CN108490152B - 一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法。该试验装置包括布置在试验平台上的模型箱，以及模拟隧道结构和成像装置。所述模型箱为透明矩形箱体。所述模型箱在相对的两侧壁面上预制孔洞。模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱两侧壁面上的孔洞内。所述模型箱内填筑透明土。试验时，两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。该装置的试验方法包括设计实验方案、安装模拟隧道结构、配置透明土和试验等步骤。该装置在移动有机玻璃管的过程中，通过读取有机玻璃管表面的刻度值，从而得到每次移动产生的地层损失，可以很好地对工程实际进行验证，减少了有机玻璃管对透明土体的扰动，提高了实验的准确性。

Description

一种新型模拟隧道开挖的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，特别涉及一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法。

背景技术

近二十年来，经济技术的持续发展使得我国的综合国力日益增强，基础设施建设得到了前所未有的发展。就隧道和地下空间技术而言，中国已经成为世界上建造规模最大，建设数量最多，地质条件和结构最复杂的国家。因此研究隧道在开挖过程中的变形规律是十分必要的。

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。

现有技术中存在的一种在透明土地基中隧道开挖的模型试验方法。该方法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。但是该方法采用的排水法无法保证隧道在开挖过程中的断面形状保持稳定。并且为实现隧道的分步开挖，需要在透明土中埋设许多排水管，影响了实验的准确性。

因此亟需开发一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法，以期深入认识隧道开挖引起土体变形和破坏的细观机理。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型模拟隧道开挖的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，一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，包括布置在试验平台上的模型箱，以及隧道模型、隧道开挖支撑和成像装置。

所述模型箱为透明矩形箱体。所述模型箱在相对的两侧壁面上预制孔洞。

所述隧道模型包括若干个直径依次增大的空心有机玻璃管。所述有机玻璃管从内到外依次套合成可相对滑动的伸缩筒。

所述隧道开挖支撑包括有机玻璃圆柱Ⅰ和有机玻璃圆柱Ⅱ。所述有机玻璃圆柱Ⅰ的一侧底面上设置凸起头。所述有机玻璃圆柱Ⅱ的一侧底面上设置供凸起头插入的凹槽孔。

所述隧道模型套设在有机玻璃圆柱Ⅰ上。所述隧道模型与隧道开挖支撑共同构成模拟隧道结构。所述模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱两侧壁面上的孔洞内。所述隧道开挖支撑两端伸出模型箱。所述隧道模型一端布设在模型箱内，另一端伸出模型箱。

所述模型箱内填筑透明土。

所述成像装置包括布置在模型箱外侧的两台工业相机和两台激光发射器。

试验时，两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。依次牵引各有机玻璃管移动。两台工业相机同步摄取变形前后散斑切面。调整激光发射器的水平位置和高度，获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成。利用数字图像处理技术分析切面图片。

进一步，所述模拟隧道结构与模型箱的壁面之间设置有密封圈。

进一步，所述有机玻璃管的外壁上沿轴向具有刻度标记。

进一步，所述有机玻璃管的外壁上还设置有牵引头。

进一步，所述隧道模型外侧包覆有由透明橡胶材料制成的可变形透明橡胶管。

本发明还公开一种关于上述新型模拟隧道开挖的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，制作模型箱与模拟隧道结构。

2)将模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱两侧壁面上的孔洞内。

3)向模型箱内配置透明土直至实验高度。

4)安裝并调试两组成像装置。两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。

5)按设计要求依次牵引各有机玻璃管移动。每次有机玻璃管的移动停止后，记录有机玻璃管体积的变化量，待散斑切面稳定，使用工业相机进行拍摄。调整激光发射器的水平位置和高度，以获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成。

6)保存图片，关闭激光发射器，整理试验器材。

7)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道各切面的位移矢量图。

8)得出隧道周边土体变形的有关规律。

进一步，当步骤3)中透明土中混入了过多气泡时,步骤3)之后还具有使用真空饱和器使透明土饱和的相关步骤。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.在移动有机玻璃管的过程中，通过读取有机玻璃管表面的刻度值，从而得到每次移动产生的地层损失，可以很好地对工程实际进行验证；

B.通过有机玻璃管和有机玻璃柱形成模拟隧道的结构，避免了排水管对土体的扰动，保证了开挖时隧道断面的稳定，更加真实地模拟隧道的开挖；

C.通过包裹在有机玻璃管外侧的透明橡胶管，避免了有机玻璃管在移动的过程中与透明土体的摩擦，减少了有机玻璃管对透明土体的扰动，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为模型箱结构示意图；

图3为透明橡胶管结构示意图；

图4为有机玻璃管结构示意图；

图5为隧道开挖支撑结构示意图；

图6为模拟隧道结构示意图。

图中：工业相机1、激光发射器2、模型箱3、孔洞Ⅰ301、孔洞Ⅱ302、密封圈Ⅰ4、密封圈Ⅱ5、透明橡胶管6、有机玻璃管7、刻度标记701、牵引头702、隧道开挖支撑8、有机玻璃圆柱Ⅰ801、凸起头8011、有机玻璃圆柱Ⅱ802、凹槽孔8021。

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，本实施例公开一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，包括布置在试验平台上的模型箱3，以及隧道模型、隧道开挖支撑8和成像装置。

参见图2，所述模型箱3为透明的上端敞口且内中空的矩形箱体。所述模型箱3的四个侧面分别被定义为第一、第二、第三和第四侧面。所述第一侧面上预制孔洞Ⅰ301。所述第三侧面上预制孔洞Ⅱ302。

参见图6，所述隧道模型包括4个直径依次增大的空心有机玻璃管7。所述4个有机玻璃管7的长度随直径的增大而减小。参见图4，所述有机玻璃管7的外壁上沿轴向具有刻度标记701。所述有机玻璃管7的外壁上还设置有牵引头702。所述4个有机玻璃管7从内到外依次套合成可相对滑动的伸缩筒。所述隧道模型外侧包覆有橡胶管6。所述透明橡胶管6自然状态时的直径小于隧道开挖支撑8的直径，最大变形时的直径大于隧道模型的最大外径。参见图3，所述橡胶管6由透明橡胶材料制成的可变形透明橡胶管。

参见图5，所述隧道开挖支撑8包括有机玻璃圆柱Ⅰ801和有机玻璃圆柱Ⅱ802。所述有机玻璃圆柱Ⅰ801的一侧底面上设置凸起头8011。所述有机玻璃圆柱Ⅱ802的一侧底面上设置供凸起头8011插入的凹槽孔8021。工作时，所述凸起头8011嵌合入凹槽孔8021中，有机玻璃圆柱Ⅰ801和有机玻璃圆柱Ⅱ802形成一个整体的有机玻璃圆柱。

所述隧道模型套设在有机玻璃圆柱Ⅰ801上。所述隧道模型与有机玻璃圆柱Ⅰ801嵌套在一起，形成活塞结构。所述隧道模型与隧道开挖支撑8共同构成模拟隧道结构。所述模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱3两侧壁面上的孔洞内。所述隧道开挖支撑8贯穿模型箱3，两端伸出模型箱3。所述隧道开挖支撑8与第一侧面之间设置有密封圈Ⅰ4。所述隧道模型一端布设在模型箱3内，另一端从孔洞Ⅱ302伸出模型箱3。直径最大的有机玻璃管7与第三侧面之间设置有密封圈Ⅱ5。

所述模型箱3内填筑透明土。所述透明土将模拟隧道结构位于模型箱3内的部分埋设。模拟隧道结构所在区域模拟了隧道开挖区域。隧道模型的长度方向为模拟的隧道的开挖方向。

所述成像装置包括布置在模型箱3外侧的两台工业相机1和两台激光发射器2。

试验时，两台激光发射器2发射的激光在透明土内部形成两个一个平行于隧道开挖方向的散斑切面和一个垂直于隧道开挖方向的散斑切面。依次牵引各有机玻璃管7移动。两台工业相机1同步摄取变形前后散斑切面。调整激光发射器2的水平位置和高度，获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成。利用数字图像处理技术分析切面图片。

实施例2：

一种关于实施例1所述新型模拟隧道开挖的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，制作模型箱3与模拟隧道结构。

1.1)制作模型箱3。将密封圈Ⅰ4通过密封圈凹槽卡合在孔洞Ⅰ301中，将密封圈Ⅱ5卡进孔洞Ⅱ302中。

1.2)将隧道模型与有机玻璃圆柱Ⅰ801嵌套在一起。使用透明橡胶管6包裹最外层的有机玻璃管7。其中，透明橡胶管6还包覆凸起头8011。

1.3)将被透明橡胶管6包裹的凸起头8011插入凹槽孔8021中，从而固定住透明橡胶管6的一端。

2)将模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱3两侧壁面上的孔洞内。使用透明橡胶管6外露在模型箱3外的一端包裹大密封圈5的外缘。

3)向模型箱3内配置透明土直至实验高度。如果透明土中混入了过多气泡,配完土后应使用真空饱和器使透明土饱和。

4)安裝并调试两组成像装置。打开激光发射器2并缓慢增加激光强度,关闭室内光源，两台激光发射器2在透明土内部形成两个散斑切面。

5)按照直径从大到小的顺序，通过有机玻璃管7一端的牵引头702依次手动牵引有机玻璃管7向模型槽3外侧方向缓慢移动。每个有机玻璃管7的位移均保持相同。每次有机玻璃管7的移动停止后，记录有机玻璃管7此时的刻度标记701，可得到每次移动有机玻璃管7体积的变化量。在每次移动有机玻璃管7后，待散斑场稳定，使用工业相机1进行拍摄，调整激光发射器2的水平位置和高度，以获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成。

6)保存图片，关闭激光发射器2，整理试验器材。

7)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道各切面的位移矢量图。

8)根据每步有机玻璃管7移动得到的一系列刻度值计算隧道每次开挖的地层损失，结合步骤7)中的位移矢量图得出隧道周边土体变形的有关规律。

Claims (7)

1.一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，其特征在于：包括布置在试验平台上的模型箱（3），以及隧道模型、隧道开挖支撑（8）和成像装置；

所述模型箱（3）为透明矩形箱体；所述模型箱（3）在相对的两侧壁面上预制孔洞；

所述隧道模型包括若干个直径依次增大的空心有机玻璃管（7）；所述有机玻璃管7从内到外依次套合成可相对滑动的伸缩筒；

所述隧道开挖支撑（8）包括有机玻璃圆柱Ⅰ（801）和有机玻璃圆柱Ⅱ（802）；所述有机玻璃圆柱Ⅰ（801）的一侧底面上设置凸起头（8011）；所述有机玻璃圆柱Ⅱ（802）的一侧底面上设置供凸起头（8011）插入的凹槽孔（8021）；

所述隧道模型套设在有机玻璃圆柱Ⅰ（801）上；所述隧道模型与隧道开挖支撑（8）共同构成模拟隧道结构；所述模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱（3）两侧壁面上的孔洞内；所述隧道开挖支撑（8）两端伸出模型箱（3）；所述隧道模型一端布设在模型箱（3）内，另一端伸出模型箱（3）；

所述模型箱（3）内填筑透明土；

所述成像装置包括布置在模型箱（3）外侧的两台工业相机（1）和两台激光发射器（2）；

试验时，两台激光发射器（2）在透明土内部形成两个散斑切面；依次牵引各有机玻璃管（7）移动；两台工业相机（1）同步摄取变形前后散斑切面；调整激光发射器（2）的水平位置和高度，获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成；利用数字图像处理技术分析切面图片。

2.根据权利要求1所述的一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，其特征在于：所述模拟隧道结构与模型箱（3）的壁面之间设置有密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，其特征在于：所述有机玻璃管（7）的外壁上沿轴向具有刻度标记（701）。

4.根据权利要求1所述的一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，其特征在于：所述有机玻璃管（7）的外壁上还设置有牵引头（702）。

5.根据权利要求1所述的一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，其特征在于：所述隧道模型外侧包覆有由透明橡胶材料制成的可变形透明橡胶管（6）。

6.一种关于权利要求1所述新型模拟隧道开挖的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，制作模型箱（3）与模拟隧道结构；

2)将模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱（3）两侧壁面上的孔洞内；

3)向模型箱（3）内配置透明土直至实验高度；

4)安裝并调试两组成像装置；两台激光发射器（2）在透明土内部形成两个散斑切面；

5)按设计要求依次牵引各有机玻璃管（7）移动；每次有机玻璃管（7）的移动停止后，记录有机玻璃管（7）体积的变化量，待散斑切面稳定，使用工业相机（1）进行拍摄；调整激光发射器（2）的水平位置和高度，以获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成；

6)保存图片，关闭激光发射器（2），整理试验器材；

7)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道各切面的位移矢量图；

8)得出隧道周边土体变形的有关规律。

7.根据权利要求6所述的一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置的试验方法，其特征在于：当步骤3)中透明土中混入了过多气泡时,步骤3)之后还具有使用真空饱和器使透明土饱和的相关步骤。

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