CN113358655A - 一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置及其试验方法。该装置包括透明土模型箱、隧道上浮模拟装置、反力架、底座、加压气缸、位移传感器、压力传感器、两台工业相机和激光发射器。试验时，使用加压气缸将隧道上浮模拟装置向上缓慢拉动，模拟隧道上浮运动。所述激光发射器发射激光，在透明土内形成透明土散斑场。在隧道上浮模拟装置向上移动时，通过工业相机记录透明土散斑场的变化。通过PIV技术处理图像，并分析整理实验数据，从而得到隧道上浮过程中隧道与周围土体相互作用的影响规律。该装置可以真实的模拟隧道上浮的过程，并可以精确的监测隧道周围位移场和竖向土体压力的变化。本试验成本低，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置及其试验方法。
背景技术
软土地层是淤泥和淤泥质土的总称，主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成。软土地层具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、渗透性差、抗剪强度低等特性。根据大量工程施工期管片上浮监测结果，软土地层隧道施工期常面临较大量值的上浮问题。隧道上浮过程中结构与土相互作用复杂，且上浮量过大时严重影响隧道的使用功能和安全性，如会造成管片环之间出现张开破损等问题。因此，模拟研究隧道上浮过程与土体相互作用对控制隧道的上浮变形具有重要意义。
然而，常规的模型试验方法只能观测到土体表面的位移场，不能观测到土体内部连续的位移场。数值模拟法很大程度上取决于模拟条件的选取，精度较难控制，往往误差较大。现场实测数据分析法采用实际工程测量，测量结果较为直观，准确，但也存在着现场地层形状复杂、施工条件复杂、测试原件埋设困难等缺点。
因此，亟需开发一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土室内模型试验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用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，一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置，包括透明土模型箱、隧道上浮模拟装置、反力架、底座、加压气缸、位移传感器、压力传感器、T型连接件、两台工业相机和激光发射器。
所述底座布置在反力架测试中心区。所述透明土模型箱固定在底座上。所述透明土模型箱整体为上端敞口的矩形箱体。这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述第一侧板的板面上设置有矩形缺口。所述矩形缺口将第一侧板分隔为两块侧包板。两块侧包板相对板端处设置有插板槽。
所述隧道上浮模拟装置包括隧道模拟部分和隧道滑动机制部分。所述隧道模拟部分和隧道滑动机制部分一体连接。所述隧道模拟部分为一端封闭，另一端敞口的空心管状结构。所述隧道滑动机制部分整体为平直板状结构。所述隧道滑动机制部分的高度大于透明土模型箱的高度。所述隧道模拟部分的敞口端固定在隧道滑动机制部分的板面上。所述隧道滑动机制部分的板面上设置有与隧道模拟部分内腔连通的孔洞。所述隧道滑动机制部分的板端上设置有与插板槽相配合的凸楞。所述凸楞嵌插在对应插板槽中，隧道滑动机制部分将矩形缺口封堵。所述隧道滑动机制部分与侧包板的连接位置处敷设有透明薄膜。所述隧道模拟部分布置在透明土模型箱的内腔中。所述透明土模型箱内装填有透明土。
所述加压气缸布置在反力架的横梁下表面。所述位移传感器和压力传感器布置在压气缸上。
所述T型连接件包括相互垂直的水平部和竖直部。所述水平部插入隧道模拟部分的内腔中。所述竖直部的上端与加压气缸连接，下端与水平部连接。
所述两台工业相机分别布置在第三侧板和第四侧板的外侧。所述激光发射器布置在透明土模型箱下方。
工作时，激光发射器在透明土内形成透明土散斑场。加压气缸通过T型连接件将隧道上浮模拟装置向上匀速拉动。所述工业相机持续记录透明土散斑场的变化。所述位移传感器监测隧道上浮模拟装置的竖向位移。所述压力传感器监测隧道上浮模拟装置向上移动时受到的压力。
进一步，所述透明土模型箱和隧道上浮模拟装置采用有机玻璃制成。所述反力架采用不锈钢制成。
进一步，所述插板槽内涂抹有硅树脂润滑脂。所述隧道滑动机制部分与透明薄膜的接触部分涂抹有硅树脂润滑脂。
进一步，所述底座包括透明玻璃板和支架。所述支架为竖直放置的U型板。所述透明玻璃板搁置在支架上。所述激光发射器布置在支架的槽口中。
进一步，所述透明土的固体颗粒选用球形硅微粉，孔隙流体选用正十二烷和苯甲基硅油混合液。所述球形硅微粉采用不规则角形硅微粉通过火焰熔融法加工成球形。
进一步，所述透明土的固体颗粒选用无定形硅石粉末，孔隙流体选用正十二烷和5#白矿物油的混合液。
本发明还提供一种上述模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)打开激光发射器，在透明土内形成透明土散斑场。调节两个工业相机。
2)按照试验要求通过加压气缸将隧道上浮模拟装置向上匀速拉动。使用使用工业相机持续记录透明土散斑场的变化。记录位移传感器和压力传感器数据的变化。当隧道上浮模拟装置向上移动到设计高度后停止拉动。
3)保存图像和数据，关闭激光发射器，整理试验器材。
4)使用PIV技术处理试验图像，得到透明土模型箱1内透明土位移场的矢量图。
5)分析整理得到的数据和矢量图，得到隧道上浮过程中隧道与周围土体相互作用的规律。
进一步，步骤1)之前还具有检测实验装置密封性的相关步骤。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.隧道滑动机制部分的设置可保证隧道模拟部分在加压气缸的驱动下均匀上升；
B.能够通过隧道上浮模拟装置和透明土模型箱及T型钢棍和加压气缸模拟隧道上浮过程与土体相互作用的过程；
C.能够通过PIV技术实现了土体内部变形的可视化及非插入式实时高精度测量，通过压力传感器监测隧道上浮所受的的压力，可更直观的研究隧道上浮过程与土体相互作用规律；
D.隧道尺寸、埋入深度以及上浮速度可根据研究需要进行调整，还可以进一步优化模拟多隧道相互作用，使得实验装置可以模拟多种工况。为合理选择施工参数和采取施工措施提供基础；
E.系统设置合理，试验操作方便，具有较高的可靠性。
附图说明
图1为模型试验装置结构示意图；
图2为模型试验装置正视图；
图3为透明薄膜位置关系图；
图4为透明土模型箱示意图；
图5为隧道上浮模拟装置俯视图；
图6为隧道上浮模拟装置示意图；
图7为隧道上浮模拟装置正视图；
图8为底座示意图；
图9为T型连接件示意图。
图中：透明土模型箱1、矩形缺口101、侧包板102、插板槽103、隧道上浮模拟装置2、反力架3、底座4、加压气缸5、位移传感器6、压力传感器7、T型连接件8、两台工业相机9、激光发射器10。
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，本实施例提供一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置，包括透明土模型箱1、隧道上浮模拟装置2、反力架3、底座4、加压气缸5、位移传感器6、压力传感器7、T型连接件8、两台工业相机9和激光发射器10。
所述底座4布置在反力架3测试中心区。参见图8，所述底座4包括透明玻璃板401和支架402。所述支架402为竖直放置的U型板。所述透明玻璃板401搁置在支架402上。所述激光发射器10布置在支架402的槽口中。所述透明土模型箱1固定在透明玻璃板401上。
参见图4，所述透明土模型箱1整体为上端敞口的矩形箱体。这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述第一侧板的板面上设置有矩形缺口101。所述矩形缺口101将第一侧板分隔为两块侧包板102。两块侧包板102相对板端处设置有插板槽103。
参见图5～7，所述隧道上浮模拟装置2包括隧道模拟部分201和隧道滑动机制部分202。所述隧道模拟部分201和隧道滑动机制部分202一体连接。所述隧道模拟部分201为一端封闭，另一端敞口的空心管状结构。所述隧道滑动机制部分202整体为平直板状结构。所述隧道滑动机制部分202的高度大于透明土模型箱1的高度。所述隧道模拟部分201的敞口端固定在隧道滑动机制部分202的板面上。所述隧道滑动机制部分202的板面上设置有与隧道模拟部分201内腔连通的孔洞。参见图3，所述隧道滑动机制部分202的板端上设置有与插板槽103相配合的凸楞2021。所述凸楞2021嵌插在对应插板槽103中，隧道滑动机制部分202将矩形缺口101封堵。所述隧道滑动机制部分202与侧包板102的连接位置处敷设有透明薄膜11。所述隧道模拟部分201布置在透明土模型箱1的内腔中。所述透明土模型箱1内装填有透明土。
所述加压气缸5布置在反力架3的横梁下表面。所述位移传感器6和压力传感器7布置在压气缸5上。
参见图9，所述T型连接件8包括相互垂直的水平部和竖直部。所述水平部插入隧道模拟部分201的内腔中。所述竖直部的上端与加压气缸5连接，下端与水平部连接。
所述两台工业相机9分别布置在第三侧板和第四侧板的外侧。激光发射器10在透明土内形成透明土散斑场。加压气缸5通过T型连接件8将隧道上浮模拟装置2向上匀速拉动。所述工业相机9持续记录透明土散斑场的变化。所述位移传感器6监测隧道上浮模拟装置2的竖向位移。所述压力传感器7监测隧道上浮模拟装置2向上移动时受到的压力。
所述透明土模型箱1和隧道上浮模拟装置2采用有机玻璃制成。所述反力架3采用不锈钢制成。所述插板槽103内涂抹有硅树脂润滑脂。所述隧道滑动机制部分202与透明薄膜11的接触部分涂抹有硅树脂润滑脂。
实施例2：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述透明土的固体颗粒选用球形硅微粉，孔隙流体选用正十二烷和苯甲基硅油混合液。所述球形硅微粉采用不规则角形硅微粉通过火焰熔融法加工成球形。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述透明土的固体颗粒选用无定形硅石粉末，孔隙流体选用正十二烷和5#白矿物油的混合液。
实施例4：
本实施例提供一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置的试验方法，用以模拟软土地层隧道施工期隧道上浮时结构与土体的相互作用，包括以下步骤：
1)检测实验装置密封性。
2)打开激光发射器10，在透明土内形成透明土散斑场。调节两个工业相机9。
3)按照试验要求通过加压气缸5将隧道上浮模拟装置2向上匀速拉动。使用工业相机9持续记录透明土散斑场的变化。记录位移传感器6和压力传感器7数据的变化。当隧道上浮模拟装置2向上移动到设计高度后停止拉动。
4)保存图像和数据，关闭激光发射器10，整理试验器材。
5)使用PIV技术处理试验图像，得到透明土模型箱1内透明土位移场的矢量图。
6)分析整理得到的数据和矢量图，得到隧道上浮过程中隧道与周围土体相互作用的规律。
本实施例实现了隧道上浮时土体内部位移场的可视化，监测土体内部位移场变化和土体对隧道反作用力的变化。
实施例5：
本实施例提供一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)按设计尺寸制作透明土模型箱1、隧道上浮模拟装置2、反力架3、底座4以及T型钢棍8。
2)清洗透明土模型箱1、隧道上浮模拟装置2、反力架3、底座4以及T型钢棍8，并用干毛巾擦净。
3)将隧道上浮模拟装置2与透明土模型箱1相连，在底部缝隙处铺设透明薄膜11。在透明土模型箱1内配制透明土至透明土模型箱1高度一半，进行密封性检测试验，检测实验装置密封性是否良好。在本实施例中，将5#白矿物油和正十二烷混合均匀制配孔隙液体，用阿贝折射仪测定混合液体的折射率，并调试两种液体比例，保证混合液与无定形硅石粉末的折射率相匹配。将质量比为1∶7的无定形硅粉与孔隙液体搅拌混合至均匀黏稠状，然后置于透明土模型箱1内中进行抽真空，去除试样中产生的气泡，使之达到饱和状态。
4)重新清洗透明土模型箱1、隧道上浮模拟装置2、反力架3、底座4以及T型钢棍8，并用干毛巾擦净。
5)将隧道上浮模拟装置2与透明土模型箱1相连，在底部缝隙处铺设透明薄膜11。将连接好的试验装置安置在反力架3上。在透明土模型箱1内配制透明土至设计高度，同时调节隧道模拟部分201埋入深度。静置24h。
6)将工业相机901布置在透明土模型箱1一侧，与隧道模拟部分201侧壁相对。将工业相机902布置在透明土模型箱1一侧，与隧道模拟部分201端部相对。将激光发射器10安置在透明土模型箱1下方。将加压气缸5与反力架3相连并固定，将位移传感器6安置在压气缸5上，用于监测隧道上浮模拟装置2竖向位移。将压力传感器7用于监测隧道上浮模拟装置2向上移动时受到的压力。
7)透明土静置完成后，将T型钢棍8一端插入隧道模拟部分201。将T型钢棍8一端与加压气缸5相连接并固定。打开激光发射器10，在透明土内形成透明土散斑场。调节两个工业相机9。
8)按照试验要求通过加压气缸5将隧道上浮模拟装置2向上匀速拉动。使用工业相机9持续记录透明土散斑场的变化。记录位移传感器6和压力传感器7数据的变化。当隧道上浮模拟装置2向上移动到设计高度后停止拉动。
9)保存图像和数据，关闭激光发射器10，整理试验器材。
10)使用PIV技术处理试验图像，得到透明土模型箱1内透明土位移场的矢量图。
11)分析整理得到的数据和矢量图，从而得到隧道上浮过程中隧道与周围土体相互作用的规律。
Claims (8)
1.一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置，其特征在于：包括透明土模型箱(1)、隧道上浮模拟装置(2)、反力架(3)、底座(4)、加压气缸(5)、位移传感器(6)、压力传感器(7)、T型连接件(8)、两台工业相机(9)和激光发射器(10)；
所述底座(4)布置在反力架(3)测试中心区；所述透明土模型箱(1)固定在底座(4)上；所述透明土模型箱(1)整体为上端敞口的矩形箱体；这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板；所述第一侧板的板面上设置有矩形缺口(101)；所述矩形缺口(101)将第一侧板分隔为两块侧包板(102)；两块侧包板(102)相对板端处设置有插板槽(103)；
所述隧道上浮模拟装置(2)包括隧道模拟部分(201)和隧道滑动机制部分(202)；所述隧道模拟部分(201)和隧道滑动机制部分(202)一体连接；所述隧道模拟部分(201)为一端封闭，另一端敞口的空心管状结构；所述隧道滑动机制部分(202)整体为平直板状结构；所述隧道滑动机制部分(202)的高度大于透明土模型箱(1)的高度；所述隧道模拟部分(201)的敞口端固定在隧道滑动机制部分(202)的板面上；所述隧道滑动机制部分(202)的板面上设置有与隧道模拟部分(201)内腔连通的孔洞；所述隧道滑动机制部分(202)的板端上设置有与插板槽(103)相配合的凸楞(2021)；所述凸楞(2021)嵌插在对应插板槽(103)中，隧道滑动机制部分(202)将矩形缺口(101)封堵；所述隧道滑动机制部分(202)与侧包板(102)的连接位置处敷设有透明薄膜(11)；所述隧道模拟部分(201)布置在透明土模型箱(1)的内腔中；所述透明土模型箱(1)内装填有透明土；
所述加压气缸(5)布置在反力架(3)的横梁下表面；所述位移传感器(6)和压力传感器(7)布置在压气缸(5)上；
所述T型连接件(8)包括相互垂直的水平部和竖直部；所述水平部插入隧道模拟部分(201)的内腔中；所述竖直部的上端与加压气缸(5)连接，下端与水平部连接；
所述两台工业相机(9)分别布置在第三侧板和第四侧板的外侧；所述激光发射器(10)布置在透明土模型箱(1)下方；
工作时，激光发射器(10)在透明土内形成透明土散斑场；加压气缸(5)通过T型连接件(8)将隧道上浮模拟装置(2)向上匀速拉动；所述工业相机(9)持续记录透明土散斑场的变化；所述位移传感器(6)监测隧道上浮模拟装置(2)的竖向位移；所述压力传感器(7)监测隧道上浮模拟装置(2)向上移动时受到的压力。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置，其特征在于：所述透明土模型箱(1)和隧道上浮模拟装置(2)采用有机玻璃制成；所述反力架(3)采用不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置，其特征在于：所述插板槽(103)内涂抹有硅树脂润滑脂；所述隧道滑动机制部分(202)与透明薄膜(11)的接触部分涂抹有硅树脂润滑脂。
4.根据权利要求1所述的一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置，其特征在于：所述底座(4)包括透明玻璃板(401)和支架(402)；所述支架(402)为竖直放置的U型板；所述透明玻璃板(401)搁置在支架(402)上；所述激光发射器(10)布置在支架(402)的槽口中。
5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置，其特征在于：所述透明土的固体颗粒选用球形硅微粉，孔隙流体选用正十二烷和苯甲基硅油混合液；所述球形硅微粉采用不规则角形硅微粉通过火焰熔融法加工成球形。
6.根据权利要求1所述的一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置，其特征在于：所述透明土的固体颗粒选用无定形硅石粉末，孔隙流体选用正十二烷和5#白矿物油的混合液。
7.根据权利要求1～6所述的任意一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用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)打开激光发射器(10)，在透明土内形成透明土散斑场；调节两个工业相机(9)；
2)按照试验要求通过加压气缸(5)将隧道上浮模拟装置(2)向上匀速拉动；使用使用工业相机(9)持续记录透明土散斑场的变化；记录位移传感器(6)和压力传感器(7)数据的变化；当隧道上浮模拟装置(2)向上移动到设计高度后停止拉动；
3)保存图像和数据，关闭激光发射器(10)，整理试验器材。
4)使用PIV技术处理试验图像，得到透明土模型箱1内透明土位移场的矢量图；
5)分析整理得到的数据和矢量图，得到隧道上浮过程中隧道与周围土体相互作用的规律。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：步骤1)之前还具有检测实验装置密封性的相关步骤。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202110659423.4A CN113358655A (zh) | 2021-06-15 | 2021-06-15 | 一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置及其试验方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110659423.4A CN113358655A (zh) | 2021-06-15 | 2021-06-15 | 一种模拟隧道上浮过程与土体相互作用的透明土模型试验装置及其试验方法 |
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| CN113358655A true CN113358655A (zh) | 2021-09-07 |
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|---|---|
| CN (1) | CN113358655A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118565999A (zh) * | 2024-07-31 | 2024-08-30 | 石家庄铁道大学 | 一种围岩压力可调的可视化透明土模型试验箱及制作方法 |
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2021
- 2021-06-15 CN CN202110659423.4A patent/CN113358655A/zh not_active Withdrawn
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