隧道衬砌结构裂缝处治实验模拟平台及实验方法与流程

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种隧道衬砌结构裂缝处治实验模拟平台及实验方法。

技术背景

目前的隧道衬砌结构的模拟方法，大多数采用室内实验进行单因素影响处治效果的模拟，如在漏水状态下模拟隧道衬砌结构裂缝处治实验，或者在持续受力开裂的情况下模拟隧道衬砌结构裂缝处治实验，测试修补材料的粘结度和材料强度，然后对实验结果进行综合对比，通过这类方法找出修补材料的最佳配合比。这种模拟方法忽略了实际多因素影响隧道衬砌结构裂缝处治的情况，而导致试验得到的结果不准确，通常实际中隧道衬砌结构裂缝同时存在漏水和持续受力开裂的双重因素，同时现有市场上的修补材料如环氧树脂、碳纤维布。聚合水泥浆等。但由于这些修补材价格昂贵，不适合大量推广。

技术实现要素：

针对现有技术中隧道衬砌结构裂缝处治模拟实验忽略了实际多因素影响修补效果的情况和现有市场修补材料价格昂贵不适合推广的技术问题，本发明的目的在于，提供一种隧道衬砌结构裂缝处治的模拟平台及基于该平台通过多因素影响隧道衬砌结构裂缝处治模拟实验。

为了实现上述目的，本发明主要采用以下技术方案予以解决：

一种隧道衬砌结构裂缝处治实验模拟平台，包括试验台，还包括位移计、两个独立的弧形钢槽以及安装在所述试验台上的铰支座，所述弧形钢槽的横截面为矩形；两个所述弧形钢槽一端的下表面均与铰支座连接且两个弧形钢槽共同构成一个弧形工件；两个所述弧形钢槽的另一端均通过支撑杆连接试验台且支撑杆与弧形钢槽之间铰接；两个所述弧形钢槽的另一端下方均设置有力加载装置，弧形钢架与其对应的力加载装置之间设置有拉力测力计；两个所述弧形钢槽靠近铰支座的一端均设置有试件固定装置；位移计安装在试件上。

进一步的，两个所述弧形钢槽上靠近对应的力加载装置的一端连接有弹簧，且弹簧拉力方向与所述力加载装置的加载力的方向相反；在非工作状态下，弹簧处于自然状态。

进一步的，还包括安装在试验台上的试件拆卸装置，所述的试件拆卸装置包括由两个矩形板连接而成的T形架、脚踏板和两个柱形支撑杆；所述脚踏板水平穿过T形架中的竖直矩形板且与该矩形板铰接，两个柱形支撑杆一端与脚踏板铰接，另一端竖直穿过T形架中水平方向的矩形板，其上端依次穿过实验台和弧形钢槽底面上设置的通孔；T形架中水平矩形板与实验台连接。

进一步的，所述的铰支座包括转轴、支撑架和两个分支座，转轴通过支撑架固定在试验台上，两个分支座均安装在转轴上且分支座能够相对于转轴转动，每个分支座与对应的弧形钢槽一端的下表面固连。

进一步的，所述的固定装置是指在弧形钢槽的侧面上设置有螺纹孔，试件通过固定螺栓固定在弧形刚槽中。

本发明的另一个目的在于，提供一种隧道衬砌结构裂缝的诊断实验方法，包括以下步骤：

步骤1：准备不同规格裂缝的试件；

步骤2：安装试件，持续加载，模拟裂缝试件受力持续开裂，实时记录不同受力情况下开裂程度、裂缝的位移和加载力的大小；

步骤3：更换不同规格的裂缝试件，实施步骤1和步骤2；

步骤4：根据步骤1、步骤2和步骤3所得的数据，总结不同规格的裂缝试件在持续受力过程中，在不同加载力的情况下，其裂缝开裂时间、裂缝的尺寸和加载力的大小之间的关系。

进一步的，所述步骤1中，所述不同规格裂缝的试件的裂缝大小分别为0.5㎜、1㎜、2㎜、5㎜、10㎜、20㎜。

本发明的另一个目的在于，提供一种隧道衬砌结构裂缝的处治实验方法，包括以下步骤：

步骤1：依次选择多种裂缝规格的试件；将试件安装到试验台上；

步骤2：调配修补材料；

步骤3：模拟衬砌裂缝在不同渗水量情况下处治实验，具体步骤为：调试渗水量，每种渗水量情况下，将修补材料注入裂缝，待其初凝，加载拉力，分别记录不同渗水状态下修补材料的初凝时间、裂缝位移、加载力的读数；

步骤4：模拟衬砌裂缝持续受力开裂情况下处治实验，具体步骤为：实施步骤1和步骤2后，将修补材料注入裂缝，待初凝，持续加载拉力，待试件开裂，实时记录初凝时间、加载的拉力和裂缝位移；

步骤5：模拟衬砌裂缝在漏水和持续受力开裂双重因素作用下的处治实验，具体步骤为：重复步骤1和步骤2，分别实验在步骤3所述的三种渗水量的情况下，将修补浆液注入裂缝中，待其初凝，持续加载拉力，使得试件开裂，实时记录初凝时间、加载的拉力和裂缝位移。

步骤6：根据测得的实验数据分析修补效果，调节修补材料的配合比，重复上述步骤1、步骤3、步骤4和步骤5，记录实验数据，得到修补材料的最佳的配合比。

进一步的，所述的步骤2中的修补材料为聚合物基胶凝，其按照以下材料和重量配比调制：

进一步的，所述复合激发剂浆液按照以下重量比的材料调制：

和现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明通过力加载装置给试件提供开裂张力，力加载装置与传动轴相互咬合并且连续传动，能够精确控制裂缝的开裂大小，满足试验精度要求。力加载装置与弧形刚槽之间连接拉力计，能够精确测量力加载装置提供的拉力和试件开裂的位移，进而通过力学计算可以计算出试件裂缝所承受的拉力，确保数据的可靠性。混凝土试件放置在弧形钢槽的空心槽内，用拱形衬砌模型钢架外侧的固定装置固定，实验时候更换方便。采用弧形工件模拟隧道衬砌受力特点，改变拉力的方向与力矩，将横向张力改变为弧形衬砌张力，更符合隧道结构的受力特点，保证平台加载的准确性。

附图说明

图1为隧道衬砌结构裂缝处治模拟装置示意图；

图2为隧道衬砌结构裂缝处治模拟平台中铰支座示意图；

图3为隧道衬砌结构裂缝处治模拟平台中拆卸装置示意图；

图4为隧道衬砌结构裂缝处治模拟平台三维示意图；

图中各标号的含义是：1-弹簧；2-弧形钢槽；3-拉力测力计；4-力加载装置；5-试件固定装置；6-试件；7-铰支座；8-试验台；9-拆卸装置；10-支撑架；11-分支座；12-转轴；13-水平矩形板；14-脚踏板；15-柱形支撑架；16-竖直矩形板。

具体实施方式

实施例1

本发明给出了一种隧道衬砌结构裂缝处治实验模拟平台，包括试验台，还包括位移计、两个独立的弧形钢槽2以及安装在所述试验台上的铰支座7，所述弧形钢槽2的横截面为矩形；两个所述弧形钢槽2一端的下表面均与铰支座7连接且两个弧形钢槽2共同构成一个弧形工件；两个所述弧形钢槽的另一端均通过支撑杆连接试验台且支撑杆与弧形钢槽之间铰接；两个所述弧形钢槽的另一端下方均设置有力加载装置4，弧形钢架与其对应的力加载装置4之间设置有拉力测力计3；两个所述弧形钢槽靠近铰支座7的一端均设置有试件固定装置5；位移计安装在试件上。

以上技术方案提供了一种接近实际的隧道衬砌结构裂缝处治实验模拟平台，通过力加载装置给试件提供开裂张力，力加载装置与传动轴相互咬合并且连续传动，能够精确控制裂缝的开裂大小，满足试验精度要求。力加载装置与弧形刚槽之间连接拉力计，能够精确测量力加载装置提供的拉力和试件开裂的位移，进而通过力学计算可以计算出试件裂缝所承受的拉力，确保数据的可靠性。混凝土试件放置在弧形钢槽的空心槽内，用拱形衬砌模型钢架外侧的固定装置固定，实验时候更换方便。采用弧形工件模拟隧道衬砌受力特点，改变拉力的方向与力矩，将横向张力改变为弧形衬砌张力，更符合隧道结构的受力特点，保证平台加载的准确性。

其中，弧形钢槽2上靠近对应的力加载装置4的一端连接有弹簧1，且弹簧1拉力方向与所述力加载装置4的加载力的方向相反；在非工作状态下，弹簧1处于自然状态。

试验台与弧形钢槽之间采用弹簧连接，防止在力加载装置施加力的过程中试件突然发生脆性破坏，保证试验的安全性。

优选的，试验台上的试件拆卸装置9，所述的试件拆卸装置9包括由两个矩形板连接而成的T形架、脚踏板14和两个柱形支撑架15；脚踏板14穿过T形架中的竖直矩形板16，且与该矩形板铰接，两个柱形支撑架一端与脚踏板铰接，另一端竖直穿过T形架中的水平矩形板13，T形架水平方向的矩形板13和实验台8下表面连接。

试验平台增加脚踏式拆卸装置，从拱形衬砌模型钢架上换取混凝土试件时，用脚踩踏拆卸装置，通过杠杆原理，圆柱形支撑架使得试件被顶起，换取试件时更加省力。

其中，铰支座包括转轴12、支撑架10和两个分支座11，转轴12通过支撑架10固定在试验台上，两个分支座11均安装在转轴12上且分支座11能够相对于转轴12转动，每个分支座11与对应的弧形钢槽2一端的下表面固连。

铰支座上安装有转轴，转轴上安装的分支座支撑弧形钢槽，且分支座能够相对转轴转动，保证了弧形钢槽能够在力加载装置作用下相开合。

固定装置是指弧形钢槽2的侧面上设置有螺纹孔5，试件6和弧形刚槽2通过固定螺栓相固定。

用螺栓固定混凝土试件，固定稳定且拆卸方便。

优选的，所述的力加载装置4为蜗轮加载装置。蜗轮加载装置在加载拉力时，稳定且精确，能够保证试验的精确性。

实施例2

本实施例给出一种隧道衬砌结构裂缝的诊断实验方法，包括以下步骤：

步骤1：准备不同规格裂缝的试件，具体规格为：裂缝大小分别为0.5㎜、1㎜、2㎜、5㎜、10㎜、20㎜；

步骤2：安装试件，持续加载，模拟裂缝试件受力持续开裂，实时记录不同受力情况下开裂程度、裂缝的位移和加载力的大小；

步骤3：更换不同规格的裂缝试件，实施步骤1和步骤2；

步骤4：根据步骤1、步骤2和步骤3所得的数据，总结不同规格的裂缝试件在持续受力过程中，在不同加载力的情况下，其裂缝开裂时间、裂缝的尺寸和加载力的大小之间的关系。

实施例3

本实施例给出一种隧道衬砌结构裂缝的处治实验方法，包括以下步骤：

步骤1：依次选择多种裂缝规格的试件；将试件安装到试验台上；裂缝规格为1mm、2㎜、5㎜、10㎜或20㎜。

步骤2：调配修补材料；修补材料为聚合物基胶凝，其按照以下材料和重量配比调制：粉煤灰:偏高岭土:复合激发剂:硅酸盐水泥:硅灰＝14:65:10:10:1；其中复合激发剂浆液按照以下材料和重量比调制：速溶硅酸钠:氢氧化钠:纳米二氧化硅＝8:1:1的配合比配置。

步骤3：模拟衬砌裂缝在不同渗水量情况下处治实验，具体步骤为：调试渗水量分别为每分钟250毫升、500毫升、800毫升，每种渗水量情况下，将修补材料注入裂缝，待其初凝，加载拉力至1kN，分别记录不同渗水状态下修补材料的初凝时间、裂缝位移、加载力的读数；

步骤4：模拟衬砌裂缝持续受力开裂情况下处治实验，具体步骤为：实施步骤1和步骤2后，将修补材料注入裂缝，待初凝，持续加载拉力，加载速率为20N/min，待试件开裂，实时记录初凝时间、加载的拉力和裂缝位移；

步骤5：模拟衬砌裂缝在漏水和持续受力开裂双重因素作用下的处治实验，具体步骤为：重复步骤1和步骤2，分别实验在步骤3所述的三种渗水量的情况下，将修补浆液注入裂缝中，待其初凝，持续加载拉力，加载速率为20N/min，使得试件开裂，实时记录初凝时间、加载的拉力和裂缝位移。

步骤6：根据测得的实验数据分析修补效果，调节修补材料的配合比，重复上述步骤1、步骤3、步骤4和步骤5，记录实验数据，得到修补材料的最佳的配合比为粉煤灰:偏高岭土:复合激发剂:硅酸盐水泥:硅灰＝14:65:10:10:1；其中复合激发剂浆液按照以下材料和重量比调制：速溶硅酸钠:氢氧化钠:纳米二氧化硅＝8:1:1。

本隧道衬砌结构裂缝处治模拟实验方法，提供了一种在渗水和持续受力开裂的双重因素下，隧道衬砌结构裂缝修处治实验模拟方法。并通过实验找到合适的材料比、水灰比，提供一种便宜、修补效果好的裂缝修补材料。