[发明专利]一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统及使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及隧道洞口边坡工程领域，特别涉及一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统及使用方法。

背景技术

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，其面积约占我国国土面积的五分之一，随着我国国民经济的发展和西部大开发战略的推进，未来在冻土地区修筑高速公路、高速铁路和城市地铁隧道势在必行。

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度，由于冻土的这些特征，在冻土区修筑隧道就必须面临冻胀和融沉两大危险，比如在冬季，冻土像冰一样冻结，并且随着温度降低体积发生膨胀，隧道洞口边坡出现隆起；在夏季，冻土融化体积缩小，隧道洞口边坡又会出现凹陷。

随时间和温度的影响，冻土隧道洞口边坡岩体发生周期性的冻融循环，将对岩体的物理、力学性质产生较大的影响，在冻融循环环境下，外界温度的变化使岩体的强度降低，产生冻融损伤，因此这种冻融循环交替出现，对隧道洞口边坡的稳定性十分不利，容易造成泥流、滑坡和崩塌的失稳现象。

现有的科研工作者对隧道洞口边坡的稳定进行了大量的研究，但却对冻土地区受冻融循环影响的隧道洞口边坡稳定性研究较少。而对于冻土隧道洞口边坡稳定性来说，冻融周期性循环对边坡稳定影响巨大，容易带来大量的财产损失和人身安全问题，且现有的研究多是对冻土的冻融循环规律进行研究，而进行防治的手段却研究较少，因此，有必要对冻土隧道洞口边坡稳定性进行相关模拟试验。

发明内容

本发明目的在于：针对在冻土地区修筑隧道时，由于冻土所具有的冻融周期性循环特性会对隧道洞口边坡稳定性产生较大影响的问题，提供一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其通过模拟使冻土层的温度稳定从而延缓冻土退化，在一定时间内起到保护冻土、增加岩土体热稳定性的作用，从而防止边坡土体冻胀而带来的隧道洞口边坡失稳，并能得到可靠的数据结果进行分析，从而为实际冻土隧道工程提供参考和建议，避免冻土隧道洞口边坡意外发生。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统，包括模型系统、边坡调温系统、测量系统和数据处理装置，其中：

所述模型系统包括用于盛装冻土试样的模型箱和设于箱内的隧道模型，所述模型箱能够成型隧道洞口边坡造型；

所述边坡调温系统设于隧道洞口边坡上，能够用于对模型箱内的冻土试样进行温度调节；

所述测量系统包括温度检测装置和位移检测装置，分别用于测量冻土试样的温度和隧道洞口边坡位移变化；

所述数据处理装置与所述测量系统相连，用于对测量系统反馈的数据进行储存和分析。

本发明通过设置模型系统模拟冻土隧道洞口边坡和隧道，边坡调温系统对模型箱内的冻土试样进行温度调节，提高冻土试样的热稳定性，测量系统对冻土试样的温度和隧道洞口边坡位移变化进行监测，数据处理装置对测量系统反馈的数据进行储存和分析，为冻土隧道洞口边坡稳定性提供参考和有效建议，从而有效避免冻土隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生。

作为本发明的优选方案，所述模型箱呈中空长方体结构，所述模型箱的两个相对的侧面分别连有倾斜布置的侧板，所述侧板上设有用于安装隧道模型的通孔，所述侧板为伸缩式结构。通过将长方体结构的模型箱两侧设置成倾斜的侧板，同时在侧板上设置通孔，将隧道模型穿入两个通孔内，向模型箱内填入冻土试样即可成型隧道和隧道洞口边坡模型；通过设置伸缩式结构的侧板，可以满足在将侧板调至不同倾斜角度时，隧道模型可从两个侧板上的通孔中穿过。

作为本发明的优选方案，所述侧板与模型箱底部铰接相连。通过将侧板与模型箱底部铰接，可以方便调整侧板的倾斜角度以模拟在不同边坡角度下的冻土隧道洞口边坡稳定性情况。

作为本发明的优选方案，所述模型箱上设有用于标识侧板倾斜角度的刻度尺，可以便于识别当前正在进行测试的边坡角度。

作为本发明的优选方案，所述边坡调温系统包括设于隧道洞口边坡下部的碎石护坡和多根传热棒，所述传热棒穿过碎石护坡后插于冻土试样内。通过在隧道洞口边坡堆填碎石护坡和插设传热棒，两者能对模型箱内的冻土试样起到热调节作用，增加冻土试样的热稳定性。

需要说明的是，碎石护坡调温原理如下：在暖季，由于热空气密度较小，因此热量很难进入冻土试样，而碎石之间的空气流动和地表水蒸发后又能带走热量，可以起到热屏蔽作用；在寒季，由于冷空气密度较大，在自重和风的作用下将碎石层中的热空气挤走，冷空气更容易进入冻土试样，因而能对冻土层起到保护作用。