专利名称：一种隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统。
背景技术：
地裂缝是一种常见的地质灾害，在全世界许多国家都有发现，如中国、美国、土耳其、泰国、利比亚等均发现有地裂缝的存在。我国的地裂缝分布十分广泛，近年来具有范围不断扩大，危害不断加重的趋势。地裂缝造成的损失是多种多样的，直接损失主要有地表工业和民用建筑损失、地下供水、供气管道设施破坏损失等；间接损失则更为严重，常造成生产厂房、车间的破坏造成停产，管道的破坏造成停水、停电、停气、漏水、漏气、引起环境恶化等。在我国迄今为止已造成数十亿元的直接经济损失，对城市建设用地的有效利用和城市发展留下了重大的安全隐患。 而在地裂缝分布区域内进行地铁建设，更成为一种难题。通常的研究手段包括现场试验、数值模拟和模型试验。然而，在实际工程中很难进行有效监测；数值模拟的方法可以模拟多种工况，但目前仍然没有一种准确描述隧道底部脱空问题的有限元模型；通过开展模型试验对不同地质条件和工程条件的进行模拟，能够直观、全面地反映建筑结构与岩土体之间的相互作用关系，而且还可以观察到建筑结构和岩土体的微小变形趋势，得到接近实际工程的应力和变形机制，进而为力学计算模型的建立提供有力的理论支持。模型试验已经成为一种用于研究地下结构的非常行之有效的分析手段。目前已有的试验设计，多为混凝土大型模型试验，成本高；一次试验后，材料无法再次利用，周期长；试验只能通过传感器采集，无法观察到隧道与土体之间的实际变形情况；测试元件多，在铺设过程中易产生难以发觉的人为误差，在数据处理后期很难发现，即使发现问题，因为成本较大，也很难再次进行试验修正。

实用新型内容本实用新型针对现有技术的不足提供一种隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统。一种隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，包括模型测试系统、模型监控系统、模型箱地板控制系统和模型箱；所述模型箱包括上盘土体层、下盘土体层，上盘土体层、下盘土体层之间为预设地裂缝，隧道模型穿越上盘土体层、下盘土体层，隧道模型可以与地裂缝正交也可以与地裂缝斜交；模型箱底板采用板块(A)、板块(B)、板块(C)及板块(D)四块拼接而成；模型箱底部采用千斤顶和位移计组成模型箱底板支撑及控制系统，控制模型箱底板四个板块的垂直位移，模拟地裂缝的上盘土体层、下盘土体层的运动。所述的隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，所述模型测试系统包括埋设于隧道底部的微型位移计，用于测试隧道底部与土体相对脱空量；埋设于上盘土体层、下盘土体层中的微型压力盒，用于测试土体中土压力的分布规律；粘贴于隧道表面的应变花和压力盒监测隧道模型各部位的应变情况和与上盘土体层、下盘土体层的接触压力；设置在模型箱外侧的水平仪，用于监测模型箱上盘土体层、下盘土体层表面的位移情况。所述的的隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，所述模型监控系统，包括接触压力监测单元、隧道应变监测单元、隧道底部脱空监测单元，接触压力监测单元用于采集微型压力盒的数据进行分析，隧道应变监测单元用于采集应变花的数据进行分析，隧道底部脱空监测单元用于采集微型位移 计的数据进行分析。本实用新型的隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统是设计一种试验方法简单，成本低，可重复使用的隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，用以获取地裂缝与隧道在多种交角的情况下的应力应变关系及隧道底部相对脱空范围。

图I为隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统原理示意图；图2为模型箱示意图，a模型箱与地裂缝正交，b模型箱与地裂缝斜交；图3为I旲型箱底板拼接图；图4为隧道底部纵向测试元件相对位置图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。参考图1，为本实用新型隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统原理示意图，包括模型测试系统、模型监控系统、模型箱地板控制系统和模型箱；所述模型箱包括上盘土体层、下盘土体层，上盘土体层、下盘土体层之间为预设地裂缝，隧道模型穿越上盘土体层、下盘土体层，隧道模型采用有机玻璃材料制作，隧道模型可以与地裂缝正交(图2中a图所示)也可以与地裂缝斜交(图2中b图所示)；模型箱底板采用如图3所示的板块A、板块B、板块C及板块D四块拼接而成，可通过螺栓将各板块分别相连当上盘底板由板块A与板块D组合、下盘底板由板块B与板块C组合时，可模拟隧道模型与地裂缝的正交情况；当上盘底板由板块A与板块C组成、下盘底板由板块B与板块D组合时，可模拟隧道模型与地裂缝的斜交的情况。模型箱底部采用千斤顶和位移计组成模型箱底板支撑及控制系统，控制模型箱底板四个板块的垂直位移，模拟地裂缝的上盘土体层、下盘土体层的运动。参考图4，模型测试系统包括，埋设于隧道底部的微型位移计，用于测试隧道底部与土体相对脱空量；埋设于上盘土体层、下盘土体层中的微型压力盒测试土体中土压力的分布规律；粘贴于隧道表面的应变花和压力盒监测隧道模型各部位的应变情况和与上盘土体层、下盘土体层的接触压力；在模型箱外侧设置水平仪，用于监测模型箱上盘土体层、下盘土体层表面的位移情况；试验完成后对剖面进行开挖，了解隧道模型与地裂缝的相互作用情况。模型监控系统，包括接触压力监测单元、隧道应变监测单元、隧道底部脱空监测单元，接触压力监测单元用于采集微型压力盒的数据进行分析，隧道应变监测单元用于采集应变花的数据进行分析，隧道底部脱空监测单元用于采集微型位移计的数据进行分析。试验的时候，具体步骤如下(I)试验设计。根据试验场地条件和相似理论，设计试验中的地裂缝模型和隧道模型尺寸。(2)制作隧道模型。根据试验要求选择相应的结构材料。为便于观察隧道底部与土体的脱空现象，试验中可采用透光率达到99%的有机玻璃。在室温20°C的条件下，其压缩模量为2. 47X 103MPa，约为衬砌混凝土强度等级C50的1/15。抗拉伸强度为86. 56MPa，伸缩率为4%，比例极限72. 4MPa。在上覆土荷载作用下，在整个试验过程中试件均处于完全弹性范围之内。这种隧道结构可重复使用，利用率高，成本较低。模型隧道制作完成后，在隧道纵向及环向表面粘贴应变片和微型压力盒。(3)制作模型箱。用角钢制作模型箱框架，前后箱壁材料选用钢化玻璃，用以观察土体沉降；左右两侧采用木工板。模型箱侧面箱体分成上下两个部分上部木板可拆卸，方便土体装卸；下部木板固定，在下部木板上开有直径300mm的圆孔,可伸入摄像头对放置在此位置的隧道模型内部情况进行观察。模型箱底板制作成A、B、C及D四块，使用时通过采用不同的拼接方式连接或将隧道按照一定转角摆放，实现地裂缝与隧道的不同交角。(4)减少边界条件对试验的影响。为减少上盘土体沿倾角下沉时土体与两侧箱壁 之间产生摩擦，土体和箱体之间铺设双层聚乙烯薄膜，中间铺撒滑石粉。(5)填夯地裂缝上、下盘土体。抬升上盘底板，分层填筑土体，单层的厚度为10cm，整平后夯实(夯击次数应提前做夯实试验确定)。在设计埋设压力盒的位置埋置压力盒。注意保证压力盒埋线不受到上盘沉降的影响。(6)制作地裂缝。在上下盘底板设缝处按照实际地裂缝角度设置隔板，当两侧土体夯实后抽走隔板，并将粉细砂填充在预设地裂缝中。(7)安置隧道。在预埋隧道处，挖半圆槽，布置位移计，保证其垂直；在半圆槽上放置隧道。将隧道底部整平、充实，使隧道底部与周围土体充分接触。在放置隧道时，应保证结构水平。(8)分层填筑地层。方法与步骤(5)相同。在设计埋设压力盒的位置埋置压力盒。(9)模型填筑完后，在表面布置水平观测点。(10)静置12小时，连接测试设备，测试初始数据。(11)启动试验平台的沉降系统，根据设计方案分次沉降。每次沉降后静置11小记录位移计、应变片和土压力盒测试数据，直至完成沉降；(12)停止试验平台动力系统，沿纵面进行剖面开挖，观察和量测地裂缝两侧土层的沉降及剖面开裂情况。根据试验具体进展情况，对试验过程尤其是钢化玻璃观察处以及有机玻璃隧道结构内部进行现场录像。(13)卸土，重复步骤4-12，按照试验要求开展下一次试验操作。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
权利要求1.一种隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，其特征在于，包括模型测试系统、模型监控系统、模型箱地板控制系统和模型箱；所述模型箱包括上盘土体层、下盘土体层，上盘土体层、下盘土体层之间为预设地裂缝，隧道模型穿越上盘土体层、下盘土体层，隧道模型可以与地裂缝正交也可以与地裂缝斜交；模型箱底板采用第一板块(A)、第二板块(B)、第三板块(C)及第四板块(D)四块拼接而成；模型箱底部采用千斤顶和位移计组成模型箱底板支撑及控制系统，控制模型箱底板四个板块的垂直位移，模拟地裂缝的上盘土体层、下盘土体层的运动。
2.根据权利要求I所述的隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，其特征在于，所述模型测试系统包括埋设于隧道底部的微型位移计，用于测试隧道底部与土体相对脱空量；埋设于上盘土体层、下盘土体层中的微型压力盒，用于测试土体中土压力的分布规律；粘贴于隧道表面的应变花和压力盒监测隧道模型各部位的应变情况和与上盘土体层、下盘土体层的接触压力；设置在模型箱外侧的水平仪，用于监测模型箱上盘土体层、下盘土体层表面的位移情况。
3.根据权利要求2所述的隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，其特征在于，所述模型监控系统，包括接触压力监测单元、隧道应变监测单元、隧道底部脱空监测单元，接触压力监测单元用于采集微型压力盒的数据进行分析，隧道应变监测单元用于采集应变花的数据进行分析，隧道底部脱空监测单元用于采集微型位移计的数据进行分析。
专利摘要本实用新型公开了一种隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，包括模型测试系统、模型监控系统、模型箱地板控制系统和模型箱；所述模型箱包括上盘土体层、下盘土体层，上盘土体层、下盘土体层之间为预设地裂缝，隧道模型穿越上盘土体层、下盘土体层，隧道模型可以与地裂缝正交也可以与地裂缝斜交；模型箱底板采用板块(A)、板块(B)、板块(C)及板块(D)四块拼接而成；本实用新型的隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统是设计一种试验方法简单，成本低，可重复使用的隧道穿越地裂缝带的物理模型试验系统，用以获取地裂缝与隧道在多种交角的情况下的应力应变关系及隧道底部相对脱空范围。
文档编号G01V9/00GK202433536SQ20122002444
公开日2012年9月12日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者严静平, 刘洪佳, 李凯玲, 李寻昌, 翟越, 蒋臻蔚, 门玉明 申请人:长安大学