CN214011235U

CN214011235U - 一种基于piv模拟隧道开挖的透明土模型试验装置

Info

Publication number: CN214011235U
Application number: CN202022340754.5U
Authority: CN
Inventors: 金宗伟; 朱张林; 杨硕; 岳岩松; 陈霄; 崔振东
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2030-10-20

Abstract

一种基于PIV模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，包括有机玻璃模型箱、PVC薄壁圆管、激光发射器、导轨、相机、光学平台、压力控制器和计算机；导轨分纵横向两个导轨，纵向导轨固定在光学平台上，横向导轨位于纵向导轨之上，横向导轨上设有内部装有透明土的有机玻璃模型箱，有机玻璃模型箱的上部设有激光发射器，纵横两侧均设有相机，有机玻璃模型箱面向横向导轨后侧设有与压力控制器相连的导管，导管前端穿过有机玻璃模型箱预留孔，进入有机玻璃模型箱内的导管段上套装有PVC薄壁圆管。利用装在有机玻璃模型箱内的透明土结合粒子图像测速技术(PIV)观测技术设计小比尺室内模型试验，研究由于注浆抬升引起隧道抬升过程中上覆土体的位移场。

Description

一种基于PIV模拟隧道开挖的透明土模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种透明土模型试验装置，尤其是一种基于PIV模拟隧道开挖的透明土模型试验装置。

背景技术

传统的模型试验获取变形数据大都是利用传感器进行测量，在试验准备过程中需要安装传感器，但是由于传感器的刚度与土体的刚度相差较大，在试验过程中对土体的扰动会比较大，从而使得测量结果有一定的误差，不够准确。同时，试验只能获取模型箱边界或者安装传感器部位的数据，无法对土体内部的变形进行测量。

目前，在透明土模型试验研究领域，产品主要是单纯研究隧道开挖对土体影响的装置及方法，如申请号为201821358514.4公开的“一种模拟隧道开挖面失稳的透明土试验装置”、申请号为201811119143.9公开的“观测透明土模型内部三维空间变形的试验装置及使用方法”、申请号201710880854.7公开的“一种隧道开挖变形可视化模型实验装置及方法”、申请号为201610909318.0公开的“一种透明土地基中隧道开挖的模型试验装置和试验方法”等等。此类装置和方法，都是单纯为了研究隧道开挖对周围土体，尤其是对上层土体的影响，并未涉及到对上覆既有管线影响研究的透明土模型实验装置和方法，特别是涉及不同深度这一变量的透明土模型实验装置和方法。

目前隧道开挖方面的透明土模型试验主要局限于单纯研究隧道周围土体受隧道开挖影响产生的形变，这些试验装置主要用于理论推导、数值模拟后的验证，这类模型所能解决的工程问题主要局限于理论层面。对于实际的问题，还有很多因素没有考虑。

目前很多城市地铁隧道建设大都穿越城市地下结构物密集分布区域，如既有地铁隧道、地下管线、地下综合管廊和地上建筑物桩基等。如何模拟隧道开挖对上覆既有管线的影响，存在如何控制隧道和管线之间位置关系的问题，目前还没有这方面的研究装置。

发明内容

本实用新型的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、测量准确的基于PIV模拟隧道开挖的透明土模型试验装置。

为实现上述技术目的，本实用新型的基于PIV模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，包括有机玻璃模型箱、PVC薄壁圆管、激光发射器、第一相机、第二相机、光学平台、导轨、导管、压力控制器和计算机；所述的导轨分纵横向两个导轨，纵向导轨固定在光学平台上，横向导轨位于纵向导轨之上，并能沿纵向导轨往复运行，所述的横向导轨上设有沿横向导轨往复运行的内部装有透明土的有机玻璃模型箱，所述的有机玻璃模型箱上部设有激光发射器，有机玻璃模型箱面向纵向导轨一侧设有与计算机相连的第一相机，有机玻璃模型箱面向横向导轨前侧设有与计算机相连的第二相机，有机玻璃模型箱面向横向导轨后侧设有与压力控制器相连的导管，导管前端穿过有机玻璃模型箱预留孔，进入有机玻璃模型箱内的导管段上套装有PVC薄壁圆管。

所述的横向导轨两端头分别设有在纵向导轨内往复运行的滑轮，滑轮上面均安装制动块。

所述的有机玻璃模型箱底部设有在横向导轨内往复运行的滑轮。

所述的有机玻璃模型箱预留孔为1-3个，沿有机玻璃模型箱一侧中部竖直排列，每个预留孔中均设有橡胶塞。

所述的第一相机和第二相机为工业相机或数码相机。

所述激光发射器安装于固定在光学平台的支架上，激光发射器产生的激光束垂直于光学平台，激光发射器前段安装有十字线发生器，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，并使其中一束激光平行于纵向导轨的方向。

所述的纵横向两个导轨的一个侧面均标有刻度。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本实用新型提供了一种结构简单、操作方便、测量准确的基于PIV模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，能够对模型箱内部的透明土体进行可视化测量，透明土采用硅胶或无定形二氧化硅颗粒来模拟天然土颗粒，利用透明土技术和光学观测技术来实现土体的三维变形、强度和渗流等问题的可视化研究。在隧道开挖方面，利用透明土结合粒子图像测速技术(PIV)观测技术设计小比尺室内模型试验，研究由于注浆抬升引起隧道抬升过程中上覆土体的位移场。透明土与土体有相似的物理力学性质，并且可以观察到土体内部的变形，已经在岩土工程领域中进行广泛应用，但是目前关于隧道开挖对周围土体产生扰动的影响研究很少，试验方法还不够完善，尤其是利用透明土技术研究隧道开挖对邻近结构物影响的研究几乎没有。与现有技术上比具有如下优点：

1)操作性强，光学平台安装直线导轨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。

3)能保证激光斑图拍摄快速，避免激光发射器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。

4)能通过单一变量来研究不同影响，对地铁隧道开挖引起周围土体和既有管线的变形分布规律以及隧道—土体—管线互相作用机理进行研究，研究成果可以为软土地区地铁隧道线路规划和施工提供理论依据和参考。

附图说明

图1是本实用新型的装置结构示意图。

图2是图1中的光学平台放大结构示意图。

图中：1-有机玻璃模型箱；2-透明土；3-PVC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；9-压力控制器导管；10-压力控制器；11-电子计算机；12-管线；13-橡胶塞。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的说明：

本实用新型的基于PIV模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，主要由有机玻璃模型箱1、PVC薄壁圆管3、激光发射器4、第一相机5、第二相机6、光学平台7、导轨8、导管9、压力控制器10和计算机11构成；所述的导轨8分纵横向两个导轨，纵向导轨固定在光学平台7上，横向导轨位于纵向导轨之上，并能沿纵向导轨往复运行，所述的横向导轨两端头分别设有在纵向导轨内往复运行的滑轮。所述的横向导轨上设有沿横向导轨往复运行的内部装有透明土2的有机玻璃模型箱1，所述的有机玻璃模型箱1底部设有在横向导轨内往复运行的滑轮，滑轮上面均安装制动块。有机玻璃模型箱1上部设有激光发射器4，所述激光发射器4安装于固定在光学平台的支架上，激光发射器4产生的激光束垂直于光学平台7，激光发射器4前段安装有十字线发生器，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，并使其中一束激光平行于纵向导轨的方向。有机玻璃模型箱1面向纵向导轨一侧设有与计算机11相连的第一相机5，有机玻璃模型箱1面向横向导轨前侧设有与计算机11相连的第二相机6，所述的第一相机5和第二相机6为工业相机或数码相机。有机玻璃模型箱1面向横向导轨后侧设有与压力控制器10相连的导管9，导管9前端穿过有机玻璃模型箱1预留孔，预留孔为1-3个，沿有机玻璃模型箱一侧中部竖直排列，每个预留孔中均设有橡胶塞13。进入有机玻璃模型箱1内的导管9段上套装有PVC薄壁圆管3。

如图1所示，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，高度要求预埋管线后上覆透明土有一定高度的填充空间。侧面中间位置开孔，开孔直径等于PVC薄壁圆管3外径，不同高度开孔，用于模拟不同深度隧道对上覆既有管线的影响。使用一个孔时，其他孔用橡胶塞13做密封处理。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。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以及上覆既有管线周围的空间位移场分布图。

如图2所示，所述光学平台7水平放置，安装纵横向导轨，纵横向导轨垂直重叠安装，支撑和引导有机玻璃模型箱沿轨道纵横向方向作往复直线运动。纵向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；上部横向导轨垂直放置于下部纵向导轨上，横向一侧中间开槽，侧面标有刻度，用于控制有机玻璃模型箱1的移动距离，横向一侧的底部安装有滑轮，滑轮可沿下部纵向导轨槽作往复直线运动；有机玻璃模型箱1放置于上部横向导轨，其底部安装有滑轮，滑轮可沿横向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。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。导管9和PVC薄壁圆管3连接。

实验时要求透明土2中高质量的示踪粒子为：(1)比重要尽可能与实验流体相一致；(2)足够小的尺度；(3)形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀；(4)有足够高的光散射效率。

Claims

1.一种基于PIV模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，包括有机玻璃模型箱（1）、PVC薄壁圆管（3）、激光发射器（4）、第一相机（5）、第二相机（6）、光学平台（7）、导轨（8）、导管（9）、压力控制器（10）和计算机（11）；所述的导轨（8）分纵横向两个导轨，纵向导轨固定在光学平台（7）上，横向导轨位于纵向导轨之上，并能沿纵向导轨往复运行，所述的横向导轨上设有沿横向导轨往复运行的内部装有透明土（2）的有机玻璃模型箱（1），所述的有机玻璃模型箱（1）上部设有激光发射器（4），有机玻璃模型箱（1）面向纵向导轨一侧设有与计算机（11）相连的第一相机（5），有机玻璃模型箱（1）面向横向导轨前侧设有与计算机（11）相连的第二相机（6），有机玻璃模型箱（1）面向横向导轨后侧设有与压力控制器（10）相连的导管（9），导管（9）前端穿过有机玻璃模型箱（1）预留孔，进入有机玻璃模型箱（1）内的导管（9）段上套装有PVC薄壁圆管（3）；其特征在于：所的导管（9）前端穿过有机玻璃模型箱（1）一面开有1-3个预留孔，沿机玻璃模型箱一侧中部竖直排列，每个预留孔中均设有橡胶塞（13）；所述的第一相机（5）和第二相机（6）为工业相机或数码相机。