[发明专利]地下工程截断水循环路径引发城区地层塌陷的模拟试验装置

说明书

本发明公开了一种地下工程截断水循环路径引发城区地层塌陷的模拟试验装置，属于地面塌陷试验装置技术领域。包括地下水位控制结构、模拟地面塌陷的模型箱(水箱1、土箱、水箱2)、循环水箱、水循环调节结构(地铁板、基坑板)、筛分通道、地下水位控制结构。模拟地层中由于存在易溶性填充物质或水平重塑地层在水渗流作用下从一个小孔洞逐渐扩展成一个大空洞的过程，且其上覆土层不断变薄并最终导致地层塌陷。本发明着重考虑在水平渗流情况下，水循环对土洞扩展的影响及土洞发展到临界埋深切断水循环对地层塌陷的影响。本发明可直接观测土洞扩展和塌陷的过程，用于研究地下工程截断水循环路径引发的地层塌陷机制。

技术领域

本发明涉及一种用于模拟地下工程截断水循环路径引发城区地层塌陷的模拟试验装置和临界土洞模拟方法，属于地面塌陷试验装置技术领域。

背景技术

物理模型试验是研究城市地下空间安全防控问题的重要手段，在国内外被广泛应用，在工程研究和设计中发挥着重要作用。国内外学者针对城市地铁隧道开挖和基坑施工导致的地面塌陷问题进行了卓有成效的研究工作，并研制开发了不同规模与用途的模型试验设备。

目前，随着我国城市建设的快速发展，城市地面塌陷事故频繁发生，土地中水循环与土洞是客观存在的，由于目前很多建筑物被捣毁重建，有些建筑材料如石膏、碳酸钙等直接被埋于地底下，成为一层厚薄不均的水平易溶性地层，又由于土中水渗流作用，那些建筑材料逐渐溶于水从而导致土中形成孔洞，在水平渗流作用下，孔洞逐渐发展扩大从而使得覆土深度不断变薄，初期孔洞不大，由于土拱效应的存在，并不会导致地面塌陷，但孔洞继续向上发展，覆盖土厚度不断变薄，最终土拱效应消失，地面塌陷发生。近些年，随着地面塌陷事故逐年增加，而相关研究却处于初级阶段，不能从根本上认识该类事故的灾变机理和演化规律，从而不能提出合理有效的预防措施和防治方法。该专利提供了一种试验装置，试图模拟水平重塑地层中土壤水循环促进孔洞发育，最终孔洞发育达到临界状态，水循环被切断引发地面塌陷，从而了解并解决上述问题。

物理模型试验的几何相似比是一个关键的技术指标，几何相似比取的过小，虽然能够节省试验材料，方便操作，但是过小的模型体量会限制土洞、渗流路径的布置，同时操作空间狭小更容易受到外界因素的干扰，从而影响试验精度。因此，在条件许可的情况下，应尽量采用较大的模型几何相似比，这就给模型试验过程增加了难度。比如大尺寸的模型箱用料较大，在模拟实际工况时，土料用量和土洞、渗流路径尺寸也相应增加。随着地下空间开发的越来越多，出现地面塌陷事故越来越多，急需通过模型试验来充分认识土壤水循环被切断引发地面塌陷的灾变机理和演化机制，从而为塌陷预测和预防提供可靠的依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种地下工程截断水循环路径引发城区地层塌陷的模拟试验装置，以充分认识城市地面塌陷的灾变机理和演化机制。

为实现上述目的，本专利的技术方案如下：

一种地下工程截断水循环路径引发城区地层塌陷的模拟试验装置，包括模型水箱一1、模型土箱2、模型水箱二3、水循环调节结构4、地下水位控制结构5、筛分通道6和循环水箱7；模型水箱一1和模型水箱二3分别处于模型土箱2的左右两侧，并且模型水箱一1和模型水箱二3均与模型土箱2之间设置有渗透膜；模型水箱一1和模型水箱二3内均被地下水位控制结构5间隔形成两个腔体；模型水箱二3临近模型土箱2的腔体内安装有筛分通道6；循环水箱7通过第一入水软管7-7连通模型水箱一1内与模型土箱2临近的腔体，循环水箱7通过第一出水软管7-8连通模型水箱一1内与模型土箱2远离的腔体；循环水箱7通过第二入水软管7-9连通模型水箱二3内与模型土箱2临近的腔体，循环水箱7通过第二出水软管7-10连通模型水箱二3内与模型土箱2远离的腔体；第一入水软管7-7、第一出水软管7-8、第二入水软管7-9和第二出水软管7-10上均安装有水管开关7-1和流量计7-2；模型土箱2内部装填土料，土料内布置渗流路径和模拟土洞，筛分通道6一端插入模型土箱2内的土料中，并包裹着渗流路径，另一端与模型水箱二3嵌合固定，模型水箱一1上接有钢板操作平台。