本发明涉及一种侵蚀及渗流作用下注浆加固体稳定性三维模型试验系统及方法。
背景技术：
海底隧道开挖时，经常发生围岩变形大、涌水量大等问题，甚至发生突涌水灾害，严重危害人员财产安全。注浆作为处理海底隧道穿越断层破碎带等不良地质段时的有效方法，得到了越来越广泛的应用。在海水长期侵蚀作用及渗流作用下地层中注浆加固体中的细小颗粒会被分解进而被带走，降低了注浆加固体的强度，增加了注浆加固体的透水性，严重影响海底隧道的长期稳定性。因此开展三维模型试验研究海底隧道地层中注浆加固体在海水长期侵蚀作用及渗流作用下的损伤破坏对于研究海底隧道长期稳定性尤为重要。
目前长期稳定性试验系统主要有以下不足：国内外关于海水侵蚀作用及渗流作用下注浆加固体长期稳定性模型试验系统并不多见，主要问题是此类试验和研究较少，且大多仅仅考虑海水侵蚀或渗流作用单一因素；相关试验主要是测试试块在海水侵蚀或渗流作用下的损伤破坏，不能反映海底隧道注浆加固体在双重因素作用下损伤破坏的实际情况，不能得到海底隧道注浆加固体实际损伤破坏规律。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提出了一种侵蚀及渗流作用下注浆加固体稳定性三维模型试验系统及方法，本发明可以实现模拟海底隧道地层中注浆加固体在海水长期侵蚀作用及渗流作用下的损伤破坏，并可测量计算海水侵蚀及渗流作用下不同时间注浆加固体的渗透系数。具有密封性好、结构简单、可重复使用、操作方便等优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种侵蚀及渗流作用下注浆加固体稳定性三维模型试验系统，包括试验台架、供水系统、地应力加载系统和监测系统，其中：所述试验台架为具有容纳空间的框架结构，框架结构内设置有注浆加固体，框架结构上设置有接口和隧道口，所述接口与监测系统的信号收集器相连，收集试验过程中产生的应力和渗压信息，通过隧道口观察实验过程中注浆加固体形状变化及渗水情况，所述供水系统为试验台架提供液体源及压力，所述地应力加载系统向注浆加固体施加地应力，实现模拟注浆加固体在液体长期侵蚀作用及渗流作用下的损伤破坏，测量计算侵蚀及渗流作用下不同时间注浆加固体的渗透系数。
进一步的，所述试验台架包括上部敞口的方形框架体，方形框架体上连接有顶盖，方形框架体的四周设置翼板，翼板与顶盖连接，且连接处设置有密封件，方形框架体四周设置有起加固作用的工字钢肋板。
进一步的，所述试验台架上设置有观测口，以观察实验过程中注浆加固体形状变化及渗水情况。
进一步的，所述试验台架内承载有填料，观测口外侧连接有法兰盘，利用注浆系统通过法兰盘对填料进行注浆形成圆柱状注浆加固体。
进一步的，所述的顶盖有第二接口，第二接口通过输水管与供水系统相连。
进一步的，所述的供水系统包括压力罐、空压机和水泵，所述的压力罐有三个接口和一个泄压阀门，一个接口与为压力罐提供压力的空压机相连，另一接口与为压力罐提供水源的水泵相连，另外的接口与试验台架上部顶盖相连，为试验台架提供水源及压力。
进一步的，所述的地应力加载系统包括液压油缸、油泵、反力架和承压板，所述的液压油缸有连接接口，连接接口与油泵通过输油管相连，输油管上安装压力表监控油压；所述的液压油缸安装在顶盖上，液压油缸上部顶到上反力架，通过上反力架提供反作用力；所述的液压油缸下部顶在承压板上，通过承压板向填料施加均匀的压力。
更进一步的，所述反力架由上反力架与下反力架组成，上下反力架相连接，下反力架与底板通过焊接连接，且通过钢板焊接连接下反力架与底板进一步提高反力架强度和刚度。
进一步的，所述的监测系统包括监测元件和信号收集器，监测元件包括应力传感器和渗压传感器，分别监测试验台架内部应力与渗压变化情况，监测元件通过线路与信号收集器连接，收集试验过程中注浆加固体产生的应力和渗压试验信息。
基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：安装试验台架和地应力加载系统；
步骤二：使用输气管连接空压机的气压调节器与压力罐，使用送水管连接水泵与压力罐，送水管上安装送水阀门；使用输水管连接压力罐与顶盖，输水管上安装输水阀门和压力表；使用输油管连接液压油缸与油泵，输油管上安装压力表；
步骤三：打开油泵输送油压施加地应力，保证油压达到指定压力并保持；连接法兰盘与注浆装置，通过注浆形成圆柱状注浆加固体；注浆结束后，拆卸法兰盘，通过试验台架圆形开口开挖形成隧道；
步骤四：打开输水阀门、送水阀门和水泵，当压力罐储存一定量海水时关闭水泵和送水阀门；
步骤五：施加水压，打开空压机并调节气压调节器使压力罐内部达到指定压力进行长期稳定性试验，直到试验完成。
在水压加载过程中，压力罐上部为空气，下部为海水，依靠空压机提供的空气压力转化为水压力作用在注浆加固体上，从而开展长期稳定性试验。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明可以实现模拟海底隧道地层中注浆加固体在海水长期侵蚀作用及渗流作用下的损伤破坏，并可测量计算海水侵蚀及渗流作用下不同时间注浆加固体的渗透系数。具有密封性好、结构简单、可重复使用、操作方便等优点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明结构示意平面图；
图2是本发明试验台架、液压油缸、反力架三维图；
图3是本发明试验台架、液压油缸、反力架三维剖面图；
图中：1.压力罐；2.空压机；3.气压调节器；4.输气管；5.第三接口；6.水泵；7.送水管；8.送水阀门；9.第四接口；10.卸压阀门；11.水压压力表；12.第五接口；13.输水阀门；14.压力罐支架；15.输水管；16.输油管；17.油压压力表；18.油泵；19.信号收集器；20.线路；21.上反力架；22.螺栓Ⅲ；23.下反力架；24.肋板；25.加强钢板；26.底板；27.螺栓II；28.第六接口；29.液压油缸；30.第二接口；31.承压板；32.螺栓I；33.顶盖；34橡胶垫；35.翼板；36.第一接口；37.试验台架；38.圆形开口；39.法兰盘；40.螺栓Ⅳ；41.填料；42.注浆加固体；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，目前长期稳定性试验系统主要有以下不足：国内外关于海水侵蚀作用及渗流作用下注浆加固体长期稳定性模型试验系统并不多见，主要问题是此类试验和研究较少，且大多仅仅考虑海水侵蚀或渗流作用单一因素；相关试验主要是测试试块在海水侵蚀或渗流作用下的损伤破坏，未能反映海底隧道注浆加固体在双重因素作用下损伤破坏的实际情况，不能得到海底隧道注浆加固体实际损伤破坏规律。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种长期稳定性试验系统。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种海水侵蚀及渗流作用下注浆加固体长期稳定性三维模型试验系统，包括压力罐1、空压机2、水泵6、油泵18、信号收集器19、反力架21、23、液压油缸29、试验台架37及其他连接构件。
如图2～3所示，试验台架37包括上部敞口的方形框架体、起密封作用的橡胶垫34和顶盖33、环箍在方形框架体四周起加固作用的上下两个工字钢肋板24。所述的方形框架体37有1个接口和1个圆形开口，第一接口36与监测系统中的信号收集器19相连，收集试验过程中试验台架内产生的应力、渗压等试验参数；圆形开口38为隧道口，通过圆形开口38可以观察实验过程中注浆加固体39形状变化及渗水情况，通过收集注浆加固体39的渗漏水可以计算不同时间的渗透系数；所述的圆形开口38外侧通过螺栓Ⅳ40连接法兰盘39，利用注浆系统连接法兰盘39对填料进行注浆形成圆柱状注浆加固体42；所述的试验台架37上部四周设置翼板35，翼板35与顶盖33通过螺栓I 32连接，翼板35与顶盖33之间放置起密封作用的橡胶垫34，所述的顶盖33有1个第二接口30，第二接口30通过输水管15与供水装置相连。
如图1所示，供水系统包括压力罐1、空压机2、水泵6。压力罐1由10mm厚的钢板制成并在底部设置支架14支撑压力罐1，压力罐1有3个接口和1个泄压阀门10，第三接口5与一个为压力罐1提供压力的空压机2相连，第四接口9与一个为压力罐1提供水源的水泵6相连，第五接口12与试验台架37上部顶盖33相连，为试验台架37提供水源及压力。第三接口5通过输气管4与空压机2上的气压调节器3相连，第四接口9通过送水管7与水泵6相连，送水管7上安装送水阀门8，第五接口12通过输水管15与试验台架37上部顶盖33相连，输水管15上安装输水阀门13和压力表11监测水压。空压机2通过气压调节器3调节输出压力，输出压力范围为0～5MPa。
如图2～3所示，地应力加载系统包括液压油缸29、油泵18、反力架21、23和承压板31。所述的液压油缸29有第六接口28，第六接口28与油泵18通过输油管16相连，输油管16上安装压力表17监控油压；所述的液压油缸29通过螺栓II 27安装在顶盖33上，液压油缸29上部顶到上反力架21，通过上反力架21提供反作用力；液压油缸29下部顶在承压板31上，通过承压板31向填料施加均匀的压力。
反力架由上反力架21与下反力架23组成，上下反力架通过螺栓Ⅲ22连接，下反力架23与底板26通过焊接连接，且通过钢板25焊接连接下反力架23与底板26进一步提高反力架强度和刚度。
如图1所示，监测系统包括监测元件和信号收集器19。监测元件包括应力传感器、渗压传感器，监测试验台架37内部应力与渗压变化情况，监测元件通过线路20与信号收集器19连接，收集试验过程中注浆加固体产生的应力、渗压等试验信息。
本发明还提供了一种注浆加固体长期稳定性三维模型试验方法，包括：
步骤一：安装试验台架37和地应力加载系统。填料并连接监测线路20，通过线路20连接监测元件和信号收集器19，填料41结束后，放置承压板31，安装顶盖33和上反力架21；
步骤二：连接管路。使用输气管4连接空压机2的气压调节器3与压力罐1的第三接口5；使用送水管7连接水泵6与压力罐1的第四接口9，送水管7上安装送水阀门8；使用输水管15连接压力罐1的第五接口12与顶盖33的第二接口30，输水管15上安装输水阀门13和压力表11；使用输油管16连接试液压油缸29的第六接口28与油泵18，输油管16上安装压力表17；
步骤三：打开油泵18输送油压施加地应力，保证油压达到指定压力并保持；连接法兰盘39与注浆装置，通过注浆形成注浆加固体42；注浆结束后，拆卸法兰盘39，通过试验台架圆形开口38开挖形成隧道；
步骤四：打开输水阀门13、送水阀门8和水泵6，当试验台架37内充满海水，压力罐1储存一定量海水时关闭水泵6和送水阀门8；
步骤五：开展长期稳定性试验。施加水压，打开空压机2并调节气压调节器3使压力罐1内部达到指定压力进行长期稳定性试验；
步骤六：泄压。待长期稳定性试验结束，关闭空压机2，打开压力罐1上的卸压阀门10，卸载压力罐1内的压力；关闭油泵18，卸载油压；
步骤七：拆卸试验装置，取出注浆加固体39，进行其他测试。
顶盖33仅起密封作用，反作用力由反力架21、23提供。
在水压加载过程中，压力罐1上部为空气，下部为海水，依靠空压机2提供的空气压力转化为水压力作用在注浆加固体39上，从而开展长期稳定性试验。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。