[发明专利]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

权利要求书

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)、监测系统和注水抽水系统；

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；

所述监测系统包括压力监测装置(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，注水抽水系统向透水帷幕(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；监测系统获取隧道模型(2)和周围土体位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：所述注水抽水系统包括若干根水管(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。