降雨条件下隧道穿越滑坡体影响的模型试验装置

摘要

本发明涉及一种降雨条件下隧道穿越滑坡体影响的模型试验装置，模型箱内填入黏土形成从左侧至右侧向下的滑床，滑床内设有滑体，模拟箱中土体内部水平放置隧道衬砌模型，隧道衬砌模型内设有隧道开挖施工模拟装置，隧道衬砌模型分隔成若干段隧道，每段隧道内横向粘贴两个电阻应变片，每段隧道内绕有相等长度的电阻丝，电阻丝通过导线连接控制器，每段隧道内充有石蜡，位于隧道衬砌模型上、下土体中和滑体表面分别固定有百分表探头，百分表探头通过预埋铝合金细管及其内部的柔性钢丝细线连接百分表，模拟箱上端装有降雨模拟装置，降雨模拟装置包括若干个位移计、进水阀门和出水阀门，每个位移计通过位移计支架固定在土体表面、土体内部以及隧道顶部。

说明书

技术领域

本发明涉及一种公路隧道工程以及建筑工程中的滑坡灾害模型试验装置，具体涉及一种降雨条件下隧道穿越滑坡体影响的模型试验装置。

背景技术

随着地下隧道工程施工的广泛发展，越来越多的复杂工况及施工难题相继出现，随之而来的地质灾害问题也愈渐显著。尤其在我国中西部山区等地层破碎、地质条件复杂而且气候多变的地域，矿山、水利工程、交通线路等涉及隧道的开发项目不可避免地会引发滑坡灾害，另外多降雨气候条件更会加剧滑坡的形成，给工程的施工以及使用带来极大的威胁。因此有必要针对降雨条件下隧道穿越滑坡体的影响效应做更加深入的研究。

国内外相关学者针对降雨条件下隧道穿越滑坡体影响效应的研究方法主要是理论分析法、数值模拟法以及现场监测法。理论分析法是利用弹性理论，通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上不能准确考虑隧道与滑坡体之间的复杂关系，并且计算量大；数值模拟方法一般需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。此外，由于土工测试仪器设备的限制很难获得精确的土体物理力学参数，而土体参数的变化对数值模拟结果影响很大，因此容易造成计算结果的偏差。现场监测方法是获取隧道穿越滑坡体时周围土体变形的手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差，同时现场监测需要投入一定量的人力物力，现场预埋测试元件非常容易在施工中受到破坏，从而延误监测乃至得到错误监测信息。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种降雨条件下隧道穿越滑坡体影响的模型试验装置，实现对隧道穿越滑坡体的不同开挖方向以及不同开挖速度的施工行为的模拟，准确测量隧道周围地层土体变形并进行分析。

本发明为解决其技术问题而采用技术方案是：一种降雨条件下隧道穿越滑坡体影响的模型试验装置，包括模型箱、隧道衬砌模型、隧道开挖施工模拟装置、一个降雨模拟装置，特征在于：所述模型箱内填入黏土形成从左侧至右侧向下的滑床，所述滑床内设有滑体，所述模拟箱中土体内部水平放置隧道衬砌模型，所述隧道衬砌模型内设有隧道开挖施工模拟装置，隧道衬砌模型由圆形橡胶绝热板分隔成若干段隧道，每段隧道内横向粘贴两个电阻应变片，用于衬砌的应变测量，每段隧道内绕有相等长度的电阻丝，电阻丝通过导线连接控制器，每段隧道内充有石蜡，使其对衬砌的压力与计算得到的填土完成后衬砌外表面的土压力相等，并且通过石蜡的分段融化来模拟隧道分段开挖以及通过对石蜡内所通电阻的控制来模拟隧道不同开挖速度；位于隧道衬砌模型上、下土体中和滑体表面分别固定有百分表探头，百分表探头通过预埋铝合金细管及其内部的柔性钢丝细线连接百分表，用于测量土体内部的单向位移；所述模拟箱上端装有降雨模拟装置，降雨模拟装置包括若干个位移计、进水阀门7和出水阀门，每个位移计通过位移计支架固定在土体表面、土体内部以及隧道顶部，用于土体表面以及深层土体的纵向变形测量，通过进水阀门和出水阀门控制和调节降雨强度，从而模拟不同降雨强度下隧道穿越滑坡体开挖对周围土体的影响。

所述柔性钢丝细线一端连接埋在测点位置的探头，一端连接百分表，所述铝合金细管约束柔性钢丝只在一个方向运动，从而消除干扰，精确测量测点处土体的单向位移。

所述滑体表面固定多个铁片，将百分表探杆直接固定在每个铁片上，用于测得每个测点的位移。所述滑体表面铺垫双层塑料薄膜，用于模拟滑坡面滑动。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到不同温度等条件下隧道穿越滑坡体影响效应的研究中；2、本试验的隧道开挖施工模拟装置位于隧道衬砌模型内部且有圆形橡胶绝热板封闭，并沿衬砌模型的纵向分段，在薄铝合金圆柱筒内部形成若干个封闭的短圆柱体腔，从而实现不同开挖工况的细致模拟；3、本试验通过充入一定体积的石蜡，使其内部的压力与外界土压力相等，石蜡融化后卸载，可真实还原实际隧道开挖并安装衬砌的工序，为试验数据增加了说服力；4、本试验中通过以一定的顺序融化一定长度的石蜡来模拟隧道的分步开挖情况，通过对石蜡内所通电阻的控制来模拟隧道不同开挖速度；5、引入降雨模拟装置，可通过控制水泵阀门模拟不同降雨强度，得到不同降雨强度下的隧道穿越滑坡体对周围地质影响效应；6、本试验运用电阻应变片测量衬砌变形，并综合运用位移计和百分表来测量隧道周围土体多点、多向位移，使模拟结果更加丰富、更加可信；7、采用本套装置进行降雨条件下隧道穿越滑坡体影响的模型试验，可为公路隧道工程现场施工提供良好的咨询与建议，对于制定降雨条件下隧道安全穿越滑坡体技术标准以及滑坡体的安全保护措施提供一定的理论参考。

附图说明

图1为本发明在实施例中的模型箱内测试装置示意图；

图2为本发明在实施例中的隧道开挖施工模拟装置；

图3为本发明在实施例中的百分表测点布置图；

图4为本发明在实施例中的降雨模拟装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过一个优选实施例对本发明作进一步地详细说明。

首先，制作一个模型箱、一个隧道衬砌模型、一套隧道开挖施工模拟装置、一个降雨模拟装置。

如图1所示，模型箱外形呈长方体，内部空间尺寸为1200mm×990mm×500mm（长×宽×高），由厚10mm的钢板1做底，前后面采用厚度为20mm的钢化玻璃2，左侧面为厚10mm的木板3，右侧面为500mm×500mm×10mm（长×高×厚）的木板4，底部与钢板1相连，顶面开口，顶部四周均设有锚孔便于固定降雨模拟装置。隧道衬砌模型14为直径50mm的薄铝合金筒体，放置于模型箱中土体内部，与模型箱长边平行，隧道开挖施工模拟装置在隧道衬砌模型内部且被5mm厚的第一至第四圆形橡胶绝热板10、11、12、13分成四段65、66、67、68段隧道，其中65、66、67段隧道长度均为150mm，68段隧道右端开口。预埋铝合金细管A63位于隧道上方25mm，内穿柔性细线，细线一端埋于隧道上方土体测点，另一端连接百分表；预埋铝合金细管B64位于隧道下方25mm，内穿柔性细线，细线一端埋于隧道下方土体测点，另一端连接百分表；双层塑料薄膜9，铺垫土层时安置在模拟滑动面。

如图2所示，将隧道模型依次划分为65段隧道、66段隧道、67段隧道和68段隧道。每段隧道模型内部都绕有相等长度的电阻丝，65段隧道内部电阻丝由导线15A引出且连于控制器A19，66段隧道内部电阻丝由导线B16引出且连于控制器B20，67段隧道内部电阻丝由导线C17引出且连于控制器C21，68段隧道内部电阻丝由导线D18引出且连于控制器D22。

用薄铝合金片制成直径为50mm的隧道衬砌模型14后，在左端固定一厚5mm、直径为50mm的第一圆形橡胶绝热板10，在65段隧道衬砌内壁适当位置横向粘贴第一、二电阻应变片23、24，放入电阻丝并引出导线15A连于控制器A19，之后充入石蜡150mm，使其对衬砌的压力与计算得到的填土完成后衬砌外表面的土压力相等，再固定上一厚5mm、直径为50mm的第二圆形橡胶绝热板11，完成65段隧道的施工模拟装置。在66段隧道衬砌内壁适当位置横向粘贴第三、四电阻应变片25、26，放入电阻丝并引出导线B16连于控制器B20，之后充入石蜡150mm，使其对衬砌的压力与计算得到的填土完成后衬砌外表面的土压力相等，再固定上一厚5mm、直径为50mm的第三圆形橡胶绝热板12，完成66段隧道的施工模拟装置。在67段隧道衬砌内壁适当位置横向粘贴第五、六电阻应变片27、28，放入电阻丝并引出导线C17连于控制器C21，之后充入石蜡150mm，使其对衬砌的压力与计算得到的填土完成后衬砌外表面的土压力相等，再固定上一厚5mm、直径为50mm的第四圆形橡胶绝热板13，完成67段隧道的施工模拟装置。在68段隧道衬砌内壁适当位置横向粘贴第七、八电阻应变片29、30，放入电阻丝并引出导线D18连于控制器D22，之后充入石蜡150mm，使其对衬砌的压力与计算得到的填土完成后衬砌外表面的土压力相等，完成全部隧道施工模拟装置。

如图3所示，隧道衬砌模型14最底点距离钢板1上表面430mm，最左侧点距离左侧玻璃板225mm，即位于水平中心。隧道衬砌模型14顶点上方25mm处为土体内部上位移测孔40,隧道衬砌模型14最底点下方25mm处为土体内部下位移测孔41，滑动面测点对应的百分表的探杆预留孔有第一至第十孔30～39，其中第三孔32位于上位移测孔40正上方且孔中心距离为25mm，第二孔31位于第三孔32正上方且孔中心距离为50mm，第一孔30位于第二孔31正上方且孔中心距离为50mm，第四孔33位于第一孔30正右方且孔中心距离为100mm，第五孔34位于第四孔33正下方且孔中心距离为50mm，第六孔35位于第五孔34正下方且孔中心距离为50mm，第七孔36位于下位移测孔41正下方且孔中心距离为25mm，第八孔37位于第七孔36正下方且孔中心距离为50mm，第十孔39位于第八孔37正右方且孔中心距离为100mm，第九孔38位于第十孔39正上方且孔中心距离为50mm。（注：百分表个数可根据研究项目和精度进行调整）。

开始向模型箱内填入黏土，当土层厚度达到200mm时，将模型箱左侧逐渐堆高制作滑床，与此同时将塑料膜9以适当角度在适当位置固定，并在薄膜上方填置滑体模拟材料（滑体模拟材料由粗砂、滑石粉和水配制而成），当填至330mm厚时在双层塑料薄膜9上固定两铁片，一块在中心处，另一块与其中心距100mm，分别引出百分表，并将插入第八孔37和第十孔39的第八、十探杆端部分别固定于两铁片上，当填至380mm厚时在双层塑料薄膜9上固定两铁片，一块在中心处，另一块与其中心距100mm，分别引出百分表，并将插入第七孔36和第九孔38的第七、九探杆端部分别固定于两铁片上，当填至405mm厚时在中心处埋入一根铝合金细管B64，内部穿一根柔性细丝，细丝一端固定于滑体内部，另一端连于百分表，当填土至430mm时，将隧道施工模拟装置放入，当填至505mm厚时在中心处埋入一根铝合金细管A63，内部穿一根柔性细丝，细丝一端固定于滑体内部，另一端连于百分表，当填至530mm厚时在双层塑料薄膜9上固定两铁片，一块在中心处，另一块与其中心距100mm，分别引出百分表，并将插入第三孔32和第六孔35的第三、六探杆端部分别固定于两铁片上，当填至580mm厚时在双层塑料薄膜9上固定两铁片，一块在中心处，另一块与其中心距100mm，分别引出百分表，并将插入第二孔31和第五孔34第二、五探杆端部分别固定于两铁片上，当填至630mm厚时在塑料薄膜9上固定两铁片，一块在中心处，另一块与其中心距100mm，分别引出百分表，并将插入第一孔30和第四孔33第一、四探杆端部分别固定于两铁片上。继续填土堆高，当左端土体厚度达到750mm时，塑料薄膜触及模型箱左侧木板，填土完成，此时隧道穿越滑坡体。

如图3，4所示，位移计支架5通过锚栓固定于模型箱顶面，长度为1200mm，宽度为500mm。模拟降雨管道6上有密集出水孔，管道一端连接进水阀门7，另一端连接出水阀门8。位移计支架5上开有21个外径为40mm的预留小孔，便于21个LVDT位移计的固定，其中第一小孔42中心距离支架左外边缘100mm、距离支架上外边缘125mm，第二小孔43位于第一小孔42正右方且孔中心距离为100mm，第三小孔44位于第二小孔43正右方且孔中心距离为100mm，第四小孔45位于第三小孔44正右方且孔中心距离为100mm，第五小孔46位于第四小孔45正右方且孔中心距离为100mm，第六小孔47位于第五小孔46正右方且孔中心距离为300mm，第七小孔48位于第六小孔47正右方且孔中心距离为100mm，第八小孔49位于第一小孔42正下方且小孔中心距离为125mm，第九小孔50位于第八小孔49正右方且孔中心距离为100mm，第十小孔51位于第九小孔50正右方且孔中心距离为100mm，第十一小孔52位于第十小孔51正右方且孔中心距离为100mm，第十二小孔53位于第十一小孔52正右方且孔中心距离为100mm，第十三小孔54位于第十二小孔53正右方且孔中心距离为300mm，第十四小孔55位于第十三小孔54正右方且孔中心距离为100mm，第十五小孔56位于第八小孔49正下方且孔中心距离为125mm，第十六小孔57位于第十五小孔56正右方且孔中心距离为100mm，第十七孔58位于第十六孔57正右方且孔中心距离为100mm，第十八小孔59位于第十七小孔58正右方且孔中心距离为100mm，第十九小孔60位于第十八小孔59正右方且小孔中心距离为100mm，第二十小孔61位于第十九小孔60正右方且孔中心距离为300mm，第二十一小孔62位于第二十小孔61正右方且孔中心距离为100mm。（注：位移计个数可根据研究项目和精度进行调整）将第一至第十四LVDT位移计，共14个LVDT位移计分别穿过位移计支架5的第一至第十四小孔42～55后固定在土体表面测量地表处的沉降值，将第十五至第十八LVDT位移计和第二十LVDT位移计，共5个LVDT位移计分别穿过第十五至第十八小孔56、57、58、59和第二十小孔61后深入至地表以下100mm处，第十九、第二十一LVDT位移计分别穿过第十九、第二十一小孔60、62后深入至地表以下20mm处来测量深层土体的沉降值。其中每个LVDT位移计都应保持竖直向上，且水平方向固定。

在本实施例中，电阻应变计用于衬砌的应变测量，位移计用于土体表面以及深层土体的纵向变形测量，其具体量测数值可由外接数据采集仪获得。

以下列出利用本发明的模型箱进行模拟的几种情况。

模拟一：调节降雨模拟装置的进水阀门7和出水阀门8，模拟所需降雨强度条件。首先打开控制器A19，通过电阻丝加热融化65段隧道内的石蜡，隧道内部的卸载以及外部衬砌模型14的支撑可模拟隧道的开挖和衬砌的安装，由此完成第一阶段隧道开挖模拟，记录外接数据采集仪数据和百分表读数；然后打开控制器B20，通过电阻丝加热融化66段隧道内的石蜡，完成第二阶段隧道开挖模拟，记录外接数据采集仪数据和百分表读数；再打开控制器C21，通过电阻丝加热融化67段隧道内的石蜡，完成第三阶段隧道开挖模拟，记录外接数据采集仪数据和百分表读数；最后打开控制器D22，通过电阻丝加热融化68段隧道内的石蜡，完成全部隧道开挖模拟，记录外接数据采集仪数据和百分表读数。从而可以得出降雨条件下隧道从滑体中部反向穿越时引起的周围土体位移、滑动面位移以及隧道衬砌的变形情况。

模拟二：调节降雨模拟装置的进水阀门7和出水阀门8，模拟所需降雨强度条件。首先打开控制器D22，通过电阻丝加热融化68段隧道内的石蜡，隧道内部的卸载以及外部衬砌模型14的支撑可模拟隧道的开挖和衬砌的安装，由此完成第一阶段隧道开挖模拟，记录外接数据采集仪数据和百分表读数；然后打开控制器C21，通过电阻丝加热融化67段隧道内的石蜡，完成第二阶段隧道开挖模拟，记录外接数据采集仪数据和百分表读数；再打开控制器B20，通过电阻丝加热融化66段隧道内的石蜡，完成第三阶段隧道开挖模拟，记录外接数据采集仪数据和百分表读数；最后打开控制器A19，通过电阻丝加热融化65段隧道内的石蜡，完成全部隧道开挖模拟，记录外接数据采集仪数据和百分表读数。从而可以得出降雨条件下隧道从滑体中部正向穿越时引起的周围土体位移、滑动面位移以及隧道衬砌的变形情况。

模拟三：通过调节控制器A19～D22改变电阻大小，从而改变隧道开挖速度开展实验，可以得出降雨条件下隧道从滑体中部正（反）向穿越时，隧道开挖速率对周围土体位移、滑动面位移以及隧道衬砌的影响情况。

模拟四：通过调节降雨模拟装置的进水阀门7和出水阀门8，改变降雨强度开展实验，可以得出不同降雨条件下，隧道从滑体中部正（反）向穿越对周围土体位移、滑动面位移以及隧道衬砌的影响情况。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明的要点的范围内进行适当变更。

本发明的实施方式作用与效果：

本发明上述实施例通过降雨条件下隧道穿越滑坡体影响的模型试验装置，可以获得不同降雨条件下，隧道穿越滑坡体施工对隧道以及周围土体的影响，从而达到准确测量隧道穿越滑坡体施工引起的隧道衬砌变形、滑坡面位移、地表土体沉降以及深层土体位移的技术效果。