[發(fā)明專利]地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)裝置及模型試驗(yàn)方法

無效

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• 申請日: 2010-04-27
• 公開（公告）號: CN101900642A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邵生俊;佘芳濤;熊田芳;王天明;高志宏
• 申請（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號: G01M19/00
• 分類號: G01M19/00;G01V1/00
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 羅笛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于隧道工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)裝置，本發(fā)明還涉及一種地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

隧道等洞室構(gòu)筑物的施工中，經(jīng)常遇到復(fù)雜的地質(zhì)條件，如地裂縫、采空區(qū)、溶洞以及陷穴等，尤其是以斷裂構(gòu)造發(fā)育為基礎(chǔ)，過量開采地下水為誘因而形成和發(fā)展的地裂縫，嚴(yán)重影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為地裂縫兩側(cè)上、下盤地層發(fā)生相互錯動后，地層中隧道襯砌結(jié)構(gòu)與地裂縫兩側(cè)土體的下沉位移不同，可能導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖脫空；同時(shí)，在地裂縫活動下隧道襯砌結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生附加應(yīng)力和附加變形，過大的附加變形可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂或屈服破壞；另外，地裂縫變形帶的土體裂隙較多、工程性質(zhì)較差，施工和運(yùn)行期間可能會造成基坑坑壁或隧道局部坍塌，也可能出現(xiàn)沿裂縫帶的集中滲水現(xiàn)象，將引起黃土濕陷變形和不均勻沉降，進(jìn)一步加劇隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，且地下水沿裂縫滲入隧道內(nèi)，影響隧道正常運(yùn)營。

地裂縫的發(fā)育發(fā)展使得地鐵隧道建設(shè)面臨著前所未有的難題，由于地裂縫的存在和發(fā)展改變了其邊界條件（包括應(yīng)力邊界條件、位移邊界條件和滲流邊界條件），地裂縫的活動對地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)及其圍巖性狀產(chǎn)生怎樣的影響等問題需要開展深入研究，而物理模型試驗(yàn)正是復(fù)雜巖土工程問題研究常用的一種重要手段。目前，物理相似模擬試驗(yàn)裝置包括兩類，一是重力加速度條件下的物理模型試驗(yàn)，另一類是能夠模擬真實(shí)自重應(yīng)力場的離心物理模型試驗(yàn)。前者可以模擬較大幾何比尺的原型，有利于模擬構(gòu)筑物或地下結(jié)構(gòu)，但難以實(shí)現(xiàn)原型自重應(yīng)力場的模擬；后者可以實(shí)現(xiàn)原型自重應(yīng)力場模擬，但模型的幾何比尺小，往往難于模擬構(gòu)筑物或地下結(jié)構(gòu)。由于重力加速度條件下的物理模型試驗(yàn)仍然是一種重要的研究途徑，該類模型試驗(yàn)裝置主要有平面模型架、轉(zhuǎn)體模型架和立體模型架等。平面模型無橫向尺寸，一些與橫向尺寸有關(guān)的試驗(yàn)無法進(jìn)行模擬研究，且由于平面模型的邊界條件作了很大的簡化，模擬結(jié)果往往也與實(shí)際情況存在著較大差異，不適合應(yīng)用于存在地裂縫地層這種復(fù)雜地質(zhì)條件下的地下工程問題研究。一般說來，立體模型架易于滿足邊界條件，但難于在模型中進(jìn)行采掘工作和對模型深部移動，且在橫向和頂部加載、模型內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和位移測量等方面都存在著許多困難。此外，裝土樣的試驗(yàn)容器一般為敞開式或簡易封閉式，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，也不能對其內(nèi)部的模型土體施加壓力。

綜上所述，地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)研究在國內(nèi)外尚屬空白，現(xiàn)有的立體模型架并沒有針對地裂縫地層活動的特殊地質(zhì)條件，進(jìn)行特殊用途的模型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)。同時(shí)，鑒于物理模型試驗(yàn)具有直觀、便于量測分析，可以直接觀察研究對象力學(xué)性狀的變化，以及得到定量的數(shù)據(jù)，因此，針對地裂縫活動這種復(fù)雜地質(zhì)條件下的地下工程問題，研制一種地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)裝置，具有理論與現(xiàn)實(shí)的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是，提供一種地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)裝置，解決了現(xiàn)有立體模型試驗(yàn)裝置模擬工況單一、隧道圍巖應(yīng)力場模擬不合理、內(nèi)部測量誤差較大的問題。

本發(fā)明的另一目的是，提供一種地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)方法，利用上述裝置，模擬得到需要檢測的地裂縫地層活動的相關(guān)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)裝置，

包括模型裝置、沉降裝置和控制裝置三部分，模型裝置通過支架支撐，模型裝置的下方設(shè)置有沉降裝置，模型裝置和沉降裝置均與控制裝置連接，

所述模型裝置，包括模型箱，模型箱根據(jù)實(shí)際工程按照設(shè)定的比例縮小制成，模型箱為一個內(nèi)空的、豎立的、圓柱形的容器，包括上蓋、圓柱側(cè)壁和底板部分，底板部分沿直徑分為固定底板和活動開口，模型箱內(nèi)以立軸對稱設(shè)置有下盤土體和上盤土體，上盤土體和下盤土體之間設(shè)置有模擬地裂縫，模擬地裂縫的下沿即為模型箱固定底板和活動開口的交界處，下盤土體的下方對應(yīng)安裝有固定底板，上盤土體的下方活動開口對應(yīng)安裝有沉降裝置中的上盤土體托板；在上蓋與上盤土體和下盤土體之間設(shè)置有氣壓囊。

本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種地裂縫土質(zhì)隧道物理模型試驗(yàn)方法，包括一種隧道物理模型試驗(yàn)裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)是，

包括模型裝置、沉降裝置和控制裝置三部分，模型裝置通過支架支撐，模型裝置的下方設(shè)置有沉降裝置，模型裝置和沉降裝置均與控制裝置連接，