[发明专利]一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法

摘要

本发明公开了一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法，其通过地应力加载组件可全面模拟实际岩(土)体的受力状态，通过水压加载组件，可最大程度还原隧道围岩土体的地下渗流环境，能用于模拟隧道突水、真实反映灾变过程，可以节省大量资金和人力物力，具有试验成本低、周期短、操作方便的特点。

主权项

1.一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述试验系统包括试验结构架、密封箱、地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件，

所述密封箱为六块钢化玻璃板组成的立方体状，所述密封箱位于安装框架内，位于水平纵向两侧的两个所述钢化玻璃板的中部设置有安装孔，所述安装孔内设置有圆形钢化玻璃板；所述密封箱安装在所述试验结构架上，所述密封箱内填充有试验层，所述试验层为流固耦合相似材料铺设而成，所述密封箱的内壁和所述试验层之间铺设有密实隔水材料层，位于上方的所述密实隔水材料层和所述试验层之间铺设有透水材料层；

所述地应力加载组件包括多个竖向动力加载单元和多个水平动力加载单元，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端沿竖向伸缩，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端等间距作用在所述密封箱的上侧，多个所述水平动力加载单元沿竖向对称设置有两组，每组所述水平动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均沿水平横向伸缩，每组所述水平动力加载单元的伸缩端分别对应等间距作用在所述密封箱的水平横向两侧；

所述水压加载组件包括水箱、水压加载泵和进水管，所述进水管的一端和所述水箱连通，所述水压加载泵安装在所述进水管上，所述进水管的另一端设置有多个支路，每个支路均对应和渗流管道连通，所述渗流管道设置在上方的所述密实隔水材料层中；

所述数据采集监测组件包括位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器、高速摄像机以及计算机，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器埋设在所述试验层中，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器均和所述计算机相连接，所述高速摄像机安装在所述试验结构架外侧，用于全程记录围岩渗透失稳全过程。

2.根据权利要求1所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述圆形钢化玻璃板和所述安装孔之间设置有密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述水压加载组件还包括稳压器，所述稳压器和所述水压加载泵并联在所述进水管上。

4.根据权利要求1所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述试验结构架包括底基座和安装在所述底基座上的试验框架，所述试验框架包括两个支撑板和一个连接板，两个所述支撑板沿水平横向相对安装在所述底基座上，两个所述支撑板的顶部通过所述连接板连接。

5.根据权利要求4所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述试验框架还包括位于所述试验框架内的加强框架，所述加强框架包括两个竖向加强板和一个横向加强板，两个所述竖向加强板均和所述支撑板平行，两个所述竖向加强板安装在所述底基座上，所述竖向加强板和与所述竖向加强板位于同一侧的所述支撑板之间通过多个等间距的侧肋板连接，两个所述竖向加强板的顶端通过所述横向加强板连接，所述横向加强板和所述连接板之间通过多个等间距的上肋板连接。

6.根据权利要求5所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述侧肋板上可转动地与定位板的一端连接，所述定位板的另一端与所述安装框架位于水平横向同侧的侧边可拆卸连接。

7.根据权利要求5所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述横向加强板上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端均作用在一个第一加压板上，所述第一加压板作用在所述密封箱的上侧。

8.根据权利要求5所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，每组所述水平动力加载单元的固定端均安装在同侧的所述竖向加强板上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均作用在一个第二加压板上，所述第二加压板作用在同侧的所述密封箱的水平横向侧部。

9.一种利用权利要求1‑8任一项所述的试验系统进行平面应力模型的隧道突水物理模拟试验方法，其特征在于，所述试验方法包括：

组装所述试验系统；

地应力加载组件中的水平动力加载单元和水平动力加载单元将预设的地应力值加载到所述试验层上，其中，所述水平动力加载单元的地应力值可以从上之下依次增大；

水压加载组件作用，其中的水压加载泵通过进水管将水箱内的水注入到透水材料层中，然后渗入到所述试验层的内部，实现向试验层施加水压力；

去除密封箱位于水平纵向两侧的两个钢化玻璃板上的圆形钢化玻璃板，并在去除的圆形钢化玻璃板的部位上，通过人工钻凿的方式开挖隧道；

隧道开挖完成后，高速摄像机全程记录围岩渗透失稳全过程，数据采集监测组件中的位移变形传感器、渗压传感器以及压力传感器采集到的数据传输到计算机中，以对数据进行分析处理。

10.根据权利要求9所述的一种试验系统进行平面应力模型的隧道突水物理模拟试验方法，其特征在于，所述组装所述试验系统包括：

组装密封箱：将底部和水平横向两侧的钢化玻璃板置于安装框架内，同时将预制有圆形钢化玻璃板的水平纵向一侧的钢化玻璃板安装在安装框架内，通过柔性粘胶密封钢化玻璃板之间的连接处；

根据相似定律计算模拟隧道围岩(土)体的试验层的体积尺寸，首先在底部钢化玻璃板上铺设密实隔水材料层，之后分层铺设试验层，在分层铺设过程中在水平横向两侧铺设等厚度的密实隔水材料，同时埋设位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器，然后在试验层上依次铺设透水材料层和密实隔水材料层，并在试验层上的密实隔水材料层内预埋渗流管道；

铺设位于上方的钢化玻璃板，在位于上方的钢化玻璃板中预留供进水管穿过的通孔；

安装预制圆形玻璃管的水平纵向另一侧的钢化玻璃板；

安装地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件。