专利名称：富水裂隙岩体静动载-渗流耦合试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种试验装置，特别是一种富水裂隙岩体静动载-渗流耦合试验
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背景技术：
我国既有铁路隧道，经过数十年的运营，特别是在地下水发育的情况下，一般的隧道底部便出现吊空，底部结构出现开裂，破损，下陷，向两侧外挤，并出现翻浆、冒泥等现象。 根据资料统计，郑州铁路局管内有隧道1152座，直接影响行车的隧道底部翻浆冒泥病害约占20% ；成昆线铺设整体道床的30座隧道中有20座发生铺底病害；贵阳铁路分局翻浆冒泥等铺底病害的隧道有42座。隧道基底病害对铁路运营会造成严重危害，它恶化了行车条件，限制了行车速度，严重危及行车安全和列车运营效率。调查分析表明，隧道基底病害主要发生在富水软岩地段，表现为隧道基底岩层在列车动载及地下水的耦合作用下被碾磨成泥浆，并随着地下水在岩层裂隙中的流动，基岩破损形成的浆液被水带走，久而久之，隧道底部基岩逐渐形成空洞，使隧道底部基础条件逐渐恶化，最终导致隧道底部结构破坏，形成底部病害。因此，隧道基底地下水渗流、列车反复动载以及软弱裂隙基岩是隧道底部病害产生的主要原因。要彻底解决隧道底部病害问题，须对列车动载及地下水渗流耦合作用下裂隙软岩的损伤、浆化、流失过程进行系统研究。目前，针对隧道底部结构病害问题，国内一些学者从加强隧道底部结构设计及改善排水系统等方面开展了一些整治措施方面的研究工作，但对病害产生的机理没有进行深入的理论分析，更缺少这方面的试验工作。隧道底部结构病害的产生是一个动载-地下水渗流-流失耦合过程，软弱基岩在列车冲击荷载作用下，处于隧道基底的地下水来不及消散，产生很高的孔隙水压力，卸载后，基底地形水来不及补充，使得基底孔隙处于负压状态，这种拉压交变的孔隙水压力和列车冲击荷载叠加，共同作用于隧道底部软弱基岩上，引起软弱基岩的破损、浆化，在地下水渗流作用下将浆液带走，如此往复，最终导致底部结构破坏。
实用新型内容本实用新型的目的是解决现有技术的不足而提供一种方便利用实验室已有加载设备提供动载，同时实现了静动应力-渗流耦合试验，可模拟不同动载和渗流条件下富水裂隙岩体的动载-渗流-流失耦合作用的富水裂隙岩体静动载-渗流耦合试验装置。一种富水裂隙岩体静动载-渗流耦合试验装置，包括轴向动应力加载系统、围压加载系统、压力室、机架、孔隙水压力测量装置和流失量收集装置，其特征在于所述机架上安装有工作台座，所述工作台座上固装有压力室承压板，所述压力室承压板上安装有所述压力室，所述压力室包括基座、下底、支撑立柱、压力室罩、活塞杆、上盖、加压帽和活塞密封套，所述基座安装在所述压力室承压板上，所述下底密封安装在所述基座上，所述上盖上设有排气孔，所述排气孔上安装有密封所述排气孔的排气塞，所述上盖和下底之间通过所述支撑立柱连接，所述支撑立柱内侧设有上端与所述上盖密封连接、下端与所述下底密封连接的压力室罩，所述压力室罩为密封的筒体，所述基座的中部设有裂隙岩样安装台，所述上盖上安装有活塞密封套，所述活塞杆安装在所述活塞密封套内，所述活塞杆的一端设置在所述压力室罩内并且与所述基座同轴安装的所述加压帽连接，所述加压帽和所述基座安装台之间为裂隙岩样存放处，所述活塞杆的另一端上安装有所述传感器基座并且所述活塞杆的另一端设置在所述压力室罩外，所述基座的安装台上设有出水孔，所述出水孔的一端与所述基座安装台的顶部连通，所述出水孔的另一端上安装有连接接头，所述基座的上还设有连通外界和压力室罩内的第一流通孔、第二流通孔和进水孔三个孔，所述加压帽上还设有第三流通孔，所述第三流通孔的一端与所述加压帽的底部连通，所述第三流通孔的另一端安装有连接接头，所述连接接头通过水管与所述进水孔连通，所述进水孔上安装有连接接头。本实用新型中，所述加压帽底面上以所述第三流通孔为中心设有多个环形凹槽， 所述基座顶面上以所述出水孔为中心设有多个环形凹槽。本实用新型中，所述加压帽和所述基座之间的裂隙岩样存放处外安装有一端与所述加压帽密封、另一端与所述基座安装台密封的膜套。采用上述方案，本实用新型通过改进压力室结构，方便利用实验室已有加载设备提供动载，同时实现了静动应力-渗流耦合试验，可模拟不同动载和渗流条件下富水裂隙岩体的动载-渗流-流失耦合作用，可用于研究富水裂隙岩体在循环荷载和渗流耦合作用下的累积变形、损伤演化、流失和渗透性演化的耦合关系，试验结果可应用于铁路隧道底部结构疲劳和耐久性研究领域。

图1为本实用新型压力室结构示意图。图2(a)为本实用新型基座的俯视图。图2(b)为图2(a)A-A处的剖视图。图2(c)为图2(a)B处的剖视图。图3为孔隙水压力测量和流失量收集装置结构示意图。图4为围压加载系统构造示意图。附图1至4中，1、传感器基座，2、活塞杆，3、排气塞，4、活塞密封套，5、螺栓，6、螺杆，7、上盖，8、直插式直角接头，9、加压帽，10、膜套，11、裂隙岩样，12、支撑立柱，13、压力室罩，14、水管，15、下底，16、进水孔，17、出水孔，18、压力室承压板，19、工作台座，20、直插式直通接头，21、基座，22、第一流通孔，23、第二流通孔，M、第三流通孔，25、凹槽，沈、进水箱， 27、集水箱，28、第一孔隙水压力计，29、第二孔隙水压力计，30、进水阀门，31、出水阀门，32、 进水管，33、出水管，34、油箱，35、油泵，36、电动机，37、蓄能器，38、压力表，39、溢流阀，40、 注油阀，41、回油阀，42、进油管，43、出油管。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。实施例由图1、图2、图3和图4可知，用地锚将工作台座19锚固在机架上，压力室承压板18和工作台座19由螺栓固定，上盖7有一个排气孔，排气孔上设有密封排气孔的排气塞3， 排气孔用于往压力室加围压时排出压力室内的空气，上盖7与活塞密封套4通过螺栓5固定，两者之间垫上0型密封圈加强密封效果。上盖7、支撑立柱12、压力室罩13和下底15 用螺栓固定在一起，压力室罩指的是压力室的外壳，是钢或高强玻璃材料制成，可以防水防油，压力室罩13与上盖7、下底15的接触面垫上0型密封圈加强密封效果。活塞密封套4 内与活塞杆2接触的部分设有两个Y型密封圈保证了加载过程中压力室的密封性。活塞杆2和加压帽9固定在一起，加压帽9上钻有一个L型的第三流通孔M，第三流通孔M的一端与加压帽9的底面连接，另一端上安装有直插式直角接头8，基座21上钻有L型的第一流通孔22、第二流通孔23和进水孔16，基座21的中部还钻有一个直通的出水孔17，在第一流通孔22、第二流通孔23、进水孔16和出水孔17上都安装有直插式直通接头20，第三流通孔M上的直插式直角接头8通过水管14与进水孔16上的直插式直通接头20连接，加压帽9底面上以所述第三流通孔M为中心设有多个环形凹槽25，所述基座21顶面上以所述出水孔17为中心设有多个环形凹槽25，环形凹槽25作为渗流和流失量收集通道；如图4所述，围压加载系统由油箱34、油泵35、电动机36、蓄能器37、压力表38、溢流阀39、注油阀40、回油阀41、进油管42和出油管43组成，所述进油管42连接在第一流通孔22上的直插式直通接头20上，所述出油管43连接在第二流通孔23上的直插式直通接头20上，孔隙水压力测量装置包括进水箱沈、第一孔隙水压力计观、进水阀门30和进水管 32组成，流失量收集装置包括集水箱27、第二孔隙水压力计29、出水阀门31和出水管33， 所述进水管32与进水孔16上的直插式直通接头20连接，所述出水管33与出水孔17上的直插式直通接头20连接，传感器基座1并与轴向动应力加载系统的加载头固定在一起，这里的轴向动应力加载系统采用MTS加载机。试验时将基座21放在压力室承压板18上，用膜套10套上裂隙岩样11后放在基座21上，膜套10的一端套住基座21并用橡皮筋密封。将加压帽9放在裂隙岩样11上，膜套10的另一头套住加压帽9并用橡皮筋密封，安装好水管14，用含压力室罩13的组合体套住岩样放在基座21上，下底15和基座21的接触面垫上0型密封圈并用螺栓紧密固定。 围压加载系统、孔隙水压力测量和流失量收集装置通过油管和水管与压力室连接。打开进水阀门30、出水阀门31将裂隙岩样11和膜套10内的空气排出，设置好溢流阀39，打开注油阀门40，关闭回油阀门41，启动电动机36往压力室内注油，待油注满压力室时关闭电动机36，关闭注油阀门40，拧上排气塞3 ；然后打开注油阀门40，启动电动机36往压力室内加压，压力室内压力达到试验要求时关闭注油阀门40，由蓄能器37维持压力室内压力的稳定，围压施加完毕后关闭出水阀门31，读取第二孔隙水压力计四上的孔隙水压力，设置好 MTS加载机的加载参数，开始加载，打开出水阀门31收集流失量，在加载一定次数后关闭出水阀门31读取第二孔隙水压力计四，由MTS加载机自带的位移测量装置测量试样的轴向变形量，通过施加不同频率、大小、次数的轴向荷载，改变水箱的高度、进水阀门的大小来模拟不同动载和不同渗流条件下富水裂隙岩体的损伤演化、渗透性规律、流失量变化及其耦合关系。
权利要求1.一种富水裂隙岩体静动载-渗流耦合试验装置，包括轴向动应力加载系统、围压加载系统、压力室、机架、孔隙水压力测量装置和流失量收集装置，其特征在于所述机架上安装有工作台座，所述工作台座上固装有压力室承压板，所述压力室承压板上安装有所述压力室，所述压力室包括基座、下底、支撑立柱、压力室罩、活塞杆、上盖、加压帽和活塞密封套，所述基座安装在所述压力室承压板上，所述下底密封安装在所述基座上，所述上盖上设有排气孔，所述排气孔上安装有密封所述排气孔的排气塞，所述上盖和下底之间通过所述支撑立柱连接，所述支撑立柱内侧设有上端与所述上盖密封连接、下端与所述下底密封连接的压力室罩，所述压力室罩为密封的筒体，所述基座的中部设有裂隙岩样安装台，所述上盖上安装有活塞密封套，所述活塞杆安装在所述活塞密封套内，所述活塞杆的一端设置在所述压力室罩内并且与所述基座同轴安装的所述加压帽连接，所述加压帽和所述基座安装台之间为裂隙岩样存放处，所述活塞杆的另一端上安装有所述传感器基座并且所述活塞杆的另一端设置在所述压力室罩外，所述基座的安装台上设有出水孔，所述出水孔的一端与所述基座安装台的顶部连通，所述出水孔的另一端上安装有连接接头，所述基座上还设有连通外界和压力室罩内的第一流通孔、第二流通孔和进水孔三个孔，所述加压帽上还设有第三流通孔，所述第三流通孔的一端与所述加压帽的底部连通，所述第三流通孔的另一端安装有连接接头，所述连接接头通过水管与所述进水孔连通，所述进水孔上安装有连接接头。
2.根据权利要求1所述的富水裂隙岩体静动载-渗流耦合试验装置，其特征在于所述加压帽底面上以所述第三流通孔为中心设有多个环形凹槽，所述基座顶面上以所述出水孔为中心设有多个环形凹槽。
3.根据权利要求1所述的富水裂隙岩体静动载-渗流耦合试验装置，其特征在于所述加压帽和所述基座之间的裂隙岩样存放处外安装有一端与所述加压帽密封、另一端与所述基座安装台密封的膜套。
专利摘要本实用新型涉及一种富水裂隙岩体静动载-渗流耦合试验装置，包括轴向动应力加载系统、围压加载系统、压力室、机架、孔隙水压力测量装置和流失量收集装置，其中压力室位于机架平台上，压力室包括基座、连接螺栓、支撑立柱、压力室罩、活塞杆和活塞套，所述压力室还包括连接在活塞杆下端的加压帽，加压帽内设L型的流通孔，孔位于加压帽中心，并在加压帽底端面以孔位为中心刻制放射网状环形凹槽；所述压力室基座周边设置3个L型的流通孔，基座底部中心设置1个直孔，并在基座顶断面以孔位为中心刻制放射网状环形凹槽；所述压力室还包括连接加压帽和基座L型孔的耐压水管。所述活塞杆还包括传感器座，固定于活塞杆上端部，既可与轴向作动器相连，也可与一般轴向压力机相连，方便功能转换。
文档编号G01N33/24GK202210098SQ20112032312
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者丁祖德, 张运良, 彭立敏, 施成华, 杨伟超, 赵明桥, 雷明锋, 黄娟 申请人:中南大学