[发明专利]一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置及试验方法

权利要求书

1.一种水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，包括：

岩土三轴试验系统，所述岩土三轴试验系统包括加载框架、注水泵、压力体积控制器和总控计算机，所述加载框架包括底部承压台，所述底部承压台上方设有加载推杆，所述底部承压台与两侧承压架相连，所述两侧承压架之间顶部焊接有横梁，所述横梁下端设有荷重传感器；

隧道模型试验箱，所述隧道模型试验箱包括密封连接的箱盖和箱体，所述箱盖中部开设有一贯穿孔；所述箱体分成上下两层空间，上层空间包括活塞组件，下层空间通过设置直接承受加载推杆反力的模拟地层，所述模拟地层中埋设隧道模型，用于模拟既有隧道；所述模拟地层上表面还铺设有孔隙加载板；所述活塞组件包括配合设置的上段加载活塞、下段加载活塞，以及围合于二者之间的平衡缸，所述上段加载活塞穿过所述箱盖的贯穿孔与荷重传感器下表面连接，所述下段加载活塞的下端与所述孔隙加载板的上表面连接；

所述箱体底部设有水压加载孔，所述注水泵和压力体积控制器通过液压管路与所述水压加载孔连接；

所述总控计算机与所述压力体积控制器、加载框架电连接。

2.根据权利要求1所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述箱盖上还设有排气孔一。

3.根据权利要求1所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述上段加载活塞形状为凹阶梯圆台、且设有通气孔，所述下段加载活塞形状为凸阶梯形圆台，所述上、下段加载活塞间的空腔为平衡缸，所述平衡缸分别连接引水孔和排气孔二，所述平衡缸的横截面积等于下段加载活塞底面面积乘以孔隙加载板的孔隙率。

4.根根据权利要求1所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述孔隙加载板采用孔隙介质材料加工而成。

5.根据权利要求4所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述孔隙加载板采用透水石加工而成。

6.根据权利要求1所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述隧道模型和模拟地层的几何和物性参数根据所研究的工程对象和相似理论计算获得。

7.根据权利要求1所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，其特征在于，所述隧道模型上设置应变测试装置，所述应变测试装置包括位移计与应变片，位移计、应变片与数据采集仪连接。

8.一种水土压力分别可控的模型隧道试验方法，其特征在于，利用权利要求1至7任一项所述的水土压力分别可控的模型隧道试验装置，所述试验方法包括如下步骤：

步骤S1、隧道模型与模拟地层填装：

针对所研究的工程对象，根据相似理论计算隧道模型和模拟地层的几何尺寸和物性参数，按照计算结果制作隧道模型、配置模拟地层；然后将模拟地层逐层铺装在箱体内部，同时将隧道模型埋入模拟地层内部；

步骤S2、隧道模型试验箱组装：

将孔隙加载板、下段加载活塞和上段加载活塞依次装入箱体的中心位置，孔隙加载板底面与模拟地层顶面接触，下段加载活塞的底面插入孔隙加载板顶面中心处的定位槽中、顶面沿轴线自下向上插入上段加载活塞的内凹段；然后将箱盖套在上段加载活塞外侧，并与箱体顶面接触；最后用紧固螺栓连接箱体和箱盖，并将二者接触面密封后完成试验箱组装；

步骤S3、预压加载：

将组装完成的隧道模型试验箱转移至加载框架内部，使加载推杆自下而上插入箱体底面中心的定位槽内，然后利用液压管路将水压加载孔与注水泵、压力体积控制器连接；启动注水泵向隧道模型试验箱内缓慢注水，当排气孔一开始出水后将其密封，随后继续注水，当排气孔二开始出水后关闭注水泵，并密封排气孔二；启动总控计算机，并调整加载框架使上段加载活塞的顶面与荷重传感器的底面刚好接触；最后，根据所研究的工程情况对隧道模型试验箱施加初始水压和土压，使模拟地层开始固结；

步骤S4、试验测试：

待模拟地层固结完成后，根据试验计划，利用总控计算机在试验箱中分阶段调整水压和土压，使隧道模型经受试验设计的所有水、土压力组合情况，并利用隧道模型内安装的应变测试装置记录隧道模型的变形响应；最后，利用总控计算机将水压、土压同步完全卸载，试验结束。