本发明专利技术公开了一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，包括模型装置中的模型箱，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为模拟地裂缝，下盘土体的下方安装有固定底板，上盘土体的下方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；在模型箱圆柱侧壁水平开有隧道洞口，该隧道洞口的洞轴线与模型箱的立轴垂直，该隧道洞口内有一模型隧道衬砌结构，设置有各种传感器。本发明专利技术还公开了一种地裂缝土质隧道物理模型试验方法，利用上述装置实现地裂缝走向变化，围岩土体地层结构及力学性质变化，衬砌结构形式、断面和刚度变化等各种方案的试验。本发明专利技术的装置及方法简单、准确性好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道工程
，涉及一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，本 专利技术还涉及一种地裂缝土质隧道物理模型试验方法。
技术介绍
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勻沉降，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。
技术实现思路
本专利技术的目的是，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。本专利技术的另一目的是，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。本专利技术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。本专利技术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，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；在模型箱的圆柱侧壁水平开有四道隧道洞口，即a-a洞轴、b-b洞轴、c-c洞轴和d-d洞 轴，各个隧道洞口的洞轴线与模型箱的立轴垂直，且四道隧道洞口的洞轴线与模拟地裂缝 立面的夹角分别为90°、60°、30°和45°，四道隧道洞口的直径与模型隧道衬砌结构直 径一致，用于预埋模型隧道衬砌结构，在所用洞口两端的圆柱侧壁之间固定一个水平基准 梁，在水平基准梁上安装有位移计；所述气压囊与气压管路连接，气压管路包括通气管、调压阀、压力表、安全阀和气压源 构成，调压阀与控制装置连接；所述沉降装置的结构是，包括液压缸，液压缸的活塞杆外端与上盘土体托板连接，上盘 土体托板安装有位移传感器，液压缸通过伺服阀与进油管、出油管联通，伺服阀与控制装置 连接；该方法按照以下步骤具体实施步骤1、针对需要地裂缝与模型隧道衬砌结构成90°、60°、30°或45°角度相交的要 求，在其对应的隧道洞口，即a-a洞轴、b-b洞轴、c-c洞轴或d-d洞轴处装入一个模型隧道 衬砌结构，安装水平基准梁及位移计，封堵其余洞口，位移计的下端与模型隧道衬砌结构的 下端连接，该位移计可在水平基准梁上自由滑动，以测量不同位置处的模型隧道衬砌结构相对于水平基准梁的沉降变化；在该模型隧道衬砌结构顶部、底部和侧壁外侧还安装有多 个压力计，以测量模拟地裂缝活动下模型隧道衬砌结构的围岩土压力的变化；步骤2、按照设置的模拟地裂缝的地质状况，根据需要模拟埋深条件下的围岩应力场， 由控制装置通过气压管路给气压囊充入气压；步骤3、按照设置的模拟地裂缝的错位量，由控制装置控制沉降装置工作，传动活塞杆 向下移动，上盘土体在自重及气压囊的作用下向下沉降，上盘土体与地裂缝之间产生向下 错位移动；步骤4、控制装置通过位移计得到不同位置处的模型隧道衬砌结构相对于水平基准梁 的沉降变化值；通过多个压力计得到模拟地裂缝活动下模型隧道衬砌结构的围岩土压力的 变化值；通过位移传感器采集得到上盘土体向下错位的数值。本专利技术的地裂缝土质隧道物理模型试验装置，适用于地裂缝地层隧道模型试验研 究，能进行多种工况的试验研究，结构简单，操作方便，压力稳定，数据可靠，安全经济。附图说明图1是本专利技术的地裂缝土质隧道物理模型试验装置的立面结构示意图； 图2是本专利技术装置模型箱中设置的四个洞轴的俯视结构示意图3是本专利技术装置中的沉降装置结构示意图。图中，1.进油管；2.出油管；3.位移传感器；4本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，其特征在于，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（２８）支撑，模型装置的下方设置有沉降装置（２３），模型装置和沉降装置（２３）均与控制装置（２６）连接，所述模型装置，包括模型箱（４），模型箱（４）根据实际工程按照设定的比例缩小制成，模型箱（４）为一个内空的、竖立的、圆柱形的容器，包括上盖（１４）、圆柱侧壁（１７）和底板部分，底板部分沿直径分为固定底板（２７）和活动开口，模型箱（４）内以立轴对称设置有下盘土体（１９）和上盘土体（５），上盘土体（５）和下盘土体（１９）之间设置有模拟地裂缝（１８），模拟地裂缝（１８）的下沿即为模型箱（４）固定底板（２７）和活动开口的交界处，下盘土体（１９）的下方对应安装有固定底板（２７），上盘土体（５）的下方活动开口对应安装有沉降装置（２３）中的上盘土体托板（２１）；在上盖（１４）与上盘土体（５）和下盘土体（１９）之间设置有气压囊（１５）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邵生俊，佘芳涛，熊田芳，王天明，高志宏，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：87
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。