温度‑渗流‑应力三场耦合相似试验方法与流程

本发明涉及一种岩土介质多场耦合技术，尤其涉及一种在隧道周围岩土介质中温度-渗流-应力三场耦合相似试验方法。

背景技术：

在开挖地铁隧道的过程中，隧道周围岩土介质的稳定性受热效应(T，受地热、季节等因素影响)，渗流效应(H，开挖引起地下水变化)，应力效应(M，开挖引起应力重新分布)以及三者的耦合效应控制。上述几种因素相互影响，形成隧道开挖的THM耦合模型。Lee等利用渗流-应力耦合模型(HM)分析了隧道表面的稳定性(Effect of seepage force on tunnel face stability[J].Can Geotech，2003，40(2))。Ji等利用数值模拟的方法验证了隧道开挖过程中渗流-应力(HM)耦合模型(隧道开挖流固耦合数值模拟[J].岩土力学，2011,32(4))。Zhang等研究了在火灾负荷作用下，温度-应力(TM)耦合对隧道稳定性的影响(火灾载荷下隧道热固耦合分析[J].土木工程学报，40(3))。

上述几种试验很好地揭示了流固耦合(H-M)，热固耦合(T-M)对隧道稳定性的影响，但是没有探究温度-渗流-应力三场耦合效应对地铁隧道稳定性的影响，不能真实反映出隧道周围岩土介质所处的环境。

岩土体处于一定的地质环境中，受温度、应力、地下水流动的影响。这三种因素相互作用，相互影响，形成THM耦合效应。温度可以使岩体产生热应力，引起岩土体的弹性模量、泊松比等固体特性的改变，同时温度也会引起地下水密度的变化，影响地下水流动。地下水流动通过对流或传导改变岩体的温度分布，地下水的存在也会影响岩土体受力情况。岩土体受力变形会在内部产生一定热量，力学变形也会影响固体热学特性的变化，同时岩土体孔隙度或渗透特性也会变化。因此对于研究分析隧道的稳定性，如能测定THM耦合作用下隧道周围岩土体的应力和位移变化，并将二者变化规律与宏观受力相结合进行综合分析，将能进一步对隧道稳定性研究提供更为直观的实验依据和理论支撑。

THM三场耦合是一个十分复杂的物理化学过程，研究三场耦合作用下隧道的稳定性具有重要意义。因此，如何提供一种试验方法，能够测定在THM三场耦合作用下，隧道周围岩土体的应变和位移变化，对研究隧道稳定性有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种温度-渗流-应力三场耦合相似试验方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的温度-渗流-应力三场耦合相似试验方法，包括步骤：

A、试验模型设计：根据试验的要求确定试验模型的几何尺寸和边界条件；

B、相似常数设计：根据实验要求和实验台尺寸限制确定几何相似比α_L；运动相似表现在时间、速度和加速度上，其相似常数为根据经验和实验要求确定容重相似比α_γ；根据模型和原型对应点具有相同应力平衡微分方程得α_σ＝α_t＝α_L·α_γ，弹性模量和泊松比的相似比为1；

C、应变、温度监测示意图和水管位置示意图设计：采用应变片自动收集应变数据的方案，确定应变片在模型中的位置；采用加热板改变温度，确定加热板和温度传感器的位置；采用倾斜的水管进行水的渗流控制，确定水管在模型中的位置；

D、相似配比试验：选择合理相似配比是本次相似模拟试验的关键，不同种类的相似材料，其力学性能不同，通过配比试验，为相似模拟试验提供合适的配比参数；

E、试验材料的准备：按照步骤D的配比参数准备相应的相似材料；应变片的制作和防潮处理；

F、相似模型的制作：

F1、配料：将步骤E准备的试验材料移至干净的空地上加水搅拌均匀；

F2、模型的制作：在试验平台上料过程中，堆砌模型的同时安放好模板，塑造试验模型，人工堆砌模型过程中，注意压实配比料，并保证薄厚度均匀；

F3、埋设应变片、加热板、水管、温度传感器：在制作模型时将制作好的应变片、加热板、水管、温度传感器埋入模型中，埋入的位置应根据设计示意图确定；

F4、养护：将试验模型在干燥通风的条件下进行养护一周，使模型充分干燥，最后聚合为一个整体，实验台架根据实验具体情况在养护完成后施加不同上覆压力；

F5、拆模：试验模型经过养护龄期后，将挡板按照由上往下、隔一拆一的顺序，依次拆下，操作过程中先松动模具两侧螺栓，使模型内部矿体先接触空气，达到透风效果，从而起到缩短模具拆卸时间，拆模过程中注意保护模型，避免损坏模型边帮；

F6、绘斑：拆模完成后，绘制散斑，散斑由人工用毛笔蘸黑墨水进行点制，绘点需杂乱无章，并保证绘点呈圆形，绘点结束后，在模型上标注水平高程；

F7、监测：模型正前方摆放非接触全场应变测量仪器，监测模型位移；开启应变仪记录应变；开启温度记录仪记录岩体温度变化；

G、模型的开挖：将温度和水量调至设计参数，利用手工凿钻，开挖隧道。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的温度-渗流-应力三场耦合相似试验方法，在THM三场耦合作用过程中能系统的获得隧道周围岩土体应变、位移的演化规律。

附图说明

图1为本发明实施例中试验模型设计示意图。

图2为本发明实施例中应变片、加热板、温度传感器、水管的位置设计示意图。

图3为本发明实施例中PVC管的结构示意图。

图4为本发明实施例中PVC管的布置图(侧视图)。

图5为本发明实施例中室温以及加热板温度随时间变化图。

图6为本发明实施例中试验1-3地表沉降对比图。

图7为本发明实施例中试验1-3在S1点的垂直应变随时间变化图。

图8为本发明实施例中THM耦合作用下不同渗透量(试验3、6、7)地表沉降对比图。

图9为本发明实施例中THM耦合作用下不同温度(试验3-5)地表沉降对比图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的温度-渗流-应力三场耦合相似试验方法，其较佳的具体实施方式是：

包括步骤：

A、试验模型设计：根据试验的要求确定试验模型的几何尺寸和边界条件；

B、相似常数设计：根据实验要求和实验台尺寸限制确定几何相似比α_L；运动相似表现在时间、速度和加速度上，其相似常数为根据经验和实验要求确定容重相似比α_γ；根据模型和原型对应点具有相同应力平衡微分方程得α_σ＝α_t＝α_L·α_γ，弹性模量和泊松比的相似比为1；

C、应变、温度监测示意图和水管位置示意图设计：采用应变片自动收集应变数据的方案，确定应变片在模型中的位置；采用加热板改变温度，确定加热板和温度传感器的位置；采用倾斜的水管进行水的渗流控制，确定水管在模型中的位置；

D、相似配比试验：选择合理相似配比是本次相似模拟试验的关键，不同种类的相似材料，其力学性能不同，通过配比试验，为相似模拟试验提供合适的配比参数；

E、试验材料的准备：按照步骤D的配比参数准备相应的相似材料；应变片的制作和防潮处理；

F、相似模型的制作：

F1、配料：将步骤E准备的试验材料移至干净的空地上加水搅拌均匀；

F2、模型的制作：在试验平台上料过程中，堆砌模型的同时安放好模板，塑造试验模型，人工堆砌模型过程中，注意压实配比料，并保证薄厚度均匀；

F3、埋设应变片、加热板、水管、温度传感器：在制作模型时将制作好的应变片、加热板、水管、温度传感器埋入模型中，埋入的位置应根据设计示意图确定；

F4、养护：将试验模型在干燥通风的条件下进行养护一周，使模型充分干燥，最后聚合为一个整体，实验台架根据实验具体情况在养护完成后施加不同上覆压力；

F5、拆模：试验模型经过养护龄期后，将挡板按照由上往下、隔一拆一的顺序，依次拆下，操作过程中先松动模具两侧螺栓，使模型内部矿体先接触空气，达到透风效果，从而起到缩短模具拆卸时间，拆模过程中注意保护模型，避免损坏模型边帮；

F6、绘斑：拆模完成后，绘制散斑，散斑由人工用毛笔蘸黑墨水进行点制，绘点需杂乱无章，并保证绘点呈圆形，绘点结束后，在模型上标注水平高程；

F7、监测：模型正前方摆放非接触全场应变测量仪器，监测模型位移；开启应变仪记录应变；开启温度记录仪记录岩土体温度变化；

G、模型的开挖：将温度和水量调至设计参数，利用手工凿钻，开挖隧道。

所述的加热板为可调温硅胶加热板，尺寸150mm×90mm×1.8mm，工作电压220V，功率0.5W/cm²，最高使用温度200℃；

所述的温度传感器的探头为压簧式热电偶，测量范围0～200℃，温度传感器的另一端连接温度记录仪，长期监测温度变化，一个温度记录仪能连接多个温度传感器，分别对不同的温度传感器进行编号，温度记录仪能记录不同传感器检测到的温度；

所述水管为PVC管，该管的外径、内径和长度分别为2cm、1.4cm和30cm，在PVC管中有6个直径为0.5cm的圆形孔。

本发明的温度-渗流-应力三场耦合相似试验方法，在THM三场耦合作用过程中能系统的获得隧道周围岩土体应变、位移的演化规律。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明采取的技术方案为：

隧道开挖温度-渗流-应力三场耦合作用机理试验方法，包括如下步骤：

S1、试验模型设计：根据试验的要求确定试验模型的几何尺寸和边界条件。

S2、相似常数设计：根据实验要求和实验台尺寸限制确定几何相似比α_L；运动相似表现在时间、速度和加速度上，其相似常数为根据经验和实验要求确定容重相似比α_γ；根据模型和原型对应点具有相同应力平衡微分方程得α_σ＝α_t＝α_L·α_γ。弹性模量和泊松比的相似比为1。

S3、应变、温度监测示意图和水管位置示意图设计：本实验采用应变片自动收集应变数据的方案，确定应变片在模型中的位置；采用加热板改变温度，确定加热板和温度传感器的位置；采用倾斜的水管进行水的渗流控制，确定水管在模型中的位置。

S4、相似配比试验：选择合理相似配比是本次相似模拟试验的关键，不同种类的相似材料，其力学性能不同。通过配比试验，为相似模拟试验提供合适的配比参数。

S5、试验材料的准备：按照第四步的配比参数准备相应的相似材料；应变片的制作和防潮处理。

S6、相似模型的制作：

(1)配料：将第五步准备的试验材料移至干净的空地上加水搅拌均匀；

(2)模型的制作：在试验平台上料过程中，堆砌模型的同时安放好模板，塑造试验模型，人工堆砌模型过程中，应当注意压实配比料，并保证薄厚度均匀；

(3)埋设应变片、加热板、水管、温度传感器：在制作模型时将制作好的应变片、加热板、水管、温度传感器埋入模型中，埋入的位置应根据设计示意图确定；

(4)养护：将试验模型在干燥通风的条件下进行养护一周，使模型充分干燥，最后聚合为一个整体。实验台架可以根据实验具体情况在养护完成后施加不同上覆压力；

(5)拆模：试验模型经过养护龄期后，将挡板按照由上往下、“隔一拆一”的顺序，依次拆下。操作过程中需要先松动模具两侧螺栓，使模型内部矿体先接触空气，达到透风效果，从而起到缩短模具拆卸时间。拆模过程中注意保护模型，避免损坏模型边帮等；

(6)绘斑：拆模完成后，绘制散斑。散斑由人工用毛笔蘸黑墨水进行点制，绘点需杂乱无章，但尽量保证绘点呈圆形。绘点结束后，在模型上标注水平高程；

(7)监测：模型正前方摆放非接触全场应变测量仪器，监测模型位移；开启应变仪记录应变；开启温度记录仪记录岩土体温度变化。

S7、模型的开挖：将温度和水量调至设计参数，利用手工凿钻，开挖隧道。

其中，所述的加热板为可调温硅胶加热板，具有发热快、温度均匀、热效率高、强度高等特点。尺寸150mm×90mm×1.8mm，工作电压220V，功率0.5W/cm²，最高使用温度200℃，可完全防水。

其中，所述的温度传感器探头为压簧式热电偶，测量范围0～200℃。传感器另一端连接温度记录仪，可长期监测温度变化。一个温度记录仪可连接多个传感器，分别对不同传感器进行编号，温度记录仪可记录不同传感器检测到的温度。

其中，所述水管为PVC管，该管的外径，内径和长度分别为2cm，1.4cm和30cm。在PVC管中有6个圆形孔(直径为0.5cm)。

本发明具有以下有益效果：

实现了温度-渗流-应力三场耦合，系统的揭示了隧道周围岩土体在THM三场耦合作用下的应力、位移的演化规律。

实现了在材料中制造温度源和渗流源，并且温度源和渗流源的位置可以根据试验目的不同做出改变。

实现了对岩土体温度的长期监测，对渗流量和热源温度的控制，对耦合时间和顺序的可控。

具体实施例：

本发明实施例所使用的隧道THM三场耦合机理试验模型设计示意图如图1所示。试验选取北京地铁五号线区间隧道为研究对象，地层条件为粉质黏土、黏土、中粗砂组成，覆土厚度最小为9m，最大为18m。试验模拟隧道埋深18m，几何相似比为30，根据北京地铁区间隧道标准断面(结构高度为6.28m，跨度为5.8m，等效洞径为6.3m)，相似理论换算得到模型实验台架中有机玻璃板开洞直径为0.2m，洞底距试验台架底部30cm。加载模型为T字钢，底部为矩形垫片，保证载荷均匀。隧道模型均采用夯实填筑法制作，模型尺寸2.0m×1.1m×0.3m(宽×高×厚)。试验分七次进行，具体过程见步骤6。

实施例：

S1、试验模型设计：设计示意图如图1所示；

S2、相似常数设计：本试验几何相似常数取α_L＝30；根据该试验模块容重和抗压强度关系，容重相似常数取为α_γ＝1；黏聚力相似常数为α_c＝30；

S3、应变、温度监测示意图和水管位置示意图设计：设计示意图如图2所示；

S4、相似配比试验：试验选用沙子、石灰、石膏作为模拟材料，利用这些材料按照不同的配比做成相应的试块，经过养护期后，通过单轴抗压力学试验，得到合适的材料配比为7:0.4:0.6(沙子:石灰:石膏)。

S5、试验材料的准备：按照第四步的配比参数准备相应的相似材料；本次试验选用BX120-50AA型应变片，将应变片上的油污用脱脂棉球蘸上无水酒精等溶剂进行充分擦洗，清洗干净后勿用手去接触。用电烙铁焊接导线、端子。要注意分清连接端子的正反面，引出线不能拉得过紧导致断路，也不能太松，避免因两引出线接触或引出线和试件外端接触导致短路。连接好的试件放在长约80mm，宽约10mm的长方形塑料外壳上，用自制AB胶充满与塑料外壳缝隙。该过程中在干燥通风条件下进行，避免接触水。用低压电阻表测量制作好的应变片引出线和金属试件之间的绝缘电阻值是否符合初值120欧姆。

S6、相似模型的制作：

(1)配料：用标准电子秤称量各材料(含水、石灰、石膏、砂)所需配比量，移至干净的空地进行搅拌，井尽量保证原料搅拌均匀后放上特定量水，制成配比料；

表1原型及模型物理力学指标表

(2)模型的制作：在试验平台上料过程中，堆砌模型的同时安放好模板，塑造试验模型。人工堆砌模型过程中，应当注意压实配比料，每次使整体模型增高3cm，直到模型高1.1m。并保证薄厚度均匀。

(3)埋设应变片、加热板、水管、温度传感器：试验1不需要埋设热源和渗流源，试验2在模型堆砌过程中要把PVC管、应变片埋入模型中。试验3在模型堆砌过程中加入硅胶加热板(设置温度为48℃)、PVC管、应变片、温度传感器，参照图2和图4，应变片(圆形点)在洞周围沿四个方向布置三圈，沿径向布置的应变片距离为5cm，第一圈应变片距洞壁也是5cm。试验4温度设置为28℃，试验5设置为38℃，其余设置同试验3相同。试验6将渗透量设置为100ml(通过改变PVC管的直径)，其余设置同试验3相同。试验7将渗透量设置为300ml，其余设置同试验3相同。计算出各个应变片安装点到模型底板和模型两侧的垂直距离，当模拟材料堆砌到特定位置时埋入应变片。四根PVC管关于台架中心线对称，布置与同一水平线，每根管中心间距15cm，管中心距隧道顶部的垂直距离为7cm。将钢管部分垂直于模型正面且倾斜埋入模拟材料中，倾斜角度30度。距洞壁12cm切于圆周上下左右4个点埋入加热板(长条形)。温度传感器(方形点)距离加热板垂直距离10cm；

(4)养护：将试验模型在干燥通风的条件下进行养护一周，使模型充分干燥，最后聚合为一个整体；

(5)拆模：试验模型度过养护龄后，将挡板按照由上往下、“隔一拆一”的顺序，依次拆下。操作过程中需要先松动模具两侧螺栓，使模型内部矿体先接触空气，达到透风效果，从而起到缩短模具拆卸时间。拆模过程中注意保护模型，避免损坏模型边帮等；

(6)绘斑：拆模完成后，绘制散斑。散斑由人工用毛笔蘸黑墨水进行点制，绘点需杂乱无章，但尽量保证绘点呈圆形。绘点结束后，在模型上标注水平高程；

(7)监测：模型正前方摆放VIC-3D非接触全场应变测量仪器，调试好监测系统。通过吊灯调整室内模型亮度，同时保证室内用电安全、试验安全。调零处理后，需用散斑板进行设备矫正处理，同时将监测摄像头拍摄频率设置每3分钟拍照一次。准备工作完成后，监测开始。试验过程中，保证监测设备实时工作，并保证设备的安全性。开启应变仪和温度记录仪记录应变和温度。

S7、模型的开挖：开挖步长取5cm，台阶高度取10cm，每开挖一步用时30分钟。直至隧道开挖完毕。

表2开挖步骤说明

试验结果分析：

由图6可知实验2(HM)的隧道沉降值最大，实验1(M)最小，实验2(THM)居中，渗流作用导致土体的土骨架变化，造成土体的弹性模量减小，地表沉降量增大；高温引起土体的膨胀，造成地表沉降量减小。

由图7可知试验1-3随着开挖的进行，揭示了在M、HM、THM作用下S1监测的垂直应变(ε_yy)的演化规律。对比发现温度和渗流对隧道周围岩土体的稳定性均有影响。

图8通过对比试验3、4、5中对地表沉降量的监测，揭示了在THM耦合作用中不同渗透量对地表沉降的影响。结果显示渗透量越大，地表沉降越大。因此对于降水量较大或地下水比较丰富的地区，隧道开挖过程中应该加强支护措施。

图9通过对比试验3、6、7中对地表沉降量的监测，揭示了在THM耦合作用中不同温度对地表沉降量的影响。结果显示温度越高，地表沉降量越小。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。