專利名稱：一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地裂縫是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，在全世界許多國家都有發(fā)現(xiàn)，如中國、美國、土耳其、泰國、利比亞等均發(fā)現(xiàn)有地裂縫的存在。我國的地裂縫分布十分廣泛，近年來具有范圍不斷擴(kuò)大，危害不斷加重的趨勢(shì)。地裂縫造成的損失是多種多樣的，直接損失主要有地表工業(yè)和民用建筑損失、地下供水、供氣管道設(shè)施破壞損失等；間接損失則更為嚴(yán)重，常造成生產(chǎn)廠房、車間的破壞造成停產(chǎn)，管道的破壞造成停水、停電、停氣、漏水、漏氣、引起環(huán)境惡化等。在我國迄今為止已造成數(shù)十億元的直接經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)城市建設(shè)用地的有效利用和城市發(fā)展留下了重大的安全隱患。 而在地裂縫分布區(qū)域內(nèi)進(jìn)行地鐵建設(shè)，更成為一種難題。通常的研究手段包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)。然而，在實(shí)際工程中很難進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)；數(shù)值模擬的方法可以模擬多種工況，但目前仍然沒有一種準(zhǔn)確描述隧道底部脫空問題的有限元模型；通過開展模型試驗(yàn)對(duì)不同地質(zhì)條件和工程條件的進(jìn)行模擬，能夠直觀、全面地反映建筑結(jié)構(gòu)與巖土體之間的相互作用關(guān)系，而且還可以觀察到建筑結(jié)構(gòu)和巖土體的微小變形趨勢(shì)，得到接近實(shí)際工程的應(yīng)力和變形機(jī)制，進(jìn)而為力學(xué)計(jì)算模型的建立提供有力的理論支持。模型試驗(yàn)已經(jīng)成為一種用于研究地下結(jié)構(gòu)的非常行之有效的分析手段。目前已有的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，多為混凝土大型模型試驗(yàn)，成本高；一次試驗(yàn)后，材料無法再次利用，周期長；試驗(yàn)只能通過傳感器采集，無法觀察到隧道與土體之間的實(shí)際變形情況；測(cè)試元件多，在鋪設(shè)過程中易產(chǎn)生難以發(fā)覺的人為誤差，在數(shù)據(jù)處理后期很難發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)問題，因?yàn)槌杀据^大，也很難再次進(jìn)行試驗(yàn)修正。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)。一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模型測(cè)試系統(tǒng)、模型監(jiān)控系統(tǒng)、模型箱地板控制系統(tǒng)和模型箱；所述模型箱包括上盤土體層、下盤土體層，上盤土體層、下盤土體層之間為預(yù)設(shè)地裂縫，隧道模型穿越上盤土體層、下盤土體層，隧道模型可以與地裂縫正交也可以與地裂縫斜交；模型箱底板采用板塊(A)、板塊(B)、板塊(C)及板塊(D)四塊拼接而成；模型箱底部采用千斤頂和位移計(jì)組成模型箱底板支撐及控制系統(tǒng)，控制模型箱底板四個(gè)板塊的垂直位移，模擬地裂縫的上盤土體層、下盤土體層的運(yùn)動(dòng)。所述的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，所述模型測(cè)試系統(tǒng)包括埋設(shè)于隧道底部的微型位移計(jì)，用于測(cè)試隧道底部與土體相對(duì)脫空量；埋設(shè)于上盤土體層、下盤土體層中的微型壓力盒，用于測(cè)試土體中土壓力的分布規(guī)律；粘貼于隧道表面的應(yīng)變花和壓力盒監(jiān)測(cè)隧道模型各部位的應(yīng)變情況和與上盤土體層、下盤土體層的接觸壓力；設(shè)置在模型箱外側(cè)的水平儀，用于監(jiān)測(cè)模型箱上盤土體層、下盤土體層表面的位移情況。所述的的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，所述模型監(jiān)控系統(tǒng)，包括接觸壓力監(jiān)測(cè)單元、隧道應(yīng)變監(jiān)測(cè)單元、隧道底部脫空監(jiān)測(cè)單元，接觸壓力監(jiān)測(cè)單元用于采集微型壓力盒的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隧道應(yīng)變監(jiān)測(cè)單元用于采集應(yīng)變花的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隧道底部脫空監(jiān)測(cè)單元用于采集微型位移 計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本實(shí)用新型的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，成本低，可重復(fù)使用的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，用以獲取地裂縫與隧道在多種交角的情況下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及隧道底部相對(duì)脫空范圍。

圖I為隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖；圖2為模型箱示意圖，a模型箱與地裂縫正交，b模型箱與地裂縫斜交；圖3為I旲型箱底板拼接圖；圖4為隧道底部縱向測(cè)試元件相對(duì)位置圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。參考圖1，為本實(shí)用新型隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖，包括模型測(cè)試系統(tǒng)、模型監(jiān)控系統(tǒng)、模型箱地板控制系統(tǒng)和模型箱；所述模型箱包括上盤土體層、下盤土體層，上盤土體層、下盤土體層之間為預(yù)設(shè)地裂縫，隧道模型穿越上盤土體層、下盤土體層，隧道模型采用有機(jī)玻璃材料制作，隧道模型可以與地裂縫正交(圖2中a圖所示)也可以與地裂縫斜交(圖2中b圖所示)；模型箱底板采用如圖3所示的板塊A、板塊B、板塊C及板塊D四塊拼接而成，可通過螺栓將各板塊分別相連當(dāng)上盤底板由板塊A與板塊D組合、下盤底板由板塊B與板塊C組合時(shí)，可模擬隧道模型與地裂縫的正交情況；當(dāng)上盤底板由板塊A與板塊C組成、下盤底板由板塊B與板塊D組合時(shí)，可模擬隧道模型與地裂縫的斜交的情況。模型箱底部采用千斤頂和位移計(jì)組成模型箱底板支撐及控制系統(tǒng)，控制模型箱底板四個(gè)板塊的垂直位移，模擬地裂縫的上盤土體層、下盤土體層的運(yùn)動(dòng)。參考圖4，模型測(cè)試系統(tǒng)包括，埋設(shè)于隧道底部的微型位移計(jì)，用于測(cè)試隧道底部與土體相對(duì)脫空量；埋設(shè)于上盤土體層、下盤土體層中的微型壓力盒測(cè)試土體中土壓力的分布規(guī)律；粘貼于隧道表面的應(yīng)變花和壓力盒監(jiān)測(cè)隧道模型各部位的應(yīng)變情況和與上盤土體層、下盤土體層的接觸壓力；在模型箱外側(cè)設(shè)置水平儀，用于監(jiān)測(cè)模型箱上盤土體層、下盤土體層表面的位移情況；試驗(yàn)完成后對(duì)剖面進(jìn)行開挖，了解隧道模型與地裂縫的相互作用情況。模型監(jiān)控系統(tǒng)，包括接觸壓力監(jiān)測(cè)單元、隧道應(yīng)變監(jiān)測(cè)單元、隧道底部脫空監(jiān)測(cè)單元，接觸壓力監(jiān)測(cè)單元用于采集微型壓力盒的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隧道應(yīng)變監(jiān)測(cè)單元用于采集應(yīng)變花的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隧道底部脫空監(jiān)測(cè)單元用于采集微型位移計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)的時(shí)候，具體步驟如下(I)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地條件和相似理論，設(shè)計(jì)試驗(yàn)中的地裂縫模型和隧道模型尺寸。(2)制作隧道模型。根據(jù)試驗(yàn)要求選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)材料。為便于觀察隧道底部與土體的脫空現(xiàn)象，試驗(yàn)中可采用透光率達(dá)到99%的有機(jī)玻璃。在室溫20°C的條件下，其壓縮模量為2. 47X 103MPa，約為襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50的1/15。抗拉伸強(qiáng)度為86. 56MPa，伸縮率為4%，比例極限72. 4MPa。在上覆土荷載作用下，在整個(gè)試驗(yàn)過程中試件均處于完全彈性范圍之內(nèi)。這種隧道結(jié)構(gòu)可重復(fù)使用，利用率高，成本較低。模型隧道制作完成后，在隧道縱向及環(huán)向表面粘貼應(yīng)變片和微型壓力盒。(3)制作模型箱。用角鋼制作模型箱框架，前后箱壁材料選用鋼化玻璃，用以觀察土體沉降；左右兩側(cè)采用木工板。模型箱側(cè)面箱體分成上下兩個(gè)部分上部木板可拆卸，方便土體裝卸；下部木板固定，在下部木板上開有直徑300mm的圓孔,可伸入攝像頭對(duì)放置在此位置的隧道模型內(nèi)部情況進(jìn)行觀察。模型箱底板制作成A、B、C及D四塊，使用時(shí)通過采用不同的拼接方式連接或?qū)⑺淼腊凑找欢ㄞD(zhuǎn)角擺放，實(shí)現(xiàn)地裂縫與隧道的不同交角。(4)減少邊界條件對(duì)試驗(yàn)的影響。為減少上盤土體沿傾角下沉?xí)r土體與兩側(cè)箱壁 之間產(chǎn)生摩擦，土體和箱體之間鋪設(shè)雙層聚乙烯薄膜，中間鋪撒滑石粉。(5)填夯地裂縫上、下盤土體。抬升上盤底板，分層填筑土體，單層的厚度為10cm，整平后夯實(shí)(夯擊次數(shù)應(yīng)提前做夯實(shí)試驗(yàn)確定)。在設(shè)計(jì)埋設(shè)壓力盒的位置埋置壓力盒。注意保證壓力盒埋線不受到上盤沉降的影響。(6)制作地裂縫。在上下盤底板設(shè)縫處按照實(shí)際地裂縫角度設(shè)置隔板，當(dāng)兩側(cè)土體夯實(shí)后抽走隔板，并將粉細(xì)砂填充在預(yù)設(shè)地裂縫中。(7)安置隧道。在預(yù)埋隧道處，挖半圓槽，布置位移計(jì)，保證其垂直；在半圓槽上放置隧道。將隧道底部整平、充實(shí)，使隧道底部與周圍土體充分接觸。在放置隧道時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)水平。(8)分層填筑地層。方法與步驟(5)相同。在設(shè)計(jì)埋設(shè)壓力盒的位置埋置壓力盒。(9)模型填筑完后，在表面布置水平觀測(cè)點(diǎn)。(10)靜置12小時(shí)，連接測(cè)試設(shè)備，測(cè)試初始數(shù)據(jù)。(11)啟動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的沉降系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案分次沉降。每次沉降后靜置11小記錄位移計(jì)、應(yīng)變片和土壓力盒測(cè)試數(shù)據(jù)，直至完成沉降；(12)停止試驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)，沿縱面進(jìn)行剖面開挖，觀察和量測(cè)地裂縫兩側(cè)土層的沉降及剖面開裂情況。根據(jù)試驗(yàn)具體進(jìn)展情況，對(duì)試驗(yàn)過程尤其是鋼化玻璃觀察處以及有機(jī)玻璃隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)錄像。(13)卸土，重復(fù)步驟4-12，按照試驗(yàn)要求開展下一次試驗(yàn)操作。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括模型測(cè)試系統(tǒng)、模型監(jiān)控系統(tǒng)、模型箱地板控制系統(tǒng)和模型箱；所述模型箱包括上盤土體層、下盤土體層，上盤土體層、下盤土體層之間為預(yù)設(shè)地裂縫，隧道模型穿越上盤土體層、下盤土體層，隧道模型可以與地裂縫正交也可以與地裂縫斜交；模型箱底板采用第一板塊(A)、第二板塊(B)、第三板塊(C)及第四板塊(D)四塊拼接而成；模型箱底部采用千斤頂和位移計(jì)組成模型箱底板支撐及控制系統(tǒng)，控制模型箱底板四個(gè)板塊的垂直位移，模擬地裂縫的上盤土體層、下盤土體層的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述模型測(cè)試系統(tǒng)包括埋設(shè)于隧道底部的微型位移計(jì)，用于測(cè)試隧道底部與土體相對(duì)脫空量；埋設(shè)于上盤土體層、下盤土體層中的微型壓力盒，用于測(cè)試土體中土壓力的分布規(guī)律；粘貼于隧道表面的應(yīng)變花和壓力盒監(jiān)測(cè)隧道模型各部位的應(yīng)變情況和與上盤土體層、下盤土體層的接觸壓力；設(shè)置在模型箱外側(cè)的水平儀，用于監(jiān)測(cè)模型箱上盤土體層、下盤土體層表面的位移情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述模型監(jiān)控系統(tǒng)，包括接觸壓力監(jiān)測(cè)單元、隧道應(yīng)變監(jiān)測(cè)單元、隧道底部脫空監(jiān)測(cè)單元，接觸壓力監(jiān)測(cè)單元用于采集微型壓力盒的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隧道應(yīng)變監(jiān)測(cè)單元用于采集應(yīng)變花的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隧道底部脫空監(jiān)測(cè)單元用于采集微型位移計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模型測(cè)試系統(tǒng)、模型監(jiān)控系統(tǒng)、模型箱地板控制系統(tǒng)和模型箱；所述模型箱包括上盤土體層、下盤土體層，上盤土體層、下盤土體層之間為預(yù)設(shè)地裂縫，隧道模型穿越上盤土體層、下盤土體層，隧道模型可以與地裂縫正交也可以與地裂縫斜交；模型箱底板采用板塊(A)、板塊(B)、板塊(C)及板塊(D)四塊拼接而成；本實(shí)用新型的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，成本低，可重復(fù)使用的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，用以獲取地裂縫與隧道在多種交角的情況下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及隧道底部相對(duì)脫空范圍。
文檔編號(hào)G01V9/00GK202433536SQ20122002444
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者嚴(yán)靜平, 劉洪佳, 李凱玲, 李尋昌, 翟越, 蔣臻蔚, 門玉明 申請(qǐng)人:長安大學(xué)