[發明專利]一種模擬隧道開挖變形的透明土模型試驗裝置和試驗方法

有效

• 申請號: 201710929516.8
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN107621524B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發明（設計）人: 仉文崗;周東;向鈺周
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00
• 代理公司: 重慶大學專利中心 50201
• 代理人: 王翔

發明提供一種模擬隧道開挖變形的透明土模型試驗裝置和試驗方法。該裝置包括可固定在光學平臺上的透明模型箱，以及薄壁橡膠圓筒和排水管。所述透明模型箱由板拼接為一個箱體。這個箱體的兩側壁上具有圓形開孔。所述薄壁橡膠圓筒一側底面邊緣處有開孔。所述薄壁橡膠圓筒穿過透明模型箱上的開孔。所述排水管上有閥門。所述排水管連接于薄壁橡膠圓筒上的開孔。所述透明模型箱外設置有兩臺工業相機和兩臺激光發射器。試驗時，所述排水管上的閥門打開，分次將薄壁橡膠圓筒中水排入有刻度的燒杯中。所述兩臺激光發射器發射激光，在透明土內形成兩個透明土散斑場。所述工業相機記錄透明土散斑場的變化。

技術領域

本發明涉及隧道及地下工程可視化試驗技術領域，特別涉及一種模擬隧道開挖變形的透明土模型試驗裝置和試驗方法。

背景技術

隨著經濟的快速發展，我國隧道工程得到了前所未有的發展機遇，包括公路隧道、鐵路隧道、水工隧洞、城市地鐵等各種隧道工程。然而在隧道工程快速發展的同時，諸多挑戰也會隨之出現；其中隧道工程在施工過程中的變形破壞問題就是工程師們非常關心的問題之一。

隧道的變形破壞問題是圍巖性質、外部荷載和邊界條件都十分復雜的三維問題，目前數學力學方法只能為一些形狀簡單和邊界條件簡化的隧道工程提供解析解，而且所得出的解析解仍離不開現場實測數據和模型試驗的驗證。許多分析性結論來自現場實測、數值分析和模型試驗。其中模型試驗由于是物理模型實體，在滿足相似原理的前提下不僅能較真實直觀的反應實際工況中的應力場和位移場的變化情況，還可以避開復雜的數學力學推導。工程師們更容易全面把握巖土體工程的整體變形及穩定性特點。

傳統的室內模型試驗只能觀測模型的宏觀變形和邊界區域的變化規律，而模型內部的變形特征無法直接觀測。透明土試驗技術可以實現模型的三維變形和強度等問題的可視化研究，這為研究隧道開挖引起圍巖的變形規律和破壞機理提供了有效的技術支撐。

人工合成的透明土材料具有與真實土體相似的物理力學性質，且具備良好的透明度。PIV技術可以精確的測量土體的位移場。基于透明土實驗材料的隧道模型試驗有助于我們全面了解隧道開挖變形發展規律，為優化隧道設計和施工方案提供可靠的科學依據。

發明內容

本發明的目的是提供一種模擬隧道開挖變形的透明土模型試驗裝置，其特征在于:

主要包括透明模型箱、橡膠薄壁圓管、排水管、工業相機I、工業相機II、激光發射器I、激光發射器II和光學平臺。

所述透明模型箱為透明材料制成的中空長方體，其上端敞口，其四個側面分別被定義為前、后、左、右側面。所述透明模型箱下端擱置在光學平臺上。所述透明模型箱的前、后側面上分別具有圓形開孔I和圓形開孔II。

所述橡膠薄壁圓管為充水的橡膠管。所述橡膠薄壁圓管的兩端分別嵌入圓形開孔I和圓形開孔II。

所述橡膠薄壁圓管嵌入透明模型箱前側面的端面具有用于連接排水管的圓形開孔。所述排水管帶有閥門。

所述透明模型箱內部的空間可用于填充透明土。

所述激光發射器I和激光發射器II的支撐架安裝在光學平臺上，其高度和水平位置可調。所述激光發射器I和激光發射器II向透明模型箱的后側面和右側面發射激光。

所述工業相機I和工業相機II的支撐架安裝在光學平臺上，其高度和水平位置可調。所述工業相機I和工業相機II分別拍攝透明模型箱的頂面和左側面。

進一步，所述透明模型箱采用有機玻璃制成。左、右兩側面板和底面板粘接在一起。圓形開孔I和圓形開孔II所在的前、后兩側面板采用螺栓連接在左、右兩側面板和底板上。這兩側面板可以拆卸。

進一步，圓形開孔I、圓形開孔II模擬隧道孔。橡膠薄壁圓管模擬的隧道孔的位置，圓形開孔I和圓形開孔II的位置可以按照不同工況進行設計，以便滿足試驗要求。