[发明专利]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

说明书

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。

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。