一种模拟煤层气抽采对公路路基影响的模型试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及岩土工程模型技术领域，具体为一种模拟煤层气抽采对公路路基影响的模型试验装置。


背景技术：

2.煤层气在抽采过程中不可避免的造成区域地下水位的下降，地下水位的下降则会引起一系列连锁反应，诸如路基下沉、路面开裂等病害，关于地下水水位的降低导致公路路面及桥梁桩基沉降的机理、影响因素、沉降量的研究方法如下：
3.1、理论分析：利用经典力学理论，对地质模型进行简化，其在一定程度上不能准确反应抽采发展、水位下降和路基沉降的复杂过程；
4.2、数值方法：由于涉及到水，关于土体的非饱和特征参数的取值比较繁琐，且与实际工程存在一定差异，当前多采用土-水耦合方法进行模拟，还涉及到渗流、固结，耦合机制有待进一步研究，且模型复杂，计算耗时，结果受模型参数影响大；
5.3、原位监测：监测时间长，沉降范围大，监测面积广，费用高。
6.4、模型试验：有完整的相似理论体系作为理论基础，同时可以控制主要试验参数而不受环境条件的限制与影响；便于改变试验参数进行对比试验；经济性好。在地下水位对路基沉降影响研究方面被广大科研工作者所采用。
7.但煤层气抽采对地下水位影响，进而对上伏公路路基沉降影响研究较少，本模型专门针对煤层气抽采对公路路基沉降影响而开发，还可作为类似研究的有效研究手段。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种模拟煤层气抽采对公路路基影响的模型试验装置，通过对抽采压力的动态控制实现煤层气抽采，同时还综合考虑了煤层气抽采对地下水水位的影响，以及二者对路基沉降的影响，为揭示煤层气抽采对公路工程运营影响提供数据支撑。
9.本实用新型所述的一种模拟煤层气抽采对公路路基影响的模型试验装置，包括模型箱1、抽采系统6、监测系统7；模型箱1自上而下设有路基结构2、上层土体结构3、下层岩体结构4、煤系地层结构5；模型箱1侧面安装有通入煤系地层结构5底部的连通管102；煤系地层结构5包括煤层部分501及煤层气部分502；煤层气部分502由充气状态的橡胶气囊604填充；抽采系统6包括相连接的空压机601和橡胶气囊604，后两者之间设有控制阀602、压力传感器603；压力传感器603安装在橡胶囊604底部抽气管道；百分表703a安装于路基结构2表面；压力传感器603、连通管102内的水位计连接、百分表703a均与监测系统7连接。
10.所述监测系统7包括抽采系统气压监测器701、地下水水位监测器702和路基沉降监测器703。
11.所述模型箱1尺寸根据模型试验几何相似比确定，其侧面采用有机玻璃101加工而成；其外侧面安装有连通管102用于监测水位；其底面由钢板103拼接而成，钢板间留有缝
隙，用于模拟煤层气的橡胶气囊充放气管道伸出，同时用于地下水排放。
12.所述下层岩体结构4顶部设有打孔管道104。模型中地下水通过埋置于下层岩体结构4顶部的打孔管道104注入。
13.所述模型箱1放置于支架105上，支架高10-30cm。
14.所述路基结构2根据路基岩土体物理力学参数和模型相似比采用相似材料进行配置，并根据路基尺寸进行堆填。
15.所述上层土体结构3和下层岩体结构4根据实际地层岩土体物理力学参数和模型相似比采用相似材料进行配置，并进行堆填。
16.所述煤系地层结构5包括煤层部分501及煤层气部分502，根据实际煤层及煤层气赋存状态按比例缩尺而成。其中煤层气部分502，由充气状态的橡胶气囊604填充。煤层部分煤层采用相似材料堆填。
17.所述的抽采系统6通过对预制入煤层气部位的橡胶气囊604进行放气实现煤层气抽采模拟。
18.所述监测系统7既可以为带处理器的整体监测系统，也可以依据三个监测指标设置3个各带处理器的分监测系统。三个分监测系统包括抽采系统气压分监测系统701、地下水水位分监测系统702和路基沉降分监测系统703。抽采系统气压分监测系统701连接压力传感器603；地下水水位分监测系统702与玻璃连通管102内的水位计连接；路基沉分监测系统703通连接百分表703a。即，抽采系统气压分监测系统701通过橡胶囊604底部抽气管道安装的压力传感器603进行监测；地下水水位分监测系统702通过安装于模型箱1侧面玻璃连通管102获得；路基沉降分监测系统703通过安装于路基表面百分表703a获得。
19.与现有技术相比，本实用新型通过对抽采压力的动态控制实现煤层气抽采，同时还综合考虑了煤层气抽采对地下水水位的影响，以及二者对路基沉降的影响，为揭示煤层气抽采对公路工程运营影响提供数据支撑。故可广泛应用于市政、公路、铁路等类似工程的物理模型试验中。
附图说明：
20.图1为本实用新型示意性结构图。模型箱-1、路基结构-2、上层土体结构-3、下层岩体结构-4、煤系地层结构-5、抽采系统-6、监测系统-7、连通管-102；煤层部分-501、煤层气部分-502、空压机-601、控制阀-602、压力传感器-603、橡胶气囊-604、抽采系统气压监测器-701、地下水水位监测器-702、路基沉降监测器-703、百分表-703a。
具体实施方式
21.为了便于理解本实用新型，下文将结合说明书附图和实施例对本实用新型作更全面、细致地描述，但本实用新型的保护范围并不限于以下具体的实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本实用新型的保护范围。
22.实施例1
23.模拟煤层气抽采对公路路基影响的模型试验装置，包括模型箱1、抽采系统6、监测系统7；模型箱1自上而下设有路基结构2、上层土体结构3、下层岩体结构4、煤系地层结构5；
模型箱1侧面安装有通入煤系地层结构5底部的连通管102；煤系地层结构5包括煤层部分501及煤层气部分502；煤层气部分502由充气状态的橡胶气囊604填充；抽采系统6包括相连接的空压机601和橡胶气囊604，后两者之间设有控制阀602、压力传感器603；压力传感器603安装在橡胶囊604底部抽气管道；百分表703a安装于路基结构2表面；监测系统7包括抽采系统气压监测器701、地下水水位监测器702和路基沉降监测器703；压力传感器603、连通管102内的水位计连接、百分表703a均与监测系统7连接。
24.所述模型箱1尺寸根据模型试验几何相似比确定，其侧面采用有机玻璃101加工而成；其外侧面安装有连通管102用于监测水位；其底面由钢板103拼接而成，钢板间留有缝隙，用于模拟煤层气的橡胶气囊充放气管道伸出，同时用于地下水排放。所述下层岩体结构4顶部设有打孔管道104。模型中地下水通过埋置于下层岩体结构4顶部的打孔管道104注入。所述模型箱1放置于支架105上，支架高约20cm。所述路基结构2根据路基岩土体物理力学参数和模型相似比采用相似材料进行配置，并根据路基尺寸进行堆填。所述上层土体结构3和下层岩体结构4根据实际地层岩土体物理力学参数和模型相似比采用相似材料进行配置，并进行堆填。所述煤系地层结构5包括煤层部分501及煤层气部分502，根据实际煤层及煤层气赋存状态按比例缩尺而成。其中煤层气部分502，由充气状态的橡胶气囊604填充。煤层部分煤层采用相似材料堆填。所述的抽采系统6通过对预制入煤层气部位的橡胶气囊604进行放气实现煤层气抽采模拟。所述监测系统7既可以为带处理器的整体监测系统，也可以依据三个监测指标设置3个各带处理器的分监测系统。三个分监测系统包括抽采系统气压分监测系统701、地下水水位分监测系统702和路基沉降分监测系统703。抽采系统气压分监测系统701连接压力传感器603；地下水水位分监测系统702与玻璃连通管102内的水位计连接；路基沉降分监测系统703通连接百分表703a。即，抽采系统气压分监测系统701通过橡胶囊604底部抽气管道安装的压力传感器603进行监测；地下水水位分监测系统702通过安装于模型箱1侧面玻璃连通管102获得；路基沉降分监测系统703通过安装于路基表面百分表703a获得。
25.现有某高速公路路基，路基填高5m，上层土体厚度15m，下层岩体厚度60m，地层煤系地层厚度5m，煤层气裂隙按地层体积的1％考虑。该模型试验装置的具体安装操作为：
①
模型尺寸确定：模型与原型相似比为1:40，即模型高200cm。原始路基宽度按40m，模型路基宽度为1m，路基两侧取0.5倍路基宽度，则模型长为200cm。本模型为平面应变模型，宽取50cm。
②
模拟材料配置和堆填：路基结构、上层土体结构、下层岩体结构和煤系地层结构中的煤层部分按模拟材料相似比进行配置。首先填筑最底层煤系地层结构，将模拟煤层气部分的充气橡胶气囊按比例固定于模型箱底部钢板上，气囊充放气管道从钢板缝隙伸出到模型下方。将煤层部分相似材料填充于充气橡胶气囊周边，从底向上，压实厚度12.5cm，填筑1层；将煤系地层顶部凿毛，填筑下层岩体结构相似材料，10cm厚度为一层压实，共填筑15层，总厚度150cm；在下层岩体结构相似材料顶部埋置打孔管道，注入地下水至水位高100cm。填筑上层土体结构相似材料，压实总厚度25cm，填筑3层。在上层土体结构相似材料上部填筑路基结构相似材料，压实厚度12.5cm，填筑1层。路基底部宽度100cm，路基边坡坡率按1:1.25放坡，路基顶部宽度为70cm。
③
分别在路基中部和两侧，以及上层土体结构顶部中间安装百分表，用于监测路基和上层土体结构沉降。
④
抽采系统通过空压机对预制入煤层气部位的橡胶气囊进行充气，压力传感器达到500kpa，调整控制阀，停止充气。
⑤
调整抽采系统
控制阀，按10kpa压力进行分级抽气，每次抽气完毕，静置10分钟，待土体沉降达到稳定值，方可进行下一级抽气。直至将气囊中气体全部抽完。抽气过程中，对地下水水位和百分表读数进行连续记录。建立煤层气抽采压力与地下水位和路基沉降之间的定量关系。
26.与现有技术相比，本实用新型通过对抽采压力的动态控制实现煤层气抽采，同时还综合考虑了煤层气抽采对地下水水位的影响，以及二者对路基沉降的影响，为揭示煤层气抽采对公路工程运营影响提供数据支撑。故可广泛应用于市政、公路、铁路等类似工程的物理模型试验中。