一种可控土体损失率的隧道模型试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种可控土体损失率的隧道模型试验装置及试验方法，解决了现有技术中无法进行土体损失率控制的问题，具有准确控制土体损失率的有益效果，具体方案如下：一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，包括隧道主体结构模块，包括隧道主体结构模块，包括设有至少3个套筒的多级套筒结构，多级套筒结构可安装于模型试验箱，多级套筒结构中最内侧套筒环向封闭，除最内侧套筒外的多个套筒各自镂空设置，在移动过程中相邻的两套筒可相通以使得模型试验箱内砂体进入多级套筒结构；液压控制模块，包括内设置液体的薄膜密封仓，薄膜密封仓设于多级套筒结构中最内侧套筒的外侧，且薄膜密封仓内的液体可从多级套筒结构中流出。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程模型试验领域，尤其是一种可控土体损失率的隧道模型试验装置及试验方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

地铁作为缓解地面交通压力和节能减排的重要角色，修建地铁在城市建设和发展过程中已然成为不可或缺的环节。随着城市地下轨道交通的发展建设，地铁施工会对周围环境产生影响。由于地铁隧道通过的路段多为建筑物密集的中心区域，修建过程中产生的地层损失、周围孔隙水压力变化以及盾构管片衬砌的变形等原因都会导致周围土体应力场的重新分布，土体发生位移从而导致上部地表产生沉降变形，进而影响到周围建筑物并产生开裂、倾斜和沉降等现象。因此，研究关于地铁隧道对于临近建筑物等环境影响的课题十分重要。

目前，发明人发现，已有的隧道试验模型大多使用自制小型盾构机模拟开挖过程直至形成隧道，例如公开号为CN107091633A的专利通过采用薄钢管的推进来模拟盾构机的开挖过程，但并未涉及盾构开挖过程中施工因素所引起的土体损失。而对于解决真实工况下由于施工或注浆不均匀所造成土体损失的问题，公开号为CN111103192A的专利提出了采用充满水的变形控制装置包裹在管道周围，通过抽水来动态模拟隧道开挖与围岩的相互作用，虽然能够模拟开挖过程中的土体损失但并不能够控制土体损失率，且未考虑实验装置在实验过程中可能出现较为明显的土拱效应，对于实际工程的参考价值有限。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，能够准确控制土体损失率，并通过控制液体排出速率来减小土拱效应对于试验的影响，同时能够模拟出相应工况下隧道模型的应力应变关系，能够准确的反应土体损失对周围环境的影响，为有关理论研究提供数据支持。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，包括：

隧道主体结构模块，包括设有至少3个套筒的多级套筒结构，多级套筒结构可安装于模型试验箱，多级套筒结构中最内侧套筒环向封闭，除最内侧套筒外的多个套筒各自镂空设置，在移动过程中相邻的两套筒可相通以使得模型试验箱内砂体进入多级套筒结构；

液压控制模块，包括内设置液体的薄膜密封仓，薄膜密封仓设于多级套筒结构中最内侧套筒的外侧，且薄膜密封仓内的液体从多级套筒结构流出的速度可控；

测量模块，包括设于多级套筒结构内壁的应变片。

上述的模型试验装置，隧道主体结构模块外侧的套筒可相通设置，当镂空部分错开设置时，便于隧道主体结构的部分伸入到模型试验箱内，当开始试验时，将镂空位置对齐可使得模型试验箱内的砂体进入多级套筒结构，实现土体损失过程的模拟，通过液压控制模块抽出薄膜密封仓内的液体，砂体进而进入最内侧套筒的外侧，薄膜密封仓的体积减少量就能够反应标准砂的涌入量，从而达到控制土体损失率的目的；通过控制薄膜密封仓液体流出的速度，减小土拱效应对于试验的影响，并通过测量模块的设置，记录土体损失过程中隧道模型装置内壁受力变化情况。

如上所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，所述多级套筒结构包括从外到内依次设置的三个套筒，外侧的一级外套筒与中部的二级外套筒之间可滑动设置，以便于二者镂空处相通；最内侧的核心筒与二级外套筒固定连接，二者不会发生相对滑动。

如上所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，为了容纳薄膜密封仓，所述核心筒与二级外套筒之间形成腔体，腔体内设置所述的薄膜密封仓。

如上所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，所述薄膜密封仓包括薄膜，薄膜内设置硅油，薄膜与抽油管道连通，抽油管道穿过所述二级外套筒设置；

抽油管道在二级外套筒的外侧设置流体阀，从而控制薄膜密封仓内硅油的流出速度，从而实现土体损失率的有效控制。

如上所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，所述测量模块还包括设于所述二级外套筒外侧的真空压力表，真空压力表的测量端设于所述薄膜密封仓内侧，用于测量土体损失过程中隧道模型试验装置周围土压力。

如上所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，所述二级外套筒外侧设置位移限位块，位移限位块用于同一级外套筒端部配合，在一级外套筒和二级外套筒镂空位置相通时对二级外套筒进行限位。

如上所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，所述核心筒的长度长于所述二级外套筒设置，以保证对其他套筒的支撑。

如上所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，所述隧道主体结构模块还包括设于所述多级套筒结构环向的装置固定环，装置固定环设于多级套筒结构镂空处的一侧，装置固定环设置开孔用于将隧道主体结构模块固定于所述模型试验箱。

第二方面，本发明还提供了一种可控土体损失率的隧道模型试验方法，包括所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置。

如上所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验方法，包括如下内容：

将多级套筒结构的镂空段伸入至模型试验箱内；

相对于最外侧的套筒移动中部的套筒，实现外侧的套筒在镂空位置处相通，模型试验箱内砂体进入多级套筒结构内；

液压控制模块分多次从薄膜密封仓内抽出液体，以使得砂体进入二级套筒内并作用于薄膜密封仓外侧；

直至薄膜密封仓内液体被抽出完成，通过测量模块记录数值变化情况。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明试验装置可设于模型试验箱内，可实现土体损失过程的模拟，通过液压控制模块抽出薄膜密封仓内的液体，砂体进而进入二级套筒的内侧，薄膜密封仓的体积减少量就能够反应标准砂的涌入量，从而达到控制土体损失率的目的；通过控制薄膜密封仓液体流出的速度，减小土拱效应对于试验的影响，并通过测量模块的设置，记录土体损失过程中隧道模型试验装置应力应变情况能够准确的反应土体损失对周围环境的影响，为有关理论研究提供数据支持；

而且试验装置可以根据单一变量关系进行多组试验，同时也可在模型试验箱试验中配合其他设备进行加载以及土体开挖的模拟，能够为理论研究提供可靠的试验依据。

2)本发明的试验装置，结果简单，操作方便，且模型材料易于获取，能根据试验所需调整模型尺寸。

3)本发明通过薄膜密封仓的设置，可实现土体进入二级套筒的内侧，通过流体阀控制薄膜密封仓内液体的抽出速度和抽出时间，能够有效控制薄膜密封仓液体的抽出量，进而对土体损失率进行有效控制。

4)本发明可通过在核心筒内部设置应变片，记录土体损失过程中核心筒壁上内力变化情况，以利于实际工程。

5)本发明通过隧道模型试验方法的提供，可实现准确控制土体损失率，并通过控制抽液体的速度来减小土拱效应对试验的影响，同时能够模拟出相应工况下隧道模型的受力变化情况，能够准确的反映土体损失对周围环境的影响，为有关理论研究提供数据支持。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置的示意图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置中一级外套筒和二级外套筒剖面图。

图3是本发明根据一个或多个实施方式的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置中二级外套筒和核心筒剖面图。

图4是本发明根据一个或多个实施方式的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置中部分结构的放大图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1-1为装置固定环，1-2为一级外套筒，1-3为二级外套筒，1-4为核心筒，2-1为密封圈、2-2为真空压力表、2-3为位移限定块、3-1为薄膜密封仓、3-2为磁控流体阀、4-1为磁控流体阀表盘、4-2为磁控流体阀开关键、4-3为抽油管道、4-4为核心筒内壁。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可控土体损失率的隧道模型试验装置及试验方法。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，包括隧道主体结构模块、液压控制模块和测量模块。其中，隧道主体结构模块包括装置固定环1-1和多级套筒结构，多级套筒结构通过装置固定环可安装于模型试验箱，使得多级结构的部分伸入到模型试验箱内，多级套筒结构内设置液压控制模块和测量模块，测量模块可实现多级套筒结构内侧应力的测量。

多级套筒结构包括从外到内设置的一级外套筒1-2、二级外套筒1-3和核心筒1-4，三个套筒依次嵌套，二级外套筒操作端一侧设有用于对一级外套筒1-2的移动进行限位的位移限定块2-3。

液压控制模块包括薄膜密封仓3-1、流体阀以及连接二者的抽油管道4-3，薄膜密封仓3-1通过密封圈2-1与二级外套筒1-3、核心筒1-4紧密连接，即二级外套筒和核心筒之间有设定的距离形成腔体，在腔体内设置薄膜密封仓；测量模块包括真空压力表2-2、核心筒内壁4-4的应变片。

其中，装置固定环1-1采用外环与第一管组合而成，使用强力胶固定连接，第一管设于一级外套筒1-2的环向，第一管为PVC管，金属外环设于PVC管的环向，且金属外环可通过螺栓连接在模型试验箱侧壁预留位置上来固定整体装置，同时装置固定环与一级外套筒连接部分即第一管同样为PVC管材，采用强力胶实现第一管与一级外套筒的连接，强力胶粘接能起到很好的固接效果。

进一步地，第一管的长度小于一级外套筒的长度，外环固定于第一管的端部，外环设置用于螺栓穿过的开孔，开孔沿着第一管的轴线方向设置，且外环与第一管之间可设置多个加强筋。

一级外套筒1-2可采用PVC管材，二级外套筒1-3同样可采用PVC管材，参考图2所示，两者在装置固定环的一侧均镂空设置，使得一级外套筒和二级外套筒置于模型试验箱内的部分每间隔设定距离镂空设置，具体可进行半环形镂空，随着二级外套筒1-3的滑动，两者的半环形镂空部分逐渐叠合产生空隙，位于模型试验箱内的砂体即标准砂随之涌入，通过二级外套筒的镂空位置与薄膜密封仓接触，从而实现土体损失过程的模拟。

其中，可以理解的是，因二级外套筒1-3的操作端一侧上部设有位移限定块2-3，当二级外套筒1-3推至与一级外套筒1-2的镂空部分完全重合位置时，位移限定块2-3发挥作用，限定二级外套筒1-3的继续移动，从而保持装置的稳定性。

位移限定块为PVC材料制成，采用强力胶固定在二级外套筒的操作端一侧上部，当推动二级外套筒移动到其镂空部分与一级外套筒的镂空部分完全重合时，位移限定块卡在一级外套筒的端口，从而起到限制二级外套筒继续移动的作用。

另外，可以理解的是，一级外套筒置于模型箱的一侧端口应采用PVC材料进行封闭处理，防止标准砂从一级外套筒一侧涌入；同时二级外套筒置于模型箱的一侧端口应采用PVC材料进行封闭处理，防止标准砂从一侧涌入。

核心筒1-4也可采用PVC管材，其中一侧环向设置密封圈2-1，实现与二级外套筒端部的连接，密封圈设于核心筒的外侧，使得核心筒在置入模型试验箱一侧端口处与二级外套筒1-3固定连接，即核心筒1-4、薄膜密封仓3-1、二级外套筒1-3三者之间不发生相对滑动。核心筒内壁4-4处贴有应变片，用于量测试验过程中隧道模型内壁的受力变化情况。

真空压力表透过密封圈测量薄膜密封仓内的液体压力，与密封圈接口位置应进行防水密闭处理。

参考图3所示，薄膜密封仓3-1紧贴于二级外套筒与核心筒1-3之间，薄膜密封仓包括薄膜，薄膜内设置油液，具体地，通过聚四氟乙烯薄膜与薄膜内部的硅油充满整个薄膜密封仓，其中，采用硅油是由于硅油的体积变化不易受温度效应影响，对于环境的适应性好。当薄膜密封仓3-1内的硅油量减少时，围压在其周围的标准砂会随着薄膜密封仓3-1的体积减小而涌入二级套筒的内侧腔体并施压于密封薄膜上。

流体阀为磁控流体阀3-2，抽油管道透过密封圈连接于薄膜密封仓内部，用于抽取薄膜密封仓内的硅油，量测并控制从薄膜密封仓中抽取的液体体积。

隧道模型试验装置的镂空段伸入至模型试验箱内，隧道模型试验装置的操作端一侧主要指设置有真空压力表2-2、磁控流体阀3-2，抽油管道4-3的一侧。磁控流体阀控制薄膜密封仓3-1内的硅油量，且在操作端可控制二级外套筒1-3的位移量。

一种可控土体损失率的隧道模型试验方法，参考图1-图4所示，包括所述的一种可控土体损失率的隧道模型试验装置，具体包括如下内容：

一级外套筒与二级外套筒镂空位置错开分布，保证装置在初始时处于闭合状态，将整个试验装置根据模拟所需安装定位到模型试验箱上并用标准砂进行填埋，填满完成后进行整平、静置，静置时间一般在12—24小时，期间可再次检查应变箱(与应变片连接)上的线路连接；

当试验进行时，先对真空压力表2-2数值进行校准归零，对应变箱数据进行归零，待真空压力表数值达到稳定后，记录数据。此时接通磁控流体阀电源，准备好抽油泵连接到抽油管道，以备后续抽取硅油；

推动二级外套筒1-3至位移限定块2-3限定位移的位置处，使一级外套筒与二级外套筒的镂空部分发生错动，此时标准砂对薄膜密封仓产生挤压，观察真空压力表2-2数值变化，待数值稳定后做好相应的记录；

点击磁控流体阀3-2的开关键4-2，观察磁控流体阀表盘4-1是否处于正常状态，根据试验划分的变量，依次从抽油管道4-3抽取设定量的硅油，抽油过程中严格控制抽油速度避免其由于过快的土体损失引起模型试验箱中产生较大的土拱效应以致对试验结果产生不良影响，每次抽油结束后，暂停抽油，观察真空压力表2-2的数值变化情况，待数值稳定后可进行下一步抽油工作；

重复操作直至薄膜密封仓3-1内的硅油全部被抽出，关闭磁控流体阀3-2，断开抽油泵；

在抽油过程中，通过测量模块的应变片记录数值变化情况，以获得隧道模型核心筒内壁上的内力变化情况。

其中，核心筒内部的应变片与端子焊接线路，可以通过核心筒操作端一侧连接到应变箱。

一级外套筒与二级外套筒在发生相对滑动前，装置处于闭合状态对薄膜密封仓起到保护作用，确保其初始压力值的稳定，同时不会使薄膜密封仓受到装置在填埋过程中由操作引起的不良影响。当一级外套筒与二级外套筒发生相对滑动后，两级套筒的镂空位置随着套筒的移动逐渐重合，此时标准砂与薄膜密封仓接触，标准砂围绕在薄膜密封仓周围产生围压。当薄膜外侧的压力与内侧液体的压力达到稳定平衡的状态后，逐渐缓慢地抽取薄膜密封仓内的液体，薄膜密封仓的体积减少量就能够反应标准砂的涌入量，从而达到控制土体损失率的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。