振动荷载下多滑动面滑坡地段隧道影响的模型试验装置的制作方法

本发明涉及一种岩土隧道施工的试验装置，具体涉及一种振动荷载下多滑动面滑坡地段隧道影响的模型试验装置。

技术背景

当前我国迎来了新一轮大规模工程建设的高峰期，越来越多的能源、交通、矿山和国防隧道工程建造在中西部山区。这些地区地形和地质复杂，公路、铁路隧道往往要穿过地质不良地段，不可避免地要受到滑坡等地质灾害的影响，特别是在地震等振动荷载作用下这种地质灾害更为明显，这给工程顺利建设和正常运营造成了严重的威胁。

滑坡是一种危害极大的自然灾害，长期以来该领域均是各国学者研究的重要方向之一。目前针对振动荷载下多滑动面滑坡地段隧道影响的研究方法主要是理论分析、数值仿真试验以及现场测试。理论分析通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上不能准确考虑隧道与滑坡之间的复杂关系；数值仿真试验一般需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。此外，由于土工测试仪器设备的限制很难获得精确的土体物理力学参数，而土体参数的变化对数值模拟结果影响很大，因此容易造成计算结果的偏差。现场监测方法是获取振动荷载下多滑动面滑坡地段隧道影响的手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种振动荷载下多滑动面滑坡地段隧道影响的模型试验装置，实现对振动荷载作用下多滑动面滑坡地段隧道影响的模拟，准确测量滑坡面的位移变化和隧道衬砌应变并进行分析。

本发明为解决其技术问题而采用以下技术方案：一种振动荷载下多滑动面滑坡地段隧道影响的模型试验装置，包括模型箱、隧道衬砌模型、多个位移计、多个百分表及铝合金细管、多个电阻应变片、多个应变仪、多个电动式激振器、数码相机，其特征在于：

所述模型箱中放有土体，土体中铺垫细砂层，通过细砂层模拟两个滑动面，实现对多滑动面滑坡的复杂工况进行真实模拟；

所述隧道衬砌模型放置于模型箱中土体内部，与模型箱短边平行；

所述多个位移计固定在土体的上表面或者土体内部，并与应变仪连接，应变仪连接计算机数据采集系统；

所述多个百分表通过穿过预埋在土体内部的铝合金细管的柔性细线的探杆与探头连接，探头固定在土体内部，或通过铁片固定在滑动面滑坡的表面；

所述多个电阻应变片横向粘贴在隧道模拟衬砌上，并与应变仪连接；

所述电动式激振器固定在隧道衬砌模型内部，并与功率放大器连接组合使用，信号放大器连接计算机加载系统。

进一步，所述模型箱采用刚性密封，模型箱主体框架由钢板外加等边角钢焊接而成，模型箱水平振动方向上用型钢板围护，长边为透明玻璃钢，其中，在左、右侧面钢板上钻孔用于连接测试仪器。

进一步，所述隧道衬砌模型由多块薄铝合金板材拼接而成。

进一步，所述功率放大器控制和调节电动式激振器的振动荷载的频率、大小，从而模拟不同频率或不同大小的振动荷载下隧道穿越滑坡体对周围土体的影响。

进一步，在坡体下滑过程中，所述数码摄像机对整个试验过程进行定点跟踪拍摄，记录下边坡的变形、位移情况，之后通过单帧取像的方法量取每个标志点的位移。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到不同温度等条件下隧道穿越滑坡体影响效应的研究中；2、本试验的振动荷载模拟装置可以较好模拟不同频率不同大小的振动荷载并可以较为方便地改变荷载的大小和频率；3、本试验中隧道可以模拟实际工程中盾构隧道在振动荷载作用下的动态变形情况；4、采用本套装置进行振动荷载下多滑动面滑坡地段隧道影响的模型试验，可为公路、铁路隧道工程顺利建设和正常运营提供良好的咨询与建议，对于制定振动荷载下隧道安全穿越滑坡体技术标准以及滑坡体的安全保护措施提供一定的理论参考。

附图说明

图1为本发明在实施例中的模型箱内测试装置示意图；

图2为本发明在实施例中的隧道内电阻应变片测点布置图；

图3为本发明在实施例中的隧道衬砌模型横断面图；

图4为本发明在实施例中的百分表测点布置图；

图5为本发明在实施例中的位移计布置图。

具体实施方式

首先，制作一个模型箱、一个隧道衬砌模型、一套振动荷载模拟装置、一个位移计支架、多个电阻应变片及数据接收装置。

图1为本发明在实施例中的模型箱内测试装置示意图，如图1所示，模型箱外形呈长方体，内部空间尺寸为2000 mm×1500 mm×1300mm（长×宽×高），由厚20 mm的钢板1做底，两长边采用厚度为20 mm的钢化玻璃2，左、右侧面为20mm厚的带孔钢板3，底部与钢板1相连，顶面20厚的带孔钢板4，顶部四周均设有锚孔便于固定位移计支架。隧道衬砌模型5为直径150 mm的薄铝合金筒体，放置于模型箱中土体内部且中心距左侧带孔钢板3内侧450mm，衬砌最低点距底部钢板1内侧520mm且与模型箱短边平行，振动荷载模拟装置在隧道衬砌模型内部按隧道衬砌模型长度等距离安放，如图4所示，从左到右依次是第一至第三电动式激振器8、9、10，然后与信号放大器100连接并连与计算机加载系统。预埋第一铝合金细管65位于隧道上方50mm，内穿柔性细线的探杆14，柔性细线的探杆14一端埋于隧道上方土体测点，另一端连接百分表；预埋第二铝合金细管66位于隧道下方50 mm，内穿柔性细线的探杆15，柔性细线的探杆15一端埋于隧道下方土体测点，另一端连接百分表；第一，二细砂层6、7铺垫在土层时均匀铺洒可用于模拟危险滑动面。

图2为本发明在实施例中的隧道内电阻应变片测点布置图。如图2所示，电阻应变片安装在隧道管片内部，共有16个第一至第十六电阻应变片67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82。其中电阻应变片分布于四个截面，每个截面上四个。第一个隧道监测截面与图2左侧相距180mm，分布有第一至第四电阻应变片67、68、69、70的监测点，如图3所示，第一电阻应变片67与隧道轴线同一高度放置于左侧引出导线83连于控制器99再与计算机数据采集系统连接，第四电阻应变片70与隧道轴线同一高度放置于右侧引出导线86连于控制器99再与计算机数据采集系统连接，第二、三电阻应变片68、69分别位于隧道竖直轴线的最下处和最上处引出导线84、85连于控制器99再与计算机数据采集系统连接；第二个隧道监测截面位于图2中第一个监测截面右侧380mm处，分布有第五至第八电阻应变片71、72、73、74的监测点， 第五71电阻应变片与隧道轴线同一高度放置于左侧引出导线87连于控制器99再与计算机数据采集系统连接，第八电阻应变片74与隧道轴线同一高度放置于右侧引出导线90连于控制器99再与计算机数据采集系统连接，第六、第七电阻应变片72、73分别位于隧道竖直轴线的最下处和最上处引出导线88、89连于控制器99再与计算机数据采集系统连接；第三个隧道监测截面位于图2中第二个监测截面右侧380mm处，分布有第九至第十二电阻应变片75、76、77、78的监测点，第九电阻应变片75与隧道轴线同一高度放置于左侧引出导线91连于控制器99再与计算机数据采集系统连接，第十二电阻应变片78与隧道轴线同一高度放置于右侧引出导线94连于控制器99再与计算机数据采集系统连接，第十、第十一电阻应变片76、77分别位于隧道竖直轴线的最下处和最上处引出导线92、93连于控制器99再与计算机数据采集系统连接；第四个隧道监测截面位于图2中第三个监测截面右侧380mm处，分布有第十三至第十六电阻应变片79、80、81、82的监测点，第十三电阻应变片79与隧道轴线同一高度放置于左侧引出导线95连于控制器99再与计算机数据采集系统连接，第十六电阻应变片82与隧道轴线同一高度放置于右侧引出导线98连于控制器99再与计算机数据采集系统连接，第十四、第十五80、81分别位于隧道竖直轴线的最下处和最上处引出导线96、97连于控制器99再与计算机数据采集系统连接。

图4为本发明在实施例中的百分表测点布置图。如图4所示，隧道模型5最底点距离钢板1上表面520 mm。探杆14、15、21、22、28、29置于土体内部相对应的位移测孔内，其中探杆14的位移测孔中心位于隧道模型5顶点正上方50 mm且距离左侧钢化玻璃2内侧375mm处，探杆15的位移测孔中心位于隧道模型5顶点正下方50 mm且距离左钢化玻璃2内侧375mm处，探杆21、22的移测孔中心分别位于探杆14、15的位移测孔正右方且孔中心距离为375mm，28、29测孔分别位于探杆21、22和位移测孔正右方且孔中心距离为375mm。探杆11～13、探杆16～20、探杆23～27、探杆30～46的位移测孔均为滑动面测点对应的百分表探杆预留孔，其中探杆13的位移测孔位于探杆14的位移测孔上方且孔中心竖直距离为50 mm并与图1的左侧带孔钢板3内侧距离为150mm，探杆12的位移测孔位于探杆13的位移测孔上方且孔中心竖直距离为100mm并与图1的左侧带孔钢板3内侧距离为100mm，探杆11的位移测孔位于探杆12的位移测孔上方且孔中心竖直距离为100mm并与图1的左侧带孔钢板3内侧距离为50mm ，探杆16的位移测孔位位于探杆15的位移测孔下侧且孔中心竖直距离100 mm并与图1左侧带孔钢板3内侧距离为550mm，探杆17的位移测孔位于探杆16的位移测孔下侧且孔中心竖直距离100mm并与图1左侧带孔钢板3内侧距离为700mm，探杆18、19、20、23、24的位移测孔分别位于探杆11、12、13、16、17的位移测孔正右方且孔中心距离为375 mm，探杆25、26、27、30、31的位移测孔分别位于探杆18、19、20、23、24的位移测孔正右方且孔中心距离为375 mm。探杆35的测孔中心位于隧道模型5顶点上方50 mm且距离左侧钢化玻璃2内侧375mm处并与图1左侧带孔钢板3内侧距离为600mm，探杆34的位移测孔位于探杆35的位移测孔上方且孔中心竖直距离为50mm并与图1的左侧带孔钢板3内侧距离为550mm，探杆33的位移测孔位于探杆34的位移测孔上方且孔中心竖直距离为100mm并与图1的左侧带孔钢板3内侧距离为500mm，探杆32的位移测孔位于探杆33的位移测孔上方且孔中心竖直距离为100mm并与图1的左侧带孔钢板3内侧距离为450mm, 探杆36的位移测孔中心位于隧道模型5顶点下侧50 mm且距离左侧钢化玻璃2内侧375mm处并与图1左侧带孔钢板3内侧距离为700mm ，探杆37、38、39、40、41的位移测孔分别位于探杆32、33、34、35、36的位移测孔正右方且孔中心距离为375 mm，探杆42、43、44、45、46的位移测孔分别位于探杆37、38、39、40、41的位移测孔正右方且孔中心距离为375 mm（注：百分表个数可根据研究项目和精度进行调整）

开始向模型箱内填入黏土，当土层厚度达到200 mm时，将模型箱左侧逐渐堆高制作滑床，与此同时将细砂层7以适当角度在适当位置铺设，并在细砂层上方填置下滑体模拟材料（滑体模拟材料为饱水砂泥岩）；当填至270 mm厚时在细砂层7上固定三个铁片，一块在距图2左侧钢化玻璃2内侧375mm处，一块在中心处，另一块在距图2右侧钢化玻璃2内侧375mm处，分别引出百分表，并将探杆17、24、31端部分别固定于所述三个铁片上；当填至370 mm厚时在细砂层7上固定三铁片，一块在距图2左侧钢化玻璃2内侧375mm处，一块在中心处，另一块在距图2右侧钢化玻璃2内侧375mm处，分别引出百分表，并将探杆16、23、30端部分别固定于所述三个铁片上，与此同时将细砂层6以适当角度在适当位置固定，并在细砂层上方填置上滑体模拟材料（滑体模拟材料由粗砂、滑石粉和水配制而成）；当填至470mm厚时分别在隧道模型5正下方50mm处埋设三根铝合金细管和在细砂层6上固定三铁片，一块（根）在距图2左侧钢化玻璃2内侧375mm处，一块（根）在中心处，另一块（根）在距图2右侧钢化玻璃2内侧375mm处，细砂层6上固定的三铁片分别引出百分表，并将探杆36、41、46端部分别固定于所述三个铁片上，隧道模型5正下方50mm处埋设的三根铝合金细管内部分别穿柔性细丝的探杆15、22、29，柔性细丝的探杆一端固定于滑体内部，另一端连于百分表；当填土至520mm时，将隧道施工模拟装置放入，当填至720 mm厚时分别在隧道模型5正上方50mm处埋设三根铝合金细管和在细砂层6上固定三铁片，一块（根）在距图2左侧钢化玻璃2内侧375mm处，一块（根）在中心处，另一块（根）在距图2右侧钢化玻璃2内侧375mm处，细砂层6上固定的三铁片分别引出百分表，并将探杆35、40、45端部分别固定于所述三个铁片上，隧道模型5正上方50mm处埋设的三根铝合金细管内部分别穿柔性细丝的探杆14、21、28，细丝的探杆一端固定于滑体内部，另一端连于百分表；当填至770 mm厚时分别在细砂层7和细砂层6上固定三个铁片，一块在距图2左侧钢化玻璃2内侧375mm处，一块在中心处，另一块在距图2右侧钢化玻璃2内侧375mm处，分别引出百分表，细砂层7上固定的三个铁片分别与探杆13、20、27端部连接，细砂层6上固定的三个铁片分别与探杆34、39、44端部连接；当填至870 mm厚时分别在细砂层7和细砂层6上固定三个铁片，细砂层7上固定的三个铁片分别与探杆12、19、26端部连接，细砂层6上固定的三个铁片分别与探杆33、38、43端部连接；当填至970 mm厚时分别在细砂层7和细砂层6上固定三个铁片，细砂层7上固定的三个铁片分别与探杆11、18、25端部连接，细砂层6上固定的三个铁片分别与探杆32、37、42端部连接。继续填土堆高，当左端土体厚度达到1100 mm时，细砂层触及模型箱左侧木板，填土完成，此时隧道穿越滑坡体。

图5为本发明在实施例中的位移计布置图。如图5所示，位移计通过锚栓固定于模型箱顶面4，模型箱顶面4上开有18个外径为35 mm的预留小孔，便于位移计的固定，其中探杆59的位移测孔中心距离支架左外边缘285 mm、距离支架上外边缘375mm，探杆60的位移测孔位于探杆59的位移测孔正右方且孔中心距离为285 mm，探杆61的位移测孔位于探杆60的位移测孔正右方且孔中心距离为285 mm，探杆62的位移测孔位于探杆61的位移测孔正右方且孔中心距离为285mm，探杆63的位移测孔位于探杆62的位移测孔正右方且孔中心距离为285 mm，探杆64的位移测孔位于探杆63的位移测孔正右方且孔中心距离为285 mm，探杆53的位移测孔位于探杆的59位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm，探杆54的位移测孔位于探杆60的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm，探杆55的位移测孔位于探杆61的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm，探杆56的位移测孔位于探杆62的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm ，探杆57的位移测孔位于探杆63的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm，探杆58的位移测孔位于探杆64的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm ，探杆47的位移测孔位于探杆53的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm，探杆48的位移测孔位于探杆54的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm，探杆49的位移测孔位于探杆55的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm，探杆50的位移测孔位于探杆56的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm ，探杆51的位移测孔位于探杆57的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm，探杆52的位移测孔位于探杆58的位移测孔正下方且孔中心距离为375 mm。（注：位移计个数可根据研究项目和精度进行调整）将14个位移计通过位移计支架固定在土体表面测量地表处的沉降值，将4个位移计深入至地表以下300 mm处， 2个位移计深入至地表以下900 mm处来测量深层土体的沉降值。其中每个位移计都应保持竖直向上，且水平方向固定。

以下列出利用本发明的模型箱进行模拟的情况。

模型箱制作完成后，安装激振器，激振器出力底面直接接触隧道衬砌内表面，并且保证在激振时激振器基座在空间上保持静止，然后与信号增大器连接然后通过计算机控制。激振器安装完成后，通过计算机操作，调节激振器的偏心距、偏心块质量、频率，使激振系统隧道衬砌耦合振动产生动应力，当隧道衬砌及周围土体收到激振力作用，产生强迫振动。连续改变激振器的频率，可得到隧道衬砌的幅频特性曲线，然后通过数据采集系统可获得相关的数据经过分析处理可以得到隧道振幅，周围土体位移、滑动面位移以及隧道衬砌的影响情况

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明的要点的范围内进行适当变更。

本发明上述实施例通过振动荷载下多滑动面滑坡地段隧道影响的模型试验装置，可以获得不同频率不同大小的振动荷载对多滑动面滑坡地段隧道的影响，从而达到准确测量振动荷载作用下隧道穿越滑坡体引起的隧道衬砌变形、滑坡面位移、地表土体沉降以及深层土体位移的技术效果。