[发明专利]地裂缝土质隧道物理模型试验装置及模型试验方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，本发明还涉及一种地裂缝土质隧道物理模型试验方法。

背景技术

隧道等洞室构筑物的施工中，经常遇到复杂的地质条件，如地裂缝、采空区、溶洞以及陷穴等，尤其是以断裂构造发育为基础，过量开采地下水为诱因而形成和发展的地裂缝，严重影响隧道衬砌结构的稳定性，具体表现为地裂缝两侧上、下盘地层发生相互错动后，地层中隧道衬砌结构与地裂缝两侧土体的下沉位移不同，可能导致衬砌结构与围岩脱空；同时，在地裂缝活动下隧道衬砌结构将产生附加应力和附加变形，过大的附加变形可能导致结构开裂或屈服破坏；另外，地裂缝变形带的土体裂隙较多、工程性质较差，施工和运行期间可能会造成基坑坑壁或隧道局部坍塌，也可能出现沿裂缝带的集中渗水现象，将引起黄土湿陷变形和不均匀沉降，进一步加剧隧道衬砌结构的破坏，且地下水沿裂缝渗入隧道内，影响隧道正常运营。

地裂缝的发育发展使得地铁隧道建设面临着前所未有的难题，由于地裂缝的存在和发展改变了其边界条件（包括应力边界条件、位移边界条件和渗流边界条件），地裂缝的活动对地铁隧道衬砌结构及其围岩性状产生怎样的影响等问题需要开展深入研究，而物理模型试验正是复杂岩土工程问题研究常用的一种重要手段。目前，物理相似模拟试验装置包括两类，一是重力加速度条件下的物理模型试验，另一类是能够模拟真实自重应力场的离心物理模型试验。前者可以模拟较大几何比尺的原型，有利于模拟构筑物或地下结构，但难以实现原型自重应力场的模拟；后者可以实现原型自重应力场模拟，但模型的几何比尺小，往往难于模拟构筑物或地下结构。由于重力加速度条件下的物理模型试验仍然是一种重要的研究途径，该类模型试验装置主要有平面模型架、转体模型架和立体模型架等。平面模型无横向尺寸，一些与横向尺寸有关的试验无法进行模拟研究，且由于平面模型的边界条件作了很大的简化，模拟结果往往也与实际情况存在着较大差异，不适合应用于存在地裂缝地层这种复杂地质条件下的地下工程问题研究。一般说来，立体模型架易于满足边界条件，但难于在模型中进行采掘工作和对模型深部移动，且在横向和顶部加载、模型内部应力、应变和位移测量等方面都存在着许多困难。此外，装土样的试验容器一般为敞开式或简易封闭式，其结构强度较低，也不能对其内部的模型土体施加压力。

综上所述，地裂缝土质隧道物理模型试验研究在国内外尚属空白，现有的立体模型架并没有针对地裂缝地层活动的特殊地质条件，进行特殊用途的模型试验装置设计。同时，鉴于物理模型试验具有直观、便于量测分析，可以直接观察研究对象力学性状的变化，以及得到定量的数据，因此，针对地裂缝活动这种复杂地质条件下的地下工程问题，研制一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，具有理论与现实的意义。

发明内容

本发明的目的是，提供一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，解决了现有立体模型试验装置模拟工况单一、隧道围岩应力场模拟不合理、内部测量误差较大的问题。

本发明的另一目的是，提供一种地裂缝土质隧道物理模型试验方法，利用上述装置，模拟得到需要检测的地裂缝地层活动的相关数据。

本发明所采用的技术方案是，一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，

包括模型装置、沉降装置和控制装置三部分，模型装置通过支架支撑，模型装置的下方设置有沉降装置，模型装置和沉降装置均与控制装置连接，

所述模型装置，包括模型箱，模型箱根据实际工程按照设定的比例缩小制成，模型箱为一个内空的、竖立的、圆柱形的容器，包括上盖、圆柱侧壁和底板部分，底板部分沿直径分为固定底板和活动开口，模型箱内以立轴对称设置有下盘土体和上盘土体，上盘土体和下盘土体之间设置有模拟地裂缝，模拟地裂缝的下沿即为模型箱固定底板和活动开口的交界处，下盘土体的下方对应安装有固定底板，上盘土体的下方活动开口对应安装有沉降装置中的上盘土体托板；在上盖与上盘土体和下盘土体之间设置有气压囊。

本发明所采用的另一技术方案是，一种地裂缝土质隧道物理模型试验方法，包括一种隧道物理模型试验装置，该装置的结构是，

包括模型装置、沉降装置和控制装置三部分，模型装置通过支架支撑，模型装置的下方设置有沉降装置，模型装置和沉降装置均与控制装置连接，