專利名稱：一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)。
背景技術：
地裂縫是一種常見的地質災害，在全世界許多國家都有發(fā)現，如中國、美國、土耳其、泰國、利比亞等均發(fā)現有地裂縫的存在。我國的地裂縫分布十分廣泛，近年來具有范圍不斷擴大，危害不斷加重的趨勢。地裂縫造成的損失是多種多樣的，直接損失主要有地表工業(yè)和民用建筑損失、地下供水、供氣管道設施破壞損失等；間接損失則更為嚴重，常造成生產廠房、車間的破壞造成停產，管道的破壞造成停水、停電、停氣、漏水、漏氣、引起環(huán)境惡化等。在我國迄今為止已造成數十億元的直接經濟損失，對城市建設用地的有效利用和城市發(fā)展留下了重大的安全隱患。 而在地裂縫分布區(qū)域內進行地鐵建設，更成為一種難題。通常的研究手段包括現場試驗、數值模擬和模型試驗。然而，在實際工程中很難進行有效監(jiān)測；數值模擬的方法可以模擬多種工況，但目前仍然沒有一種準確描述隧道底部脫空問題的有限元模型；通過開展模型試驗對不同地質條件和工程條件的進行模擬，能夠直觀、全面地反映建筑結構與巖土體之間的相互作用關系，而且還可以觀察到建筑結構和巖土體的微小變形趨勢，得到接近實際工程的應力和變形機制，進而為力學計算模型的建立提供有力的理論支持。模型試驗已經成為一種用于研究地下結構的非常行之有效的分析手段。目前已有的試驗設計，多為混凝土大型模型試驗，成本高；一次試驗后，材料無法再次利用，周期長；試驗只能通過傳感器采集，無法觀察到隧道與土體之間的實際變形情況；測試元件多，在鋪設過程中易產生難以發(fā)覺的人為誤差，在數據處理后期很難發(fā)現，即使發(fā)現問題，因為成本較大，也很難再次進行試驗修正。

實用新型內容本實用新型針對現有技術的不足提供一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)。一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)，包括模型測試系統(tǒng)、模型監(jiān)控系統(tǒng)、模型箱地板控制系統(tǒng)和模型箱；所述模型箱包括上盤土體層、下盤土體層，上盤土體層、下盤土體層之間為預設地裂縫，隧道模型穿越上盤土體層、下盤土體層，隧道模型可以與地裂縫正交也可以與地裂縫斜交；模型箱底板采用板塊(A)、板塊(B)、板塊(C)及板塊(D)四塊拼接而成；模型箱底部采用千斤頂和位移計組成模型箱底板支撐及控制系統(tǒng)，控制模型箱底板四個板塊的垂直位移，模擬地裂縫的上盤土體層、下盤土體層的運動。所述的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)，所述模型測試系統(tǒng)包括埋設于隧道底部的微型位移計，用于測試隧道底部與土體相對脫空量；埋設于上盤土體層、下盤土體層中的微型壓力盒，用于測試土體中土壓力的分布規(guī)律；粘貼于隧道表面的應變花和壓力盒監(jiān)測隧道模型各部位的應變情況和與上盤土體層、下盤土體層的接觸壓力；設置在模型箱外側的水平儀，用于監(jiān)測模型箱上盤土體層、下盤土體層表面的位移情況。所述的的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)，所述模型監(jiān)控系統(tǒng)，包括接觸壓力監(jiān)測單元、隧道應變監(jiān)測單元、隧道底部脫空監(jiān)測單元，接觸壓力監(jiān)測單元用于采集微型壓力盒的數據進行分析，隧道應變監(jiān)測單元用于采集應變花的數據進行分析，隧道底部脫空監(jiān)測單元用于采集微型位移 計的數據進行分析。本實用新型的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)是設計一種試驗方法簡單，成本低，可重復使用的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)，用以獲取地裂縫與隧道在多種交角的情況下的應力應變關系及隧道底部相對脫空范圍。

圖I為隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)原理示意圖；圖2為模型箱示意圖，a模型箱與地裂縫正交，b模型箱與地裂縫斜交；圖3為I旲型箱底板拼接圖；圖4為隧道底部縱向測試元件相對位置圖。
具體實施方式
以下結合具體實施例，對本實用新型進行詳細說明。參考圖1，為本實用新型隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)原理示意圖，包括模型測試系統(tǒng)、模型監(jiān)控系統(tǒng)、模型箱地板控制系統(tǒng)和模型箱；所述模型箱包括上盤土體層、下盤土體層，上盤土體層、下盤土體層之間為預設地裂縫，隧道模型穿越上盤土體層、下盤土體層，隧道模型采用有機玻璃材料制作，隧道模型可以與地裂縫正交(圖2中a圖所示)也可以與地裂縫斜交(圖2中b圖所示)；模型箱底板采用如圖3所示的板塊A、板塊B、板塊C及板塊D四塊拼接而成，可通過螺栓將各板塊分別相連當上盤底板由板塊A與板塊D組合、下盤底板由板塊B與板塊C組合時，可模擬隧道模型與地裂縫的正交情況；當上盤底板由板塊A與板塊C組成、下盤底板由板塊B與板塊D組合時，可模擬隧道模型與地裂縫的斜交的情況。模型箱底部采用千斤頂和位移計組成模型箱底板支撐及控制系統(tǒng)，控制模型箱底板四個板塊的垂直位移，模擬地裂縫的上盤土體層、下盤土體層的運動。參考圖4，模型測試系統(tǒng)包括，埋設于隧道底部的微型位移計，用于測試隧道底部與土體相對脫空量；埋設于上盤土體層、下盤土體層中的微型壓力盒測試土體中土壓力的分布規(guī)律；粘貼于隧道表面的應變花和壓力盒監(jiān)測隧道模型各部位的應變情況和與上盤土體層、下盤土體層的接觸壓力；在模型箱外側設置水平儀，用于監(jiān)測模型箱上盤土體層、下盤土體層表面的位移情況；試驗完成后對剖面進行開挖，了解隧道模型與地裂縫的相互作用情況。模型監(jiān)控系統(tǒng)，包括接觸壓力監(jiān)測單元、隧道應變監(jiān)測單元、隧道底部脫空監(jiān)測單元，接觸壓力監(jiān)測單元用于采集微型壓力盒的數據進行分析，隧道應變監(jiān)測單元用于采集應變花的數據進行分析，隧道底部脫空監(jiān)測單元用于采集微型位移計的數據進行分析。試驗的時候，具體步驟如下(I)試驗設計。根據試驗場地條件和相似理論，設計試驗中的地裂縫模型和隧道模型尺寸。(2)制作隧道模型。根據試驗要求選擇相應的結構材料。為便于觀察隧道底部與土體的脫空現象，試驗中可采用透光率達到99%的有機玻璃。在室溫20°C的條件下，其壓縮模量為2. 47X 103MPa，約為襯砌混凝土強度等級C50的1/15?？估鞆姸葹?6. 56MPa，伸縮率為4%，比例極限72. 4MPa。在上覆土荷載作用下，在整個試驗過程中試件均處于完全彈性范圍之內。這種隧道結構可重復使用，利用率高，成本較低。模型隧道制作完成后，在隧道縱向及環(huán)向表面粘貼應變片和微型壓力盒。(3)制作模型箱。用角鋼制作模型箱框架，前后箱壁材料選用鋼化玻璃，用以觀察土體沉降；左右兩側采用木工板。模型箱側面箱體分成上下兩個部分上部木板可拆卸，方便土體裝卸；下部木板固定，在下部木板上開有直徑300mm的圓孔,可伸入攝像頭對放置在此位置的隧道模型內部情況進行觀察。模型箱底板制作成A、B、C及D四塊，使用時通過采用不同的拼接方式連接或將隧道按照一定轉角擺放，實現地裂縫與隧道的不同交角。(4)減少邊界條件對試驗的影響。為減少上盤土體沿傾角下沉時土體與兩側箱壁 之間產生摩擦，土體和箱體之間鋪設雙層聚乙烯薄膜，中間鋪撒滑石粉。(5)填夯地裂縫上、下盤土體。抬升上盤底板，分層填筑土體，單層的厚度為10cm，整平后夯實(夯擊次數應提前做夯實試驗確定)。在設計埋設壓力盒的位置埋置壓力盒。注意保證壓力盒埋線不受到上盤沉降的影響。(6)制作地裂縫。在上下盤底板設縫處按照實際地裂縫角度設置隔板，當兩側土體夯實后抽走隔板，并將粉細砂填充在預設地裂縫中。(7)安置隧道。在預埋隧道處，挖半圓槽，布置位移計，保證其垂直；在半圓槽上放置隧道。將隧道底部整平、充實，使隧道底部與周圍土體充分接觸。在放置隧道時，應保證結構水平。(8)分層填筑地層。方法與步驟(5)相同。在設計埋設壓力盒的位置埋置壓力盒。(9)模型填筑完后，在表面布置水平觀測點。(10)靜置12小時，連接測試設備，測試初始數據。(11)啟動試驗平臺的沉降系統(tǒng)，根據設計方案分次沉降。每次沉降后靜置11小記錄位移計、應變片和土壓力盒測試數據，直至完成沉降；(12)停止試驗平臺動力系統(tǒng)，沿縱面進行剖面開挖，觀察和量測地裂縫兩側土層的沉降及剖面開裂情況。根據試驗具體進展情況，對試驗過程尤其是鋼化玻璃觀察處以及有機玻璃隧道結構內部進行現場錄像。(13)卸土，重復步驟4-12，按照試驗要求開展下一次試驗操作。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本實用新型所附權利要求的保護范圍。
權利要求1.一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)，其特征在于，包括模型測試系統(tǒng)、模型監(jiān)控系統(tǒng)、模型箱地板控制系統(tǒng)和模型箱；所述模型箱包括上盤土體層、下盤土體層，上盤土體層、下盤土體層之間為預設地裂縫，隧道模型穿越上盤土體層、下盤土體層，隧道模型可以與地裂縫正交也可以與地裂縫斜交；模型箱底板采用第一板塊(A)、第二板塊(B)、第三板塊(C)及第四板塊(D)四塊拼接而成；模型箱底部采用千斤頂和位移計組成模型箱底板支撐及控制系統(tǒng)，控制模型箱底板四個板塊的垂直位移，模擬地裂縫的上盤土體層、下盤土體層的運動。
2.根據權利要求I所述的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述模型測試系統(tǒng)包括埋設于隧道底部的微型位移計，用于測試隧道底部與土體相對脫空量；埋設于上盤土體層、下盤土體層中的微型壓力盒，用于測試土體中土壓力的分布規(guī)律；粘貼于隧道表面的應變花和壓力盒監(jiān)測隧道模型各部位的應變情況和與上盤土體層、下盤土體層的接觸壓力；設置在模型箱外側的水平儀，用于監(jiān)測模型箱上盤土體層、下盤土體層表面的位移情況。
3.根據權利要求2所述的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述模型監(jiān)控系統(tǒng)，包括接觸壓力監(jiān)測單元、隧道應變監(jiān)測單元、隧道底部脫空監(jiān)測單元，接觸壓力監(jiān)測單元用于采集微型壓力盒的數據進行分析，隧道應變監(jiān)測單元用于采集應變花的數據進行分析，隧道底部脫空監(jiān)測單元用于采集微型位移計的數據進行分析。
專利摘要本實用新型公開了一種隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)，包括模型測試系統(tǒng)、模型監(jiān)控系統(tǒng)、模型箱地板控制系統(tǒng)和模型箱；所述模型箱包括上盤土體層、下盤土體層，上盤土體層、下盤土體層之間為預設地裂縫，隧道模型穿越上盤土體層、下盤土體層，隧道模型可以與地裂縫正交也可以與地裂縫斜交；模型箱底板采用板塊(A)、板塊(B)、板塊(C)及板塊(D)四塊拼接而成；本實用新型的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)是設計一種試驗方法簡單，成本低，可重復使用的隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗系統(tǒng)，用以獲取地裂縫與隧道在多種交角的情況下的應力應變關系及隧道底部相對脫空范圍。
文檔編號G01V9/00GK202433536SQ20122002444
公開日2012年9月12日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權日2012年1月19日
發(fā)明者嚴靜平, 劉洪佳, 李凱玲, 李尋昌, 翟越, 蔣臻蔚, 門玉明 申請人:長安大學