[發明專利]一種模擬隧道開挖的透明土模型試驗裝置和試驗方法

在審

• 申請號: 201811513443.5
• 申請日: 2018-12-11
• 公開（公告）號: CN109490081A
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 雷華陽;劉敏;翟塞北;劉英男;屠慈科
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10;G01N3/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種模擬隧道開挖的透明土模型試驗裝置及試驗方法，裝置包括用以容納透明土的透明模型箱、一端穿入透明模型箱的硬質管道、橡膠膜、激光發射器、相機、光學平臺、直線導軌、壓力控制器和計算機，試驗方法包括：打開閥門向硬質管道內注水，調節壓力控制器到設計壓力后，控制壓力保持不變；逐級減壓，模擬隧道開挖過程，待減壓穩定后，激光發射器照射透明土，形成穩定斑圖后，通過相機拍攝連續斑圖；控制模型箱在直線導軌上移動一定距離，繼續拍攝，如此形成平行于該激光照射平面的空間變形斑圖；處理相互平行的斑圖，得到激光斑圖的空間位移矢量圖，通過計算，得到空間應變圖。本發明可以非接觸、連續、高效地測量隧道任意截面的變形場。

技術領域

本發明涉及一種模擬隧道開挖的透明土模型試驗裝置和試驗方法，主要適用于黏土、砂土地層隧道開挖試驗模擬，屬于巖土工程室內隧道開挖模型試驗技術。

背景技術

隧道施工會引起周圍土體變形、地面沉降或隆起，以及開挖面失穩等工程問題。模型試驗采用物理模型實體，在實驗室條件下按照相似原理、邊界條件和初始條件進行等效，在模型槽或者模型箱中模擬隧道掘進過程，通過埋置的壓力傳感器和位移計等量測隧道開挖影響范圍內土體的變形和壓力變化，分析土體變形、強度和穩定特性。和理論分析、數值模擬研究方法相比，模型試驗可以更真實地反映隧道開挖實際工況，直觀全面地了解開挖工程的整體情況。

傳統的模型試驗多采用大型的模型槽，隧道周圍土體內部通常采用埋置的壓力盒和插入式探頭來測量壓力和變形，可以得到隧道模型周圍特定位置土體的宏觀變形、應力變化和地表沉降，由于傳感器自身與土體性質的差異，以及測量過程中對土體會產生擾動，導致測得的參數不準確，并且每次試驗花費巨大。

針對上述模型試驗的缺點，提出了透明土模型試驗技術。在滿足透明土顆粒材料和孔隙流體折射率相等這一物理條件下，二者混合配制后可得到透明土，在透明土中事先放置密封隧道模型，試驗過程中逐級卸壓模擬隧道開挖過程，通過激光束垂直照射，透明土中顆粒和激光共同作用下會產生垂直或者平行于隧道軸線的斑圖平面，經與激光束垂直設置的工業相機拍攝可得到連續的截面圖像，運用數字圖像相關算法(DIC)計算得到二維截面的位移矢量圖。通過移動激光器，可以得到不同截面的位移矢量圖，獲得土體三維空間位移場和應變場。但是，在移動激光器的時候，由于不能精確的控制移動距離，以及移動激光器過程中激光束可能對試驗人員安全造成威脅，調整后又需要對激光器的位置相應調整，以確保激光器和相機的軸線相互垂直。所以，在實際操作中存在諸多困難和不便，不具備可行性。

發明內容

本發明提出一種新的模擬隧道開挖的透明土模型試驗裝置及方法，可以非接觸、連續、高效地測量隧道任意截面的變形場，同時獲得開挖面失穩過程的變化情況。本發明不僅具有可實施性、操作簡單的優點，而且可以節約試驗時間，測得的結果更可靠。技術方案如下：

一種模擬隧道開挖的透明土模型試驗裝置和試驗方法，所采用的裝置包括用以容納透明土的透明模型箱、一端穿入透明模型箱的硬質管道、橡膠膜、激光發射器、相機、光學平臺、直線導軌、壓力控制器和計算機，其中，

所述的硬質管道伸入透明模型箱的一端的端部覆蓋有橡膠膜，另一端和壓力控制器連接；

所述的光學平臺水平放置，在其上固定有兩組相互垂直的直線導軌，透明模型箱放置于直線導軌上，兩組導軌包括上部導軌和下部導軌，下部導軌較長，固定在平臺上，其側面標有刻度，上部導軌垂直于下部導軌并能夠沿下部導軌移動；

所述的激光發射器固定于透明模型箱的上方，激光發射器前端固定有十字線發生器，用以產生相互垂直的激光束，照射到透明土中形成激光斑圖；

所述的相機至少有兩臺，分別固定于透明模型箱相鄰兩側，軸線分別垂直于模型箱側面，其采集的圖像被送入計算機；

所述的壓力控制器，用于施加和控制硬質管道內側水壓；

所述的計算機，用以控制相機采集圖像，并進行圖像處理。