[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

说明书

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、监测系统和注水抽水系统。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，隧道和周围土体位移场和应力场的变化。本试验成本低，具有广阔的应用前景。

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体位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体位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、监测系统和注水抽水系统。

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。

所述监测系统包括压力监测装置、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。