测试粗粒土成拱曲线的多功能隧道模型试验装置及方法

摘要

本发明提供了一种测试粗粒土成拱曲线的多功能隧道模型试验装置及方法，该装置包括加载系统、测量系统和试验箱；试验箱为由主体框架和承压侧板组成的长方体结构；试验箱的上部设有传力钢板；加载系统包括立柱、压力杠杆、平衡配重块、加载架和托盘；立柱竖直固定在所述试验箱的后面，压力杠杆设置在立柱顶部，压力杠杆一端设有平衡配重块，另一端设有托盘，托盘通过加载架与压力杠杆相连；立柱顶部为压力杠杆的支撑点；测量系统包括位移测量装置和应力测量装置；位移测量装置包括可调节的平衡螺杆和标尺；应力测量装置包括应变片以及土压力盒。相比于传统试验装置，本发明实现了一箱多用，能进行土体坍落拱、沉降位移等多种方面的试验测试。

说明书

技术领域

本发明涉及试验装置技术领域，特别地，涉及一种测试粗粒土成拱曲线的多功能隧道模型试验装置及方法。

背景技术

目前对于砂卵石土体盾构开挖引起的地层沉降的机理尚不明确。与细粒土地层不同，砂卵石地层中由地层损失引起的地面沉降具有突发性和随机性，具体表现为盾构掘进通过一段时间后(数天至数月不等)而发生的突然沉降，其重要影响因素为砂卵石的成拱能力及应力拱的破坏，现有的监控量测技术很难准确地预测沉降的发生。

有关砂卵石土体盾构开挖后坍落拱成拱曲线已有学者进行了研究，但是缺少多因素影响下成拱曲线的定量描述模型。目前有关坍落拱的试验研究大多停留在某一个施工状态，时间空间上都有一定程度上的断层，缺少一个能连续研究开挖净宽从0开始一直发展到目标净宽的整体动态研究。

目前采用数值模拟研究砂卵石土隧道盾构开挖对地层的影响取得了不少成果，但是数值模拟所采用的物理参数从根本上依赖试验标定，成果的有效性也依赖于试验或监测数据进行验证。而目前盾构隧道模型试验装置造价极高、普适性低，进行一次试验所消耗的人力物力较大。并且这类模型装置具有较强的针对性，对于实际工程中复杂地层的隧道开挖模拟是不足的。

因此，业内急需一种简单、实用的可以调节坍落拱宽度并测量地表沉降的多功能隧道模型试验装置的新型技术。

发明内容

本发明目的在于提供一种可以调节坍落拱宽度并测量沉降的多功能隧道模型试验装置及方法，以解决现有砂卵石土盾构隧道开挖中存在的问题，以及其伴生研究引起砂卵石土土体坍落、沉降的机理。本发明提供的多功能隧道模型试验装置具有装样方便、测量操作容易、测量结果准确可靠等优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种测试粗粒土成拱曲线的多功能隧道模型试验装置，所述多功能隧道模型试验装置包括加载系统、测量系统以及试验箱；

所述试验箱为由主体框架和承压侧板组成的长方体结构；所述主体框架由前后两片各自焊接成整体的钢架通过滚轴的螺栓连接而成；所述承压侧板由箱体左右后三块钢板、前面的亚克力板和底板组成；所述底板由上层的底部隔板以及下层的滑动底板组成；所述试验箱的上部设有传力钢板；

所述加载系统包括立柱、压力杠杆、平衡配重块、加载架和托盘；

所述立柱竖直固定在所述试验箱的后面，所述压力杠杆设置在立柱顶部，压力杠杆一端设有平衡配重块，另一端设有托盘，所述托盘通过加载架与所述压力杠杆相连；所述立柱顶部为所述压力杠杆的支撑点；

所述测量系统包括位移测量装置和应力测量装置；

所述位移测量装置包括用于测量土体沉降量的可调节的平衡螺杆，以及用于测量坍落量的标尺；所平衡螺杆设置在所述支撑点和所述托盘之间的压力杠杆上，加载力通过平衡螺杆传递至土体，通过调节平衡螺杆升降使压力杠杆始终处于水平位置；

所述应力测量装置为用于监测不同工况状态下的隧道支护结构所受应力变化的应变片以及土体应力状态的土压力盒；所述试验箱前面的亚克力板中间开设有孔，孔径及形状根据试验要求确定，孔内设一等外径隧道衬砌模拟薄壁构件，所述应变片安装在薄壁构件上。

进一步的，所述压力杠杆与所述立柱的支撑点处通过轴承与螺栓连接。

进一步的，所述加载架为可挂在压力杠杆的挂钩型支架。

进一步的，所述平衡螺杆上设有用于调节平衡螺杆的手轮。

进一步的，所述立柱顶部与所述压力杠杆之间的支撑点位于所述压力杠杆上靠近平衡配重块端点的5等分点处。

进一步的，所述加载系统设有多个，每个立柱与所述试验箱上的主体框架焊接连接，并从试验箱长边中间点开始向两边等距对称分布。

进一步的，所述加载系统中每根压力杠杆全长1500mm；每个压力杠杆可施加最大力为20kN；每个平衡螺杆为外径15mm，长300mm的螺杆。

进一步的，所述平衡螺杆设置在所述支撑点和所述托盘之间的压力杠杆上靠近支撑点距离300mm位置。

进一步的，所述底板由两层组成，上层的底部隔板由与试验土体接触的一系列不同宽度的钢条组成，下层的滑动底板由两块等长并可以向两侧滑开的钢板组成。

本发明还提供了一种采用上述的多功能隧道模型试验装置测量沉降量的方法，包括：

步骤一：按照需要将主体框架、滚轴以及承压侧板组装成试验箱；

步骤二：根据需求，布置模型试验：

情况一：在组装好的试验箱中装填待研究土样并压实，在土样装填完毕后在土样表面安置传力钢板；

情况二：在组装好的试验箱中装填待研究土样并压实过程中，在前面的亚克力板中间开孔处安装贴有应变片的隧道衬砌模型，在土样中根据试验需求埋设土压力盒，在土样装填完毕后在土样表面安置传力钢板；

步骤三：调节平衡配重块使得压力杠杆处于水平状态，随后调节平衡螺杆使之与传力钢板处于刚接触而不施加力的状态；

步骤四：根据载荷需求，在托盘上放置一定数量的砝码，同时观察压力杠杆是否处于水平状态，并通过调节平衡螺杆使得其一直保持水平状态，维持压力，当土体沉降速率小于某一满足试验需求的值即可认为沉降完成；

步骤五：根据试验需求，监测坍落量、土体变形、结构受力状态等待测数据：

在步骤二使用所述情况一的情况下，本步骤使用下述操作：

情况三：向外拉动滑动底板，依次一根根拆除底部隔板，测量对应坍落拱的量；

在步骤二使用所述情况二的情况下，本步骤使用下述操作：

情况四：步骤四加载过程中通过应变片实时监测隧道结构受力状态变化以及土中应力变化，本情况在此步骤结束试验；

情况五：向外拉动滑动底板，依次一根根拆除底部隔板，测量坍落拱的量；拉动过程中同时监测隧道受力状态变化以及土中应力变化；

步骤六：坍落拱稳定性测试：下部坍落拱形成并维持稳定后，定量破坏坍落拱，探测土样的沉降量，结束试验。

本发明具有以下有益效果：

1、相比于传统试验隧道模拟试验箱，本发明提供的一种可以调节坍落拱宽度并测量沉降的多功能隧道模型试验装置实现了可拆装式试验箱，试验箱造价低、试验操作方便，可节省大量人力物力。由于试验过程中通过调节平衡螺杆使得压力杠杆始终处于平衡状态，平衡螺杆受力部分的变化长度即为土体的沉降量，所以通过实时测量平衡螺杆升降变化的长度可以实现在模拟隧道受力状态的同时实时监测土体沉降，以及土体的坍落情况等重要参数。

2、本发明提供的一种可以调节坍落拱宽度并测量土体沉降的多功能隧道模型试验装置，采用的试验箱是组装式试验箱，通过不同的组装方式(调整滚轴长度、前后钢板宽度等)可以得到不同的试验箱体积，所以本发明的组装式试验箱可以根据实际需要灵活组装进行多工况试验。

3、相比于传统试验装置，本发明提供的一种可以调节坍落拱宽度并测量沉降的多功能隧道模型试验装置的测量系统简单，还能直接观测到土体的沉降特征。本发明装置通过三个方面实现定量描述：一是通过前面透明亚克力板(即观察窗)并可结合piv图像处理技术对隧道开挖引起的周边土体沉降进行监测，实现定量描述；二是通过滑动底板的拉开来模拟隧道开挖宽度，从而实现填土颗粒级配及开挖宽度对土体扰动(应力变化、坍落拱大小、地表沉降大小)的量化描述关系；三是可通过对坍落拱进行扰动，从而实现对土体稳定性及二次沉降的定量描述。在本装置中，通过下层底板向两侧拉开来模拟隧道动态开挖，并监测坍落拱的动态发展。本发明在测试隧道衬砌结构受力状态的同时可以实时监测土体沉降，试验测试土体成拱能力、临界稳定状态等重要参数。

4、相比于传统试验装置，本发明实现了一箱多用，能进行隧道受力状态、土体坍落、沉降等多种方面的试验测试。此外，本发明结构简单，设计新颖合理，功能多样，实现方便，实用性强，使用效果好，便于推广。

除了上文所描述的目的、特征和优点之外，下文将参照图示，对本发明其它的目的、特征和优点作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请书的一部分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。在附图中：

图1是本发明多功能隧道模型试验装置中试验箱不含侧板的立体结构示意图；

图2是本发明多功能隧道模型试验装置中试验箱含侧板的立体结构示意图；

图3是本发明多功能隧道模型试验装置的正视图；

图4是本发明多功能隧道模型试验装置的左视图；

图5是本发明多功能隧道模型试验装置的俯视图；

图6是本发明多功能隧道模型试验装置中加载系统的结构图；

图7是本发明装置中试验箱中滚轴细节图；

图8是本发明装置中试验箱前面的透明的亚克力板(即观察窗)的细节图；

其中，1.平衡配重块；2.压力杠杆；3.平衡螺杆；4.手轮；5.加载架；6.托盘；7.立柱；8.砝码；9.轴承；10.主体框架；11.滚轴；12.钢板；13.亚克力板；14.滑动底板；15.底部隔板；16.预设螺孔；17.隧道衬砌模型；18.螺栓；19.孔洞；20.传力钢板；21.应变片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1至图8，本发明提供了一种可以调节坍落拱宽度并测量土体沉降的多功能隧道模型试验装置，所述隧道模型试验装置包括加载系统、测量系统与组装式的试验箱。所述加载系统为与竖直焊接固定于试验箱后面的立柱通过轴承和螺栓连接的一系列压力杠杆，杠杆上设有平衡螺杆以及加载托盘等，方便调节杠杆状态与施加压力。所述测量系统包括位移测量装置和应力测量装置。另外，由于箱体正面设置为可透视的亚克力板，可以直观地观测相应的土体沉降及坍塌变化。所述组装式的试验箱为由主体框架及各个受力面的承压侧板组成的长方体结构，主体框架由前后两片钢架中间通过滚轴和螺栓组成，不同的滚轴安装方式可以得到不同体积的试验箱，各个受力面的承压侧板由左、右、后面的钢板12，前面透明的亚克力板13以及底板组成。

具体的，所述组装式的试验箱为由主体框架10和承压侧板组成的长方体结构。其中，主体框架10起主要承重作用，由前后两片各自焊接成整体的钢架，组装时通过滚轴11和螺栓18连接，不同长度的滚轴以及不同的滚轴组装方式可以达到取用不同尺寸的试验箱的效果。各个面受力板材，由左、右、后三块厚度为6mm的钢板12组成，板材根据前面的框架设计了不同尺寸套装，前面板考虑到受力限制由钢板和亚克力板13组合而成，在中间靠底边设置一块边长1000mm*1000mm、厚度为15mm的透明的亚克力板13(即观察窗)，前板除亚克力板外其他由厚度为3mm的钢板补齐整个版面，亚克力板13中间开一个直径为150mm的孔洞19，内设一个等外径的隧道衬砌模型17，内壁贴应变片21用以检测应力变化。所述底板为上下两层，上层的底部隔板15以及下层的滑动底板14组成；上层的底部隔板15为与试验土体接触为一系列不同宽度的钢条组成，具体宽度尺寸为40*2+12*20+40*2mm，下层的滑动底板14由两块等长并可以向两侧滑开的钢板组成。上层按照顺序排列好后放置在下层底板上，下层底板放在下部的滚轴上。试验时，先向外滑动抽出下层钢板，使钢板上部钢条自然下落，从而使箱内土体自然塌落成拱，底部隔板15保证整个过程中土体不会受到下层板滑动摩擦力的影响。本装置以薄壁构件来模拟隧道衬砌结构，在内侧贴上应变片来监测隧道受力状态的变化。具体实验时：填土到相应高度时安装好隧道衬砌模型17再继续填土，直到填土到试验所需高度，再进行后续试验。上述过程中重要的时间节点(即应变片初始值，填土完成时变化值，施加荷载后的变化值)变化值可以用来模拟隧道实际开挖的受力状态。在拉开底板的试验步骤中则是通过检测变化值来研究空间上呈上下分布的隧道之间的相互影响。所述试验箱的上部设有传力钢板20，本发明装置加载系统使用的是杠杆加载，杠杆产生的集中力作用在传力钢板中心，由传力钢板转化为均布载荷作用于土体上表面。试验所需最大压力条件下钢板变形可忽略不计，所以将集中力除以传力钢板面积即可得土体所受上部分布荷载。

在一个具体实施方式中，所述试验箱外侧整体尺寸为长*宽*高＝2000mm*500mm*1700mm，试验箱内侧尺寸根据组装不同有长*宽*高＝1000mm*500mm*1500mm、长*宽*高＝500mm*500mm*1500mm、长*宽*高＝2000mm*250mm*1500mm，三种选择，可根据实际需要进行组装试验。

所述试验箱框架上根据上述内容设置相应的预设螺孔16，用以连接相应的滚轴11和螺栓18，滚轴同样的根据上述内容有500mm与250mm两种长度选择。最终组装好的框架前后两侧为焊接的方形钢管，从下到上共7对，每条钢管上距离500mm打孔作为预设螺孔16。框架整体由四角上的钢管作为支柱，钢管为外边长为50mm*50mm、壁厚为6mm的方形钢管，下设钢垫板(支撑柱为空心方管，避免其直接接触地面时戳破地皮而导致试验箱不稳)，使得整个试验箱的高度为1500mm，试验槽距离地面200mm。框架整体两侧通过螺栓18和滚轴11连接，从下到上共7对。框架整体底部每隔200mm设置一根滚轴，一共11根。

所述加载系统包括立柱7、压力杠杆2、平衡配重块1、加载架5以及托盘6。所述立柱7竖直固定在所述试验箱的侧面，所述压力杠杆2设置在立柱7顶部，压力杠杆2一端设有平衡配重块1，另一端设有托盘6，所述托盘6通过加载架5与所述压力杠杆2相连；所述立柱7顶部为所述压力杠杆2的支撑点。在一个具体实施方式中，一套加载系统包括七个压力杠杆2。每根压力杠杆2全长1500mm，并取压力杠杆2上靠近平衡配重块1端点的5等分点处为支点通过立柱7与主体框架中后框架焊接连接，压力杠杆2与立柱7通过轴承9与螺栓18连接以保证压力杠杆2受最小程度的外摩擦力。取5等分点是有限元计算的结果，是考虑最大荷载以及杠杆截面参数以及安全系数后的最优结果。压力杠杆杠杆短段与平衡配重块1相连接以平衡压力杠杆重力等外力，压力杠杆长段取靠近支点距离300mm位置设置可调节式的平衡螺杆3，加载力通过平衡螺杆3传递至土体，通过调节平衡螺杆3可使压力杠杆2始终处于水平位置。根据试验箱厚度考虑结果，300mm处力的作用点处于箱体正中间，避免土体偏心受力。在压力杠杆长段端点设置挂钩型支架，砝码8放置于加载架5的托盘6上达到加载的目的。

所述加载系统中的每个压力杠杆2可施加最大力为20kN，则一套加载系统可施加的最大力为7*20kN。立柱7高1700mm，与前后框架采用同一材质，为外边长为50mm*50mm，壁厚为6mm的方形钢管，焊接连接在后框架上，从中间点开始向两边每间隔333mm等距对称分布。压力杠杆2在与立柱7的支撑点处焊接轴承9，压力杠杆为直径50mm、全长1500mm的圆柱形钢管。平衡配重块1根据空杆重量可调节，在加载架5上没有砝码8时保证杠杆的平衡。平衡螺杆3为外径15mm，长300mm的螺杆，所述平衡螺杆3上设有手轮4，可根据需要调节平衡螺杆3位置。加载架5为可挂在压力杠杆2的挂钩型支架，上设托盘6。

所述测量系统包括位移测量装置和应力测量装置。所述位移测量装置包括用于测量土体沉降量的平衡螺杆3，以及标尺，在测量坍落拱时可用其探针测量具体坍落量。所平衡螺杆3设置在所述支撑点和所述托盘6之间的压力杠杆2上；加载力通过平衡螺杆3传递至土体，通过可调节平衡螺杆3使压力杠杆2始终处于水平位置。所述应力测量装置为设置在隧道衬砌模拟管道上的应变片21，可以测量出不同状态下的隧道支护措施所受应力变化以及预埋进土体的土压力盒测试土体的应力变化。

本发明还提供一种可以调节坍落拱宽度并测量土体沉降的多功能隧道模型试验装置的试验方法，其试验步骤如下：

步骤一：按照需要组装试验箱：将主体框架10及相应滚轴11，并组装相应的侧边钢板12、前面的亚克力板13、底板等承压侧板。

步骤二：根据需求，布置模型试验：

情况一：在组装好的试验箱中装填待研究土样并压实，在土样装填完毕后在试验箱的顶部安置传力钢板20以便将集中力转化为应力；

情况二：在组装好的试验箱中装填相应研究土样并压实过程中，在前面的亚克力板13中间孔洞19处安装贴有应变片21的隧道衬砌模型，在土样中根据试验需求埋设土压力盒，在土样装填完毕后在试验箱的顶部安置传力钢板20以便将集中力转化为应力。

步骤三：调节平衡配重块1使得压力杠杆2处于水平状态，调节平衡螺杆3使之与传力钢板20处于刚接触而不施加力的状态，使得加载的荷载计算更为简洁高效，减小试验误差。

步骤四：根据荷载要求，在托盘6上放置相应的砝码8，同时观察压力杠杆2是否处于水平状态，并通过调节平衡螺杆3使得其一直处于水平状态，维持压力，当土体沉降速率小于某一满足试验需求的值即认为沉降完成。

步骤五：根据试验需求，监测坍落量、土体变形、结构受力状态等待测数据：

在步骤二使用所述情况一的情况下，本步骤使用下述操作：

情况三：向外拉动滑动底板14并从中间向两侧依次拆除底部隔板15，测量坍落量、坍落拱的形态曲面以及土体沉降量；具体的，通过正面有机玻璃处拍照结合图像分析技术初步确定坍落拱的平面二维形状；清理掉落下土体后，通过下部200mm的空间将卡尺伸进箱体下部坍落拱裸露处测量深度；结合上述两个方面的测量可以实现坍落拱的数值三维重现，即完成坍落拱量的测量；

在步骤二使用所述情况二的情况下，本步骤使用下述操作：

情况四：步骤四加载过程中通过应变片实时监测隧道受力状态变化以及土中应力变化；具体的，通过应变片与应变测试仪可实时监测隧道衬砌模型受力状态的变化，并在本步骤结束试验；

情况五：向外拉动滑动底板14并一根根拆除底部隔板15，测量坍落量、坍落拱的形态曲面以及土体沉降量。拉动过程中同时监测隧道受力状态变化以及土中应力变化；具体的，通过正面有机玻璃处拍照结合图像分析技术初步确定坍落拱的平面二维形状；清理掉落下土体后，通过下部200mm的空间将卡尺伸进箱体下部坍落拱裸露处测量深度；结合上述两个方面的测量可以实现坍落拱的数值三维重现，即完成坍落拱量的测量。通过应变片与应变测试仪可实时监测隧道衬砌模型受力状态的变化。

步骤六：坍落拱稳定性测试：下部坍落拱形成后维持这个状态一段时间后，定量破坏坍落拱，探测土样的沉降量。具体的，步骤四已经提及，通过调节平衡螺杆3使得试验全过程压力杠杆2始终处于水平状态，所以通过对比试验前后受力的平衡螺杆长度即可得到土样的沉降量。

粗粒土成拱能力的影响因素众多(颗粒级配、应力水平、固结程度、含水率等)，目前仍未有成熟理论可对其进行准确预判。本发明装置可对相关影响因素进行有效控制，并通过控制底部滑动底板拉开宽度研究土体坍落拱的形成及其演化过程，并可直接观测坍落拱的成拱形态，相关试验研究对完善有关粗粒土成拱能力及稳定性判别的理论体系有着积极的意义。

有关粗粒土土体滞后沉降问题一直以来都是砂卵石土体隧道施工中的一大难题，但是引发滞后沉降机理并不明确，根据已有研究可以确定几个重要的影响因素。本发明装置可从几个目标影响因素出发，一方面可定量分析其对土体沉降的影响，如试验土体颗粒级配及含水率、土体上部荷载及土体开挖宽度等对沉降影响；一方面可以模拟隧道开挖引发的沉降状态，为工程施工提供理论依据。

随着隧道的大规模建设，新建(拟建)隧道与已有隧道之间的距离越来越近，从土力学的角度出发，两者必定存在相互影响。本发明装置相比于传统隧道模型试验装置实现了在建隧道对已建隧道相互影响模拟。模型箱内特定位置设置已建隧道衬砌模型，并监测其受力状态，可通过拉开滑动底板模拟下部在建隧道开挖对已建成隧道的影响，亦可分析已建隧道对在建隧道开挖稳定性的影响。

综上所述，本发明提供的一种可以调节坍落拱宽度并测量土体沉降的多功能隧道模型试验装置，该装置结构简单、造价低、设计新颖、拆装灵活、易扩展，试验操作简单，可大量节省人力物力。试验通过压力杠杆加载，可调节平衡螺杆使其始终处于平衡状态，试验加载稳定，通过实时测量平衡螺杆的受力段长度变化实现土体沉降监测；调节滑动底板开口宽度可测试土体坍落拱范围及其稳定性；进行隧道模型试验可测试隧道开挖引起的土体沉降、应力变化以及隧道支护结构的受力状态等重要参数。本发明实现了一箱多用，能用于土体坍落、沉降、应力状态以及隧道受力状态、多隧道开挖相互影响等多种方面的试验测试，其功能多样，实用性强，使用效果好，有利于推广。

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。