[发明专利]用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置

说明书

本发明公开了用于模拟寒区隧道冻融圈围岩冻融力学行为的试验装置。该装置包括一个框架、上盖板、液压系统、弹簧和刚性垫块。液压系统能够给岩石试样在三个方向施加应力，模拟隧道围岩应力状态。弹簧可以给试样提供恒刚度约束作用，模拟隧道围岩恒刚度约束边界条件。通过该装置和方法，能够在冻融循环环境下开展岩石恒刚度约束条件下的冻融循环试验，有效模拟隧道冻融圈围岩力学状态，开展恒刚度约束条件下岩石冻融物理力学行为的研究。

技术领域

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

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)。

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。

发明内容

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。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的：

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；

所述框架包括第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱，

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。

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；

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；

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；

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。

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。

所述刚性垫块为长方体状。