CN106567416A - 一种透明土地基中隧道开挖的模型试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明土地基中隧道开挖的模型试验装置和试验方法。试验装置包括模型槽、透明土、分段水囊、工业相机、激光发射器、激光器移动轨道，有机玻璃模型槽中安放透明土，分段水囊埋置于透明土中，每个水囊都设置有排水管和阀门。本发明通过埋入模型槽中的水囊模拟将开挖的隧道部分，通过对水囊的排水模拟隧道开挖过程。试验方法中，水囊逐个放水，放水过程中采用工业相机拍摄激光平面，通过软件分析得到三维变形特性等步骤。本发明可以将实际操作空间很大的地下隧道开挖过程通过一个模型试验进行模拟，模型简单、使用方便、试验费用低、模拟效果好，且能实现土体内部变形的高精度实时测量，得到三维变形场。

Description

一种透明土地基中隧道开挖的模型试验装置和试验方法

技术领域

本发明属于土木建筑工程技术领域，特别涉及一种透明土地基中隧道开挖的模型试验装置和其使用方法。

背景技术

在流动性较强的砂土地层中进行隧道开挖，由于土体强度不高，当隧道断面较大时易导致开挖面失稳，进而可能导致过大的地表沉降，引起周围建构筑物倾斜或开裂，带来大量经济损失。

而由于隧道埋于地下，一般的模型试验无法观测隧道周围地基的变形情况，只能得到地表的沉降变化。若采用位移计等测量仪器，可得到内部某些关键点的位移，而这些点之外的位移则只能估算，如果选点不准，可能得出与实际情况相差较大的结果。而且当模型试验装置较小时，埋置在地基中的应变片等可能对地基土的性质造成影响。而采用大尺寸试验，选点的问题也没有得到解决，且试验成本高。

透明土的基本原理是利用透明颗粒材料和具有相同折射率的孔隙液体混合，排出空气得到的透明的饱和土，该土体与天然土体具有相似的岩土工程性质。利用激光器可以在透明土中形成散斑场，可以用工业相机拍出高精度的图片。PIV技术是基于图像匹配技术发展起来的一种流体速度测量技术，通过对比不同时刻的图片灰度值，利用关联函数可以得到不同时刻的相对位移，从而得到桩承式路堤中路堤土内部的宏观变形过程。在本发明之前，透明土技术主要用来模拟打桩施工过程、边坡滑动等，对于地下建筑结构施工的模拟鲜见报道。

发明内容

为了克服已有地下隧道开挖的模型试验装置的不足，本发明提供一种地下隧道施工模型试验装置和使用方法，其可以模拟地下隧道开挖前、后全三维空间变形分布，得到开挖过程中的三维变形场。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种透明土地基中隧道开挖的模型试验装置，其特征在于:该试验装置包括模型槽、透明土、工业相机、激光发射器，以及若干个水囊；

在有机玻璃模型槽中进行隧道开挖模型试验，模型槽中填筑部分透明土后，在透明土表面安放若干个水囊，这些水囊处于同一列，每个水囊内充满透明孔隙液体；继续在有机玻璃模型槽中筑部透明土至设计高度，水囊便埋设在透明土中；水囊所在的区域模拟了隧道的开挖区域，一列水囊的长度方向为模拟的隧道的开挖方向。每个水囊都单独设置有排水管道和阀门，排水管一端连接水囊，另一端伸出模型槽连接专门盛放透明孔隙液体的容器，排水管阀门可控制出水速率。

试验中，采用两组成像装置，每一组成像装置包括照相机和激光发射器；激光发射器发射的激光形成一个平面，穿透透明土，激光面均与水平面垂直；两组成像装置中的激光发射器分别形成一个平行于隧道开挖方向的激光面(激光器I产生)，一个垂直于隧道开挖方向的激光面(激光器II产生)。通过对两个工业相机采集的图像用PIV技术相关软件进行处理，可得到隧道开挖过程中透明土地基中的三维变形场。水囊中装有与透明土折射率相同的透明孔隙液体，水囊中液体可通过排水管排出；试验时，从一端到另一端，逐个将水囊中的透明液体放出，模拟隧道开挖过程，直至试验完成。

本发明还公开一种基于上述装置的透明土地基中隧道开挖的模型试验方法，包括以下步骤：

1)设计实验方案，确定透明土填土高度，隧道尺寸及埋深。

2)清洗有机玻璃模型槽并擦净；

3)配置透明液体，关好水囊的排水管阀门，将透明液体分别装入每一个水囊；向模型槽中倒入透明液体，将石英砂慢慢撒入模型槽中进行配土。

4)配土到设计高度以后，将水囊分段放入，各个水囊紧密贴合排成一线；将各个水囊排水管伸出，排水管的出水口置于有机玻璃模型外部的容器中，所述容器须低于水囊底部。

5)继续配土，使水囊被埋设在透明土中，水囊上覆的透明土高度满足设计的埋深要求。如果透明土中混入了过多气泡，配完土后应使用真空饱和器使透明土饱和。

6)安装好两组成像***的工业相机固定支架和激光发射器轨道，固定并调试好相机，打开激光发射器，并缓慢增加激光强度，关闭室内光源。在安装相机和激光发射器时，相机镜头轴线垂直于激光器所在平面。

两组成像***分别记为成像***I和成像***II；成像***I的激光发射器I与相机I连接线记为连线I；成像***II的激光发射器II与相机II连接线记为连线II；连线I平行于一列水囊的长度方向，连线II垂直于一列水囊的长度方向；

7)将靠近相机I的第一个水囊阀门打开，匀速放出第一个水囊中的透明液体，盖上激光发射器I上的遮光片并将激光发射器II对准第一个水囊中轴线，采集图像。用激光发射器照射模型槽形成散斑场，多次平行移动激光发射器II，采集一系列垂直于开挖方向的图像。随后盖上激光发射器II上的遮光片，取消对激光发射器I的遮挡，同样多次移动激光发射器I，采集一系列平行于开挖方向的图像。

8)向着激光发射器I的方向逐个放出各个水囊中透明液体，采用类似于步骤7)的采集图像方法，直至所有水囊中的液体放光。液体放出的过程中用量杯测量放出液体的体积并记录。

9)用PIV技术相关软件对采集的图像进行识别处理，得到隧道开挖过程中透明土地基的三维变形场。

本发明的优点和效果在于：通过埋入模型槽中的水囊模拟将开挖的隧道部分，对水囊的排水模拟隧道开挖过程。而采用两个激光发射器和两个相机可得到两组平面的透明土变形照片，经过软件分析能获得隧道开挖过程中地基中的三维变形场。本发明可以模拟地下隧道开挖前、后三维变形分布，不用埋入应变计等测量仪器。将实际操作空间很大的施工过程通过一个模型试验进行模拟，模型简单、使用方便、试验费用低、模拟效果好。

附图说明

图1是本发明的模型试验装置示意图。

图2是模型试验装置立面图。

图3是模型试验装置左视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

参见图1～3，本实施例公开一种透明土地基中隧道开挖的模型试验装置，该试验装置包括模型槽1、透明土、工业相机5/6、激光发射器4/7，以及若干个水囊2；

在有机玻璃模型槽1中进行隧道开挖模型试验，模型槽1中填筑部分透明土后，在透明土表面安放若干个水囊2，这些水囊2处于同一列，每个水囊2内充满透明孔隙液体；继续在有机玻璃模型槽1中筑部透明土至设计高度，水囊2便埋设在透明土中；水囊2所在的区域模拟了隧道的开挖区域，一列水囊2的长度方向为模拟的隧道的开挖方向。每个水囊2都单独设置有排水管3和阀门，排水管3一端连接水囊2，另一端伸出模型槽1连接专门盛放透明孔隙液体的容器(实施例中为烧杯8)，排水管3的阀门可控制出水速率。

试验时，包括以下步骤：

1)设计实验方案，确定透明土填土高度，隧道尺寸及埋深。

2)清洗有机玻璃模型槽1并用干毛巾擦净，其表面的灰尘会影响透明土散斑场，而表面有水则会影响透明液体的折射率。

3)配置透明液体，15#白油和正十二烷的混合液，使其折射率为1.4585，关好水囊2的排水管3阀门，将透明液体分别装入每一个水囊2；向模型槽1中倒入透明液体，将石英砂慢慢撒入模型槽1中进行配土。

4)配土到设计高度以后，将水囊2分段放入，各个水囊2紧密贴合排成一线；将各个水囊2排水管3伸出，排水管3的出水口置于有机玻璃模型外部的容器中，所述容器须低于水囊2底部。

5)继续配土，使水囊2被埋设在透明土中，水囊2上覆的透明土高度满足设计的埋深要求。如果透明土中混入了过多气泡，配完土后应使用真空饱和器使透明土饱和。

6)如图1所示布置两组成像***。安装好两组成像***的工业相机固定支架和激光发射器轨道，固定并调试好相机，打开激光发射器，并缓慢增加激光强度，关闭室内光源。在安装相机和激光发射器时，相机镜头轴线垂直于激光器所在平面。

两组成像***分别记为成像***I和成像***II；成像***I的激光发射器I(图中编号为7)与相机I(图中编号为6)连接线记为连线I；成像***II的激光发射器II(图中编号为4)与相机II(图中编号为5)连接线记为连线II；连线I平行于一列水囊2的长度方向，连线II垂直于一列水囊2的长度方向；

7)将靠近相机I的第一个水囊2阀门打开，匀速放出第一个水囊2中的透明液体，将激光发射器II对准第一个水囊2中轴线，采集图像。用激光发射器照射模型槽1形成散斑场，并多次平行移动激光发射器II，采集一系列图像。

8)向着激光发射器I的方向逐个放出各个水囊2中透明液体，采用类似于步骤7)的采集图像方法，直至所有水囊2中的液体放光。液体放出的过程中用量杯测量放出液体的体积并记录。

9)用PIV技术相关软件对采集的图像进行识别处理，得到隧道开挖过程中透明土地基的三维变形场。

Claims (2)

1.一种透明土地基中隧道开挖的模型试验装置，其特征在于:该试验装置包括模型槽、透明土、工业相机、带遮光片的激光发射器，以及若干个水囊；

在所述有机玻璃模型槽中进行隧道开挖模型试验，模型槽中填筑部分透明土后，在透明土表面安放若干个水囊，这些水囊处于同一列，每个水囊内充满所述透明孔隙液体；继续在有机玻璃模型槽中筑部透明土至设计高度，水囊便埋设在透明土中；水囊所在的区域模拟了隧道的开挖区域，一列水囊的长度方向为模拟的隧道的开挖方向。每个水囊都单独设置有排水管道和阀门，排水管一端连接水囊，另一端伸出模型槽连接专门盛放透明孔隙液体的容器，排水管阀门可控制出水速率。

试验中，采用两组成像装置，每一组成像装置包括照相机和激光发射器；激光发射器发射的激光形成一个平面，穿透透明土，激光面均与水平面垂直；两组成像装置中的激光发射器分别形成一个平行于隧道开挖方向的激光面(激光器I产生)，一个垂直于隧道开挖方向的激光面(激光器II产生)。通过对两个工业相机采集的图像用PIV技术相关软件进行处理，可得到隧道开挖过程中透明土地基中的三维变形场。水囊中装有与透明土折射率相同的透明孔隙液体，水囊中液体可通过排水管排出；试验时，从一端到另一端，逐个将水囊中的透明液体放出，模拟隧道开挖过程，直至试验完成。

2.一种基于权利要求1所述装置的透明土地基中隧道开挖的模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设计实验方案，确定透明土填土高度，隧道尺寸及埋深。

2)清洗有机玻璃模型槽并擦净；

3)配置透明液体，关好水囊的排水管阀门，将透明液体分别装入每一个水囊；向模型槽中倒入透明液体，将石英砂慢慢撒入模型槽中进行配土。

4)配土到设计高度以后，将水囊分段放入，各个水囊紧密贴合排成一线；将各个水囊排水管伸出，排水管的出水口置于有机玻璃模型外部的容器中，所述容器须低于水囊底部。

5)继续配土，使水囊被埋设在透明土中，水囊上覆的透明土高度满足设计的埋深要求。如果透明土中混入了过多气泡，配完土后应使用真空饱和器使透明土饱和。

6)安装好两组成像***的工业相机固定支架和激光发射器轨道，固定并调试好相机，打开激光发射器，并缓慢增加激光强度，关闭室内光源。在安装相机和激光发射器时，相机镜头轴线垂直于激光器所在平面。

两组成像***分别记为成像***I和成像***II；成像***I的激光发射器I与相机I连接线记为连线I；成像***II的激光发射器II与相机II连接线记为连线II；连线I平行于一列水囊的长度方向，连线II垂直于一列水囊的长度方向；

7)将靠近相机I的第一个水囊阀门打开，匀速放出第一个水囊中的透明液体，盖上激光发射器I上的遮光片并将激光发射器II对准第一个水囊中轴线，采集图像。用激光发射器照射模型槽形成散斑场，多次平行移动激光发射器II，采集一系列垂直于开挖方向的图像。随后盖上激光发射器II上的遮光片，取消对激光发射器I的遮挡，同样多次移动激光发射器I，采集一系列平行于开挖方向的图像。

8)向着激光发射器I的方向逐个放出各个水囊中透明液体，采用类似于步骤7)的采集图像方法，直至所有水囊中的液体放光。液体放出的过程中用量杯测量放出液体的体积并记录。

9)用PIV技术相关软件对采集的图像进行识别处理，得到隧道开挖过程中透明土地基的三维变形场。