CN109490081A - 一种模拟隧道开挖的透明土模型试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及试验方法，装置包括用以容纳透明土的透明模型箱、一端穿入透明模型箱的硬质管道、橡胶膜、激光发射器、相机、光学平台、直线导轨、压力控制器和计算机，试验方法包括：打开阀门向硬质管道内注水，调节压力控制器到设计压力后，控制压力保持不变；逐级减压，模拟隧道开挖过程，待减压稳定后，激光发射器照射透明土，形成稳定斑图后，通过相机拍摄连续斑图；控制模型箱在直线导轨上移动一定距离，继续拍摄，如此形成平行于该激光照射平面的空间变形斑图；处理相互平行的斑图，得到激光斑图的空间位移矢量图，通过计算，得到空间应变图。本发明可以非接触、连续、高效地测量隧道任意截面的变形场。

Description

一种模拟隧道开挖的透明土模型试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟隧道开挖的透明土模型试验装置和试验方法，主要适用于黏土、砂土地层隧道开挖试验模拟，属于岩土工程室内隧道开挖模型试验技术。

背景技术

隧道施工会引起周围土体变形、地面沉降或隆起，以及开挖面失稳等工程问题。模型试验采用物理模型实体，在实验室条件下按照相似原理、边界条件和初始条件进行等效，在模型槽或者模型箱中模拟隧道掘进过程，通过埋置的压力传感器和位移计等量测隧道开挖影响范围内土体的变形和压力变化，分析土体变形、强度和稳定特性。和理论分析、数值模拟研究方法相比，模型试验可以更真实地反映隧道开挖实际工况，直观全面地了解开挖工程的整体情况。

传统的模型试验多采用大型的模型槽，隧道周围土体内部通常采用埋置的压力盒和插入式探头来测量压力和变形，可以得到隧道模型周围特定位置土体的宏观变形、应力变化和地表沉降，由于传感器自身与土体性质的差异，以及测量过程中对土体会产生扰动，导致测得的参数不准确，并且每次试验花费巨大。

针对上述模型试验的缺点，提出了透明土模型试验技术。在满足透明土颗粒材料和孔隙流体折射率相等这一物理条件下，二者混合配制后可得到透明土，在透明土中事先放置密封隧道模型，试验过程中逐级卸压模拟隧道开挖过程，通过激光束垂直照射，透明土中颗粒和激光共同作用下会产生垂直或者平行于隧道轴线的斑图平面，经与激光束垂直设置的工业相机拍摄可得到连续的截面图像，运用数字图像相关算法(DIC)计算得到二维截面的位移矢量图。通过移动激光器，可以得到不同截面的位移矢量图，获得土体三维空间位移场和应变场。但是，在移动激光器的时候，由于不能精确的控制移动距离，以及移动激光器过程中激光束可能对试验人员安全造成威胁，调整后又需要对激光器的位置相应调整，以确保激光器和相机的轴线相互垂直。所以，在实际操作中存在诸多困难和不便，不具备可行性。

发明内容

本发明提出一种新的模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及方法，可以非接触、连续、高效地测量隧道任意截面的变形场，同时获得开挖面失稳过程的变化情况。本发明不仅具有可实施性、操作简单的优点，而且可以节约试验时间，测得的结果更可靠。技术方案如下：

一种模拟隧道开挖的透明土模型试验装置和试验方法，所采用的装置包括用以容纳透明土的透明模型箱、一端穿入透明模型箱的硬质管道、橡胶膜、激光发射器、相机、光学平台、直线导轨、压力控制器和计算机，其中，

所述的硬质管道伸入透明模型箱的一端的端部覆盖有橡胶膜，另一端和压力控制器连接；

所述的光学平台水平放置，在其上固定有两组相互垂直的直线导轨，透明模型箱放置于直线导轨上，两组导轨包括上部导轨和下部导轨，下部导轨较长，固定在平台上，其侧面标有刻度，上部导轨垂直于下部导轨并能够沿下部导轨移动；

所述的激光发射器固定于透明模型箱的上方，激光发射器前端固定有十字线发生器，用以产生相互垂直的激光束，照射到透明土中形成激光斑图；

所述的相机至少有两台，分别固定于透明模型箱相邻两侧，轴线分别垂直于模型箱侧面，其采集的图像被送入计算机；

所述的压力控制器，用于施加和控制硬质管道内侧水压；

所述的计算机，用以控制相机采集图像，并进行图像处理。

采用上述装置实现的透明土模型试验方法，包括下列步骤：

(1)在透明模型箱内配置透明土，达到设计高度后，密封透明模型箱；

(2)水平放置光学平台，将透明模型箱放置于直线导轨上；

(3)布置、调试激光发射器和相机，使其轴线分别垂直于对应的透明模型箱侧壁；

(4)打开阀门向硬质管道内注水，调节压力控制器到设计压力后，控制压力保持不变；

(5)逐级减压，模拟隧道开挖过程，待减压稳定后，激光发射器照射透明土，形成稳定斑图后，通过相机拍摄连续斑图；

(6)控制透明模型箱在直线导轨上移动一定距离，继续拍摄，如此，形成平行于该激光照射平面的空间变形斑图；

(7)处理相互平行的斑图，得到激光斑图的空间位移矢量图，通过计算，得到空间应变图。

优选地，所述的硬质管道为PVC薄壁圆管。所述的橡胶膜为保持松散状态的橡胶膜。

本发明的工作原理是：在常规透明土模型试验的基础上对激光斑图空间拍摄方式进行改进，在光学平台上分别安装两组相互垂直的直线导轨，将有机玻璃模型箱放置于直线导轨，激光发射器照射某一透明土截面，待斑图稳定，工业相机拍照，传到电子及计算机，由PIV测量软件进行处理，得到该平面的位移矢量图。有机玻璃模型箱沿直线导轨平行移动，移动距离由标定在导轨侧面的刻度确定，移动一定距离待斑图稳定后进行拍照，如此，获得多个平行的平面位移矢量图，组合到一起即得到空间位移矢量图。同理，可以获得另一垂直方向的空间位移矢量图。根据测量范围确定直线导轨长度。双向导轨采用叠加放置的方式。采用本发明的试验装置和试验方法，在拍摄激光斑图时，一方面，可以保证有机玻璃模型箱作平行移动，相邻移动距离精确可控，提高了拍摄精度和质量；另一方面，避免了常规试验方法需要多次移动激光发射器，节省了多次开关激光发射器并进行调整的时间，提高了效率，降低了透明土的透明度随时间逐渐退化的程度，以及激光器从侧面照射透明土等试验操作可能带来的潜在危险。

该试验装置与常规透明土模型试验装置的设备相比，增加了直线导轨，试验方法相近，简单易行，通过合理设计，在几乎不增加造价的情况下，拍摄平行位置的斑图时只需将模型箱沿直线导轨定向、准确地移动，可以达到既提高拍摄质量和效率又安全节省的目的。

附图说明

图1是试验装置示意图。

图2是光学平台示意图。

图中标号说明：1有机玻璃模型箱；2透明土；3PVC薄壁圆管；4激光发射器；5工业相机Ⅰ；6工业相机Ⅱ；7光学平台；8直线导轨(双向直线导轨支撑和引导有机玻璃模型箱沿轨道方向作往复直线运动，其长度保证满足空间测量范围要求。下部直线导轨安装固定在光学平台上，中间开槽，侧面标有刻度；上部直线导轨垂直放置在下部直线导轨上，长边一侧中间开槽，侧面标有刻度，其短边一侧的底部安装有滑轮，滑轮可沿下部导轨槽作往复直线运动；有机玻璃模型箱放置在上部直线导轨上，其底部安装有滑轮，滑轮可沿上部导轨槽作往复直线运动。)；9压力控制器导管；10压力控制器；11电子计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明是对常规透明土模型试验装置和试验方法的改进。

在试验装置方面，本发明的主要试验装置包括：有机玻璃模型箱1、PVC薄壁圆管3、激光发射器4、工业相机5、工业相机6、光学平台7、直线导轨8、压力控制器10(导管9)、电子计算机11。

参考图1，所述有机玻璃模型箱1由有机玻璃板拼接粘贴而成，上端敞口，强度满足试验要求。侧面中间位置开孔，开孔直径等于PVC薄壁圆管3外径，开孔高度根据所配置透明土2的高度确定，确保开孔上部位置到透明土顶面的距离大于开孔直径。

所述PVC薄壁圆管3内穿有机玻璃模型箱1，相交内外侧密封处理，进入深度大于3倍开孔直径，内侧一端连接橡胶膜，橡胶膜保持松散状态，外侧一端和压力控制器10的导管9连接。

所述激光发射器4安装于固定在光学平台的支架上，激光器产生的激光束垂直于光学平台，激光器前段安装十字线发生器，调节十字线发生器的角度，使之分别产生的相互垂直的激光束分别平行于相应直线导轨8的方向。

所述工业相机5和6的支撑架安装在光学平台7上，调节支撑架使工业相机5和6的高度位于透明土中间高度位置，调节水平位置使工业相机5和6的轴线方向分别垂直于相应直线导轨8的方向。

参考图2，所述光学平台7水平放置，安装双向直线导轨8，直线导轨8垂直重叠安装，支撑和引导有机玻璃模型箱沿轨道方向作往复直线运动。下部直线导轨安装固定于光学平台，中间开槽，侧面标有刻度，用于控制上部直线导轨的移动距离；上部直线导轨垂直放置于下部直线导轨，长边一侧中间开槽，侧面标有刻度，用于控制有机玻璃模型箱1的移动距离，短边一侧的底部安装有滑轮，滑轮可沿下部导轨槽作往复直线运动；有机玻璃模型箱1放置于上部直线导轨，其底部安装有滑轮，滑轮可沿上部导轨槽作往复直线运动。滑轮上面均安装制动块，可以准确制动滑轮。所提出的导轨包括手动和自动控制两种结构。

参考图1，压力控制器10控制PVC薄壁圆管3中水压，通过逐级降低压力模拟隧道掘进。其导管9和PVC薄壁圆管3连接。

参考图1，电子计算机11连接到工业相机5和6，通过PIV测量软件控制工业相机5和6拍摄激光斑图，进行图像处理，得到隧道开挖的空间位移场分布图。

试验方法如下：

(1)设计制作有机玻璃模型箱1，在一侧的垂直中心位置处开孔。

(2)将PVC薄壁圆管3内穿开孔，深入一端粘贴橡胶膜，使橡胶膜保持松散状态，外侧一端与压力控制器10的导管9连接。

(3)在有机玻璃模型箱1内部配置透明土2，达到设计高度后密封有机玻璃模型箱1。

(4)调节压力控制器10注水到设计压力后，控制压力保持不变。

(5)水平放置光学平台7，垂直叠加安装直线导轨8，将有机玻璃模型箱1放置于上部直线导轨，保证有机玻璃模型箱1各侧面分别垂直或平行于直线导轨8。

(6)布置、调试激光发射器4。调节激光器使其位于模型箱正上方中间位置处，产生的激光束垂直于光学平台；激光器前段安装十字线发生器，调节十字线发生器的角度，使之分别产生的相互垂直的激光束分别平行于相应直线导轨8的方向；调节支架高度，使其产生的激光束能全部照射到透明土，并满足亮度要求。

(7)布置、调试工业相机5和6。工业相机5和6的支撑架安装在光学平台7上，调节支撑架使工业相机5和6的高度位于透明土中间高度位置，调节水平位置使工业相机5和6的轴线方向分别垂直于或平行于直线导轨8。

(8)连接工业相机5和6到电子计算机11，测试PIV测量软件。

(9)压力控制器10逐级减压，模拟隧道开挖过程，待减压稳定后，激光发射器4照射透明土2，形成稳定激光斑图后，与激光斑图垂直的工业相机5拍摄激光斑图，图像上传到电子计算机11；调节线发生器，产生垂直方向的激光斑图，与激光斑图垂直的工业相机6拍摄激光斑图，图像上传到电子计算机11。

(10)控制上部直线导轨的滑轮沿下部导轨槽平行移动一段距离，通过滑轮块进行制动，调节线发生器，产生垂直于移动方向的激光斑图，工业相机6继续拍摄激光斑图，图像上传到电子计算机11。如此，移动若干距离，使用PIV测量软件对所得斑图进行处理，得到位移平面矢量图，将图形按照顺序组合到三维直角坐标系中，形成垂直于隧道轴线的空间位移图，分析垂直于隧道轴线方向土体位移变化情况。

(11)有机玻璃模型箱1回到初始位置，控制有机玻璃模型箱1的滑轮沿上部导轨槽平行移动一段距离，通过滑轮块进行制动，调节线发生器，产生垂直于移动方向的激光斑图，工业相机5继续拍摄激光斑图，图像上传到电子计算机11。如此，移动若干距离，使用PIV测量软件对所得斑图进行处理，得到位移平面矢量图，将图形按照顺序组合到三维直角坐标系中，形成平行于隧道轴线的空间位移图，分析平行于隧道轴线方向土体位移变化情况。

(12)有机玻璃模型箱1回到初始位置，压力控制器10逐级减压，如此，得到开挖过程中不同时间隧道截面方向和轴线方向的空间位移图。

(13)试验完成后，关闭激光发射器4、工业相机5和6、压力控制器10和电子计算机11，清理有机玻璃模型箱1等试验装置。

采用该方法能保证激光斑图拍摄快速，避免激光发射器4多次开关和移动造成的调试时间过长，提高了效率。同时，避免试验人员过多接触激光发射器4带来的潜在危险，以及透明土透明度随时间退化产生的图像不清晰等缺点。

新设计的试验装置和试验方法，具有以下特点：

1)操作性强，光学平台7安装直线导轨8会提高激光斑图采集效率，节约试验时间，提高试验成功率，具有更强的现实可行性。

2)安全节能，试验过程中通过移动上部直线导轨和有机玻璃模型箱1沿导轨槽平行移动，减少了开关激光发射器4的次数，提高了仪器使用寿命，保证了试验人员的安全。

Claims (4)

1.一种模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，包括用以容纳透明土的透明模型箱、一端穿入透明模型箱的硬质管道、橡胶膜、激光发射器、相机、光学平台、直线导轨、压力控制器和计算机，其中，

所述的硬质管道伸入透明模型箱的一端的端部覆盖有橡胶膜，另一端和压力控制器连接；

所述的光学平台水平放置，在其上固定有两组相互垂直的直线导轨，透明模型箱放置于直线导轨上，两组导轨包括上部导轨和下部导轨，下部导轨较长，固定在平台上，其侧面标有刻度，上部导轨垂直于下部导轨并能够沿下部导轨移动；

所述的激光发射器固定于透明模型箱的上方，激光发射器前端固定有十字线发生器，用以产生相互垂直的激光束，照射到透明土中形成激光斑图；

所述的相机至少有两台，分别固定于透明模型箱相邻两侧，轴线分别垂直于模型箱侧面，其采集的图像被送入计算机；

所述的压力控制器，用于施加和控制硬质管道内侧水压；

所述的计算机，用以控制相机采集图像，并进行图像处理。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的硬质管道为PVC薄壁圆管。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的橡胶膜为保持松散状态的橡胶膜。

4.采用权利要求1所述的装置实现的透明土模型试验方法，包括下列步骤：

(1)在透明模型箱内配置透明土，达到设计高度后，密封透明模型箱；

(2)水平放置光学平台，将透明模型箱放置于直线导轨上；

(3)布置、调试激光发射器和相机，使其轴线分别垂直于对应的透明模型箱侧壁；

(4)打开阀门向硬质管道内注水，调节压力控制器到设计压力后，控制压力保持不变；

(5)逐级减压，模拟隧道开挖过程，待减压稳定后，激光发射器照射透明土，形成稳定斑图后，通过相机拍摄连续斑图；

(6)控制透明模型箱在直线导轨上移动一定距离，继续拍摄，如此，形成平行于该激光照射平面的空间变形斑图；

(7)处理相互平行的斑图，得到激光斑图的空间位移矢量图，通过计算，得到空间应变图。