本發(fā)明涉及到一種用于實時量測地下洞室開挖過程的試驗方法及其試驗裝置，尤其是一種可實時量測地下洞室開挖應(yīng)力應(yīng)變的模型試驗裝置，應(yīng)用于巖土工程的地下洞室模型試驗。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市規(guī)模的急劇擴大，土地變得更加緊張，地上建筑已越來越難滿足城市和社會發(fā)展的需要。人們也越來越意識到利用城市地下空間的重要性，進行了大規(guī)模的市政工程建設(shè)，常見的有地鐵車站、地下停車場、地下商場、地下民防工事、地下變電站等。無論是高層建筑深基礎(chǔ)的施工，還是地下工程的建設(shè)，都不可避免的要進行大規(guī)模的地下開挖，這就牽涉到大量的地下洞室開挖問題。受周圍復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、工程環(huán)境影響，地下洞室的開挖及建設(shè)過程難度大、問題多、風(fēng)險大，同時，地下洞室在開挖過程中，容易引起周圍地面沉降、地層移動等地質(zhì)問題，進而對周圍建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施等產(chǎn)生嚴重影響。為預(yù)防和減少由地下洞室施工引發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害，對地下洞室開挖過程的變形演化規(guī)律進行研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

地下洞室開挖演變過程的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律研究一直是地質(zhì)與巖土工程界研究的熱點和難點，現(xiàn)行地下洞室建筑理論體系尚不成熟，經(jīng)驗設(shè)計和工程類比仍為主要的方法。目前有關(guān)地下洞室的穩(wěn)定評價、工程案例分析以及地下洞室物理模型試驗研究的文獻較多，但利用牽引式受力模擬地下洞室物理模型試驗方面的研究很少。因此，利用牽引式受力對地下洞室開挖過程的變形演化規(guī)律進行研究對地質(zhì)工程和巖土工程具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有的問題，提出一種用于實時量測地下洞室開挖過程的試驗方法及其試驗裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種用于實時量測地下洞室開挖過程的試驗方法，其步驟包括：

a.預(yù)先安裝模型箱、牽引力控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)；

b.對力傳感器、壓力傳感器進行標定；

c.在模型箱兩側(cè)有機玻璃上從下往上依次畫上埋設(shè)地下洞室模型底面線、壓力傳感器埋設(shè)線；

d.將土體分層填筑至地下洞室模型底面線，然后安置地下洞室模型；再次填筑將土體至壓力傳感器埋設(shè)線，然后埋設(shè)壓力傳感器；最后將土體分層填筑至模型箱頂部；

e．將地下洞室模型、力傳感器、傳力桿、傳力箱與減速電機連接到一起；

f.將piv測量系統(tǒng)放置于模型箱的左側(cè)的位置，使其對坡體側(cè)面能夠完整地、清晰地拍攝，并在試驗開始前對坡面進行拍照作為對比照片；

g.將ms50測量系統(tǒng)安裝在模型箱的前端，即將led泛光燈光源、單反相機、三維激光掃描儀由近及遠放置于模型箱前端的合適位置，并在試驗開始前對坡面進行拍照作為對比照片，將led泛光燈光源、單反相機、三維激光掃描儀懸空放置于模型箱頂部，并在試驗開始前對坡面進行拍照作為對比照片；

h.啟動減速電機和測量系統(tǒng)，開始試驗。

piv測量系統(tǒng)包括兩盞泛光led燈、ccd高速相機、圖像采集及后處理設(shè)備。

本試驗裝置包括模型箱、牽引力控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)，在模型箱中填充有土體，模型箱由有機玻璃板、底板、支座、地下洞室模型組成，牽引力控制系統(tǒng)由傳力桿、傳力箱、減速電機、拉力臺桌組成，地下洞室模型設(shè)置在模型箱的中部，地下洞室模型前端與土體前端齊平，地下洞室模型前端與力傳感器后端相連，力傳感器前端與傳力桿相連，傳力桿貫穿一組傳力箱，在位于中部的傳力箱一側(cè)安裝減速電機，減速電機通過傳力桿與傳力箱相連，減速電機與傳力箱均安裝在拉力臺桌上；

測量系統(tǒng)由力傳感器、位移監(jiān)測裝置、壓力傳感器、piv測量系統(tǒng)和ms50三維激光測量系統(tǒng)組成，一組壓力傳感器均布埋入土體頂部表面，多個位移監(jiān)測裝置分五層布設(shè)于地下洞室橫截面周圍，piv測量系統(tǒng)布置于模型箱的左側(cè)，ms50測量系統(tǒng)布置于拉力臺桌的正前方，ms50測量系統(tǒng)由led泛光燈光源、單反相機、三維激光掃描儀組成，led泛光燈光源、單反相機、三維激光掃描儀由近及遠放置于模型箱前端。

模型箱為頂部和前端開口的長方體，三塊有機玻璃板固定于底板上，底板下方設(shè)置有支腿，在模型箱中填充有土體，地下洞室模型置于土體中部，地下洞室模型前端與土體前端齊平，在兩側(cè)有機玻璃板從下往上依次畫上埋設(shè)地下洞室模型底面線、壓力傳感器埋設(shè)線。

力傳感器、傳力桿處于垂直地下洞室模型橫截面的同一水平線上，減速電機與傳力桿垂直。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明試驗裝置可以對不同工況下地下洞室的開挖過程進行模擬，能實時地量測地下洞室開挖演化過程的規(guī)律。

2.本發(fā)明試驗裝置布置有力傳感器、壓力傳感器，能實時、精確地量測土體受力狀態(tài)。

3.本發(fā)明試驗裝置的piv測量系統(tǒng)和ms50測量系統(tǒng)能夠?qū)Φ叵露词易冃窝莼^程進行拍攝、量測，能實時、精確地對地下洞室開挖演化過程中單點變形、局部土體實時變形以及地下洞室周圍土體變形場進行采集與分析工作。

4.本發(fā)明模型試驗裝置操作方便，涉及的儀器構(gòu)造簡單，可調(diào)性強，易于掌握。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的總體側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明的總體俯視圖；

圖4為本發(fā)明的總體前視圖；

圖5為本發(fā)明的實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明的實施例五的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1~圖8所示，

實施例一：

一種用于實時量測地下洞室開挖過程的試驗方法及其試驗裝置，其步驟包括：

a.預(yù)先安裝模型箱1、牽引力控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)；

b.對力傳感器、壓力傳感器進行標定；

c.在模型箱11兩側(cè)有機玻璃上從下往上依次畫上埋設(shè)地下洞室模型底面線、壓力傳感器埋設(shè)線；

d.將土體分層填筑至地下洞室模型底面線，然后安置地下洞室模型；再次填筑將土體至壓力傳感器埋設(shè)線，然后埋設(shè)壓力傳感器；最后將土體分層填筑至模型箱1頂部；

e．將地下洞室模型、力傳感器、傳力桿、傳力箱與減速電機連接到一起；

f.將piv測量系統(tǒng)放置于模型箱1的左側(cè)的位置，使其對坡體側(cè)面能夠完整地、清晰地拍攝，并在試驗開始前對坡面進行拍照作為對比照片；

g.將ms50測量系統(tǒng)安裝在模型箱1的前端，即將led泛光燈光源、單反相機、三維激光掃描儀由近及遠放置于模型箱1前端的合適位置，并在試驗開始前對坡面進行拍照作為對比照片，將led泛光燈光源、單反相機、三維激光掃描儀懸空放置于模型箱1頂部，并在試驗開始前對坡面進行拍照作為對比照片；

h.啟動減速電機和測量系統(tǒng)，開始試驗。

piv測量系統(tǒng)包括兩盞泛光led燈、ccd高速相機、圖像采集及后處理設(shè)備。

本試驗裝置包括模型箱1、牽引力控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)，在模型箱1中填充有土體，模型箱1由有機玻璃板、底板2、支座3、地下洞室模型4組成，牽引力控制系統(tǒng)由傳力桿5、傳力箱6、減速電機7、拉力臺桌9組成，地下洞室模型4設(shè)置在模型箱1的中部，地下洞室模型4前端與土體前端齊平，地下洞室模型前端與力傳感器8后端相連，力傳感器8前端與傳力桿5相連，傳力桿5貫穿一組傳力箱6，在位于中部的傳力箱6一側(cè)安裝減速電機7，減速電機7通過傳力桿5與傳力箱6相連，減速電機7與傳力箱6均安裝在拉力臺桌9上；

測量系統(tǒng)由力傳感器11、位移監(jiān)測裝置10、壓力傳感器11、piv測量系統(tǒng)12和ms50三維激光測量系統(tǒng)13組成，一組壓力傳感器11均布埋入土體頂部表面，多個位移監(jiān)測裝置10分五層布設(shè)于地下洞室4橫截面周圍，piv測量系統(tǒng)12布置于模型箱1的左側(cè)，ms50測量系統(tǒng)布置于拉力臺桌9的正前端13，ms50測量系統(tǒng)13由led泛光燈光源、單反相機、三維激光掃描儀組成。

模型箱1為頂部和前端開口的長方體，三塊有機玻璃板固定于底板2上，底板2下方設(shè)置有支腿3，在模型箱1中填充有土體，地下洞室模型4置于土體中部，地下洞室模型4前端與土體前端齊平，在兩側(cè)有機玻璃板從下往上依次畫上埋設(shè)地下洞室模型4底面線、壓力傳感器埋設(shè)線。

力傳感器8、傳力桿5處于垂直地下洞室模型4橫截面的同一水平線上，減速電機7與傳力桿5垂直。

在本發(fā)明中通過調(diào)整地下洞室模型4的的縱深和地下洞室模型4的橫截面積可以對處于不同縱深和不同橫截面積的地下洞室開挖過程進行模型試驗，研究地下洞室開挖過程中的洞頂沉降、破壞模式以及演化過程。

實例二：

本實施例與實施例一基本相同，區(qū)別在于：

在本實施例中，調(diào)整地下洞室縱深為80cm，可實時對地下洞室拱頂截面半徑為3.5cm，即兩側(cè)土體厚度為6倍洞半徑，地下洞室縱深80cm的地下洞室開挖過程進行模型試驗，研究地下洞室開挖過程中的洞頂沉降、破壞模式以及演化過程，與實例一相結(jié)合，可研究不同地下洞室縱深對地下洞室開挖過程中的洞頂沉降、破壞模式以及演化過程的影響。

實例三：

本實施例與實施例一基本相同，區(qū)別在于：

在本實施例中，調(diào)整地下洞室拱頂截面半徑為3.125cm，可實時對地下洞室拱頂截面半徑3.125cm，即兩側(cè)土體厚度為7倍洞半徑，地下洞室縱深40cm的地下洞室開挖過程進行模型試驗，研究地下洞室開挖過程中的洞頂沉降、破壞模式以及演化過程，與實例一相結(jié)合，可研究不同地下洞室橫截面對地下洞室開挖過程中的洞頂沉降、破壞模式以及演化過程的影響。

實例四：

本實施例與前述實施例基本相同，區(qū)別在于：

在本實施例中，調(diào)整地下洞室周圍土體為襯砌支護土體14，可實時對地下洞室拱頂截面半徑為3.5cm，即兩側(cè)土體厚度為6倍洞半徑，地下洞室縱深40cm、含襯砌支護的地下洞室開挖過程進行模型試驗，研究含襯砌支護的地下洞室開挖過程中的洞頂沉降、破壞模式以及演化過程，與實例一相結(jié)合，可研究襯砌支護對地下洞室開挖過程中的洞頂沉降、破壞模式以及演化過程的影響。

實例五：

本實施例與前述實施例基本相同，區(qū)別在于：

在本實施例中，調(diào)整地下洞室模型4為實例一種模型的一半，地下洞室模型4位于左側(cè)有機玻璃內(nèi)壁，利用piv測量技術(shù)測量地下洞室模型4周圍土體的位移場和應(yīng)變場。可實時對半地下洞室模型4，地下洞室縱深40cm的地下洞室模型4試驗裝置進行模型試驗，研究地下洞室漸變過程中的破壞模式以及演化過程；與實例一相結(jié)合，可研究地下洞室模型4周圍土體的位移場和應(yīng)變場。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。