CN108445183B - 一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置及其试验方法。该装置包括布置在试验平台上的透明模型槽，以及布置在透明模型槽外侧的两台工业相机和两台激光发射器。所述透明模型槽包括可变形侧壁，以及设置在可变形侧壁下方的底板。试验时，两台激光发射器在透明土内部同时形成散斑切面。按设计将空心圆柱水袋内的液体放出。两台工业相机同步摄取透明土内部切面图片。利用数字图像处理技术分析切面图片。该装置的试验方法，包括设计实验方案、拼装透明模型槽、制作隧道模型、布置工业相机和试验等步骤。该装置通过改变平行四边形透明土模型槽的角度，可以实现任意角度交叉隧道开挖的透明土模型试验，节约了试验成本。

Description

一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及土木工程建设领域，特别涉及一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置及其试验方法。

背景技术

随着城市地铁建设线路的增多，出现了越来越多的近接交叉隧道工况。由于环境限制和规划设计等影响，新建隧道和既有隧道的距离越来越近，从而使得工程综合难度更大，风险更高。因此开展近接交叉隧道的变形特征研究具有重要意义。

透明土的基本原理是利用透明颗粒材料和具有相同折射率的孔隙液体混合,排出空气得到的透明的饱和土,该土体与天然土体具有相似的岩土工程性质。利用激光器可以在透明土中形成散斑场,可以用工业相机拍出高精度的图片。PIV技术是基于图像匹配技术发展起来的一种流体速度测量技术,通过对比不同时刻的图片灰度值,利用关联函数可以得到不同时刻的相对位移,从而得到隧道土体内部的宏观变形过程。

现有技术中存在一种在透明土地基中隧道开挖的模型试验装置。该装置通过控制预先埋设在透明土中若干个水囊的体积，实现了在透明土模型试验中隧道的分步开挖过程。但该试验装置无法实现双孔复杂交叉隧道的开挖模拟过程。并且该装置为实现隧道的分步开挖，需要在透明土中埋设许多排水管，从而影响实验的准确性。

因此亟需开发一种可以在透明土中实现双孔复杂交叉隧道分步开挖的模型试验装置及其试验方法。

发明内容

本发明的目的是提供双孔交叉隧道透明土模型试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置，包括布置在试验平台上的透明模型槽，以及布置在透明模型槽外侧的两台工业相机和两台激光发射器。

所述透明模型槽包括可变形侧壁，以及设置在可变形侧壁下方的底板。

所述底板为矩形有机玻璃板。所述底板的上板面设置有若干个螺纹孔Ⅱ。

所述可变形侧壁包括四块方形有机玻璃侧板和4个密封条。所述密封条的侧缘设置有两个与侧板相楔插的条槽。相邻两块侧板通过密封条连接。四块侧板排列围合成可变形侧壁。所述侧板下端的两侧板面上布置有若干个突起块。所述突起块上设置有贯穿其上下表面的螺纹孔Ⅰ。亚克力内六角螺栓依次旋入螺纹孔Ⅰ和相应螺纹孔Ⅱ。所述可变形侧壁与底板之间布置有密封环。所述密封环的上表面具有与侧板相楔插的环形槽，以及供密封条插入的密封条槽。所述侧板和底板合围出试验所需模型槽。所述透明模型槽相邻两侧的两块侧板上还设置有若干排水阀门。所述排水阀门连通透明模型槽的内腔与外部。

所述透明模型槽内填筑透明土。所述透明土中按设计要求埋设有两个带槽圆柱。所述带槽圆柱整体为一个有机玻璃圆柱。这个有机玻璃圆柱的侧面沿长度方向开设有排水管槽。所述两个带槽圆柱处于不同平面，且两个带槽圆柱在水平面上的投影交叉。每个带槽圆柱上均套设有若干个空心圆柱水袋。所述空心圆柱水袋内充满与透明土折射率相同的透明孔隙液体。所述空心圆柱水袋的内腔中设置有排水管。所述排水管一端连接空心圆柱水袋，另一端穿过排水管槽后与排水阀门连接。

试验时，两台激光发射器在透明土内部同时形成散斑切面。按设计将空心圆柱水袋内的液体放出。两台工业相机同步摄取透明土内部切面图片。利用数字图像处理技术分析切面图片。

进一步，所述密封条和密封环与侧板的接缝处粘贴止水条或粘接玻璃胶。

进一步，所述密封条和密封环采用可变型透明橡胶制成。

进一步，所述带槽圆柱的直径与空心圆柱水袋的内径相等。

本发明还公开一种关于上述双孔交叉隧道透明土模型试验方法，包括以下步骤：

1)设计实验方案，确定透明土填土高度、隧道尺寸、隧道角度和隧道埋深。

2)根据实验需求确定可变形侧壁的形状。将可变形侧壁与底板拼装在一起，形成试验所需透明模型槽。

3)将透明孔隙液体装入若干个空心圆柱水袋中。布置带槽圆柱，并将排水管与排水阀门连接。

4)向透明模型槽中配置透明土至第一隧道设计高度，放入一个套设有若干个空心圆柱水袋的带槽圆柱。配置透明土至第二隧道设计高度，放入另一个套设有若干个空心圆柱水袋的带槽圆柱。继续配置透明土，直至透明土满足设计埋深要求。

5)布置工业相机和激光发射器并调试。

6)通过排水阀门逐个放出空心圆柱水袋中的透明孔隙液体。工业相机采集图像，直至空心圆柱水袋中的透明孔隙液体排空。

7)采用PIV技术对采集的图像进行识别处理,得到隧道开挖过程中透明土的三维变形场。

进一步，当步骤4)中透明土中混入了过多气泡时,步骤4)之后还具有使用真空饱和器使透明土饱和的相关步骤。

进一步，步骤6)中，透明孔隙液体排出过程中，使用量杯测量放出液体的体积并记录。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.通过改变平行四边形透明土模型槽的角度，可以实现任意角度交叉隧道开挖的透明土模型试验；

B.可变形透明土模型槽可以实现不同的实验条件下交叉隧道的透明土模型试验，节约了制作不同实验条件下透明土模型槽的实验成本；

C.带槽圆柱的设计减少了排水管在开挖过程中对透明土变形的影响，提高了实验的准确性。

附图说明

图1为试验装置结构示意图；

图2为试验装置俯视图；

图3为第一、第二侧板结构示意图；

图4为第三、第四侧板结构示意图；

图5为密封条结构示意图；

图6为密封圈结构示意图；

图7为隧道模型结构示意图；

图8为带槽圆柱结构示意图；

图9为空心圆柱水袋结构示意图；

图10为模型试验装置工作示意图。

图中：工业相机1、激光发射器2、侧板3、突起块301、螺纹孔Ⅰ3011、排水阀门303、亚克力内六角螺栓4、密封条5、条槽501、密封环6、环形槽601、密封条槽602、底板7、螺纹孔Ⅱ701、空心圆柱水袋8、带槽圆柱9、排水管槽901、排水管10、试验平台11。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1和图2，本实施例公开一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置，包括布置在试验平台11上的透明模型槽，以及布置在透明模型槽外侧的两台工业相机1和两台激光发射器2。

所述透明模型槽包括可变形侧壁，以及设置在可变形侧壁下方的底板7。所述底板7与可变形侧壁垂直连接。

所述底板7为矩形有机玻璃板。所述底板7的上板面设置有螺纹孔Ⅱ701。

所述可变形侧壁包括四块方形有机玻璃侧板3和4个密封条5。参见图5，所述密封条5的侧缘设置有两个与侧板3相楔插的条槽501。所述四块侧板3依次记为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板依次排列围合成可变形侧壁。相邻两块侧板3之间通过密封条5连接。所述可变形侧壁整体为一个上下端敞口且内中空的平行四边形框体。所述底板7可完全覆盖可变形侧壁的下端敞口。参见图3，所述侧板3下端的两侧板面上布置有突起块301。所述突起块301上设置有贯穿其上下表面的螺纹孔Ⅰ3011。亚克力内六角螺栓4依次旋入螺纹孔Ⅰ3011和相应螺纹孔Ⅱ701。所述可变形侧壁与底板7之间布置有密封环6。参见图6，所述密封环6的上表面具有与侧板3相楔插的环形槽601，以及供密封条5插入的密封条槽602。所述密封圈6产生一定变形，达到密封作用。所述密封条5和密封环6采用可变型透明橡胶制成。所述密封条5和密封环6与侧板3的接缝处粘贴止水条或粘接玻璃胶，以防止透明土内液体渗出。所述侧板3和底板7合围出试验所需模型槽。

参见图4，所述第三侧板和第四侧板上还设置有排水阀门303。所述排水阀门303连通透明模型槽的内腔与外部。

所述透明模型槽内填筑透明土。所述透明土中按设计要求埋设有两条模拟隧道。两条模拟隧道处于不同平面，且两条模拟隧道在水平面上的投影交叉。两条模拟隧道的长度方向分别与第三侧板和第四侧板垂直。

每条模拟隧道包括带槽圆柱9和4个套设在带槽圆柱9上的空心圆柱水袋8。参见图8，所述带槽圆柱9整体为一个有机玻璃圆柱。这个有机玻璃圆柱的直径与空心圆柱水袋8的内径相等。这个有机玻璃圆柱的侧面沿长度方向开设有排水管槽901。参见图9，所述空心圆柱水袋8呈两端敞口且内中空的空心圆柱。所述空心圆柱水袋8内充满与透明土折射率相同的透明孔隙液体。每条模拟隧道的4个空心圆柱水袋8依次排列，各空心圆柱水袋8的内腔共同组成水袋内腔。所述空心圆柱水袋8的内腔中设置有排水管10。所述排水管10一端连接空心圆柱水袋8，另一端穿过排水管槽901后与排水阀门303连接。在本实施例中，与第三侧板垂直的4个空心圆柱水袋8对应的排水管10与第三侧板上的排水阀门303连接。与第四侧板垂直的4个空心圆柱水袋8对应的排水管10与第四侧板上的排水阀门303连接。减少了排水管10在开挖过程中对透明土变形的影响。参见图7，两个带槽圆柱9分别插入两个水袋内腔中。带槽圆柱9的两端穿出水袋内腔。所述带槽圆柱9和对应4个空心圆柱水袋8形成活塞结构。所述空心圆柱水袋8所在区域模拟隧道开挖区域，空心圆柱水袋8的长度方向为所模拟隧道的开挖方向。通过依次放出每条模拟隧道的4个空心圆柱水袋8中液体实现隧道的分步开挖。

试验时，两台激光发射器2在透明土内部同时形成散斑切面。按设计分别将空心圆柱水袋8内的液体放出，模拟隧道开挖过程。两台工业相机1同步摄取透明土内部切面图片。利用数字图像处理技术分析切面图片，可获取开挖过程中透明土中的三维变形场。参见图10，通过改变平行四边形透明土模型槽的形状，可以实现任意角度交叉隧道开挖的透明土模型试验。

实施例2：

本实施例公开一种关于上述双孔交叉隧道透明土模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)设计实验方案，确定透明土填土高度、隧道尺寸、隧道角度和隧道埋深。

2)根据实验需求确定可变形侧壁的形状。将可变形侧壁与底板7拼装在一起，形成试验所需透明模型槽。

2.1)将侧板3分别嵌入四个密封条5的条槽501中，并在连接处使用止水条或玻璃胶粘接，形成可变形侧壁。

2.2)将步骤2.1)中可变形侧壁嵌入密封圈6，连接处使用止水条或玻璃胶粘接粘接。

2.3)根据实验需要确定可变形侧壁的形状。将可变形侧壁放置于底板7上，将亚克力内六角螺栓4依次穿过螺纹孔Ⅰ3011和相应螺纹孔Ⅱ701并拧紧，使密封圈6产生一定变形，达到密封作用，形成实验所需模型槽。

3)将透明孔隙液体装入8个空心圆柱水袋8中。布置带槽圆柱9，并将排水管10与排水阀门303连接，从而形成两条模拟隧道。

4)向透明模型槽中配置透明土至第一隧道设计高度，放入一个套设有4个空心圆柱水袋8的带槽圆柱9。配置透明土至第二隧道设计高度，放入另一个套设有4个空心圆柱水袋8的带槽圆柱9。继续配置透明土，直至透明土满足设计埋深要求。所述空心圆柱水袋8被淹没在透明土中。当透明土中混入了过多气泡时,使用真空饱和器使透明土饱和。

5)布置两组成像系统。每一条模拟隧道对应一组成像系统。每一组成像包括一台系统工业相机1和一台激光发射器2并调试。激光发射器2的轴线与对应隧道轴线重合,相机镜头轴线垂直于激光器所在平面。打开激光发射器2并缓慢增加激光强度,关闭室内光源。激光发射器2在透明土内部形成散斑切面。

6)通过排水阀门303逐个放出空心圆柱水袋8中的透明孔隙液体。工业相机1采集图像，直至空心圆柱水袋8中的透明孔隙液体排空。透明孔隙液体排出过程中，使用量杯测量放出液体的体积并记录。

6.1)根据试验需求，选择先行开挖的隧道。关闭另一条隧道对应的成像系统。将先行开挖的隧道对应排水阀门303逐个打开,匀速放出第一个空心圆柱水袋8中的透明液体,将激光发射器2对准先行开挖的隧道中轴线，形成散斑场采集图像，并多次平行移动激光发射器2。采集一系列图像,直至空心圆柱水袋8中的液体放光。液体放出的过程中用量杯测量放出液体的体积并记录。

6.2)重复6.1)的操作过程，模拟开挖另一条隧道。

7)采用PIV技术相关软件对采集的图像进行识别处理,得到隧道开挖过程中透明土的三维变形场。

Claims (7)

1.一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置，其特征在于：包括布置在试验平台（11）上的透明模型槽，以及布置在透明模型槽外侧的两台工业相机（1）和两台激光发射器（2）；

所述透明模型槽包括可变形侧壁，以及设置在可变形侧壁下方的底板（7）；

所述底板（7）为矩形有机玻璃板；所述底板（7）的上板面设置有若干个螺纹孔Ⅱ（701）；

所述可变形侧壁包括四块方形有机玻璃侧板（3）和4个密封条（5）；所述密封条（5）的侧缘设置有两个与侧板（3）相楔插的条槽（501）；相邻两块侧板（3）通过密封条（5）连接；四块侧板（3）排列围合成可变形侧壁；所述侧板（3）下端的两侧板面上布置有若干个突起块（301）；所述突起块（301）上设置有贯穿其上下表面的螺纹孔Ⅰ（3011）；亚克力内六角螺栓（4）依次旋入螺纹孔Ⅰ（3011）和相应螺纹孔Ⅱ（701）；所述可变形侧壁与底板（7）之间布置有密封环（6）；所述密封环（6）的上表面具有与侧板（3）相楔插的环形槽（601），以及供密封条（5）插入的密封条槽（602）；所述侧板（3）和底板（7）合围出试验所需模型槽；所述透明模型槽相邻两侧的两块侧板（3）上还设置有若干排水阀门302；所述排水阀门（303）连通透明模型槽的内腔与外部；

所述透明模型槽内填筑透明土；所述透明土中按设计要求埋设有两个带槽圆柱（9）；所述带槽圆柱（9）整体为一个有机玻璃圆柱；这个有机玻璃圆柱的侧面沿长度方向开设有排水管槽（901）；所述两个带槽圆柱（9）处于不同平面，且两个带槽圆柱（9）在水平面上的投影交叉；每个带槽圆柱（9）上均套设有若干个空心圆柱水袋（8）；所述空心圆柱水袋（8）内充满与透明土折射率相同的透明孔隙液体；所述空心圆柱水袋（8）的内腔中设置有排水管（10）；所述排水管（10）一端连接空心圆柱水袋（8），另一端穿过排水管槽（901）后与排水阀门（303）连接；

试验时，两台激光发射器（2）在透明土内部同时形成散斑切面；按设计将空心圆柱水袋（8）内的液体放出；两台工业相机（1）同步摄取透明土内部切面图片；利用数字图像处理技术分析切面图片。

2.根据权利要求1所述的一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置，其特征在于：所述密封条（5）和密封环（6）与侧板（3）的接缝处粘贴止水条或粘接玻璃胶。

3.根据权利要求1所述的一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置，其特征在于：所述密封条（5）和密封环（6）采用可变型透明橡胶制成。

4.根据权利要求1所述的一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置，其特征在于：所述带槽圆柱（9）的直径与空心圆柱水袋（8）的内径相等。

5.一种关于权利要求1所述双孔交叉隧道透明土模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设计实验方案，确定透明土填土高度、隧道尺寸、隧道角度和隧道埋深；

2)根据实验需求确定可变形侧壁的形状；将可变形侧壁与底板（7）拼装在一起，形成试验所需透明模型槽；

3)将透明孔隙液体装入若干个空心圆柱水袋（8）中；布置带槽圆柱（9），并将排水管（10）与排水阀门（303）连接；

4)向透明模型槽中配置透明土至第一隧道设计高度，放入一个套设有若干个空心圆柱水袋（8）的带槽圆柱（9）；配置透明土至第二隧道设计高度，放入另一个套设有若干个空心圆柱水袋（8）的带槽圆柱（9）；继续配置透明土，直至透明土满足设计埋深要求；

5)布置工业相机（1）和激光发射器（2）并调试；

6)通过排水阀门（303）逐个放出空心圆柱水袋（8）中的透明孔隙液体；工业相机（1）采集图像，直至空心圆柱水袋（8）中的透明孔隙液体排空；

7)采用PIV技术对采集的图像进行识别处理,得到隧道开挖过程中透明土的三维变形场。

6.根据权利要求5所述的一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置的试验方法，其特征在于：当步骤4）中透明土中混入了过多气泡时,步骤4）之后还具有使用真空饱和器使透明土饱和的相关步骤。

7.根据权利要求5所述的一种双孔交叉隧道透明土模型试验装置的试验方法，其特征在于：步骤6）中，透明孔隙液体排出过程中，使用量杯测量放出液体的体积并记录。

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