1.本发明涉及隧道冻胀技术领域，具体是季节性冻土区隧道冻胀力模拟试验装置及其使用方法。
背景技术：
2.冻土区隧道数量越来越多，运营期隧道冻害问题也越发普遍，冻土区隧道运营期冻害问题主要表现形式为隧道衬砌冻胀开裂、渗水挂冰、水沟冻结等，衬砌冻胀开裂会造成隧道耐久性、安全性严重降低，服役时间急剧减少；渗水挂冰、水沟冻结问题使隧道内积冰严重，净空减小，无法行车，目前国内外研究成果认为衬砌背后局部积水反复地冻融循环过程是造成运营期隧道冻害问题的主要因素之一。
3.国内外很多学者对冻土区隧道的变形和围岩的冻胀性，开展了现场测试和模型试验研究，发现隧道冻土内部缺陷位置的局部存水是引起冻土冻胀破坏的主要原因，而实际工程中，冻土区缺陷多以孔穴、裂隙等方式存在，当这些区域内部充满地下水受到冻结而体积膨胀时，往往对衬砌和围岩产生冻胀作用，在围岩和衬砌之间就会产生附加的冻胀力。
4.现有技术中的冻土区隧道冻胀力室内试验模型均未综合考虑冻土区内部各处存水的情况，导致得出的试验数据不能客观真实的反应冻土区各处存水对于隧道冻胀力的影响。
5.因此，本发明提供季节性冻土区隧道冻胀力模拟试验装置及其使用方法来解决上述问题。
技术实现要素：
6.针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供季节性冻土区隧道冻胀力模拟试验装置及其使用方法，有效的解决了现有技术中的寒区隧道冻胀力室内试验模型均未综合考虑围岩各处存水的情况，导致得出的试验数据不能客观真实的反应围岩各处存水对于隧道冻胀力的影响的问题。
7.季节性冻土区隧道冻胀力模拟试验装置及其使用方法，包括底盘，其特征在于，所述底盘的顶面四周均固定安装有防护玻璃，所述底盘的顶面四周均固定安装有位于四个防护玻璃内侧的基柱，每个所述基柱的内侧面上均固定安装有伸缩杆，且每个伸缩杆的另一端均固定连接有调节板，每个所述调节板的左右两侧面均开有伸缩槽，每个所述伸缩槽内均滑动安装有伸缩板，位于每两个所述调节板相邻一侧的两个伸缩板之间固定连接有三角铁；位于底盘前后两端的两个所述防护玻璃的中部均开有玻璃通孔，位于底盘前后两端的两个所述基柱的中部均开有与玻璃通孔同轴的基柱通孔，位于底盘前后两端的两个所述调节板的中部均开有与玻璃通孔同轴的隧道通孔，两个所述玻璃通孔、基柱通孔以及隧道通孔内放置有内部中空的冻胀外壳，位于前后侧的两个所述防护玻璃的外侧面上均固定有与玻璃通孔同轴安装的夹持装置，位于前后侧的两个所述调节板的外侧面上均固定有与
隧道通孔同轴安装的密封装置，所述冻胀外壳的内部同轴放置有隧道模型，所述隧道模型的外壁上固定有土压力盒，所述冻胀外壳的外壁上连接有多个水囊，四个所述防护玻璃的顶部连接有玻璃盖板，所述底盘的顶部安装有位于四个防护玻璃与四个调节板之间的制冷制热装置。
8.优选的，所述底盘的外侧包裹有保温层，保温层的材料为聚氨酯，且厚度大于3mm，四个所述防护玻璃和玻璃盖板均为双层保温玻璃。
9.优选的，所述冻胀外壳的外侧面上固定安装有多个水囊基台，所述水囊连接有与水囊基台连接的水囊嘴。
10.优选的，所述冻胀外壳的内壁上固定安装有进水管，多个所述水囊基台均与进水管连接，所述进水管连接有进水泵。
11.优选的，所述底座的顶部固定安装有位于四个调节板内侧的振动棒。
12.优选的，所述夹持装置，包括固定安装在位于底盘前后侧的两个防护玻璃外侧面上，且与玻璃通孔同轴内部中空的夹持环，所述夹持环的后侧面上开有多个呈圆周分布的夹持滑槽，所述夹持环的内侧面上开有多个与夹持滑槽位置对应的夹持孔，每个所述夹持滑槽内均滑动安装有位于夹持环内部的夹持滑块，每个所述夹持滑块朝向夹持环轴心的一侧面均连接有橡胶块，所述夹持环的内部同轴转动安装有位于多个夹持滑块前侧的夹持盘，所述夹持盘的后侧面上开有螺旋槽，每个所述夹持滑块的前侧面上均固定连接有位于螺旋槽内的夹持销。
13.优选的，所述夹持盘的外侧面同轴固定安装有夹持齿圈，所述夹持环的外侧面上固定安装有夹持电机，所述夹持环的外侧面上贯穿有通槽，所述夹持电机的转动轴上同轴安装有处于通槽内且与夹持齿圈啮合的夹持齿轮。
14.优选的，所述密封装置，包括固定安装在位于底盘前后侧的两个调节板外侧面上，且与隧道通孔同轴的密封环，两个所述密封环的内侧面上均连接有密封气囊。
15.优选的，所述玻璃盖板与四个基柱的顶部之间通过螺栓连接，所述玻璃盖板的顶部固定安装有把手，所述玻璃盖板的中部贯穿并固定安装有内螺套，所述内螺套内螺纹连接有按压丝杆，所述按压丝杆的底端转动连接有位于四个调节板内侧的按压板。
16.季节性冻土区隧道冻胀力模拟试验装置的使用方法，其特征在于，具体步骤为：首先通过伸缩杆对四个调节板之间的空间大小进行调节，然后将相互套设的冻胀外壳和隧道模型放置在玻璃通孔、基柱通孔以及隧道通孔内，然后通过两个夹持装置将冻胀外壳进行夹持固定，并通过密封气囊将四个调节板内部的空间与外侧空间密封隔绝，之后向多个水囊内部注水使得水囊鼓起，然后向四个调节板内侧的空间内部填充冻土样本，并通过振动棒排出冻土内部的空气，使冻土填充的更加密实，冻土填充完毕后可安装并固定玻璃盖板，并使用按压板向下滑动按压冻土的顶部，使得四个调节板内侧的空间实现密封，而四个调节板和按压板则起到了模拟冻土周围的围岩的作用，当上述步骤完成后，可将制冷制热装置调节至制冷模式，随着冻胀外壳外侧的处于冻土内部的水囊内部的水冻结时的体积逐渐变大，从而对冻胀外壳造成挤压，而冻胀外壳则向内挤压多个土压力盒，从而得到冻胀力的模拟数据。
17.本发明与现有技术相比，具有以下的优点：1、本发明中的四个调节板和按压板能够模拟冻土周围的围岩，通过调节四个调节
板之间的距离可以对不同体积的冻土进行冻胀力的试验，而冻土冻结时能够对处于冻土内部的冻胀外壳产生挤压力，多个土压力盒则能够测量到冻胀外壳受到的挤压力；2、冻胀外壳外侧的水囊能够模拟冻土内部的空腔充满地下水的情况，当水囊内部的水冻结时体积变大，从而产生对冻胀外壳的冻胀力，从而解决了现有的冻胀模型得出的试验数据不能客观真实的反应冻土区各处存水对于隧道冻胀力的影响；3、通过四个防护玻璃和玻璃盖板组成密闭空间，在使用制冷制热装置调节该密闭空间内的温度，从而模拟冻胀区的环境温度；本发明设计思路清晰，结构简洁，操作简单，得出的试验数据能够真实的反应冻土区各处存水对于隧道冻胀力的影响，具有很强的实用性。
附图说明
18.图1为本发明的立体示意图。
19.图2为本发明的剖面立体示意图。
20.图3为本发明的主视示意图。
21.图4为本发明的主视剖面示意图。
22.图5为本发明的俯视剖面示意图。
23.图6为本发明夹持装置的剖面示意图。
24.图7为本发明夹持装置的剖面立体示意图。
25.图8为本发明冻胀外壳、隧道模型的横截剖面示意图。
26.图9为本发明密封装置的平面结构示意图。
具体实施方式
27.有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图9对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
28.下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。
29.实施例一，本发明为季节性冻土区隧道冻胀力模拟试验装置，包括底盘1，所述底盘1可放置在地面上使用，所述底盘1的顶面四周均固定安装有防护玻璃2，四个所述防护玻璃2的底部与底盘1的顶面之间通过密封胶固定连接，且四个防护玻璃2的侧面之间也通过密封胶固定连接，所述底盘1的顶面四周均固定安装有位于四个防护玻璃2内侧的基柱3，每个所述基柱3的内侧面上均固定安装有伸缩杆4，伸缩杆4可采用液压缸或电动伸缩杆，且伸缩杆4连接有供电电源和控制器，每个伸缩杆4的另一端均固定连接有调节板5，四个伸缩杆4同时伸长或缩短时能够带动四个调节板5同时向底盘1的中部或四边移动，每个所述调节板5的左右两侧面均开有伸缩槽6，伸缩槽6贯穿了调节板5的顶面和底面，每个所述伸缩槽6内均滑动安装有伸缩板7，每个所述伸缩板7的两侧面与伸缩槽6的内壁贴合，每个伸缩板7均能够在对应的伸缩槽6内向调节板5的侧边伸出，或滑动进伸缩槽6内，位于每两个所述调节板5相邻一侧的两个伸缩板7之间固定连接有三角铁8，当四个调节板5同时向底盘1的中部或四边处移动时，每两个调节板5的两侧之间的距离也发生改变，而此时多个伸缩板7也会在多个伸缩槽6内伸出或滑入，四个调节板5与多个伸缩板7之间形成一个正方形的空间，
改变四个调节板5之间的距离即可改变内部空间的大小，使用时可向该空间内填充冻土进行试验即可，四个调节板5与多个伸缩板7的底面均固定连接有与底盘1的顶面贴合的橡胶条，使得四个调节板5的底部与底盘1之间实现密封，填充的冻土不会从四个调节板5与底盘1顶面之间的空隙处漏出；位于底盘1前后两端的两个所述防护玻璃2的中部均开有玻璃通孔9，位于底盘1前后两端的两个所述基柱3的中部均开有与玻璃通孔9同轴的基柱通孔10，位于底盘1前后两端的两个所述调节板5的中部均开有与玻璃通孔9同轴的隧道通孔11，使得从前侧的防护玻璃2处至后侧的防护玻璃2处形成一个通道，两个所述玻璃通孔9、基柱通孔10以及隧道通孔11内放置有内部中空的冻胀外壳12，冻胀外壳12进行安装时可从前侧的玻璃通孔9插入，依次经过前侧的基柱通孔10、前侧的隧道通孔11、后侧的隧道通孔11以及后侧的基柱通孔10，最后从后侧的玻璃通孔9内伸出，即可完成冻胀外壳12的放置，位于前后侧的两个所述防护玻璃2的外侧面上均固定有与玻璃通孔9同轴安装的夹持装置13，冻胀外壳12从玻璃通孔9内插入时也会从夹持装置13的中部穿过，当冻胀外壳12完成放置后，可通过两个夹持装置13将冻胀外壳12的两端进行固定，使得冻胀外壳12不会在两个玻璃通孔9、基柱通孔10以及隧道通孔11内晃动，位于前后侧的两个所述调节板5的外侧面上均固定有与隧道通孔11同轴安装的密封装置14，冻胀外壳12固定完毕后，可通过两个密封装置14将两个隧道通孔11与冻胀外壳12的外侧面之间实现密封，冻胀外壳12固定完毕后，可向四个调节板5之间的空间内填充冻土，将冻胀外壳2埋在冻土内；所述冻胀外壳12的内部同轴放置有隧道模型15，所述隧道模型15的横截面的形状与冻胀外壳12的横截面的形状相同，且隧道模型15的横截面积小于冻胀外壳12的横截面积，使得冻胀外壳12能够套设在隧道模型15的外侧，且冻胀外壳12的内侧面与隧道模型15的外侧面之间存在空隙，如附图8-9所示，本实施例中的冻胀外壳12和隧道模型15的横截面的形状为马蹄形，此外，冻胀外壳12和隧道模型15的横截面的形状也可根据所需进行模拟试验的隧道形状而定，如果现实中的隧道的横截面形状为半圆形时，冻胀外壳12和隧道模型15的横截面的形状也为半圆形，以此类推，所述隧道模型15的外壁上固定有土压力盒16，所述土压力盒16为现有技术，其测量方法和原理在此不再赘述，所述冻胀外壳12的外壁上连接有多个水囊17，水囊17可在冻胀外壳12上进行拆卸，在刚开始放置冻胀外壳12时多个水囊17的内部没有盛放水，而当冻胀外壳12被固定后，可向多个水囊17内部注水，使得多个水囊17鼓起，然后在四个调节板5之间的空间内填充冻土后，此时被冻土埋没的多个水囊17以及其内部的水即可模拟冻土层内充满地下水的空腔，四个所述防护玻璃2的顶部连接有玻璃盖板18，当四个调节板5之间的空间填充满冻土后，可在四个防护玻璃2的顶部安装玻璃盖板18，四个防护玻璃2、四个调节板5以及多个伸缩板7的顶部均连接有橡胶条，使得玻璃盖板18的底面与四个防护玻璃2、四个调节板5以及多个伸缩板7的顶部之间均实现密封，此时底盘1、四个防护玻璃2以及玻璃盖板18之间形成密闭空间，而四个调节板5、多个伸缩板7之间的空间也实现密封，使得内部的冻土无法漏出，所述底盘1的顶部安装有位于四个防护玻璃2与四个调节板5之间的制冷制热装置19，制冷制热装置19连接有供电电源和控制器，制冷可采用制冷机，制热可采用加热丝，或者采用其他的常用技术手段，在此不在赘述，通过制冷制热装置19即可改变四个防护玻璃2形成的密封空间内的温度，制冷时可将冻土和水囊17内的水冻结，制热时可将冻土和水囊17内的水解冻，由于冻土充满了四个调节板5
之间的空间，此时多个水囊17内的水冻结时体积增大，从而会对冻胀外壳12造成挤压力，使得冻胀外壳12发生形变，而冻胀外壳12发生形变时会对多个土压力盒16造成挤压并得到挤压力的数据，从而模拟冻土层冻结时隧道的冻胀力，当需要模拟的隧道的冻土层中不存在空腔，也没有地下水时，可将多个水囊17进行拆卸，使得冻土包围冻胀外壳12进行冻胀试验。
30.实施例二，在实施例一的基础上，所述底盘1的外侧包裹有保温层，保温层的材料为聚氨酯，且厚度大于3mm，四个所述防护玻璃2和玻璃盖板18均为双层保温玻璃，使得底盘1、四个防护玻璃2和玻璃盖板18组成的空间内的温度不会受到外界的温度影响，内部的温度也不会外泄。
31.实施例三，在实施例一的基础上，所述冻胀外壳11的外侧面上固定安装有多个水囊基台20，所述水囊17连接有与水囊基台20连接的水囊嘴21，水囊基台20的中部安装有水塞，当需要安装水囊17时，可将水塞取下并通过水囊嘴21与水囊基台20连接。
32.实施例四，在实施例三的基础上，所述冻胀外壳12的内壁上固定安装有进水管22，多个所述水囊基台20均与进水管22连接，所述进水管22连接有进水泵，进水泵连接有水源、电源和控制器，进水管22处于冻胀外壳12的内壁与隧道模型15的外壁之间，打开进水泵即可通过进水管22向水囊17内注水。
33.实施例五，在实施例一的基础上，所述底座1的顶部固定安装有位于四个调节板5内侧的振动棒23，向四个调节板5之间的空间内填充冻土时，可开启振动棒23对冻土进行震动，从而将冻土内部的空气排出，使得冻土填充的更加密实。
34.实施例六，在实施例一的基础上，所述夹持装置13，包括固定安装在位于底盘1前后侧的两个防护玻璃2外侧面上，且与玻璃通孔9同轴内部中空的夹持环24，冻胀外壳12处于夹持环24的内侧，所述夹持环24的后侧面上开有多个呈圆周分布的夹持滑槽25，本实施例中的夹持滑槽25的数量为四个，所述夹持环24的内侧面上开有多个与夹持滑槽25位置对应的夹持孔26，每个所述夹持滑槽25内均滑动安装有位于夹持环24内部的夹持滑块27，四个夹持滑块27可在四个夹持滑槽25内同时向夹持环24的中部滑动，每个所述夹持滑块27朝向夹持环24轴心的一侧面均连接有橡胶块28，四个夹持滑块27同时向夹持环24的中部滑动时，能够带动四个橡胶块28从四个夹持孔26内向夹持环24的中部滑动，并将冻胀外壳12紧紧夹持在夹持环24的中部，所述夹持环24的内部同轴转动安装有位于多个夹持滑块27前侧的夹持盘29，夹持盘29能够在夹持环24内部转动，所述夹持盘29的后侧面上开有螺旋槽30，每个所述夹持滑块27的前侧面上均固定连接有位于螺旋槽30内的夹持销31，当夹持盘29转动时能够通过螺旋槽30与四个夹持销31的配合带动四个夹持滑块27同步滑动，从而带动四个橡胶块28对冻胀外壳12进行夹持固定。
35.实施例七，在实施例六的基础上，所述夹持盘29的外侧面同轴固定安装有夹持齿圈32，夹持齿圈32可与夹持盘29同步转动，所述夹持环24的外侧面上固定安装有夹持电机33，夹持电机33连接有供电电源和控制器，且夹持电机33为正反转电机，所述夹持环24的外侧面上贯穿有通槽，所述夹持电机33的转动轴上同轴安装有处于通槽内且与夹持齿圈32啮合的夹持齿轮34，夹持电机33可通过夹持齿轮34带动夹持齿圈32转动，从而带动夹持盘29转动对四个夹持滑块27进行调节。
36.实施例八，在实施例一的基础上，所述密封装置14，包括固定安装在位于底盘1前
后侧的两个调节板5外侧面上，且与隧道通孔11同轴的密封环35，两个所述密封环35的内侧面上均连接有密封气囊36，冻胀外壳12处于两个密封环35的内侧，且两个密封气囊17连接有气管和气泵，通过气泵和气管可向两个密封气囊17内充气，使得两个密封气囊17与冻胀外壳12的外壁紧密贴合，从而不会使冻土从两个隧道通孔11内漏出。
37.实施例九，在实施例一的基础上，所述玻璃盖板18与四个基柱3的顶部之间通过螺栓37连接，使得玻璃盖板18与四个防护玻璃2的顶部紧密连接，所述玻璃盖板18的顶部固定安装有把手38，通过把手38可方便玻璃盖板18的拆卸和安装，所述玻璃盖板18的中部贯穿并固定安装有内螺套39，所述内螺套39内螺纹连接有按压丝杆40，所述按压丝杆40的底端转动连接有位于四个调节板5内侧的按压板41，按压板41的面积与四个调节板5之间的空间的横切的面积相等，使得按压板41的四个侧面均能够与四个调节板5的内侧面贴合，按压板41可制造多种尺寸的规格，使用时可根据四个调节板5之间的空间大小而选择，当四个调节板5内的空间填充满冻土，且冻土的顶部与四个调节板5的顶部齐平时，可通过螺栓37将玻璃盖板18固定在四个基柱3的顶部，此时按压板41正好按压在冻土的顶部，从而模拟冻土顶部的围岩，通过按压丝杆40可带动按压板41向下按压冻土，从而对冻土进一步的压实。
38.季节性冻土区隧道冻胀力模拟试验装置的使用方法，具体步骤为：首先通过伸缩杆4对四个调节板5之间的空间大小进行调节，然后将相互套设的冻胀外壳12和隧道模型15放置在玻璃通孔9、基柱通孔10以及隧道通孔11内，然后通过两个夹持装置13将冻胀外壳12进行夹持固定，并通过密封气囊36将四个调节板5内部的空间与外侧空间密封隔绝，之后向多个水囊17内部注水使得水囊17鼓起，然后向四个调节板5内侧的空间内部填充冻土样本，并通过振动棒23排出冻土内部的空气，使冻土填充的更加密实，冻土填充完毕后可安装并固定玻璃盖板18，并使用按压板41向下滑动按压冻土的顶部，使得四个调节板5内侧的空间实现密封，而四个调节板5和按压板41则起到了模拟冻土周围的围岩的作用，当上述步骤完成后，可将制冷制热装置19调节至制冷模式，随着冻胀外壳12外侧的处于冻土内部的水囊内部的水冻结时的体积逐渐变大，从而对冻胀外壳12造成挤压，而冻胀外壳12则向内挤压多个土压力盒16，从而得到冻胀力的模拟数据。
39.本发明与现有技术相比，具有以下的优点：1、本发明中的四个调节板和按压板能够模拟冻土周围的围岩，通过调节四个调节板之间的距离可以对不同体积的冻土进行冻胀力的试验，而冻土冻结时能够对处于冻土内部的冻胀外壳产生挤压力，多个土压力盒则能够测量到冻胀外壳受到的挤压力；2、冻胀外壳外侧的水囊能够模拟冻土内部的空腔充满地下水的情况，当水囊内部的水冻结时体积变大，从而产生对冻胀外壳的冻胀力，从而解决了现有的冻胀模型得出的试验数据不能客观真实的反应冻土区各处存水对于隧道冻胀力的影响；3、通过四个防护玻璃和玻璃盖板组成密闭空间，在使用制冷制热装置调节该密闭空间内的温度，从而模拟冻胀区的环境温度；本发明设计思路清晰，结构简洁，操作简单，得出的试验数据能够真实的反应冻土区各处存水对于隧道冻胀力的影响，具有很强的实用性。