CN113358851A - 一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置及其试验方法。该模型试验装置包括模型箱、隧道模型、隧道固定装置、监测***和注水抽水***。该模型试验装置可以真实的模拟地下水位变动引起隧道变形的过程，并可以精确的测量地下水位变动时，隧道和周围土***移场和应力场的变化。本试验成本低，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置及其试验方法。
背景技术
随着我国城镇化进程的发展和经济规模大且聚集性强的超大城市的出现，对城市空间和交通运载能力的需求不断增加，城市地下空间的开发利用和地铁建设得到了快速的发展。但我国近年来山洪、内涝和江河洪水等洪涝灾害频发，对地下结构的正常使用产生了巨大的影响。因此，研究水位变动对地下结构的作用机理具有十分重要的现实意义。
目前，工程设计中往往采用简化的静水浮力作为地下结构的设计浮力，而实际工程中地下结构所受浮力更为复杂。实际工程中地下结构所受浮力与土体渗透系数，地下水渗流场，地下结构周围复杂建筑环境等影响因素密切相关。因此，考虑水位变动对地下结构浮力影响并研究其作用机理有利于优化浮力设计。
现有的研究中，大部分学者只针对简单地下结构进行浮力模型试验，而且并未考虑地下结构周围土***移场随地下水位浮动的变化规律。
因此，亟需开发一种可以监测隧道浮力及周围土***移场随水位变动的试验装置及使用方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置，包括模型箱、隧道模型、隧道固定装置、监测***和注水抽水***。
所述模型箱包括模型箱主体、砂土垫层和透水帷幕。所述模型箱主体为上端敞口的矩形箱体。这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述第一侧板为透明侧板。所述砂土垫层铺设在模型箱内腔的底部。所述透水帷幕为U型板状结构。所述透水帷幕竖直布置在模型箱主体的内腔中。所述透水帷幕的开口朝向第一侧板。所述透水帷幕的三块侧板与模型箱主体的对应侧板之间存在间隙。所述透水帷幕、第一侧板和砂土垫层合围出模型土容置空间S。所述模型土容置空间S中填筑有模型土。所述砂土垫层和模型土之间还设置有土工布。
所述隧道模型为空心圆柱体。所述隧道模型埋设在模型土中。所述隧道模型的长度方向与第一侧板的板面垂直。所述隧道模型的一端紧贴第一侧板。
所述隧道固定装置包括支架、U型托架、传力杆和若干固定杆。所述支架包括两根高度可以调节的立柱和十字梁。所述两根立柱分别设置在第二侧板和第四侧板的上表面。所述十字梁包括架设在两根立柱之间的横梁，以及从横梁的梁身上延伸出的悬挑纵梁。所述悬挑纵梁的长度方向与隧道模型的长度方向平行。所述U型托架布置在横梁上表面。所述U型托架具有顶壁和两侧壁。所述横梁中心处设置有供传力杆穿过的孔洞。所述传力杆穿过对应孔洞后，下端与隧道模型固定连接。所述悬挑纵梁上设置有供固定杆穿过的若干个孔洞。所述固定杆包括杆身和卡止部。所述卡止部设置在杆身的上。所述杆身穿过对应孔洞。所述卡止部搁置在悬挑纵梁上。所述杆身的下端与隧道模型固定连接。
所述监测***包括压力监测装置、位移传感器、模型土位移监测装置、土压力传感器、应变传感器、工业相机和孔隙水压力传感器。所述压力监测装置包括泡沫板以及压力传感器。所述压力传感器安置在U型托架的顶壁的下表面。所述泡沫板与压力传感器相连。所述传力杆的上端与泡沫板相连。所述位移传感器安置在固定杆的顶端。所述模型土位移监测装置埋置在隧道模型周围的模型土内，并紧贴第一侧板。所述土压力传感器和孔隙水压力传感器安置在隧道模型的外壁上。所述应变传感器安置在隧道模型的内壁以及外壁上。所述工业相机布置在模型箱外。所述工业相机的拍摄方向朝向第一侧板。
工作时，注水抽水***向透水帷幕与模型箱主体之间的间隙中注水或抽水。所述隧道模型随水位变化而移动。监测***获取隧道模型和周围土***移场和应力场的变化数据和图像。通过分析数据和图像得到地下水位变动导致隧道变形的有关规律。
进一步，所述第一侧板采用有机玻璃制成。所述隧道模型采用轻质塑料制成。
进一步，所述注水抽水***包括若干根水管和水泵。所述水管的一端与水泵相连，另一端伸入透水帷幕与模型箱主体之间的间隙。
进一步，所述隧道模型、传力杆和固定杆的外壁上均匀涂抹有硅树脂润滑脂。
本发明还公开一种采用上述模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)在模型箱主体底部填筑砂土垫层，并自重固结设定时间。
2)在砂土垫层上布置土工布和透水帷幕。
3)在模型土容置空间S内分层填筑模型土至设计高度。埋置隧道模型并与隧道固定装置固定连接。继续填筑模型土至土层设计高度。填筑过程中布置监测***。
4)使用注水抽水***向透水帷幕与模型箱主体之间的间隙中注水至设计水位。将注水的模型土自重固结设定时间。
5)记录压力传感器和位移传感器的数据，作为初始数据。使用工业相机拍摄模型土位移监测装置的初始位置。
6)使用注水抽水***向透水帷幕与模型箱主体之间的间隙中注水至设计水位。使用工业相机持续拍摄模型土位移监测装置随水位上涨过程中位置的变化。记录压力传感器、位移传感器、土压力传感器、应变传感器和孔隙水压力传感器的示数随水位上涨的变化情况。
7)当模型箱中水位到达设计水位高度后静置设定时间。使用工业相机持续拍摄模型土位移监测装置位置随时间的变化。记录压力传感器、位移传感器、土压力传感器、应变传感器和孔隙水压力传感器的示数随时间的变化。
8)使用注水抽水***将模型箱内的水抽出至设计水位。使用工业相机持续拍摄模型土位移监测装置随水位下降过程中位置的变化。记录压力传感器、位移传感器、土压力传感器、应变传感器和孔隙水压力传感器的示数随水位下降的变化。
9)保存图像和数据，整理试验器材。
10)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道模型周围土***移的矢量图。
11)分析整理得到的数据和矢量图，从而得到地下水位变动导致隧道变形的有关规律。
进一步，步骤1)中，在模型箱底部均匀填筑10cm厚的砂土垫层，并自重固结24h。
进一步，步骤4)中，注水的模型土自重固结1个月。
进一步，步骤7)中，模型箱中水位到达设计水位高度后静置10天。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可以真实的模拟地下水位变动引起的隧道变形过程；
B.可以精确测量地下水位变动时隧道模型浮力、隧道模型竖向位移、隧道模型自身应变、隧道周围土***移场、隧道模型周围土压力以及隧道模型周围孔隙水压力的变化规律；
C.***设置合理，试验操作方便，成本低，具有较高的可靠性。
附图说明
图1为模型试验装置结构示意图；
图2为模型箱结构示意图；
图3为隧道模型连接关系示意图；
图4为隧道固定装置结构示意图；
图5为压力监测装置结构示意图；
图6为固定杆结构示意图；
图7为应变传感器布设位置示意图；
图8为土压力传感器布设位置示意图；
图9为孔隙水压力传感器布设位置示意图；
图10为地下水位上涨时隧道模型受力分析图；
图11为地下水位不变时隧道模型受力分析图；
图12为地下水位下降时隧道模型受力分析图。
图中：模型土容置空间S、模型箱1、模型箱主体101、砂土垫层102、透水帷幕103、土工布104、隧道模型2、隧道固定装置3、支架301、立柱3011、横梁3012、悬挑纵梁3013、U型托架302、传力杆303、固定杆304、杆身3041、卡止部3042、压力监测装置4、泡沫板401、压力传感器402、位移传感器5、模型土位移监测装置6、土压力传感器7、应变传感器8、水管9、水泵10、工业相机11、孔隙水压力传感器13。
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。
实施例1：
本实施例提供一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置，包括模型箱1、隧道模型2、隧道固定装置3、监测***和注水抽水***。
所述模型箱1包括模型箱主体101、砂土垫层102和透水帷幕103。所述模型箱主体101为上端敞口的矩形箱体。这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述第一侧板为透明侧板。所述砂土垫层102铺设在模型箱1内腔的底部。所述透水帷幕103为U型板状结构。所述透水帷幕103竖直布置在模型箱主体101的内腔中。所述透水帷幕103的开口朝向第一侧板。所述透水帷幕103的三块侧板与模型箱主体101的对应侧板之间存在间隙。所述透水帷幕103、第一侧板和砂土垫层102合围出模型土容置空间S。所述模型土容置空间S中填筑有模型土。所述砂土垫层102和模型土之间还设置有土工布104。
所述隧道模型2为空心圆柱体。所述隧道模型2埋设在模型土中。所述隧道模型2的长度方向与第一侧板的板面垂直。所述隧道模型2的一端紧贴第一侧板。
所述隧道固定装置3包括支架301、U型托架302、传力杆303和固定杆304。所述支架301包括两根高度可以调节的立柱3011和十字梁。所述两根立柱3011分别设置在第二侧板和第四侧板的上表面。所述十字梁包括架设在两根立柱3011之间的横梁3012，以及从横梁3012的梁身上延伸出的悬挑纵梁3013。所述悬挑纵梁3013的长度方向与隧道模型2的长度方向平行。所述U型托架302布置在横梁3012上表面。所述U型托架302具有顶壁和两侧壁。所述横梁3012中心处设置有供传力杆303穿过的孔洞。所述传力杆303穿过对应孔洞后，下端与隧道模型2固定连接。所述悬挑纵梁3013上设置有供固定杆304穿过的个孔洞。所述固定杆304包括杆身3041和卡止部3042。所述卡止部3042设置在杆身3041的上。所述杆身3041穿过对应孔洞。所述卡止部3042搁置在悬挑纵梁3013上。所述杆身3041的下端与隧道模型2固定连接。
所述监测***包括压力监测装置4、位移传感器5、模型土位移监测装置6、土压力传感器7、应变传感器8、工业相机11和孔隙水压力传感器13。所述压力监测装置4包括泡沫板401以及压力传感器402。所述压力传感器402安置在U型托架302的顶壁的下表面。所述泡沫板401与压力传感器402相连。所述传力杆303的上端与泡沫板401相连。所述位移传感器5安置在固定杆304的顶端。所述模型土位移监测装置6埋置在隧道模型2周围的模型土内，并紧贴第一侧板。所述土压力传感器7和孔隙水压力传感器13安置在隧道模型2的外壁上。所述应变传感器8安置在隧道模型2的内壁以及外壁上。所述工业相机11布置在模型箱1外。所述工业相机11的拍摄方向朝向第一侧板。
工作时，注水抽水***向透水帷幕103与模型箱主体101之间的间隙中注水或抽水。所述隧道模型2随水位变化而移动。监测***获取隧道模型2和周围土***移场和应力场的变化数据和图像。通过分析数据和图像得到地下水位变动导致隧道变形的有关规律。
本实施例可以真实的模拟地下水位变动引起隧道变形的过程，并可以精确的测量地下水位变动时，隧道和周围土***移场和应力场的变化。本实施例成本低，具有广阔的应用前景。
实施例2：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述第一侧板采用有机玻璃制成。所述隧道模型2采用轻质塑料制成。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述注水抽水***包括若干根水管9和水泵10。所述水管9的一端与水泵10相连，另一端伸入透水帷幕103与模型箱主体101之间的间隙。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述隧道模型2、传力杆303和固定杆304的外壁上均匀涂抹有硅树脂润滑脂。
实施例5：
参见图1，本实施例提供一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置，包括模型箱1、隧道模型2、隧道固定装置3、监测***和注水抽水***。
参见图2，所述模型箱1包括模型箱主体101、砂土垫层102和透水帷幕103。所述模型箱主体101为上端敞口的矩形箱体。这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述第一侧板为透明侧板。所述第一侧板采用有机玻璃制成。所述砂土垫层102铺设在模型箱1内腔的底部。所述透水帷幕103为U型板状结构。所述透水帷幕103竖直布置在模型箱主体101的内腔中。所述透水帷幕103的开口朝向第一侧板。所述透水帷幕103的三块侧板与模型箱主体101的对应侧板之间存在间隙。所述透水帷幕103、第一侧板和砂土垫层102合围出模型土容置空间S。所述模型土容置空间S中填筑有模型土。所述砂土垫层102和模型土之间还设置有土工布104。
所述隧道模型2为空心圆柱体。所述隧道模型2采用轻质塑料制成。所述隧道模型2埋设在模型土中。所述隧道模型2的长度方向与第一侧板的板面垂直。所述隧道模型2的一端紧贴第一侧板。
参见图3和图4，所述隧道固定装置3包括支架301、U型托架302、传力杆303和两根固定杆304。所述支架301包括两根高度可以调节的立柱3011和十字梁。所述两根立柱3011分别设置在第二侧板和第四侧板的上表面。所述十字梁包括架设在两根立柱3011之间的横梁3012，以及从横梁3012的梁身上延伸出的悬挑纵梁3013。所述悬挑纵梁3013的长度方向与隧道模型2的长度方向平行。所述U型托架302布置在横梁3012上表面。所述U型托架302具有顶壁和两侧壁。所述横梁3012中心处设置有供传力杆303穿过的孔洞。所述传力杆303穿过对应孔洞后，下端与隧道模型2固定连接。所述悬挑纵梁3013上设置有供固定杆304穿过的两个孔洞。参见图6，所述固定杆304包括杆身3041和卡止部3042。所述卡止部3042设置在杆身3041的上。所述杆身3041穿过对应孔洞。所述卡止部3042搁置在悬挑纵梁3013上。所述杆身3041的下端与隧道模型2固定连接。所述隧道模型2、传力杆303和固定杆304的外壁上均匀涂抹有硅树脂润滑脂。
所述监测***包括压力监测装置4、位移传感器5、模型土位移监测装置6、土压力传感器7、应变传感器8、工业相机11和孔隙水压力传感器13。参见图5，所述压力监测装置4包括泡沫板401以及压力传感器402。所述压力传感器402安置在U型托架302的顶壁的下表面。所述泡沫板401与压力传感器402相连。所述传力杆303的上端与泡沫板401相连。所述位移传感器5安置在固定杆304的顶端。在本实施例中，所述模型土位移监测装置6采用特殊监测点。所述模型土位移监测装置6埋置在隧道模型2周围的模型土内，并紧贴第一侧板。参见图7、图8和图9，所述土压力传感器7和孔隙水压力传感器13安置在隧道模型2的外壁上。所述应变传感器8安置在隧道模型2的内壁以及外壁上。所述工业相机11布置在模型箱1外。所述工业相机11的拍摄方向朝向第一侧板。
所述注水抽水***包括多根水管9和水泵10。所述水管9的一端与水泵10相连，另一端伸入透水帷幕103与模型箱主体101之间的间隙。
工作时，注水抽水***向透水帷幕103与模型箱主体101之间的间隙中注水或抽水。随着地下水位不断变化，隧道模型2会移动，从而导致与隧道模型2相连的传力杆303和固定杆304移动。传力杆303将隧道模型2受到的合力通过泡沫板401传递到压力传感器402，从而压力传感器402显示的是隧道模型2受到的合力的大小。位移传感器5通过监测固定杆304的位移变化从而反应隧道模型2竖向位移的变化。随着隧道模型2的移动，隧道模型2周围埋置的特殊监测点的位置也会发生变化，通过PIV图像处理技术可以得到隧道模型周围土***移的矢量图。通过记录土压力传感器7、应变传感器8和孔隙水压力传感器13的数据变化，从而得到隧道模型2周围土压力、孔隙水压力和自身应变的变化。
对隧道结构模型进行受力分析：隧道模型在土层中受到隧道模型自重W、隧道模型外壁受到土压力P、地下水浮力Fb和隧道模型外壁摩擦力f。通过压力监测***可以测得隧道模型受到的合力F。通过土压力传感器可以得到隧道模型受到的环向土压力P。通过空隙水压力传感器可以得到隧道模型外壁受到的水压力Pw。通过受力分析可知，隧道模型两侧的环向土压力P水平分量相互抵消。通过分析和计算可以得到环向土压力P的竖向分量Ws。隧道模型受到的侧壁摩擦力f由隧道模型外壁受到土压力P提供，通过公式f＝μP可以得到隧道模型受到的环向外壁摩擦力，通过受力分析可知，隧道模型外壁摩擦力f水平分量相互抵消，通过分析和计算可以得到环向外壁摩擦力的竖向分量fv。
摩擦系数通常采用测定斜坡下滑角度的方法。操作方法为将装满模型土的容器倒扣在与隧道结构模型材料相同的塑料板上，而后将塑料板逐渐倾斜，当装有模型土的容器开始下滑时，记录倾角α，摩擦系数μ＝tanα。
通过分析，如图10，当地下水位上涨时，隧道模型受到浮力：
W+F-Ws+fv＝Fb
通过分析，如图11，当地下水位下降时，隧道模型受到浮力：
W+F-Ws-fv＝Fb
通过分析，如图12，当地下水位稳定时，隧道模型受到浮力：
W+F-Ws＝Fb
实施例6：
本实施例提供采用实施例1～5所述任意一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)在模型箱主体101底部填筑砂土垫层102，并自重固结设定时间。
2)在砂土垫层102上布置土工布104和透水帷幕103。
3)在模型土容置空间S内分层填筑模型土至设计高度。埋置隧道模型2并与隧道固定装置3固定连接。继续填筑模型土至土层设计高度。填筑过程中布置监测***。
4)使用注水抽水***向透水帷幕103与模型箱主体101之间的间隙中注水至设计水位。将注水的模型土自重固结设定时间。
5)记录压力传感器402和位移传感器5的数据，作为初始数据。使用工业相机11拍摄模型土位移监测装置6的初始位置。
6)使用注水抽水***向透水帷幕103与模型箱主体101之间的间隙中注水至设计水位。使用工业相机11持续拍摄模型土位移监测装置6随水位上涨过程中位置的变化。记录压力传感器402、位移传感器5、土压力传感器7、应变传感器8和孔隙水压力传感器13的示数随水位上涨的变化情况。
7)当模型箱1中水位到达设计水位高度后静置设定时间。使用工业相机11持续拍摄模型土位移监测装置6位置随时间的变化。记录压力传感器402、位移传感器5、土压力传感器7、应变传感器8和孔隙水压力传感器13的示数随时间的变化。
8)使用注水抽水***将模型箱1内的水抽出至设计水位。使用工业相机11持续拍摄模型土位移监测装置6随水位下降过程中位置的变化。记录压力传感器402、位移传感器5、土压力传感器7、应变传感器8和孔隙水压力传感器13的示数随水位下降的变化。
9)保存图像和数据，整理试验器材。
10)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道模型2周围土***移的矢量图。
11)分析整理得到的数据和矢量图，从而得到地下水位变动导致隧道变形的有关规律。
实施例7：
本实施例提供采用实施例5所述任意一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)按设计尺寸制作模型箱1、隧道模型2以及隧道固定装置3。
2)清洗模型箱1、隧道模型2以及隧道固定装置3，并用干毛巾擦净。
3)在模型箱1底部均匀填筑10cm厚砂土垫层102，自重固结24h。
4)在砂土垫层102上铺设土工布104和透水帷幕103。
5)布置并调整水泵10、工业相机11和水管9。
6)在模型土容置空间S内分层填筑模型土至设计高度。埋置隧道模型2，并通过传力杆303和固定杆304固定，确保传力杆303顶端与泡沫板401底面相接触，隧道模型2一端紧贴第一侧板。再继续填筑模型土至土层设计高度。填筑过程中同时埋设模型土位移监测装置6，并使模型土位移监测装置6紧贴第一侧板，保证透过第一侧板可观测到模型土位移监测装置6。
7)使用水泵10通过水管9向模型箱1内缓慢匀速注水到设计水位，注水速度根据试验要求确定。将注水的模型土自重固结1个月。
8)固结完成后，记录压力监测装置4、位移传感器5、土压力传感器7、应变传感器8和孔隙水压力传感器13的数据，作为初始数据。使用工业相机11拍摄模型土位移监测装置6的位置，作为模型土位移监测装置6的初始位置。
9)使用水泵10通过水管9向模型箱1内缓慢匀速注水到设计水位，注水速度根据试验要求确定。使用工业相机11持续拍摄模型土位移监测装置6随水位上涨过程中位置的变化。记录压力监测装置4、位移传感器5、土压力传感器7、应变传感器8和孔隙水压力传感器13的数据示数随水位上涨的变化。
10)当模型箱1中水位到达设计水位高度后静置10天。使用工业相机11持续拍摄模型土位移监测装置6位置随时间的变化。记录压力监测装置4、位移传感器5、土压力传感器7、应变传感器8和孔隙水压力传感器13的数据示数随时间的变化。
11)使用水泵10通过水管9将模型箱1内的水缓慢匀速抽出到设计水位，抽水速度根据试验要求确定。使用工业相机11持续拍摄模型土位移监测装置6随水位下降过程中位置的变化。记录压力监测装置4、位移传感器5、土压力传感器7、应变传感器8和孔隙水压力传感器13的数据示数随水位下降的变化。
12)保存图像和数据，整理试验器材。
13)使用PIV技术处理试验图像，得高隧道模型2周围土***移的矢量图。
14)分析整理得到的数据和矢量图，从而得到地下水位变动导致隧道变形的有关规律。
Claims (8)
1.一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、隧道模型(2)、隧道固定装置(3)、监测***和注水抽水***；
所述模型箱(1)包括模型箱主体(101)、砂土垫层(102)和透水帷幕(103)；所述模型箱主体(101)为上端敞口的矩形箱体；这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板；所述第一侧板为透明侧板；所述砂土垫层(102)铺设在模型箱(1)内腔的底部；所述透水帷幕(103)为U型板状结构；所述透水帷幕(103)竖直布置在模型箱主体(101)的内腔中；所述透水帷幕(103)的开口朝向第一侧板；所述透水帷幕(103)的三块侧板与模型箱主体(101)的对应侧板之间存在间隙；所述透水帷幕(103)、第一侧板和砂土垫层(102)合围出模型土容置空间(S)；所述模型土容置空间(S)中填筑有模型土；所述砂土垫层(102)和模型土之间还设置有土工布(104)；
所述隧道模型(2)为空心圆柱体；所述隧道模型(2)埋设在模型土中；所述隧道模型(2)的长度方向与第一侧板的板面垂直；所述隧道模型(2)的一端紧贴第一侧板；
所述隧道固定装置(3)包括支架(301)、U型托架(302)、传力杆(303)和若干固定杆(304)；所述支架(301)包括两根高度可以调节的立柱(3011)和十字梁；所述两根立柱(3011)分别设置在第二侧板和第四侧板的上表面；所述十字梁包括架设在两根立柱(3011)之间的横梁(3012)，以及从横梁(3012)的梁身上延伸出的悬挑纵梁(3013)；所述悬挑纵梁(3013)的长度方向与隧道模型(2)的长度方向平行；所述U型托架(302)布置在横梁(3012)上表面；所述U型托架(302)具有顶壁和两侧壁；所述横梁(3012)中心处设置有供传力杆(303)穿过的孔洞；所述传力杆(303)穿过对应孔洞后，下端与隧道模型(2)固定连接；所述悬挑纵梁(3013)上设置有供固定杆(304)穿过的若干个孔洞；所述固定杆(304)包括杆身(3041)和卡止部(3042)；所述卡止部(3042)设置在杆身(3041)的上；所述杆身(3041)穿过对应孔洞；所述卡止部(3042)搁置在悬挑纵梁(3013)上；所述杆身(3041)的下端与隧道模型(2)固定连接；
所述监测***包括压力监测装置(4)、位移传感器(5)、模型土位移监测装置(6)、土压力传感器(7)、应变传感器(8)、工业相机(11)和孔隙水压力传感器(13)；所述压力监测装置(4)包括泡沫板(401)以及压力传感器(402)；所述压力传感器(402)安置在U型托架(302)的顶壁的下表面；所述泡沫板(401)与压力传感器(402)相连；所述传力杆(303)的上端与泡沫板(401)相连；所述位移传感器(5)安置在固定杆(304)的顶端；所述模型土位移监测装置(6)埋置在隧道模型(2)周围的模型土内，并紧贴第一侧板；所述土压力传感器(7)和孔隙水压力传感器(13)安置在隧道模型(2)的外壁上；所述应变传感器(8)安置在隧道模型(2)的内壁以及外壁上；所述工业相机(11)布置在模型箱(1)外；所述工业相机(11)的拍摄方向朝向第一侧板；
工作时，注水抽水***向透水帷幕(103)与模型箱主体(101)之间的间隙中注水或抽水；所述隧道模型(2)随水位变化而移动；监测***获取隧道模型(2)和周围土***移场和应力场的变化数据和图像；通过分析数据和图像得到地下水位变动导致隧道变形的有关规律。
2.根据权利要求1所述的一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置，其特征在于：所述第一侧板采用有机玻璃制成；所述隧道模型(2)采用轻质塑料制成。
3.根据权利要求1所述的一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置，其特征在于：所述注水抽水***包括若干根水管(9)和水泵(10)；所述水管(9)的一端与水泵(10)相连，另一端伸入透水帷幕(103)与模型箱主体(101)之间的间隙。
4.根据权利要求1所述的一种模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置，其特征在于：所述隧道模型(2)、传力杆(303)和固定杆(304)的外壁上均匀涂抹有硅树脂润滑脂。
5.一种采用权利要求1所述模拟地下水位变动引起隧道变形的模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在模型箱主体(101)底部填筑砂土垫层(102)，并自重固结设定时间；
2)在砂土垫层(102)上布置土工布(104)和透水帷幕(103)；
3)在模型土容置空间(S)内分层填筑模型土至设计高度；埋置隧道模型(2)并与隧道固定装置(3)固定连接；继续填筑模型土至土层设计高度；填筑过程中布置监测***；
4)使用注水抽水***向透水帷幕(103)与模型箱主体(101)之间的间隙中注水至设计水位；将注水的模型土自重固结设定时间；
5)记录压力传感器(402)和位移传感器(5)的数据，作为初始数据；使用工业相机(11)拍摄模型土位移监测装置(6)的初始位置；
6)使用注水抽水***向透水帷幕(103)与模型箱主体(101)之间的间隙中注水至设计水位；使用工业相机(11)持续拍摄模型土位移监测装置(6)随水位上涨过程中位置的变化；记录压力传感器(402)、位移传感器(5)、土压力传感器(7)、应变传感器(8)和孔隙水压力传感器(13)的示数随水位上涨的变化情况；
7)当模型箱(1)中水位到达设计水位高度后静置设定时间；使用工业相机(11)持续拍摄模型土位移监测装置(6)位置随时间的变化；记录压力传感器(402)、位移传感器(5)、土压力传感器(7)、应变传感器(8)和孔隙水压力传感器(13)的示数随时间的变化；
8)使用注水抽水***将模型箱(1)内的水抽出至设计水位；使用工业相机(11)持续拍摄模型土位移监测装置(6)随水位下降过程中位置的变化；记录压力传感器(402)、位移传感器(5)、土压力传感器(7)、应变传感器(8)和孔隙水压力传感器(13)的示数随水位下降的变化；
9)保存图像和数据，整理试验器材；
10)使用PIV技术处理试验图像，得到隧道模型(2)周围土***移的矢量图；
11)分析整理得到的数据和矢量图，从而得到地下水位变动导致隧道变形的有关规律。
6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：步骤1)中，在模型箱(1)底部均匀填筑10cm厚的砂土垫层(102)，并自重固结24h。
7.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：步骤4)中，注水的模型土自重固结1个月。
8.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：步骤7)中，模型箱(1)中水位到达设计水位高度后静置10天。
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