析，且本發(fā)明結構明確，成本可控，便于實施，能夠測得不同工況下寒區(qū)隧道凍脹力的分布規(guī)律，為寒區(qū)隧道設計提供依據(jù)。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明結構示意圖；
[0025]圖2為冷浴系統(tǒng)設置示意圖；
[0026]圖3為測試元件布置示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明系統(tǒng)組成圖；
[0028]其中:1為框架結構，2為鋼化玻璃，3為模擬圍巖，4為模擬二次襯砌，5為溫度傳感器；6為土壓力盒；7為低溫控制槽；8為冷卻管。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述。
[0030]參見圖1至圖4，本發(fā)明包括模型箱，冷浴系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，模型箱外表面設置有厚度為5cm的聚氨酯保溫板。
[0031]所述模型箱包括框架結構I和設置在框架I上的鋼化玻璃2 ;冷浴系統(tǒng)包括相互連接的低溫控制槽7和冷卻管8。模型箱內填充有模擬圍巖，所述模擬圍巖3內設置有模擬二次襯砌4 ;所述冷浴系統(tǒng)設置在二次襯砌4內。
[0032]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括若干傳感器以及與各傳感器相連接的數(shù)據(jù)采集箱；數(shù)據(jù)傳感器包括若干土壓力盒6和溫度傳感器5 ;所述土壓力盒6均勻設置在模擬二次襯砌4和模擬圍巖3之間，所述溫度傳感器5沿隧道徑向均勻分布在模擬圍巖4內。土壓力盒6和溫度傳感器5采用預先埋設的方式設置。
[0033]框架結構I由若干鋼臂焊接固定而成，鋼化玻璃2預留有隧道斷面形狀的開口，便于測試元件引線和放置冷浴系統(tǒng)，框架結構I提供模擬隧道的空間，所述模擬圍巖3可根據(jù)實際圍巖進行材料配比設計，模擬二次襯砌4采用與實際襯砌力學性能相似的材料預制而成；所述冷浴系統(tǒng)通過低溫控制槽7進行實時溫度控制，能夠模擬不同工況的隧道環(huán)境溫度，冷卻管8中有乙二醇與水1:1混合組合的冷卻液；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過溫度傳感器5和土壓力盒6分別監(jiān)測圍巖溫度和圍巖與襯砌之間的接觸壓力，溫度傳感器5和土壓力盒6分別在模擬圍巖3和模擬襯砌4安裝過程中同步安裝，模擬二次襯砌4由材料