CN109958147B - 一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置及方法，装置包括模型箱外框架系统，模型箱系统，所述模型箱系统包括模型箱，弃土箱，加载箱，所述模型箱外框架系统包括模型箱外框架，CDD相机支架，纵梁，横梁，电动取土器，光学量测系统包括CCD照相机，激光器。本发明可以探究隧道及隧道周围土体在临近或上部基坑非对称开挖情况下，隧道与基坑之间的土体变形规律，隧道变形受力规律，以及基坑开挖引起其他环境效应的响应规律。本发明可以模拟多种工况施工对于隧道的干扰，结合获取的土体位移场，可以为理论研究提供数据支持。本发明可以避免离心机停机开挖，可以减少离心机停机对土体的扰动，更加接近真实工况。

Description

一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验 装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置及方法，可以探究在临近或上部基坑非对称开挖及堆载情况下的土体变形规律及隧道变形受力规律。

背景技术

随着地铁建设的逐步推进，以及地下空间的开发利用逐步增加，不可避免的会出现在既有隧道上部或附近进行基坑开挖的情况。由于基坑开挖引起的土体卸载以及上覆建筑引起的再加载，势必会对周围的土体产生影响，引起土体位移，改变土中应力，对临近的地铁隧道造成影响，严重时还会影响地铁的正常运营。许多学者都对基坑开挖对地铁隧道的影响进行过相应的研究，采用随机介质理论，弹塑性理论进行理论分析，或采用数值模拟法分析计算，这些方法都需要存在许多理想化假设条件，且需要实际数据进行理论检验。所以，可以采用模型试验进行理论研究的验证，或采用模型试验对实际问题探究。

常规重力缩尺模型试验很难模拟岩土体变形的真实过程，超重力离心机通过高速旋转，产生超重力场，可以实现对重力场的真实再现。现有的离心机模型试验存在两个问题。一是对于开挖等复杂工况，需要停机进行开挖。离心机的停机导致模型重力场的改变，会对试验造成干扰。二是对于土体内部位移的量测难度大，采用应变计会引起土体的扰动，且量测效果较差。

基坑的非对称开挖对于下卧隧道影响的相关研究多集中在数值模拟，相关理论并不完善，对于开挖基坑与既有隧道间土体位移的模型试验装置较少，因此这就需要一种可以研究非对称开挖基坑对下卧隧道影响的模型试验装置。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置及方法。

本发明的技术方案如下：一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置，包括模型箱外框架系统、模型箱系统、光学量测系统；

所述模型箱外框架系统包括模型箱外框架、CDD相机支架、激光器槽；所述的模型箱外框架上有两根纵梁，纵梁上有纵梁滑轨，横梁设置在纵梁滑轨上，第一电动机控制第一螺杆旋转，第一螺母做直线运动，第一螺母控制横梁沿纵梁整体移动，横梁之上有两根小纵梁，小纵梁配有滑轨，第二电动机控制第二螺杆旋转，第二螺母做直线运动，第二螺母控制小纵梁沿横梁整体移动，小纵梁上装有电动取土器；

所述模型箱系统包括模型箱、弃土箱、加载箱，模型箱为有机玻璃组成，模型箱内土体为人工合成透明土，模型箱侧面开有卸土口，模型箱内设有隧道模型，隧道模型为有机玻璃制成，隧道模型上设置土压力盒、弯矩测试点，所述的弯矩测试点由粘合在隧道模型上的电阻应变片构成，模型箱内设有围护结构模型，由有机玻璃构成，模型箱旁放置弃土箱和加载箱，所述的加载箱内放置有质量块，所述的质量块上附有起吊环，起吊环由橡胶构成，所述的弃土箱可以容纳开挖的地基土；

所述的光学量测系统包括CCD照相机、激光器，CCD相机固定在CDD相机支架上，激光器固定在激光器槽上。

所述的隧道模型和围护结构模型表面涂环氧树脂后沾有熔融石英砂颗粒。

所述的人工合成透明土由熔融石英砂、溴化钙溶液组成；所述的熔融石英砂粒径为0.1～1.0mm，溴化钙溶液由固体溴化钙和蒸馏水构成，溴化钙溶液浓度为58％。

所述的激光器为片(线)光源激光器，所述的CCD相机的镜头轴线垂直于激光在试验土体中形成的激光面。

所述的电动取土器设有抓斗，抓斗上附有垫片，由双面齿条电动机控制双面齿条带动齿轮旋转，同时带动抓斗旋转，抓斗通过轴承与连杆固定，电动取土器上方设有单面齿条，单面齿条由单面齿条电动机控制，实现电动取土器上下移动。

一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验方法，包括以下步骤：

步骤1试验前将隧道模型和围护结构模型表面涂抹环氧树脂，并沾满熔融石英砂以保证其表面的粗糙度；

步骤2：配置人工合成透明土，分层装填进模型箱；

步骤3：待人工合成透明土装填至指定标高，将隧道模型和围护结构模型放入人工合成透明土中，连接土压力盒和应变电缆线至数采仪，并继续装填人工合成透明土至置顶标高；

步骤4：将模型箱及模型箱外框架放入离心机，打开激光器发出激光，形成一观测面，利用CDD相机对土体进行连续拍照，同时控制电动取土器按预设情况进行开挖，开挖的土体放入弃土箱；

步骤5：开挖完成后，控制电动取土器可以抓取加载箱内的质量块，实现对土体的加载；

步骤6：试验完成后，打开卸土口，移去模型箱中的人工合成透明土。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.使用该装置，可以探究隧道及隧道周围土体在临近或上部基坑非对称开挖情况下，隧道与基坑之间的土体变形规律，隧道变形受力规律，以及基坑开挖引起的其他环境效应的响应规律。

2.传统的模型试验只能在土体表面或边界进行土体的变形研究，PIV(粒子图像测速法)，是一种基于图像进行处理的非接触测量技术。通过使用PIV技术，可以对土体的变形和位移进行直接的量测，从而得到基坑与隧道之间土体的变形场。

3.通过采用电动取土器，弃土箱，加载箱的结合使用，可以模拟多种工况施工对于隧道的干扰，结合获取的土体位移场，可以为理论研究提供数据支持。

4.通过使用可控制的加载与卸载系统，可以避免离心机停机开挖，可以尽可能少的减少离心机停机对土体的扰动，更加接近真实的工况。

附图说明

图1是模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置正视图；

图2是模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置左视图；

图3是模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置的隧道模型示意图；

图4是模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置的电动取土器的正视图；

图5是模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置的电动取土器的左视图；

图中，1模型箱；2模型箱外框架；3卸土口；4隧道模型；5第二电动机；6激光器槽；7电动取土器；8小纵梁；9第二螺杆；10纵梁滑轨；11纵梁；12围护结构模型；13第二螺母；14第一螺母；15CDD相机支架；16横梁；17滑轨；18加载箱；19质量块；20弃土箱；21第一螺杆；22人工合成透明土；23CDD相机；24激光器；25起吊环；26第一电动机；401土压力电缆线；402土压力盒；403弯矩测试点；404应变电缆线；405电阻应变片；701单面齿条电动机；702单面齿条；703—抓斗；704双面齿条电动机；705双面齿条；706连杆；707齿轮；708轴承；709垫片；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

如图1-5所示，本发明非对称开挖对下卧隧道影响规律探究的超重力模型试验装置由由模型箱外框架系统，模型箱系统，光学量测系统三个部分构成。

一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置，包括模型箱外框架系统、模型箱系统、光学量测系统；

所述模型箱外框架系统包括模型箱外框架2、CDD相机支架15、激光器槽6；所述的模型箱外框架2上有两根纵梁11，纵梁11上有纵梁滑轨10，横梁16设置在纵梁滑轨10上，第一电动机26控制第一螺杆21旋转，第一螺母14做直线运动，第一螺母14控制横梁16沿纵梁11整体移动，横梁16之上有两根小纵梁8，小纵梁8配有滑轨17，第二电动机5控制第二螺杆9旋转，第二螺母13做直线运动，第二螺母13控制小纵梁8沿横梁16整体移动，小纵梁8上装有电动取土器7；

所述模型箱系统包括模型箱1、弃土箱20、加载箱18，模型箱1为有机玻璃组成，模型箱1内土体为人工合成透明土22，模型箱1侧面开有卸土口3，模型箱1内设有隧道模型4，隧道模型4为有机玻璃制成，隧道模型4上设置土压力盒402、弯矩测试点403，所述的弯矩测试点403由粘合在隧道模型4上的电阻应变片405构成，通过测量上下应变差值计算弯矩，模型箱1内设有围护结构模型12，由有机玻璃构成，模型箱1旁放置弃土箱20和加载箱18，所述的加载箱18内放置有质量块19，所述的质量块19上附有起吊环25，起吊环25由橡胶构成，所述的弃土箱20可以容纳开挖的地基土；

所述的光学量测系统包括CCD照相机23、激光器24，CCD相机23固定在CDD相机支架15上，激光器24固定在激光器槽6上。

所述的隧道模型4和围护结构模型12表面涂环氧树脂后沾有熔融石英砂颗粒。

所述的人工合成透明土22由熔融石英砂、溴化钙溶液组成；所述的熔融石英砂粒径为0.1～1.0mm，溴化钙溶液由固体溴化钙和蒸馏水构成，溴化钙溶液浓度为58％，其折射率与熔融石英砂接近，透明效果好，试验所用人工合成透明土22基本物理性质如下表：

所述人工合成透明土(22)基本物理性质

d/mm	ρ<sub>sat</sub>	e	e<sub>min</sub>	e<sub>max</sub>	d<sub>s</sub>
						0.1～1.0	1.99	0.60	0.40	0.95	2.20

所述的激光器为片(线)光源激光器，所述的CCD相机的镜头轴线垂直于激光在试验土体中形成的激光面。

所述的电动取土器7设有抓斗703，抓斗703上附有垫片709，由双面齿条电动机704控制双面齿条705带动齿轮707旋转，同时带动抓斗703旋转，抓斗703通过轴承708与连杆706固定，电动取土器7上方设有单面齿条702，单面齿条702由单面齿条电动机701控制，实现电动取土器7上下移动。

一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验方法，包括以下步骤：

步骤1试验前将隧道模型4和围护结构模型12表面涂抹环氧树脂，并沾满熔融石英砂以保证其表面的粗糙度；

步骤2：配置人工合成透明土22，分层装填进模型箱1；

步骤3：待人工合成透明土22装填至指定标高，将隧道模型4和围护结构模型12放入人工合成透明土22中，连接土压力盒402和应变电缆线404至数采仪，并继续装填人工合成透明土22至置顶标高；

步骤4：将模型箱1及模型箱外框架2放入离心机，打开激光器24发出激光，形成一观测面，利用CDD相机23对土体进行连续拍照，同时控制电动取土器7按预设情况进行开挖，开挖的土体放入置土箱；

步骤5：开挖完成后，控制电动取土器7可以抓取加载箱18内的质量块19，实现对土体的加载；

步骤6：试验完成后，打开卸土口3，移去模型箱1中的人工合成透明土22。

Claims (6)

1.一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置，其特征在于，包括模型箱外框架系统、模型箱系统、光学量测系统；

所述模型箱外框架系统包括模型箱外框架、CDD相机支架、激光器槽；所述的模型箱外框架上有两根纵梁，纵梁上有纵梁滑轨，横梁设置在纵梁滑轨上，第一电动机控制第一螺杆旋转，第一螺母做直线运动，第一螺母控制横梁沿纵梁整体移动，横梁之上有两根小纵梁，小纵梁配有滑轨，第二电动机控制第二螺杆旋转，第二螺母做直线运动，第二螺母控制小纵梁沿横梁整体移动，小纵梁上装有电动取土器；

所述模型箱系统包括模型箱、弃土箱、加载箱，模型箱为有机玻璃组成，模型箱内土体为人工合成透明土，模型箱侧面开有卸土口，模型箱内设有隧道模型，隧道模型为有机玻璃制成，隧道模型上设置土压力盒、弯矩测试点，所述的弯矩测试点由粘合在隧道模型上的电阻应变片构成，模型箱内设有围护结构模型，由有机玻璃构成，模型箱旁放置弃土箱和加载箱，所述的加载箱内放置有质量块，所述的质量块上附有起吊环，起吊环由橡胶构成，所述的弃土箱可以容纳开挖的地基土；

所述的光学量测系统包括CCD照相机、激光器，CCD相机固定在CDD相机支架上，激光器固定在激光器槽上。

2.根据权利要求1所述的一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置，其特征在于，所述的隧道模型和围护结构模型表面涂环氧树脂后沾有熔融石英砂颗粒。

3.根据权利要求1所述的一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置，其特征在于，所述的人工合成透明土由熔融石英砂、溴化钙溶液组成；所述的熔融石英砂粒径为0.1～1.0mm，溴化钙溶液由固体溴化钙和蒸馏水构成，溴化钙溶液浓度为58％。

4.根据权利要求1所述的一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置，其特征在于，所述的激光器为片光源激光器或线光源激光器，所述的CCD相机的镜头轴线垂直于激光在试验土体中形成的激光面。

5.根据权利要求1所述的一种模拟非对称开挖基坑对下卧隧道影响的超重力模型试验装置，其特征在于，所述的电动取土器设有抓斗，抓斗上附有垫片，由双面齿条电动机控制双面齿条带动齿轮旋转，同时带动抓斗旋转，抓斗通过轴承与连杆固定，电动取土器上方设有单面齿条，单面齿条由单面齿条电动机控制，实现电动取土器上下移动。

6.一种应用权利要求1-5任一项所述装置的模拟非对称开挖下卧隧道的超重力模型装置试验方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1试验前将隧道模型和围护结构模型表面涂抹环氧树脂，并沾满熔融石英砂以保证其表面的粗糙度；

步骤2：配置人工合成透明土，分层装填进模型箱；

步骤3：待人工合成透明土装填至指定标高，将隧道模型和围护结构模型放入人工合成透明土中，连接土压力盒和应变电缆线至数采仪，并继续装填人工合成透明土至置顶标高；

步骤4：将模型箱及模型箱外框架放入离心机，打开激光器发出激光，形成一观测面，利用CDD相机对土体进行连续拍照，同时控制电动取土器按预设情况进行开挖，开挖的土体放入弃土箱；

步骤5：开挖完成后，控制电动取土器可以抓取加载箱内的质量块，实现对土体的加载；

步骤6：试验完成后，打开卸土口，移去模型箱中的人工合成透明土。

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