地裂缝土质隧道物理模型试验装置及模型试验方法

1.一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，其特征在于，包括模型装置、沉降装置和控制装置三部分，模型装置通过支架(28)支撑，模型装置的下方设置有沉降装置(23)，模型装置和沉降装置(23)均与控制装置(26)连接，
所述模型装置，包括模型箱(4)，所述模型箱(4)的圆柱侧壁水平开有一隧道洞口，该隧道洞口的洞轴线与模型箱(4)的立轴垂直，该隧道洞口内有一模型隧道衬砌结构(12)，该隧道洞口的直径与模型隧道衬砌结构(12)直径一致，在洞口两端的圆柱侧壁之间固定有一个水平基准梁(11)；
所述水平基准梁(11)上安装有位移计(6)，位移计(6)的下端与模型隧道衬砌结构(12)的下端连接，该位移计(6)可在水平基准梁(11)上自由滑动；在每个模型隧道衬砌结构(12)顶部、底部和侧壁外侧还安装有多个压力计(13)；
模型箱(4)根据实际工程按照设定的比例缩小制成，模型箱(4)为一个内空的、竖立的、圆柱形的容器，包括上盖(14)、圆柱侧壁(17)和底板部分，底板部分沿直径分为固定底板(27)和活动开口，模型箱(4)内以立轴对称设置有下盘土体(19)和上盘土体(5)，上盘土体(5)和下盘土体(19)之间设置有模拟地裂缝(18)，模拟地裂缝(18)的下沿即为模型箱(4)固定底板(27)和活动开口的交界处，下盘土体(19)的下方对应安装有固定底板(27)，上盘土体(5)的下方活动开口对应安装有沉降装置(23)中的上盘土体托板(21)；在上盖(14)与上盘土体(5)和下盘土体(19)之间设置有气压囊(15)。
2.根据权利要求1所述的隧道物理模型试验装置，其特征在于，所述的隧道洞口设置有四个，洞口轴线分别为a-a洞轴(7)、b-b洞轴(8)、c-c洞轴(9)和d-d洞轴(10)，每个隧道洞口的洞轴线与模拟地裂缝(18)立面的夹角分别为90°、60°、30°和45°。
3.根据权利要求1或2所述的隧道物理模型试验装置，其特征在于，所述气压囊(15)通过通气管(16)与调压阀、压力表、安全阀和气压源依次连接，调压阀与控制装置(26)连接，实现自动控制。
4.根据权利要求1或2所述的隧道物理模型试验装置，其特征在于，所述沉降装置(23)的结构是，包括液压缸(25)，液压缸(25)的活塞杆(22)外端与上盘土体托板(21)连接，上盘土体托板(21)安装有位移传感器(3)，液压缸(25)通过伺服阀(24)与进油管(1)、出油管(2)联通，伺服阀(24)与控制装置(26)连接。
5.一种地裂缝土质隧道物理模型试验方法，其特征在于，包括一种隧道物理模型试验装置，该装置的结构是，
包括模型装置、沉降装置和控制装置三部分，模型装置通过支架(28)支撑，模型装置的下方设置有沉降装置(23)，模型装置和沉降装置(23)均与控制装置(26)连接，所述模型装置，包括模型箱(4)，模型箱(4)根据实际工程按照设定的比例缩小制成，模型箱(4)为一个内空的、竖立的、圆柱形的容器，包括上盖(14)、圆柱侧壁(17)和底板部分，底板部分沿直径分为固定底板(27)和活动开口，模型箱(4)内以立轴对称设置有下盘土体(19)和上盘土体(5)，上盘土体(5)和下盘土体(19)之间设置有模拟地裂缝(18)，模拟地裂缝(18)的下沿即为模型箱(4)固定底板(27)和活动开口的交界处，下盘土体(19)的下方对应安装有固定底板(27)，上盘土体(5)的下方活动开口对应安装有沉降装置(23)中的上盘土体托板(21)；在上盖(14)与上盘土体(5)和下盘土体(19)之间设置有气压囊(15)；
在模型箱(4)的圆柱侧壁水平开有四道隧道洞口，即a-a洞轴(7)、b-b洞轴(8)、c-c洞轴(9)和d-d洞轴(10)，各个隧道洞口的洞轴线与模型箱(4)的立轴垂直，且四道隧道洞口的洞轴线与模拟地裂缝(18)立面的夹角分别为90°、60°、30°和45°，四道隧道洞口的直径与模型隧道衬砌结构(12)直径一致，用于预埋模型隧道衬砌结构(12)，在所用洞口两端的圆柱侧壁之间固定一个水平基准梁(11)，在水平基准梁(11)上安装有位移计(6)；
该方法利用上述装置，按照以下步骤具体实施：
步骤1、针对需要地裂缝(18)与模型隧道衬砌结构(12)成90°、60°、30°或45°角度相交的要求，在其对应的隧道洞口，即a-a洞轴(7)、b-b洞轴(8)、c-c洞轴(9)或d-d洞轴(10)处装入一个模型隧道衬砌结构(12)，安装水平基准梁(11)及位移计(6)，封堵其余洞口，位移计(6)的下端与模型隧道衬砌结构(12)的下端连接，该位移计(6)可在水平基准梁(11)上自由滑动，以测量不同位置处的模型隧道衬砌结构(12)相对于水平基准梁(11)的沉降变化；在该模型隧道衬砌结构(12)顶部、底部和侧壁外侧还安装有多个压力计(13)，以测量模拟地裂缝(18)活动下模型隧道衬砌结构(12)的围岩土压力的变化；
步骤2、按照设置的模拟地裂缝(18)的地质状况，根据需要模拟埋深条件下的围岩应力场，由控制装置(26)通过气压管路给气压囊(15)充入气压；
步骤3、按照设置的模拟地裂缝(18)的错位量，由控制装置(26)控制沉降装置(23)工作，传动活塞杆(22)向下移动，上盘土体(5)在自重及气压囊(15)的作用下向下沉降，上盘土体(5)与地裂缝(18)之间产生向下错位移动；
步骤4、控制装置(26)通过位移计(6)得到不同位置处的模型隧道衬砌结构(12)相对于水平基准梁(11)的沉降变化值；通过多个压力计(13)得到模拟地裂缝(18)活动下模型隧道衬砌结构(12)的围岩土压力的变化值；通过位移传感器(3)采集得到上盘土体(5)向下错位的数值。
6.根据权利要求5所述的地裂缝土质隧道物理模型试验方法，其特征在于，所述气压囊(15)与气压管路连接，气压管路包括通气管(16)、调压阀、压力表、安全阀和气压源构成，调压阀与控制装置(26)连接。
7.根据权利要求5所述的地裂缝土质隧道物理模型试验方法，其特征在于，所述沉降装置(23)的结构是，包括液压缸(25)，液压缸(25)的活塞杆(22)外端与上盘土体托板(21)连接，上盘土体托板(21)安装有位移传感器(3)，液压缸(25)通过伺服阀(24)与进油管(1)、出油管(2)联通，伺服阀(24)与控制装置(26)连接。

地裂缝土质隧道物理模型试验装置及模型试验方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，本发明还涉及一种地裂缝土质隧道物理模型试验方法。\n背景技术\n[0002] 隧道等洞室构筑物的施工中，经常遇到复杂的地质条件，如地裂缝、采空区、溶洞以及陷穴等，尤其是以断裂构造发育为基础，过量开采地下水为诱因而形成和发展的地裂缝，严重影响隧道衬砌结构的稳定性，具体表现为地裂缝两侧上、下盘地层发生相互错动后，地层中隧道衬砌结构与地裂缝两侧土体的下沉位移不同，可能导致衬砌结构与围岩脱空；同时，在地裂缝活动下隧道衬砌结构将产生附加应力和附加变形，过大的附加变形可能导致结构开裂或屈服破坏；另外，地裂缝变形带的土体裂隙较多、工程性质较差，施工和运行期间可能会造成基坑坑壁或隧道局部坍塌，也可能出现沿裂缝带的集中渗水现象，将引起黄土湿陷变形和不均匀沉降，进一步加剧隧道衬砌结构的破坏，且地下水沿裂缝渗入隧道内，影响隧道正常运营。\n[0003] 地裂缝的发育发展使得地铁隧道建设面临着前所未有的难题，由于地裂缝的存在和发展改变了其边界条件（包括应力边界条件、位移边界条件和渗流边界条件），地裂缝的活动对地铁隧道衬砌结构及其围岩性状产生怎样的影响等问题需要开展深入研究，而物理模型试验正是复杂岩土工程问题研究常用的一种重要手段。目前，物理相似模拟试验装置包括两类，一是重力加速度条件下的物理模型试验，另一类是能够模拟真实自重应力场的离心物理模型试验。前者可以模拟较大几何比尺的原型，有利于模拟构筑物或地下结构，但难以实现原型自重应力场的模拟；后者可以实现原型自重应力场模拟，但模型的几何比尺小，往往难于模拟构筑物或地下结构。由于重力加速度条件下的物理模型试验仍然是一种重要的研究途径，该类模型试验装置主要有平面模型架、转体模型架和立体模型架等。平面模型无横向尺寸，一些与横向尺寸有关的试验无法进行模拟研究，且由于平面模型的边界条件作了很大的简化，模拟结果往往也与实际情况存在着较大差异，不适合应用于存在地裂缝地层这种复杂地质条件下的地下工程问题研究。一般说来，立体模型架易于满足边界条件，但难于在模型中进行采掘工作和对模型深部移动，且在横向和顶部加载、模型内部应力、应变和位移测量等方面都存在着许多困难。此外，装土样的试验容器一般为敞开式或简易封闭式，其结构强度较低，也不能对其内部的模型土体施加压力。\n[0004] 综上所述，地裂缝土质隧道物理模型试验研究在国内外尚属空白，现有的立体模型架并没有针对地裂缝地层活动的特殊地质条件，进行特殊用途的模型试验装置设计。同时，鉴于物理模型试验具有直观、便于量测分析，可以直接观察研究对象力学性状的变化，以及得到定量的数据，因此，针对地裂缝活动这种复杂地质条件下的地下工程问题，研制一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，具有理论与现实的意义。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是，提供一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，解决了现有立体模型试验装置模拟工况单一、隧道围岩应力场模拟不合理、内部测量误差较大的问题。\n[0006] 本发明的另一目的是，提供一种地裂缝土质隧道物理模型试验方法，利用上述装置，模拟得到需要检测的地裂缝地层活动的相关数据。\n[0007] 本发明所采用的技术方案是，一种地裂缝土质隧道物理模型试验装置，[0008] 包括模型装置、沉降装置和控制装置三部分，模型装置通过支架支撑，模型装置的下方设置有沉降装置，模型装置和沉降装置均与控制装置连接，\n[0009] 所述模型装置，包括模型箱，模型箱根据实际工程按照设定的比例缩小制成，模型箱为一个内空的、竖立的、圆柱形的容器，包括上盖、圆柱侧壁和底板部分，底板部分沿直径分为固定底板和活动开口，模型箱内以立轴对称设置有下盘土体和上盘土体，上盘土体和下盘土体之间设置有模拟地裂缝，模拟地裂缝的下沿即为模型箱固定底板和活动开口的交界处，下盘土体的下方对应安装有固定底板，上盘土体的下方活动开口对应安装有沉降装置中的上盘土体托板；在上盖与上盘土体和下盘土体之间设置有气压囊。\n[0010] 本发明所采用的另一技术方案是，一种地裂缝土质隧道物理模型试验方法，包括一种隧道物理模型试验装置，该装置的结构是，\n[0011] 包括模型装置、沉降装置和控制装置三部分，模型装置通过支架支撑，模型装置的下方设置有沉降装置，模型装置和沉降装置均与控制装置连接，\n[0012] 所述模型装置，包括模型箱，模型箱根据实际工程按照设定的比例缩小制成，模型箱为一个内空的、竖立的、圆柱形的容器，包括上盖、圆柱侧壁和底板部分，底板部分沿直径分为固定底板和活动开口，模型箱内以立轴对称设置有下盘土体和上盘土体，上盘土体和下盘土体之间设置有模拟地裂缝，模拟地裂缝的下沿即为模型箱固定底板和活动开口的交界处，下盘土体的下方对应安装有固定底板，上盘土体的下方活动开口对应安装有沉降装置中的上盘土体托板；在上盖与上盘土体和下盘土体之间设置有气压囊；\n[0013] 在模型箱的圆柱侧壁水平开有四道隧道洞口，即a-a洞轴、b-b洞轴、c-c洞轴和d-d洞轴，各个隧道洞口的洞轴线与模型箱的立轴垂直，且四道隧道洞口的洞轴线与模拟地裂缝立面的夹角分别为90°、60°、30°和45°，四道隧道洞口的直径与模型隧道衬砌结构直径一致，用于预埋模型隧道衬砌结构，在所用洞口两端的圆柱侧壁之间固定一个水平基准梁，在水平基准梁上安装有位移计；\n[0014] 所述气压囊与气压管路连接，气压管路包括通气管、调压阀、压力表、安全阀和气压源构成，调压阀与控制装置连接；\n[0015] 所述沉降装置的结构是，包括液压缸，液压缸的活塞杆外端与上盘土体托板连接，上盘土体托板安装有位移传感器，液压缸通过伺服阀与进油管、出油管联通，伺服阀与控制装置连接；\n[0016] 该方法按照以下步骤具体实施：\n[0017] 步骤1、针对需要地裂缝与模型隧道衬砌结构成90°、60°、30°或45°角度相交的要求，在其对应的隧道洞口，即a-a洞轴、b-b洞轴、c-c洞轴或d-d洞轴处装入一个模型隧道衬砌结构，安装水平基准梁及位移计，封堵其余洞口，位移计的下端与模型隧道衬砌结构的下端连接，该位移计可在水平基准梁上自由滑动，以测量不同位置处的模型隧道衬砌结构相对于水平基准梁的沉降变化；在该模型隧道衬砌结构顶部、底部和侧壁外侧还安装有多个压力计，以测量模拟地裂缝活动下模型隧道衬砌结构的围岩土压力的变化；\n[0018] 步骤2、按照设置的模拟地裂缝的地质状况，根据需要模拟埋深条件下的围岩应力场，由控制装置通过气压管路给气压囊充入气压；\n[0019] 步骤3、按照设置的模拟地裂缝的错位量，由控制装置控制沉降装置工作，传动活塞杆向下移动，上盘土体在自重及气压囊的作用下向下沉降，上盘土体与地裂缝之间产生向下错位移动；\n[0020] 步骤4、控制装置通过位移计得到不同位置处的模型隧道衬砌结构相对于水平基准梁的沉降变化值；通过多个压力计得到模拟地裂缝活动下模型隧道衬砌结构的围岩土压力的变化值；通过位移传感器采集得到上盘土体向下错位的数值。\n[0021] 本发明的地裂缝土质隧道物理模型试验装置，适用于地裂缝地层隧道模型试验研究，能进行多种工况的试验研究，结构简单，操作方便，压力稳定，数据可靠，安全经济。\n附图说明\n[0022] 图1是本发明的地裂缝土质隧道物理模型试验装置的立面结构示意图；\n[0023] 图2是本发明装置模型箱中设置的四个洞轴的俯视结构示意图；\n[0024] 图3是本发明装置中的沉降装置结构示意图。\n[0025] 图中，1.进油管；2.出油管；3.位移传感器；4.模型箱；5.上盘土体；6.位移计；\n7.a-a洞轴；8.b-b洞轴；9.c-c洞轴；10.d-d洞轴；11.水平基准梁；12.模型隧道衬砌结构；13.压力计；14.上盖；15.气压囊；16.通气管；17.侧壁；18.地裂缝；19.下盘土体；\n20.密封圈；21.上盘土体托板；22.活塞杆；23.沉降装置；24.液压阀；25.液压缸；26.控制装置，27.固定底板，28.支架。\n具体实施方式\n[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。\n[0027] 参照图1，本发明的地裂缝土质隧道物理模型试验装置，其结构是，包括模型装置、沉降装置和控制装置三部分组成，模型装置通过支架28支撑，模型装置的下方设置有沉降装置23，模型装置和沉降装置23之中设置有各种传感器和电气部件，均与控制装置连接。\n[0028] 模型装置中的模型箱4，根据实际工程按照设定的比例缩小制成，模型箱4为一个内空的、竖立的、圆柱形状的、封闭容器，由上盖14、圆柱侧壁、底板部分构成，底板部分沿直径分为固定底板27和活动开口，模型箱4内以立轴对称设置有下盘土体19和上盘土体5，下盘土体19的下方对应安装有固定底板27，上盘土体5的下方活动开口对应安装有上盘土体托板21，上盘土体5和下盘土体19之间设置有模拟地裂缝18，在试验填土过程中通过隔板将上盘土体5和下盘土体19隔开，待两侧土体压实后抽走隔板，即形成所述的模拟地裂缝18，模拟地裂缝18的下沿即为模型箱4固定底板27和活动开口的交界处；在上盖14与上盘土体5和下盘土体19之间设置有气压囊15，气压囊15通过通气管16与外接的调压阀、压力表、安全阀和气压源连接，调压阀与控制装置26连接，改变气压囊15的充气压力，即可模拟不同埋深隧道围岩土体的压力。\n[0029] 如图2，在模型箱4的圆柱侧壁水平开有四道隧道洞口，即a-a洞轴7、b-b洞轴8、c-c洞轴9和d-d洞轴10，各个隧道洞口的洞轴线与模型箱4的立轴垂直，且四道隧道洞口的洞轴线与模拟地裂缝18立面的夹角分别为90°、60°、30°和45°，四道隧道洞口的直径与模型隧道衬砌结构12直径一致，用于预埋模型隧道衬砌结构12。在具体试验模拟过程中，当需要地裂缝18与模型隧道衬砌结构12成某一角度相交时，在其对应的隧道洞口（即a-a洞轴7、b-b洞轴8、c-c洞轴9或d-d洞轴10）处装入一个模型隧道衬砌结构12，封堵其余洞口；同时在所用洞口两端的圆柱侧壁之间固定一个水平基准梁11，在水平基准梁11上安装有位移计6，位移计6的下端与模型隧道衬砌结构12的下端连接，该位移计6可在水平基准梁11上自由滑动，以测量不同位置处的模型隧道衬砌结构12相对于水平基准梁11的沉降变化；在每个模型隧道衬砌结构12顶部、底部和侧壁外侧还安装有多个压力计13，以测量模拟地裂缝18活动下模型隧道衬砌结构12的围岩土压力的变化。\n[0030] 上盘土体5的下表面安置在上盘土体托板21上，上盘土体托板21为半圆形的可上下活动的钢板结构，上盘土体托板21的上表面积为模型箱4底板的一半，直径边缘与模拟地裂缝18重合，以支撑上盘土体5；在上盘土体托板21四周朝上设置有密封圈20。\n[0031] 如图3，沉降装置23安装在模型箱4的上盘土体5下方，包括液压缸25，液压缸25的活塞杆22外端与上盘土体托板21连接，上盘土体托板21用于支撑上盘土体5，上盘土体托板21安装有位移传感器3，用于检测上盘土体托板21的上下位移量，液压缸25通过伺服阀24与进油管1、出油管2联通，伺服阀24与控制装置26连接。\n[0032] 沉降装置23的上盘土体托板21与液压缸25之间设置有位移传感器3，位移传感器3、位移计6、压力计13均与控制装置26连接，各自采集相应位置处的数据。控制装置26通过控制伺服阀24向液压缸25内输进、输出液压油，以驱动活塞顶升或下降，并通过活塞杆22带动上盘土体托板21及上盘土体5活动。\n[0033] 本发明的地裂缝土质隧道物理模型试验装置，其模型箱内能够根据要求装入土体等介质材料，模型隧道衬砌结构埋置于模型箱中的土体之内，通过模型箱上盖之下的气压囊对内部土体加压，从而模拟了不同埋深条件下的围岩应力场，同时预设地裂缝将下盘土体隔开，通过模型箱底部的沉降装置使得上盘土体向下错动，能够分别模拟相对于隧道轴线成30°、45°、60°斜交或90°正交地裂缝的活动，能够模拟不同夹角地裂缝活动条件下不同埋深中隧道的实际受力和变形状态。\n[0034] 本发明的地裂缝土质隧道物理模拟测定方法，利用上述装置，按照以下步骤实施：\n[0035] 步骤1、针对需要地裂缝18与模型隧道衬砌结构12成90°、60°、30°或45°角度相交的要求，在其对应的隧道洞口，即a-a洞轴7、b-b洞轴8、c-c洞轴9或d-d洞轴10处装入一个模型隧道衬砌结构12，安装水平基准梁11及位移计6，封堵其余洞口，位移计6的下端与模型隧道衬砌结构12的下端连接，该位移计6可在水平基准梁11上自由滑动，以测量不同位置处的模型隧道衬砌结构12相对于水平基准梁11的沉降变化；在该模型隧道衬砌结构12顶部、底部和侧壁外侧还安装有多个压力计13，以测量模拟地裂缝18活动下模型隧道衬砌结构12的围岩土压力的变化；\n[0036] 步骤2、按照设置的模拟地裂缝18的地质状况，根据需要模拟埋深条件下的围岩应力场，由控制装置26通过气压管路给气压囊15充入气压；\n[0037] 步骤3、按照设置的模拟地裂缝18的错位量，由控制装置26控制沉降装置23工作，传动活塞杆22向下移动，上盘土体5在自重及气压囊15的作用下向下沉降，上盘土体\n5与地裂缝18之间产生向下错位移动；\n[0038] 步骤4、控制装置26通过位移计6得到不同位置处的模型隧道衬砌结构12相对于水平基准梁11的沉降变化值；通过多个压力计13得到模拟地裂缝18活动下模型隧道衬砌结构12的围岩土压力的变化值；通过位移传感器3采集得到上盘土体5向下错位的数值。\n[0039] 本发明的地裂缝土质隧道物理模型试验装置，依据所模拟隧道段的实际长度和地裂缝影响范围，模型箱采用一定几何比尺的圆柱体结构，模型箱侧壁限制模型土体侧限位移模拟水平场地的应力条件，附加气压囊施加附加压力模拟隧道围岩土体实际应力场，活动升降箱底板模拟地裂缝场地上盘地层沉降变形发展，模型隧道轴线与地裂缝走向的不同交角模拟实际隧道斜交穿越地裂缝，改变模型隧道断面形状、衬砌结构刚度和变形缝设置可以模拟不同实际隧道衬砌结构的工程形状。\n[0040] 本发明的模型试验装置适用于地裂缝地层隧道模型试验研究，具有实现地裂缝走向变化，围岩土体地层结构及力学性质变化，衬砌结构形式、断面和刚度变化等各种方案的试验条件，能进行多种工况的试验研究，结构简单，操作方便，压力稳定，数据可靠，安全经济。