一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法制造方法及图纸

发明专利技术提供一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法。该试验装置包括布置在试验平台上的模型箱，以及模拟隧道结构和成像装置。所述模型箱为透明矩形箱体。所述模型箱在相对的两侧壁面上预制孔洞。模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱两侧壁面上的孔洞内。所述模型箱内填筑透明土。试验时，两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。该装置的试验方法包括设计实验方案、安装模拟隧道结构、配置透明土和试验等步骤。该装置在移动有机玻璃管的过程中，通过读取有机玻璃管表面的刻度值，从而得到每次移动产生的地层损失，可以很好地对工程实际进行验证，减少了有机玻璃管对透明土体的扰动，提高了实验的准确性。

A new type of transparent soil model test device for simulating tunnel excavation and its test method

The invention provides a new type of transparent soil model test device for simulating tunnel excavation and its test method. The test device includes a model box arranged on the test platform, and a tunnel structure simulation and imaging device. The model box is a transparent rectangular box. The model box prefabricate holes on opposite sides of the wall. The two ends of the simulated tunnel structure are embedded in the holes on both sides of the model box respectively. The model box is filled with transparent soil. During the experiment, two laser transmitters formed two speckle sections inside the transparent soil. The test method of the device includes the design of experimental scheme, installation of simulated tunnel structure, disposition of transparent soil and test steps. In the process of moving the plexiglass pipe, the device can read the calibration value of the surface of the plexiglass pipe and get the formation loss caused by each movement. It can verify the engineering practice well, reduce the disturbance of the plexiglass pipe to the transparent soil, and improve the accuracy of the experiment.

【技术实现步骤摘要】
一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法
本专利技术涉及土木工程建设领域，特别涉及一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法。
技术介绍
近二十年来，经济技术的持续发展使得我国的综合国力日益增强，基础设施建设得到了前所未有的发展。就隧道和地下空间技术而言，中国已经成为世界上建造规模最大，建设数量最多，地质条件和结构最复杂的国家。因此研究隧道在开挖过程中的变形规律是十分必要的。透明土的基本原理是利用透明颗粒材料和具有相同折射率的孔隙液体混合,排出空气得到的透明的饱和土,该土体与天然土体具有相似的岩土工程性质。利用激光器可以在透明土中形成散斑场,可以用工业相机拍出高精度的图片。PIV技术是基于图像匹配技术发展起来的一种流体速度测量技术,通过对比不同时刻的图片灰度值,利用关联函数可以得到不同时刻的相对位移,从而得到隧道土体内部的宏观变形过程。现有技术中存在的一种在透明土地基中隧道开挖的模型试验方法。该方法通过控制预先埋设在透明土中若干个水囊的体积，实现了在透明土模型试验中隧道的分步开挖过程。但是该方法采用的排水法无法保证隧道在开挖过程中的断面形状保持稳定。并且为实现隧道的分步开挖，需要在透明土中埋设许多排水管，影响了实验的准确性。因此亟需开发一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置及其试验方法，以期深入认识隧道开挖引起土体变形和破坏的细观机理。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型模拟隧道开挖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。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，包括布置在试验平台上的模型箱，以及隧道模型、隧道开挖支撑和成像装置。所述模型箱为透明矩形箱体。所述模型箱在相对的两侧壁面上预制孔洞。所述隧道模型包括若干个直径依次增大的空心有机玻璃管。所述有机玻璃管从内到外依次套合成可相对滑动的伸缩筒。所述隧道开挖支撑包括有机玻璃圆柱Ⅰ和有机玻璃圆柱Ⅱ。所述有机玻璃圆柱Ⅰ的一侧底面上设置凸起头。所述有机玻璃圆柱Ⅱ的一侧底面上设置供凸起头插入的凹槽孔。所述隧道模型套设在有机玻璃圆柱Ⅰ上。所述隧道模型与隧道开挖支撑共同构成模拟隧道结构。所述模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱两侧壁面上的孔洞内。所述隧道开挖支撑两端伸出模型箱。所述隧道模型一端布设在模型箱内，另一端伸出模型箱。所述模型箱内填筑透明土。所述成像装置包括布置在模型箱外侧的两台工业相机和两台激光发射器。试验时，两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。依次牵引各有机玻璃管移动。两台工业相机同步摄取变形前后散斑切面。调整激光发射器的水平位置和高度，获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成。利用数字图像处理技术分析切面图片。进一步，所述模拟隧道结构与模型箱的壁面之间设置有密封圈。进一步，所述有机玻璃管的外壁上沿轴向具有刻度标记。进一步，所述有机玻璃管的外壁上还设置有牵引头。进一步，所述隧道模型外侧包覆有由透明橡胶材料制成的可变形透明橡胶管。本专利技术还公开一种关于上述新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：1)设计实验方案，制作模型箱与模拟隧道结构。2)将模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱两侧壁面上的孔洞内。3)向模型箱内配置透明土直至实验高度。4)安裝并调试两组成像装置。两台激光发射器在透明土内部形成两个散斑切面。5)按设计要求依次牵引各有机玻璃管移动。每次有机玻璃管的移动停止后，记录有机玻璃管体积的变化量，待散斑切面稳定，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，以获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成。6)保存图片，关闭激光发射器，整理试验器材。7)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道各切面的位移矢量图。8)得出隧道周边土体变形的有关规律。进一步，当步骤3)中透明土中混入了过多气泡时,步骤3)之后还具有使用真空饱和器使透明土饱和的相关步骤。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的：A.在移动有机玻璃管的过程中，通过读取有机玻璃管表面的刻度值，从而得到每次移动产生的地层损失，可以很好地对工程实际进行验证；B.通过有机玻璃管和有机玻璃柱形成模拟隧道的结构，避免了排水管对土体的扰动，保证了开挖时隧道断面的稳定，更加真实地模拟隧道的开挖；C.通过包裹在有机玻璃管外侧的透明橡胶管，避免了有机玻璃管在移动的过程中与透明土体的摩擦，减少了有机玻璃管对透明土体的扰动，提高了实验的准确性。附图说明图1为试验装置结构示意图；图2为模型箱结构示意图；图3为透明橡胶管结构示意图；图4为有机玻璃管结构示意图；图5为隧道开挖支撑结构示意图；图6为模拟隧道结构示意图。图中：工业相机1、激光发射器2、模型箱3、孔洞Ⅰ301、孔洞Ⅱ302、密封圈Ⅰ4、密封圈Ⅱ5、透明橡胶管6、有机玻璃管7、刻度标记701、牵引头702、隧道开挖支撑8、有机玻璃圆柱Ⅰ801、凸起头8011、有机玻璃圆柱Ⅱ802、凹槽孔8021。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1：参见图1，本实施例公开一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，包括布置在试验平台上的模型箱3，以及隧道模型、隧道开挖支撑8和成像装置。参见图2，所述模型箱3为透明的上端敞口且内中空的矩形箱体。所述模型箱3的四个侧面分别被定义为第一、第二、第三和第四侧面。所述第一侧面上预制孔洞Ⅰ301。所述第三侧面上预制孔洞Ⅱ302。参见图6，所述隧道模型包括4个直径依次增大的空心有机玻璃管7。所述4个有机玻璃管7的长度随直径的增大而减小。参见图4，所述有机玻璃管7的外壁上沿轴向具有刻度标记701。所述有机玻璃管7的外壁上还设置有牵引头702。所述4个有机玻璃管7从内到外依次套合成可相对滑动的伸缩筒。所述隧道模型外侧包覆有橡胶管6。所述透明橡胶管6自然状态时的直径小于隧道开挖支撑8的直径，最大变形时的直径大于隧道模型的最大外径。参见图3，所述橡胶管6由透明橡胶材料制成的可变形透明橡胶管。参见图5，所述隧道开挖支撑8包括有机玻璃圆柱Ⅰ801和有机玻璃圆柱Ⅱ802。所述有机玻璃圆柱Ⅰ801的一侧底面上设置凸起头8011。所述有机玻璃圆柱Ⅱ802的一侧底面上设置供凸起头8011插入的凹槽孔8021。工作时，所述凸起头8011嵌合入凹槽孔8021中，有机玻璃圆柱Ⅰ801和有机玻璃圆柱Ⅱ802形成一个整体的有机玻璃圆柱。所述隧道模型套设在有机玻璃圆柱Ⅰ801上。所述隧道模型与有机玻璃圆柱Ⅰ801嵌套在一起，形成活塞结构。所述隧道模型与隧道开挖支撑8共同构成模拟隧道结构。所述模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱3两侧壁面上的孔洞内。所述隧道开挖支撑8贯穿模型箱3，两端伸出模型箱3。所述隧道开挖支撑8与第一侧面之间设置有密封圈Ⅰ4。所述隧道模型一端布设在模型箱3内，另一端从孔洞Ⅱ302伸出模型箱3。直径最大的有机玻璃管7与第三侧面之间设置有密封圈Ⅱ5。所述模型箱3内填筑透明土。所述透明土将模拟隧道结构位于模型箱3内的部分埋设。模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，其特征在于：包括布置在试验平台上的模型箱(3)，以及隧道模型、隧道开挖支撑(8)和成像装置；所述模型箱(3)为透明矩形箱体；所述模型箱(3)在相对的两侧壁面上预制孔洞；所述隧道模型包括若干个直径依次增大的空心有机玻璃管(7)；所述有机玻璃管7从内到外依次套合成可相对滑动的伸缩筒；所述隧道开挖支撑(8)包括有机玻璃圆柱Ⅰ(801)和有机玻璃圆柱Ⅱ(802)；所述有机玻璃圆柱Ⅰ(801)的一侧底面上设置凸起头(8011)；所述有机玻璃圆柱Ⅱ(802)的一侧底面上设置供凸起头(8011)插入的所述凹槽孔(8021)；所述隧道模型套设在有机玻璃圆柱Ⅰ(801)上；所述隧道模型与隧道开挖支撑(8)共同构成模拟隧道结构；所述模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱(3)两侧壁面上的孔洞内；所述隧道开挖支撑(8)两端伸出模型箱(3)；所述隧道模型一端布设在模型箱(3)内，另一端伸出模型箱(3)；所述模型箱(3)内填筑透明土；所述成像装置包括布置在模型箱(3)外侧的两台工业相机(1)和两台激光发射器(2)；试验时，两台激光发射器(2)在透明土内部形成两个散斑切面；依次牵引各有机玻璃管(7)移动；两台工业相机(1)同步摄取变形前后散斑切面；调整激光发射器(2)的水平位置和高度，获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成；利用数字图像处理技术分析切面图片。...

【技术特征摘要】
1.一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，其特征在于：包括布置在试验平台上的模型箱(3)，以及隧道模型、隧道开挖支撑(8)和成像装置；所述模型箱(3)为透明矩形箱体；所述模型箱(3)在相对的两侧壁面上预制孔洞；所述隧道模型包括若干个直径依次增大的空心有机玻璃管(7)；所述有机玻璃管7从内到外依次套合成可相对滑动的伸缩筒；所述隧道开挖支撑(8)包括有机玻璃圆柱Ⅰ(801)和有机玻璃圆柱Ⅱ(802)；所述有机玻璃圆柱Ⅰ(801)的一侧底面上设置凸起头(8011)；所述有机玻璃圆柱Ⅱ(802)的一侧底面上设置供凸起头(8011)插入的所述凹槽孔(8021)；所述隧道模型套设在有机玻璃圆柱Ⅰ(801)上；所述隧道模型与隧道开挖支撑(8)共同构成模拟隧道结构；所述模拟隧道结构的两端分别嵌入模型箱(3)两侧壁面上的孔洞内；所述隧道开挖支撑(8)两端伸出模型箱(3)；所述隧道模型一端布设在模型箱(3)内，另一端伸出模型箱(3)；所述模型箱(3)内填筑透明土；所述成像装置包括布置在模型箱(3)外侧的两台工业相机(1)和两台激光发射器(2)；试验时，两台激光发射器(2)在透明土内部形成两个散斑切面；依次牵引各有机玻璃管(7)移动；两台工业相机(1)同步摄取变形前后散斑切面；调整激光发射器(2)的水平位置和高度，获取每次位移下不同位置处的透明土切面图像，直至模拟隧道的开挖完成；利用数字图像处理技术分析切面图片。2.根据权利要求1所述的一种新型模拟隧道开挖的透明土模型试验装置，其特征在于：所述模拟隧道结构与模型箱(3)的壁面之间设置有密封...

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