CN113567317A - 一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置及系统，其技术方案为：包括用于填筑土体的模型架，其一侧开有用于模拟隧道开挖的预留孔洞；与预留孔洞所在面相邻的两个侧面分别安装水箱，其中一个为进水箱，另一个为出水箱；进水箱与模型架通过若干进水孔连通，出水箱与模型架通过若干排水孔连通；进水箱、模型架与出水箱之间能够形成水循环。本发明能够模拟地铁施工过程对地下水渗流状态的影响，模拟数据准确，能够为实际施工提供参考，以减少地铁施工对地质环境的扰动。
Description
技术领域
本发明涉及地铁施工技术领域，尤其涉及一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置及系统。
背景技术
城市化的发展带动了交通的发展，近年地铁工程发展迅速，越来越多的地铁在城镇穿行。城市水文地质较为复杂，地铁在施工过程中，难免会对地质环境产生扰动，因此亟需一种可靠的方法来研究地铁施工与地质环境之间的力学交互作用，进而来进行施工方案的指导和优化。
现阶段已经具备完备的地下水渗流理论体系，虽可以依据地下水渗流理论，根据地铁施工的地质条件来还原地下水渗流的状态，但是理论计算无法保证规律研究的实时性，并且无法针对多变的环境做出及时的调整，计算工作量大，效率低。数值模拟作为随着计算机技术的发展而发展的一项模拟计算技术，不仅可以在一定程度上对不同地质条件下的施工工况进行还原，还能实时地模拟地下水的动态演变规律，但是数值模拟技术的误差较大，其在建模计算过程中容易忽略多变的地质条件，而把模型“均匀化”，因此与实际的结果出入较大。
相似理论的推广与应用，在一定程度上也推进了相似模型实验应用。但是在实际应用过程中，部分结构的相似过程的变化以及一些物理力学参数的相似推导并不完整，进而导致实验的结果与实际有所出入。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置及系统，能够模拟地铁施工过程对地下水渗流状态的影响，模拟数据准确，能够为实际施工提供参考，以减少地铁施工对地质环境的扰动。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置，包括用于填筑土体的模型架，其一侧开有用于模拟隧道开挖的预留孔洞；
与预留孔洞所在面相邻的两个侧面分别安装水箱，其中一个为进水箱，另一个为出水箱；进水箱与模型架通过若干进水孔连通，出水箱与模型架通过若干排水孔连通；进水箱、模型架与出水箱之间能够形成水循环。
作为进一步的实现方式，所述水箱与模型架接触的界面安装有过滤筛网。
作为进一步的实现方式，所述水箱远离模型架一侧开有溢水孔，且溢水孔下方设有与水箱连通的水管。
作为进一步的实现方式，所述模型架顶部可拆卸连接盖板。
第二方面，本发明实施例还提供了一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验系统，包括所述的试验装置。
作为进一步的实现方式，还包括：
变水位控制装置，包括变水位水槽、安装于变水位水槽底部的升降机构，变水位水槽通过水管与进水箱连接；
循环供水装置，包括用于向变水位水槽加水的蓄水池，所述蓄水池通过水管与出水箱连接以形成回路；
检测装置，包括设置于模型架内部的沉降标、孔隙水压力计、土压力计和流量计。
作为进一步的实现方式，所述变水位水槽包括水槽外层和水槽内层，水槽内层设于水槽外层的内侧，且低于水槽外层。
作为进一步的实现方式，所述变水位水槽外侧设有沿其高度方向设置的刻度尺。
作为进一步的实现方式，所述模型架上方设有高速摄像机，高速摄像机安装于伸缩支架上。
作为进一步的实现方式，所述蓄水池与出水箱之间的水管安装水泵。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
(1)本发明的一个或多个实施方式的试验装置包括模型架、进水箱和出水箱，进水箱能够向填筑有土体的模型架中渗水，土体中的水能够渗透至出水箱；通过模型架、进水箱和出水箱形成土体渗流模拟；模型架开有预留孔洞，以模拟隧道开挖，并设置地铁结构，从而还原地铁过程对地下水渗流状态的影响。
(2)本发明的一个或多个实施方式设置变水位控制装置，能够向试验装置供水，且水位可调节；配合设置的刻度尺，保证试验的准确性；变水位控制装置与模型架、蓄水池之间形成水循环，使水能够重复利用。
(3)本发明的一个或多个实施方式设置沉降标、孔隙水压力计、土压力计以、流量计及高速摄像机，能够获取土体渗流过程中的多维参数，提高模拟试验的准确性，以为实际地铁施工提供准确的参考。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的系统结构示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的试验装置结构示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的检测装置安装示意图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的地铁结构安装示意图；
图5是本发明根据一个或多个实施方式的变水位控制装置结构示意图；
其中，1、模型架，2、进水箱，3、出水箱，4、预留孔洞，5、盖板，6、进水管，7、出水管，8、高速摄像机，9、伸缩支架，10、溢水孔，11、水槽外层，12、水槽内层，13、升降机构，14、加水管，15、刻度尺，16、蓄水池，17、水泵，18、沉降标，19、计算机，20、孔隙水压力计，21、土压力计，22、流量计，23、地铁结构，24、进水孔，25、排水孔。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置，能够模拟地铁环境，如图2所示，包括模型架1、进水箱2、出水箱3，进水箱2设置于模型架1一侧，出水箱3设置于模型架1另一侧。
模型架1内部能够填筑土体，在本实施例中，所述模型架1由工字钢和矩形板构成长方体框架结构。进一步的，模型架1顶部安装盖板5，盖板5与模型架1可拆卸连接。
在本实施例中，模型架1的矩形板采用有机材料制成，例如亚克力板；模型架1的四周通过工字钢固定，以保证在土体填埋过程中模型架1的稳定性，同时更容易观察到后期渗流试验过程中的地下水渗流规律。亚克力板之间采用光固化胶固定，不仅保证了模型装置的美观及稳定性，更有利于试验中的地下水渗流规律的观测。
进一步的，模型架1开有用于模拟隧道开挖的预留孔洞1。在本实施例中，进水箱2、出水箱3位于模型架1长度方向的两侧；预留孔洞1设于模型架1宽度方向的一侧。
在本实施例中，进水箱2、出水箱3设置为长方体结构，且与模型架1的高度保持一致，进水箱2与模型架1相接的一侧开有若干进水孔24，水通过进水孔24从进水箱2中渗流至模型架1内部土体。出水箱3与模型架1相接的一侧开有若干排水孔25，水通过排水孔25从模型架1中渗流至出水箱3。
优选地，进水孔24、排水孔25沿其所在侧面呈多排多列分布。为了避免细小土体颗粒通过进水孔24、排水孔25，所述进水箱2、出水箱3与模型架1交界的侧面分别安装过滤筛网，以起到过滤作用，防止试验过程中的土体扩散到水箱影响试验的正常进行。过滤筛网的空隙可以设置为12mm、8mm、5mm、1mm、0.6mm。
进一步的，进水箱2远离模型架1的一侧连接进水管6，进水管6用于为进水箱2供水。出水箱3远离模型架1的一侧连接出水管7，出水管7用于将出水箱3中的水排出；排出的水能够重新进入进水箱2，以形成水循环。
进一步的，所述进水箱2、出水箱3远离模型架1的一侧开有溢水孔10，溢水孔10位于进水箱2、出水箱3靠近顶部位置。
在本实施例中，进水箱2、出水箱3的尺寸设置为2.4m×0.2m×0.5m；根据相似比的换算在模型架1侧面设置36cm的预留孔洞4作为隧道开挖的预留洞；进水孔24、排水孔25的直径设置为10mm，且沿对应水箱侧面呈9×9排列。可以理解的，在其他实施例中，上述尺寸可以根据具体试验要求设置。
实施例二：
本实施例提供了一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验系统，如图1所示，包括实施例一所述的试验装置，还包括变水位控制装置、循环供水装置和检测装置，变水位控制装置连接模型试验装置的进水箱2，循环供水装置连接模型试验装置的出水箱3；且循环供水装置为变水位控制装置供水，从而使系统形成水循环。
进一步的，如图5所示，变水位控制装置包括变水位水槽、升降机构13，升降机构13安装于变水位水槽底部，用于控制变水位水槽升降，从而实现水位的调节。升降机构13采用现有结构，例如交叉式升降机。
在本实施例中，变水位水槽设置为长方体结构，其顶部开口；包括水槽外层11和水槽内层12，水槽内层12设于水槽外层11内部，且与水槽外层11有一定的间距。所述水槽内层12的高度低于水槽外层11，通过高度不同的水槽内层12和水槽外层11为模型架1提供水位可变的水流。
可以理解的，在其他实施例中，变水位水槽也可以设置为顶部开口的圆柱形结构，只要能够容纳水即可。
进一步的，变水位水槽的底部通过进水管6与进水箱2连通，以使水从变水位水槽进入进水箱2内。变水位水槽的侧面设置刻度尺4，刻度尺4沿变水位水槽高度方向设置，以确定水位高度，保证试验的精确性。
为了保证变水位水槽的稳定性，变水位水槽设置于支撑架内，升降机构13与支撑架固定。
在本实施例中，变水位水槽采用亚克力板材料制成，方便在调整高度的过程中观察到水位的高度；进水管6采用PVC材质，保证在增大流速的过程中不会影响水管波动。
进一步的，循环供水装置包括蓄水池16、水泵17，蓄水池16连接加水管14，加水管14的端部位于变水位水槽上方。所述加水管14安装水泵17，通过水泵17将蓄水池16中的水泵入变水位水槽；变水位水槽中的水通过进水管6进入进水箱2内部。
所述蓄水池16通过水管连接水源，蓄水池16还通过出水管7连接出水箱3，且出水管7上安装水泵17，通过水泵17将出水箱3中的水泵入蓄水池16，以使水循环使用。
进一步的，所述检测装置包括设置于模型架1内部的沉降标18、孔隙水压力计20、土压力计21和流量计22，如图3和图4所示，沉降标18、孔隙水压力计20、土压力计21和流量计22分别连接计算机19，计算机19能够实时分析记录土层的地下水在试验过程中的渗流参数。
所述检测装置还包括高速摄像机8，高速摄像机8位于模型架1上方，且高速摄像机8安装于伸缩支架9上，以使高速摄像机8的高度可调节。伸缩支架9采用现有伸缩结构，此处不再赘述。高速摄像机8实时记录含水层中的土体颗粒的空间变化，以获得地下水的渗流路径。
如图4所示，模型架1中设置地铁结构23，地铁结构23通过一定的相似比例采用混凝土浇筑力学等效的长方体模型，用于试验过程中研究地铁施工过程对地下水渗流状态的影响。
进一步的，相似比的推导过程为：
假定饱和土体中土的骨架变形为线弹性、微小变形、渗流符合达西定律、水为不可压缩或者微压缩，体积力只考虑重力，根据平衡方程、有效应力原理及物理、几何方程推导得到以位移和孔隙水压力表示的平衡微分方程：
式中，G为剪切模量，μ为泊松比，γ为土的容重，ωx、ωx、ωx分别为x、y、z方向上的位移，u为孔隙水压力。▽2为拉普拉斯算子，其中：
根据达西定律和饱和土连续性得到以位移和孔隙水压力表示的连续性方程。
其中，γw为水的容重，kx、ky、kz分别为x、y、z方向上的渗透系数。为充分体现研究土体在地铁施工过程中的渗流演变特性，在模型实验中采取原状土样和自然水流体。因此，控制方程中的土体剪切模量G、泊松比μ在模型物理体系和原型物理体系中的相似常数相同；进一步地定义以下相似常数：
将相似常数代入比奥固结方程中，得模型物理场控制方程为：
进而得到相似指标为：
将相似变换代入到相似指标中，得到基于比奥固结方程的相似准则为：
综上所示，渗透系数为k＝Kg/v，其中K为土体渗透率，v为流体运动粘滞系数。综合上述固结理论相似准则分析可得，当模型试验在离心场Ng作用下时，模型尺寸若缩减至原型的1/N时，土体变形位移缩减为原型的1/N，孔隙水压力保持不变，渗透系数比尺增大为原型的N倍。据此，根据实际的物理参数推算出相应的应力相似参数、渗流相似参数。
本实施例通过水源向蓄水池16提供水体，水体由安装于加水管14上的水泵17抽取提供给变水位控制装置，通过进水管6将变水位控制装置的水流提供给模型架1，模拟地下水环境。在试验过程中的，当地下水渗流达到平衡时，水流会流向模型架1侧面的出水箱3，当出水箱3中的水流达到一定的高度，通过安装于出水管7上的水泵17将水抽回蓄水池16，完成水循环。
本实施例通过模型试验装置、变水位控制装置、循环供水装置和检测装置构成模拟地铁施工中的地下水渗流情况，能够实现多尺度的地下水渗流状态观察，能够为后期施工提供指导，通过施工方案的优化，减少地铁施工对地质环境的扰动。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置，其特征在于，包括用于填筑土体的模型架，其一侧开有用于模拟隧道开挖的预留孔洞；
与预留孔洞所在面相邻的两个侧面分别安装水箱，其中一个为进水箱，另一个为出水箱；进水箱与模型架通过若干进水孔连通，出水箱与模型架通过若干排水孔连通；进水箱、模型架与出水箱之间能够形成水循环。
2.根据权利要求1所述的一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置，其特征在于，所述水箱与模型架接触的界面安装有过滤筛网。
3.根据权利要求1所述的一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置，其特征在于，所述水箱远离模型架一侧开有溢水孔，且溢水孔下方设有与水箱连通的水管。
4.根据权利要求1所述的一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验装置，其特征在于，所述模型架顶部可拆卸连接盖板。
5.一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任一所述的试验装置。
6.根据权利要求5所述的一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验系统，其特征在于，还包括：
变水位控制装置，包括变水位水槽、安装于变水位水槽底部的升降机构，变水位水槽通过水管与进水箱连接；
循环供水装置，包括用于向变水位水槽加水的蓄水池，所述蓄水池通过水管与出水箱连接以形成回路；
检测装置，包括设置于模型架内部的沉降标、孔隙水压力计、土压力计和流量计。
7.根据权利要求6所述的一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验系统，其特征在于，所述变水位水槽包括水槽外层和水槽内层，水槽内层设于水槽外层的内侧，且低于水槽外层。
8.根据权利要求6或7所述的一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验系统，其特征在于，所述变水位水槽外侧设有沿其高度方向设置的刻度尺。
9.根据权利要求6所述的一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验系统，其特征在于，所述模型架上方设有高速摄像机，高速摄像机安装于伸缩支架上。
10.根据权利要求6所述的一种用于地铁结构地下水渗流模拟的试验系统，其特征在于，所述蓄水池与出水箱之间的水管安装水泵。
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