专利名称：一种模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于地质工程、岩土工程以及隧道与地下工程领域，具体涉及一种模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置。
背景技术：
目前，在模拟深部位移引发地层变形协调机制分析领域，尚无相关试验装置。与本发明相关的试验装置主要有各种模拟隧道开挖对周围土体影响的试验装置，主要用于离心模型试验模拟盾构隧道开挖过程中周围土体的应力变化及变形情况。例如孙兵和仇文革在论文《双孔盾构隧道地表位移离心机模型试验研究》中用水囊注放水的方式模拟隧道盾构开挖所引起的地层损失。此类试验装置大多只能模拟一种工况，不能重复利用，当要改变边界条件时，整个实验装置必须重新设计，时间周期较长且造成一定程度的资源浪费。此类试验装置所模拟边界条件的准确性完全依赖于气囊的压缩性，而气囊在试验过程中很容易发生不定向变形，造成实际边界条件与试验所要模拟的边界条件相差太大。总之，此类试验装置不能准确的模拟实际边界条件，还造成时间和资源的浪费，在实际中有诸多局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置，能够解决在室内研究深部地层位移引发地层变形及地面沉降的问题，可模拟的工程实际主要有深部地层降水引发上部各土层变形及地面沉降问题，地铁隧道盾构推进及管片安装过程中由于地层损失引起隧道上部土层变形情况及地面沉降情况。为达到上述目的，本发明的解决方案是
一种模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置，包括模型箱1、地层相似材料、 成型固定位移边界模具、气囊和测量设备，其中模型箱1为透明柱体结构，钢架5位于模型箱1顶部，所述成型固定位移边界模具22按照模型试验要求的位移边界条件预制而成， 成型固定位移边界模具22位于模型箱1内底部，气囊16位于成型固定位移边界模具22上方，气囊16上方设有地层相似材料，地层相似材料上方设有测量设备；气囊16顶部中心设有气囊接口 15，所述气囊接口 15连接输气管10—端，输气管10另一端连接调压阀17和气压计18，气囊16内设有气压计14 ；测量设备包括接触式电测位移计2、垫片3、接触式电测位移计固定块4、分层位移计6、分层沉降标7、分层沉降位移计固定块8和套管9，接触式电测位移计2通过接触式电测位移计固定块4于钢架5下部，接触式电测位移计2通过接触式电测位移计数据线19连接电脑20，垫片3的底面紧贴地层相似材料，顶面与接触式电测位移计2探针接触，垫片3随着地层相似材料移动而移动，接触式电测位移计2探针将探测到的垫片3位移传输到电脑20中进行信号转化，形成位移数据；分层位移计6通过分层沉降位移计固定块8固定于钢架5下部，分层位移计6通过分层沉降位移计数据线21连接电脑20，分层沉降标7底端固定于垫片3上，顶端与分层位移计6接触，分层位称计6探针将探测到的垫片3位移传输到电脑20中进行信号转化，形成位移数据；套管9套于分层沉降标7外，套管9底部与垫片3接触，顶部与一带孔的金属薄片焊接，所述带孔的金属薄片孔径大于分层沉降标7的直径。本发明中，所述接触式电测位移计2的数量视具体情况而定，一般为4-10个。本发明中，所述分层位移计6的数量视具体情况而定，一般为5-20个，相应的，分沉降标7和套管9为5-20个。本发明中，成型固定边界模具22的中部设有凹槽，气囊16位于所述凹槽内，气囊 16与凹槽的结构相匹配。本发明在试验中可以观察气囊及各土层的变化情况。地层相似材料为试验前模型试验相似比在室内配制成。成型固定边界模具和气囊组成一个整体，用来模拟深部地层位移。其中成型固定边界模具为实验前预制，形状及尺寸按要求设定。气囊亦为试验前预制， 通过气压调节器精确控制气囊中的气压，从而达到改变深部地层位移的目的。量测设备包括位移计、分层沉降标，根据试验要求还可加入土压力盒、孔隙水压力计等。本发明中，气囊中的压力大小可通过置于气囊内部的气压计精确测量。本发明中，深部土层的位移通过分层沉降标及位移计精确测量。本发明中，模型箱的尺寸根据模型试验中原型、相似比等确定。模型箱为透明有机玻璃制成，试验中可以通过模型箱的四个侧面准确及时地定性观察试验动态。本发明中，地层相似材料为室内人工配制而成。可根据工程实际中各个土层的物理、力学参数按模型试验中的相似准则进行配制。本发明中，成型固定边界模具为试验前预制。不同的位移边界条件可通过替换不同的模具实现。模具的形状、尺寸等参数根据模型试验的要求设定。本发明中，气囊由橡胶材料预制而成，有较好的抗张强度，弹性，柔性和气密性。通过内置的气压计精确测量内腔的压力。气囊内腔通过顶部中心的接口与输气管相连接，输气管的另一端安装有调压阀和气压计，可精确调节气囊内的压力。量测设备包括位移计、分层沉降标。根据试验要求还可加入土压力盒和孔隙水压力计等。位移计为接触式电测位移计，一端安装在箱顶部的固定钢架上，探针与待测点接触。分层沉降标用于测定地表以下一定深度的土体位移，其底端固定在垫片上，顶端与位移计探针接触，为消除分层沉降标周围土体的摩擦力影响，将沉降标套在一个铝制细圆管中。
总的来说，本装置由模型箱、地层相似材料、成型固定位移边界模具、气囊、量测设备组成。通过成型固定边界模具模拟实际工程深部土层的位移边界、通过控制气囊中气压的大小来控制气囊的变形，从而达到改变深部土层位移边界条件的目的。由于采用上述技术方案，本发明能用于模拟深部地层降水弓丨起上部土层变形及地面沉降的问题，也能用于研究地铁隧道盾构推进过程中上部土层的变形协调及地面沉降的相关试验，具有以下有益效果
1、能模拟不同位移边界条件下上部土层及地表沉降问题。2、能够全方位对实验动态进行定性、定量监测。3、设备简单易用。
图1是本发明实施例的试验装置工作原理图。图2是图1所示实施例中分层沉降标的结构图。图3是图1所示实施例中囊的结构图。图4是图1所示实施例中固定位移模具的结构图。图中标号1-模型箱；2-接触式电测位移计；3-垫片；4-接触式电测位移计固定块；5-钢架；6-分层位移计；7-分层沉降标；8-分层沉降位移计固定块；9-套管；10-输气管；11-第一层土层相似材料；12-第二层土层相似材料；13-第三层土层相似材料；14-气压计；15-气囊接口 ；16-气囊；17-调压阀；18-气压计；19-接触式电测位移计数据线； 20-电脑；21-分层沉降位移计数据线；22-成型固定位移边界模具。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。实施例1 请参阅图1-4，模型箱1为长方体结构，采用透明有机玻璃质模型箱，模型箱1为模型试验中模型材料和量测设备的主要载体，钢架5位于模型箱1的顶端，主要用于固定位移计和数据线，模型箱1与钢架5通过固定装置固定在一起，钢架5的节点排列方式与位移测点的布置情况有关，位移测点的布置按模型试验要求排布。这里是以模拟三层土层为例，地层相似材料包括第一层土层相似材料11、第二层土层相似材料12和第三层土层相似材料13。深部位移发生在第三层土层相似材料13的底面。各相似土层是按模型试验相似比在室内配制成，土层厚度、物理力学参数与实际工程存在比尺关系。成型固定位移边界模具22是按模型试验要求的位移边界条件预制而成，铁质。可以变换不同的模具来达到改变深部土层位移边界条件的目的。气囊16由橡胶材料预制而成，有较好的抗张强度，弹性，柔性和气密性。通过内置的气压计14可以精确测量气囊16内腔的压力。气囊16内腔通过顶部中心的接口 15与输气管10相连接，输气管10的另一端安装有调压阀17和气压计18，可精确调节气囊16内的压力。气囊16内的初始压强及试验过程中的变形规律在实验前已经过严格计算。测量设备包括接触式电测位移计2、垫片3、接触式电测位移计固定块4、分层位移计6、分层沉降标杆7、分层沉降位移计固定块8、套管9、接触式电测位移计数据线19、电脑 20和分层沉降位移计数据线21。接触式电位移计禾通过接触式电测位移计固定块4固定在钢架5下部，其排布方式按模型试验采集数据要求布置。金属的垫片3底面紧贴第一层土层相似材料11表面，顶面与接触式电测位移计2探针接触，因此垫片3以下的地层相似材料表面位移会带动垫片3移动，接触式电测位移计2探针将探测到的垫片3位移传输到电脑 20中进行信号转化，形成位移数据。分层位移计6通过分层沉降位移计固定块8固定在钢架5下方，可测量地层相似材料地表以下一定深度土层的位移，可以是接触式电测位移计， 亦可以是非接触式激光位移计。分层沉降标7底端与一金属的垫片3焊接，顶端与分层位移计6接触(如果分层位移计为非接触式位移计，则激光照射在位移计顶端)。为消除分层沉降标7周围土体对它的摩擦作用，用一套管9套在分层沉降标7上，所述套管9底端与金属的垫片3接触但不固定，顶端与一带孔的金属薄片焊接，孔径稍大于分层沉降标7的直径， 这样既能有效约束分层沉降标7的侧向位移和转动位移，又不至对分层沉降标的竖向位移
5产生约束。本发明的制作过程如下 a.模型箱制作
根据模型试验的原型及相似比，并考虑到边界效应的影响，设计出模型箱的尺寸，制作模型箱1。b.地层相似材料的配制
根据模型试验的相似比，配制出几何、物理、力学参数符合实验要求的地层相似材料。c.可替换的成型固定边界模具及气囊的制作
根据模型试验中深部地层位移边界条件的几何参数，制作相应的成型固定边界模具22 和气囊16，使气囊16充气后的体积恰好等于成型固定边界模具22凹面的体积，亦等于位移边界面与水平面所围成的体积。成型固定边界模具22为刚性材料制成，气囊16为柔性橡胶材料制成。d.测量设备
按模型试验分层位移测点及地表沉降测点的数目预备好相应的测量元件及数据采集系统。e.组装模型
(1)试验土料按确定的模型箱分层土的体积和容重初算重量并称重；
(2)将成型固定边界模具水平放置在模型箱的底部；
(3)将气压计置于气囊内部，将气囊的阀门及输气管置于模具的凹槽内；
(4)向气囊中充气至设计气压值；
(5)均勻等速向模型箱中抛土，每完成一轮抛土，调换另一个方向进行下一轮抛土， 这样以避免局部抛土过多或过少，确保每轮抛土所形成的土层厚度各点大致均勻；
(6)在设计位置预埋沉分层沉降标；
(7)重复上述步骤，直至抛完全部土层；
(8)安装接触式电测位移计和分层位移计。f.开始试验
g.通过调压阀改变气囊中的气压值，通过数据采集系统记录数据。将气囊中的气压值逐级降至0，等数据采集完毕后，终止实验。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种模拟深部位移引发上覆地层变形协调机制的试验装置，包括模型箱、地层相似材料、成型固定位移边界模具、气囊和测量设备，其特征在于模型箱(1)为透明柱体结构， 钢架(5)位于模型箱(1)顶部，所述成型固定位移边界模具02)按照模型试验要求的位移边界条件预制而成，成型固定位移边界模具0 位于模型箱(1)内底部，气囊(16)位于成型固定位移边界模具0 凹槽内，气囊(16)上方设有地层相似材料，地层相似材料上方设有测量设备；气囊(16)顶部中心设有气囊接口(15)，所述气囊接口(1 连接输气管(10) 一端，输气管(10)另一端连接调压阀(17)和气压计(18)，气囊(16)内设有气压计(14)； 测量设备包括接触式电测位移计O)、垫片(3)、接触式电测位移计固定块G)、分层位移计 (6)、分层沉降标(7)、分层沉降位移计固定块(8)和套管(9)，接触式电测位移计( 通过接触式电测位移计固定块(4)于钢架( 下部，接触式电测位移计( 通过接触式电测位移计数据线(19)连接电脑(20)，垫片(3)的底面紧贴地层相似材料，顶面与接触式电测位移计( 探针接触，垫片( 随着地层相似材料移动而移动，接触式电测位移计( 探针将探测到的垫片C3)位移传输到电脑OO)中进行信号转化，形成位移数据；分层位移计(6) 通过分层沉降位移计固定块(8)固定于钢架( 下部，分层位移计(6)通过分层沉降位移计数据线连接电脑(20)，分层沉降标(7)底端固定于垫片( 上，顶端与分层位移计 (6)接触，分层位称计(6)探针将探测到的垫片( 位移传输到电脑OO)中进行信号转化， 形成位移数据；套管(9)套于分层沉降标(7)外，套管(9)底部与垫片( 接触，顶部与一带孔的金属薄片焊接，所述带孔的金属薄片孔径大于分层沉降标(7)的直径。
2.根据权利要求1所述的模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置，其特征在于所述接触式电测位移计O)为4-10个。
3.根据权利要求1所述的模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置，其特征在于所述分层位移计(6)为5-20个，相应的，分沉降标(7)和套管(9)为5-20个。
4.根据权利要求1所述的模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置，其特征在于成型固定边界模具0 的中部设有凹槽，气囊(16)位于所述凹槽内，气囊(16)与凹槽的结构相匹配。
全文摘要
本发明涉及一种模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置，包括模型箱、地层相似材料、成型固定边界模具、气囊和测量设备。模型箱为模型试验的主要载体；地层相似材料用来模拟实际地层及其组合；成型固定边界模具用来模地层深部位移边界条件，可以通过替换不同形状、参数的模具以达到模拟不同位移边界条件的目的；气囊与固定边界模具组合，用以模拟地层深部位移，可以通过气阀精确控制气囊中的气压来达到控制位移边界参数的目的；测量设备实现对分层位移、地表位移、土压力、孔隙水压力等的精确测量。本发明可用于在室内模拟地下深部连续变形过程对上覆地层变形机制的影响。
文档编号G01V9/00GK102426396SQ201110259238
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者汪沛, 王建秀, 田普卓, 胡蒙蒙, 隋东昌 申请人:同济大学