一种模拟隧道施工引起地层沉降的高精度离心试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于岩土工程超重力离心试验装置技术领域，具体涉及一种模拟隧道施工引起地层沉降的高精度离心试验装置；包括上端开口的长方体模型箱，其前侧面采用透明有机玻璃板制作，并设置有单一波长光LED灯带；在前侧面和后侧面开设圆形通孔用于固定模拟隧道，模拟隧道包括铝制偏心哑铃状支撑体及固定在其外周的圆筒状橡胶膜，所述圆筒状橡胶膜与所述圆杆之间形成的环形空间充填水；所述模型箱内填充有土；采用隧道体积控制装置抽取模拟隧道环形空间的水；采用两个定焦工业相机采集图像。本发明专利技术可显著提高PIV计算精度，同时步进电机可精确控制模拟隧道体积损失率，偏心率可调的模拟隧道可反映不同深度隧道施工引起的真实地层损失情况。损失情况。损失情况。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟隧道施工引起地层沉降的高精度离心试验装置


[0001]本专利技术属于岩土工程超重力离心试验装置
，具体涉及一种模拟隧道施工引起地层沉降的高精度离心试验装置。

技术介绍

[0002]随着我国城市化进程的加快，公路、铁路和城市轨道交通基础设施的建设力度得到进一步的加强。城市地区软土隧道施工不可避免的引起地层移动与变形。而拥挤的城市地区地上与地下结构遍布，势必会受到隧道施工地层移动的影响。尤其是浅埋隧道的施工，会造成地表的显著沉降，对城市的安全与正常运行造成负面影响。因此，研究并预测隧道施工诱发的地层移动与变形是隧道工程研究领域的主要内容之一。
[0003]目前，软土地区隧道施工对临近结构物的影响得到了大量的研究。主要研究方法包括理论分析、数值模拟、模型试验(包括离心模型试验)和现场测试等。由于岩土工程材料具有高度的非线性特性，采用理论分析或数值模拟通常将实际工程情况进行了大量的简化，且需要与实验或现场数据进行对比，其结果的可信度偏低。现场测试可以考虑实际工程的全部细节，但是成本较高，难以做大量系统的研究。模型试验中，常规环境下的模型内部应力较小，而土的力学特性与应力历史和大小紧密相关，因此得到的结果也不完全准确。超重力离心模型试验采用真实的岩土材料，并可准确还原真实的地应力情况，因此可最大程度的模拟岩土工程问题，并得到准确可信的结果。
[0004]现有的离心试验装置在模拟隧道施工引起的地层沉降与结构变形时中仍存在诸多设计缺陷，具体如下：
①
现有装置普遍采用同心收缩的隧道模型，尽管可较好的模拟深部隧道开挖引起的地层损失情况，但无法模拟浅埋隧道施工引起的地层损失分布特征；
②
现有的柔性膜注水隧道体积收缩控制系统多采用伺服电机，收缩率控制不够精确；
③
试验中多采用白色的LED混合光源，透过较厚的有机玻璃时所拍摄对象存在严重的“彩虹效应”，影响PIV测量结果；
④
拍摄试验照片普遍采用彩色可变焦相机，然而在超重力环境下变焦相机的变焦能力大大减弱，且彩色照片也削弱了PIV的测量精度。

技术实现思路

[0005]针对上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种模拟隧道施工引起地层沉降的高精度离心试验装置，旨在精准研究与预测隧道施工诱发的地层移动及其对临近结构物的影响。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出的一种模拟隧道施工引起地层沉降的高精度离心试验装置，所述高精度离心试验装置整体放置于超重离心机内，包括模型箱、模拟隧道、隧道体积控制装置、图像采集系统和控制系统；所述模型箱为一个上端开口的长方体箱体，其中前侧面采用厚度为80
‑
100mm的透明有机玻璃板制作，在前侧面和后侧面开设有大小相同的圆形通孔，两个圆形通孔的中心在同一水平轴线上，在前侧面的上端和下端位置沿左右方向分别设置有一个单一波长光LED灯带；
[0007]所述模拟隧道包含一铝制偏心哑铃状支撑体，所述支撑体包括前端圆块和后端圆块以及连接前端圆块和后端圆块的圆杆，前端圆块和后端圆块的中心轴线共线，圆杆的中心轴线与前端圆块、后端圆块的中心轴线共线；所述支撑体外周固定有圆筒状橡胶膜，所述圆筒状橡胶膜的中心轴线与前端圆块、后端圆块的中心轴线共线，所述圆筒状橡胶膜的内径与前端圆块外径、后端圆块外径皆相同，所述圆筒状橡胶膜两端分别与前端圆块和后端圆块固定连接；在所述圆筒状橡胶膜与所述圆杆之间形成的环形空间充填有水；所述模拟隧道的两端分别安装在所述模型箱的前侧面和后侧面上的圆形通孔内；所述模型箱中剩余空间填充有土；所述隧道体积控制装置用于抽取模拟隧道环形空间的水；所述图像采集系统包括两个定焦工业相机，所述定焦工业相机安装在模型箱前侧；所述控制系统为计算机。
[0008]优选的，模型箱的后侧面、左侧面、右侧面以及底面采用铝板制作，前侧面的透明有机玻璃板使用螺栓与左侧面、右侧面和底面铝板连接。
[0009]优选的，在前端圆块和后端圆块外周设置圆槽，通过强力圆环将圆筒状橡胶膜两端分别固定在前端圆块和后端圆块上。
[0010]优选的，所述后侧面上的圆形通孔的孔深与放置在其内的后端圆块厚度相同，直径相匹配；所述前侧面上的圆形通孔的孔深与放置在其内的前端圆块厚度相同，直径相匹配；所述圆杆的长度与前侧面和后侧面之间的间距相同。
[0011]优选的，圆杆偏心的一侧位于下部，即从模拟隧道的垂直剖面看，圆筒状橡胶膜与圆杆之间形成的环形空间最大间距处在上，最小间距处在下。
[0012]优选的，所述后端圆块周侧上设置有一个贯通其厚度方向的过水孔，所述隧道体积控制装置包括金属板，所述金属板上设置有平行的滑轨，所述滑轨上滑动设置有铝块，贯穿所述铝块设置有带螺纹的螺杆，所述螺杆一端通过减速器与步进电机连接，在铝块背向减速器的一侧通过连接杆与抽水活塞的活塞杆外端连接，所述抽水活塞内腔的进水口通过水管与后端圆块周侧上设置的过水孔连接。
[0013]优选的，所述水管上设置有电磁阀，所述铝块上设置有位移传感器。
[0014]优选的，所述计算机与步进电机、减速器连接并对其进行控制，所述计算机还与电磁阀连接控制其启闭，所述计算机还与位移传感器、定焦工业相机连接采集位移数据和图像数据。
[0015]本专利技术具有以下创新点：
[0016]1.步进电机可精确控制模拟隧道的体积损失率。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，可精准控制旋转角度，带动活塞移动，进而可准确的控制抽出隧道内液体的体积，实现精准可控的隧道体积损失率。
[0017]2.模拟隧道圆杆的偏心率可反映不同埋深隧道施工引起的真实地层损失情况。软土隧道施工引起的周围土体变形特征与隧道深度紧密相关，浅隧道施工主要引起隧道上部土体移动，而深隧道施工会引起隧道四周土体均匀地向开挖空间移动。通过将模拟隧道内部的圆杆偏心放置，可控制抽水过程中水的空间流动路径(例如，向下偏心放置的圆杆会导致抽出的水主要来自隧道上部，因而可模拟浅埋隧道开挖引起的土体损失)，从而实现模拟不同深度隧道开挖引起的地层损失。
[0018]3.采用单一波长LED作为离心模型箱环境光源，同时关闭离心实验室外部光源，可显著提高相机拍摄照片的质量。由于在超重环境下需采用较厚的(通常80mm
‑
100mm)透明有
机玻璃板，常规采用的自然光或白色光源为多种光波的混合光源，不同光波具有不同的折射角，当透过较厚的玻璃板对模型拍照时，所拍摄的照片因“彩虹效应”而出现边界模糊、变色等信息丢失现象，显著影响PIV的计算精度。采用的单一波长LED光源可有效避免因折射率不同导致的“彩虹效应”，拍摄照片质量显著提高，从而提高PIV结果的精度。
[0019]4.定焦工业相机可更好的适应超重离心机环境并拍摄高质量的照片，提高PIV计算精度。在超重力环境下，相机元器件之间的摩擦力显著加大，常规的变焦相机的变焦能力和灵活性也受到较大影响，拍摄照片时可能会存在变焦灵活性差、变焦不到位等问题，影响本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟隧道施工引起地层沉降的高精度离心试验装置，其特征在于，所述高精度离心试验装置整体放置于超重离心机内，包括模型箱、模拟隧道、隧道体积控制装置、图像采集系统和控制系统；所述模型箱为一个上端开口的长方体箱体，其中前侧面采用厚度为80
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100mm的透明有机玻璃板制作，在前侧面和后侧面开设有大小相同的圆形通孔，两个圆形通孔的中心在同一水平轴线上，在前侧面的上端和下端位置沿左右方向分别设置有一个单一波长光LED灯带；所述模拟隧道包含一铝制偏心哑铃状支撑体，所述支撑体包括前端圆块和后端圆块以及连接前端圆块和后端圆块的圆杆，前端圆块和后端圆块的中心轴线共线，圆杆的中心轴线与前端圆块、后端圆块的中心轴线共线；所述支撑体外周固定有圆筒状橡胶膜，所述圆筒状橡胶膜的中心轴线与前端圆块、后端圆块的中心轴线共线，所述圆筒状橡胶膜的内径与前端圆块外径、后端圆块外径皆相同，所述圆筒状橡胶膜两端分别与前端圆块和后端圆块固定连接；在所述圆筒状橡胶膜与所述圆杆之间形成的环形空间充填有水；所述模拟隧道的两端分别安装在所述模型箱的前侧面和后侧面上的圆形通孔内；所述模型箱中剩余空间填充有土；所述隧道体积控制装置用于抽取模拟隧道环形空间的水；所述图像采集系统包括两个定焦工业相机，所述定焦工业相机安装在模型箱前侧；所述控制系统为计算机。2.根据权利要求1所述的高精度离心试验装置，其特征在于，模型箱的后侧面、左侧面、右侧面以及底面采用铝板制作，前侧面的透明有机玻璃板使用螺栓与左侧面、右侧面和底面...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敬民，隽平，章定文，徐成华，施烨辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：