[发明专利]隧道充填结构渗流、侵蚀与应力耦合失稳试验装置与方法

说明书

本发明公开了隧道充填结构渗流、侵蚀与应力耦合失稳试验装置与方法，通过可视化渗透试验室顶部施加水源，并在压力梯度作用下，自上而下发生渗流作用，以模拟充填结构内部的地下水渗流状态；逐级增加渗透压力，通过试样内部介质流失状态以及内部渗透压力分布规律，来研究充填结构的渗流‑侵蚀‑应力失稳判据；通过可视化渗透试验室采用锯齿状的搭接方式，可在一定范围内自由改变相对位置，保证了水平两个方向施加压力的独立性；顶部钢板与侧壁锯齿状的搭接方式，可保证荷载的独立加载，较为真实地实现了三维地应力状态的模拟。

技术领域

本发明涉及隧道充填结构渗流、侵蚀与应力耦合失稳试验装置与方法。

背景技术

突水突泥是隧道施工过程中最常遭遇的一种地质灾害，重大突水突泥事故极易诱发山体塌陷、水资源枯竭等生态破坏，提高工程建设成本、延误工程建设工期，造成重大的经济损失和恶劣的社会影响。由于突水突泥灾害类型十分丰富、灾变演化过程极其复杂，至今难以得到根本性遏制。

突水突泥实质上是充填结构内部岩土体在一定的地应力和渗流条件作用下，打破既有平衡状态，突破最后隔水阻泥屏障，经由优势运移通道瞬时涌入隧道已开挖临空面的一种动力破坏现象。其发生过程中往往伴随着地应力、渗透压力、位移等信息的剧烈变化，因此，在试验过程中可以通过获取并分析这些信息的变化规律来研究充填结构动态演化过程与失稳发生机理。

以往的突水突泥试验装置往往停留在一维或假三维地应力的试验条件上，一维试验往往忽略了试样水平地应力作用的影响，假三轴试验虽然考虑地应力作用但是假定水平地应力都相等，这些均不能准确反映岩土体在真实地质条件下的受力状态。国内外用于隧道充填结构失稳突水试验装置非常少见，尤其针对三维充填结构失稳机理研究的试验装置十分欠缺。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道充填结构渗流、侵蚀与应力耦合失稳试验装置与方法，本发明能够实现三维地应力条件下充填结构渗流-侵蚀-应力耦合失稳演化进而诱发突水过程的模拟实验。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道充填结构渗流、侵蚀与应力耦合失稳机理试验装置，包括试验台架、封闭试验舱、可视化渗透试验室、地应力加载系统、渗压加载系统、信息监测与数据采集系统和流量监测与流失颗粒采集系统，其中：

所述试验台架承载封闭试验舱，所述封闭试验舱为由钢板拼接成的具有容纳空间的密封结构，至少一块钢板上嵌设有钢化玻璃，实现试验过程的可视化，每块钢板中部安装加载杆与反力梁，向其容纳的可视化渗透试验室施加地应力荷载，每条加载杆与地应力加载系统单独连接，可实现不同方向独立加载；

所述可视化渗透试验室内部填充现场充填介质或者不同级配砂土体组成试验试样，可视化渗透试验室的四周设置有加载板，其边界采用锯齿形结构，可实现四个方向地应力的同时加载；

所述流量监测与流失颗粒采集系统位于可视化渗透试验室下部，将试验室内流出的水和细颗粒进行分离与收集；

所述地应力加载系统用于向可视化渗透试验室施加荷载，模拟充填结构真实赋存的三维地应力状态，所述渗压加载系统设置于可视化渗透试验室上端，向试样顶部施加渗透压力，模拟充填结构所受的地下水压力和渗流作用；

所述信息监测与数据采集系统，采集模拟实验过程中试样所受的地应力、渗透压力、体积变形以及位移变化数据通过传感器进行监测采集，实现隧道充填结构渗流、侵蚀与应力耦合失稳突水全过程检测与信息采集。

进一步的，所述试验台架用于承载封闭试验舱，具体包括基础箱体、不锈钢机架、透明玻璃罩和可滑动轨道，基础箱体由不锈钢材料制作而成，两侧设置有开口，下端具有储物空间，上侧设置有所述不锈钢机架，透明玻璃罩设置在不锈钢机架上，不锈钢机架底端设置有可滑动轨道。