一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置和试验方法制造方法及图纸

发明专利技术提供一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置和试验方法。该装置包括可固定在光学平台上的透明模型箱，以及薄壁橡胶圆筒和排水管。所述透明模型箱由板拼接为一个箱体。这个箱体的两侧壁上具有圆形开孔。所述薄壁橡胶圆筒一侧底面边缘处有开孔。所述薄壁橡胶圆筒穿过透明模型箱上的开孔。所述排水管上有阀门。所述排水管连接于薄壁橡胶圆筒上的开孔。所述透明模型箱外设置有两台工业相机和两台激光发射器。试验时，所述排水管上的阀门打开，分次将薄壁橡胶圆筒中水排入有刻度的烧杯中。所述两台激光发射器发射激光，在透明土内形成两个透明土散斑场。所述工业相机记录透明土散斑场的变化。

A transparent soil model test device and test method for simulating tunnel excavation deformation

The invention provides a kind of transparent soil model test device and test method to simulate the deformation of tunnel excavation. The device includes a transparent model box that can be fixed on the optical platform, as well as a thin wall rubber cylinder and a drainage tube. The transparent model box is spliced into a box from the plate. The wall of the box has a circular opening on both sides. The edge of one side of the thin wall rubber cylinder has an opening at the edge of the bottom. The thin-walled rubber cylinder passes through the opening of the transparent model box. There are valves on the drain pipe. The drainage pipe is connected to the opening of the thin wall rubber cylinder. The transparent model box is provided with two industrial cameras and two laser launchers outside the box. In the test, the valve on the drain pipe is opened and the water in the thin-walled rubber cylinder is discharged into the beaker in a scale. The two laser launchers emit lasers and form two transparent soil speckle fields in the transparent soil. The industrial camera records the change of the transparent soil speckle field.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置和试验方法
本专利技术涉及隧道及地下工程可视化试验
，特别涉及一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置和试验方法。
技术介绍
随着经济的快速发展，我国隧道工程得到了前所未有的发展机遇，包括公路隧道、铁路隧道、水工隧洞、城市地铁等各种隧道工程。然而在隧道工程快速发展的同时，诸多挑战也会随之出现；其中隧道工程在施工过程中的变形破坏问题就是工程师们非常关心的问题之一。隧道的变形破坏问题是围岩性质、外部荷载和边界条件都十分复杂的三维问题，目前数学力学方法只能为一些形状简单和边界条件简化的隧道工程提供解析解，而且所得出的解析解仍离不开现场实测数据和模型试验的验证。许多分析性结论来自现场实测、数值分析和模型试验。其中模型试验由于是物理模型实体，在满足相似原理的前提下不仅能较真实直观的反应实际工况中的应力场和位移场的变化情况，还可以避开复杂的数学力学推导。工程师们更容易全面把握岩土体工程的整体变形及稳定性特点。传统的室内模型试验只能观测模型的宏观变形和边界区域的变化规律，而模型内部的变形特征无法直接观测。透明土试验技术可以实现模型的三维变形和强度等问题的可视化研究，这为研究隧道开挖引起围岩的变形规律和破坏机理提供了有效的技术支撑。人工合成的透明土材料具有与真实土体相似的物理力学性质，且具备良好的透明度。PIV技术可以精确的测量土体的位移场。基于透明土实验材料的隧道模型试验有助于我们全面了解隧道开挖变形发展规律，为优化隧道设计和施工方案提供可靠的科学依据。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置，其特征在于:主要包括透明模型箱、橡胶薄壁圆管、排水管、工业相机I、工业相机II、激光发射器I、激光发射器II和光学平台。所述透明模型箱为透明材料制成的中空长方体，其上端敞口，其四个侧面分别被定义为前、后、左、右侧面。所述透明模型箱下端搁置在光学平台上。所述透明模型箱的前、后侧面上分别具有圆形开孔I和圆形开孔II。所述橡胶薄壁圆管为充水的橡胶管。所述橡胶薄壁圆管的两端分别嵌入圆形开孔I和圆形开孔II。所述橡胶薄壁圆管嵌入透明模型箱前侧面的端面具有用于连接排水管的圆形开孔。所述排水管带有阀门。所述透明模型箱内部的空间可用于填充透明土。所述激光发射器I和激光发射器II的支撑架安装在光学平台上，其高度和水平位置可调。所述激光发射器I和激光发射器II向透明模型箱的后侧面和右侧面发射激光。所述工业相机I和工业相机II的支撑架安装在光学平台上，其高度和水平位置可调。所述工业相机I和工业相机II分别拍摄透明模型箱的顶面和左侧面。进一步，所述透明模型箱采用有机玻璃制成。左、右两侧面板和底面板粘接在一起。圆形开孔I和圆形开孔II所在的前、后两侧面板采用螺栓连接在左、右两侧面板和底板上。这两侧面板可以拆卸。进一步，圆形开孔I、圆形开孔II模拟隧道孔。橡胶薄壁圆管模拟的隧道孔的位置，圆形开孔I和圆形开孔II的位置可以按照不同工况进行设计，以便满足试验要求。进一步，螺栓连接处面板接缝之间粘贴止水条，以防止透明土内液体渗出。进一步，所述薄壁橡胶圆筒外径、圆形开孔I的直径和圆形开孔II的直径相同。所述薄壁橡胶圆筒长度与透明模型箱前、后面板外壁之间的长度相同。本专利技术还公开一种采用上述试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按设计尺寸制作透明模型箱、薄壁橡胶圆筒和排水管。2)将薄壁橡胶圆筒内注满水，倒立放置使开孔所在底面朝上。3)将薄壁橡胶圆筒与排水管连接，并对连接处做防水密封处理。4)将薄壁橡胶圆筒穿过透明模型箱的开孔，放置在箱体内，并对接口做防水密封处理。5)在透明模型箱内配制透明土至设计高度。配制完成后静置24小时。6)布置并调整工业相机和激光发射器。7)控制排水管上的阀门，将薄壁橡胶圆管中的水分次排出。每次薄壁橡胶圆管中的水排出后，待透明土中散斑场稳定，使用工业相机进行拍摄。调整激光发射器的水平位置和高度，以获取在第i次排水后不同位置处的透明土切面图像。直至薄壁橡胶圆管中的水全部排出。8)保存图片，关闭激光发射器，整理试验器材。9)使用PIV技术处理试验图像，得到透明土各切面的位移矢量图。7.根据权利要求6所述的一种试验方法，其特征在于：在步骤1)之后，还具有擦洗透明模型箱侧壁的相关步骤。本专利技术克服传统隧道模型试验只能获得宏观变形和边界区域变形的缺点，其技术效果是毋庸置疑的：A)实现隧道周围土体变形的可视化测量，可对隧道在模拟开挖过程中隧道周围土体位移场发展变化进行非插入式量测；B)可通过多切面土体位移场测量，得到隧道周围土体变形的真实三维位移场；C)可通过控制排水量来模拟开挖过程；D)模型箱由三部分组装而成，可以根据试验需求设置所需工况，不需要反复加工。试验装置尺寸小，系统设置合理，试验操作方便。附图说明图1为透明模型箱结构示意图；图2为橡胶薄壁圆筒示意图；图3为排水管示意图；图4为试验时激光平面示意图；图5为试验装置结构示意图。图中：透明模型箱1、圆形开孔I101、圆形开孔II102、透明土2、橡胶薄壁圆管3、圆形开孔301、排水管4、阀门401、工业相机I5、工业相机II50、激光发射器I6、激光发射器II60、光学平台7。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术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，均应包括在本专利技术的保护范围内。实施例1：一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置，其特征在于:主要包括透明模型箱1、橡胶薄壁圆管3、排水管4、工业相机I5、工业相机II50、激光发射器I6、激光发射器II60和光学平台7。参见图1，所述透明模型箱1由板透明模型箱由板拼接为一个整体，采用有机玻璃制得，其上端敞口，其四个侧面分别被定义为前、后、左、右侧面〔该定义是为了方便描述，表达四个面的位置关系〕。所述透明模型箱1采用有机玻璃制成。左、右两侧面板和底面板粘接在一起。圆形开孔I101和圆形开孔II102所在的两侧面板采用螺栓连接在左右两侧面板和底板上。这两侧面板可以拆卸。面板之间螺栓连接处接缝粘贴止水条，以防止透明土2内液体渗出。所述透明模型箱1下端搁置在光学平台7上。所述透明模型箱1的前、后侧面上分别具有圆形开孔I101和圆形开孔II102。参见图5与图2，所述橡胶薄壁圆管3为充满水的橡胶管。所述橡胶薄壁圆管3的两端分别嵌入圆形开孔I101和圆形开孔II102。圆形开孔I101、圆形开孔II102和橡胶薄壁圆管3模拟隧道孔。模拟的隧道孔的位置，即圆形开孔I101和圆形开孔II102的位置可以按照不同工况进行设计，以便满足试验要求。所述薄壁橡胶圆筒3外径、圆形开孔I101的直径和圆形开孔II102的直径相同。所述薄壁橡胶圆筒3长度与透明模型箱1前、后面板外壁之间的长度相同。参见图4，所述橡胶薄壁圆管3靠近透明模型箱1前侧面的端面具有用于连接排水管4的圆形开孔301。所述排水管4带有阀门401。所述透明模型箱1内部的空间可用于填充透明土2。所述激光发射器I6和激光发射器II60的支撑架安装在光学平台7上，其高度和水平位置可调。所述激光发射器I6和激光发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置，其特征在于:主要包括所述透明模型箱(1)、橡胶薄壁圆管(3)、排水管(4)、工业相机I(5)、工业相机II(50)、激光发射器I(6)、激光发射器II(60)和光学平台(7)；所述透明模型箱(1)为透明材料制成的中空长方体，其上端敞口，其四个侧面分别被定义为前、后、左、右侧面；所述透明模型箱(1)下端搁置在光学平台(7)上；所述透明模型箱(1)的前、后侧面上分别具有圆形开孔I(101)和圆形开孔II(102)。所述橡胶薄壁圆管(3)为充水的橡胶管；所述橡胶薄壁圆管(3)的两端分别嵌入圆形开孔I(101)和圆形开孔II(102)；所述橡胶薄壁圆管(3)靠近透明模型箱(1)前侧面的端面具有用于连接排水管(4)的圆形开孔(301)；所述排水管(4)带有阀门(401)；所述透明模型箱(1)内部的空间可用于填充透明土(2)；所述激光发射器I(6)和激光发射器II(60)的支撑架安装在光学平台(7)上，其高度和水平位置可调；所述激光发射器I(6)和激光发射器II(60)向透明模型箱(1)的后侧面和右侧面发射激光；所述工业相机I(5)和工业相机II(50)的支撑架安装在光学平台(7)上，其高度和水平位置可调；所述工业相机I(5)和工业相机II(50)分别拍摄透明模型箱(1)的顶面和左侧面。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置，其特征在于:主要包括所述透明模型箱(1)、橡胶薄壁圆管(3)、排水管(4)、工业相机I(5)、工业相机II(50)、激光发射器I(6)、激光发射器II(60)和光学平台(7)；所述透明模型箱(1)为透明材料制成的中空长方体，其上端敞口，其四个侧面分别被定义为前、后、左、右侧面；所述透明模型箱(1)下端搁置在光学平台(7)上；所述透明模型箱(1)的前、后侧面上分别具有圆形开孔I(101)和圆形开孔II(102)。所述橡胶薄壁圆管(3)为充水的橡胶管；所述橡胶薄壁圆管(3)的两端分别嵌入圆形开孔I(101)和圆形开孔II(102)；所述橡胶薄壁圆管(3)靠近透明模型箱(1)前侧面的端面具有用于连接排水管(4)的圆形开孔(301)；所述排水管(4)带有阀门(401)；所述透明模型箱(1)内部的空间可用于填充透明土(2)；所述激光发射器I(6)和激光发射器II(60)的支撑架安装在光学平台(7)上，其高度和水平位置可调；所述激光发射器I(6)和激光发射器II(60)向透明模型箱(1)的后侧面和右侧面发射激光；所述工业相机I(5)和工业相机II(50)的支撑架安装在光学平台(7)上，其高度和水平位置可调；所述工业相机I(5)和工业相机II(50)分别拍摄透明模型箱(1)的顶面和左侧面。2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置，其特征在于：所述透明模型箱(1)采用有机玻璃制成。左、右两侧面板和底面板粘接在一起；圆形开孔I(101)和圆形开孔II(102)所在的前、后两侧面板采用螺栓连接在左、右两侧面板和底板上；这两侧面板可以拆卸。3.根据权利要求1或2所述的一种模拟隧道开挖变形的透明土模型试验装置，其特征在于：圆形开孔I(101)、圆形开孔II(102)和橡胶薄壁圆管(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：仉文岗，周东，向钰周，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50