基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于岩土工程室内模型试验装置技术领域，具体涉及一种基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，该装置能从细观上分析隧道开挖面失稳过程中土体内部的变形规律。
【背景技术】
[0002]对于隧道施工引起的地层位移规律研究，物理模型试验是一种重要的技术手段，可以为隧道工程设计和施工提供科学依据。目前，隧道施工模型试验一般采用现场土体或配置模型土，模型箱材料为钢板或玻璃，在土体内部埋设土压力盒或位移计，这种试验装置存在难以克服的缺点:(I)土体内部的变形量测采用插入式探头，会破坏土体环境，引起土体力学性质失真，进而导致测试结果与实际不符；(2)采用透明玻璃的模型箱时，非接触光学测量只能得到模型边界上的土体表面变形，对平面应变问题研究有一定的价值，但存在边界效应问题，无法测到隧道周围土体的三维变形。因此，迫切需要开发一种非接触、连续测量土体内部空间变形场的隧模型试验装置，以期深入认识隧道开挖引起土体变形和破坏的细观机理。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，该试验装置可以非接触、连续测量隧道开挖面失稳过程中土体内部的变形场，解决土体内部变形的不可观测性问题。
[0004]本实用新型所采用的技术方案是:一种基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，包括模型箱，模型箱上设有隧道模型，该隧道模型的一端伸入模型箱内；所述隧道模型内设有隧道开挖面支撑;在模型箱内放置透明土，透明土将隧道模型埋没；
[0005]在模型箱的顶部上方设有十字激光源，对透明土体内部进行纵、横两方向切片;在模型箱的正前方和侧面分别设有相机，相机同步拍摄纵、横两方向激光切面图像;相机将数据传递给计算机，计算机控制两台相机；
[0006]所述模型箱、隧道模型、隧道开挖面支撑均为透明材质制成。
[0007]更进一步的方案是，所述隧道模型、隧道开挖面支撑形成活塞结构，避免液体漏出。
[0008]更进一步的方案是，所述隧道开挖面支撑为透明玻璃棒。
[0009]更进一步的方案是，所述隧道开挖面支撑上刻有位移标记线。
[0010]更进一步的方案是，所述模型箱的角部标有刻度;所述隧道模型的上方外表面标有刻度。
[0011]更进一步的方案是，所述模型箱置于试验台上。
[0012]更进一步的方案是，所述十字激光源的投影距隧道模型前端的距离为隧道模型内径的一半。
[0013]更进一步的方案是，所述模型箱、隧道模型、隧道开挖面支撑选用透明有机玻璃制作。
[0014]试验时，移动隧道开挖面支撑，十字激光源对透明土体进行纵、横两方向切片，相机拍摄纵、横两方向激光切面图像，然后相机将拍摄的图像传递给计算机。
[0015]本实用新型产生的有益效果在于:
[0016]可以非接触、连续、同步测量隧道开挖面附近土体纵、横剖面内的变形场，测量精度高;结构简单、操作容易;制作费用低；
[0017]将透明土作为试验土，模型箱、隧道模型、隧道开挖面支撑采用透明材质制成，使试验变得简单，便于观察，提高了试验效率和准确性；
[0018]采用十字激光源对透明土体进行纵、横两方向切片，解决了以往只能对土体表面变形测量，使试验结果更准确。
【附图说明】
[0019]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中:
[0020]图1是本实用新型的整体结构示意图；
[0021 ]图2是隧道开挖模型的侧视结构示意图；
[0022]图3是隧道开挖模型的俯视结构示意图；
[0023]图4是隧道开挖模型与测试系统的侧视结构示意图；
[0024]图5是隧道开挖模型与测试系统的正视结构示意图。
[0025]其中:1.模型箱;2.隧道模型;3.隧道开挖面支撑;4.透明土;5.十字激光源;6.CXD相机;7.计算机;8.数据线;9.隧道模型刻度;10.位移标记线；11.模型箱刻度;12.试验台。
【具体实施方式】
[0026]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0027]参见图1-图5，一种基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，包括尺寸为13cmX IlcmX 12.5cm(长X宽X高)，材料为厚5mm的模型箱I;在模型箱I上设有内径为2.5cm由有机玻璃管制作的隧道模型2，该隧道模型2的一端伸入模型箱I内；在隧道模型2内设有隧道开挖面支撑3;在模型箱I内放置透明土 4，透明土 4将隧道模型2埋没，使隧道模型2达到一定埋深；
[0028]在模型箱I的顶部上方设有对透明土4内部进行纵、横两方向切片的十字激光源5，且十字激光源5与隧道模型2前端的水平距离为隧道模型2内径的一半;在模型箱I的正前方和侧面分别设有CCD相机6，CCD相机6同步拍摄纵、横两方向激光切面图像并将该图像通过数据线8实时传递给计算机7;计算机7控制两台CCD相机6工作；
[0029]所述模型箱1、隧道模型2由透明有机玻璃制成。
[0030]本实施例中，将隧道开挖面支撑3设计为透明玻璃棒，且将隧道模型2、隧道开挖面支撑3制成活塞结构，以避免模型箱I内的液体漏出。
[0031]为了准确控制试验条件，在模型箱I的角部标有模型箱刻度11，在模型箱外侧隧道模型2的上方外表面标有隧道模型刻度9，在隧道开挖面支撑3上刻有位移标记线10(当模型箱内隧道与开挖面支撑端部平齐时，该位移标记线与隧道模型外表面起始刻度对齐)。
[0032]为了获得较好的试验结果，将模型箱I用强力胶水固定在试验台12上。十字激光源5的功率为150mw以上。2台CXD相机6的分辨率为1280 X 1024、帧率为15fps以上。试验在暗室中进行。
[0033]本实用新型中，透明土4可用一定浓度的溴化钙水溶液和熔融石英(模拟砂土)配置，也可用硅粉和矿物油(模拟粘土)配置。
[0034]试验步骤如下:(I)将透明土4装入模型箱I内，使隧道模型2达到一定埋深，静置一段时间；(2)开启十字激光源5，使之能在透明土4内部同时形成纵、横散斑切面；调节两台CCD相机6的焦距和镜头至最佳视场宽度，并同步摄取透明土4变形前内部切面图片；(3)外拉玻璃棒活塞一定位移，两台CCD相机6同步连续摄像(也可以每外拉一定位移，待土体变形稳定后摄取图片)；(4)利用数字图像处理技术(PIV软件等)分析土体变形前后的图片，可获取开挖面失稳时隧道附近土体纵横剖面内的位移场、破坏范围等信息。
[0035]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。
【主权项】
1.一种基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，其特征在于:包括模型箱，模型箱上设有隧道模型，该隧道模型的一端伸入模型箱内；所述隧道模型内设有隧道开挖面支撑；在模型箱内放置透明土，透明土将隧道模型埋没； 在模型箱的顶部上方设有十字激光源，在模型箱的正前方和侧面分别设有相机，相机将数据传递给计算机； 所述模型箱、隧道模型、隧道开挖面支撑均为透明材质制成。2.根据权利要求1所述的基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，其特征在于:所述隧道模型、隧道开挖面支撑形成活塞结构。3.根据权利要求1或2所述的基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，其特征在于:所述隧道开挖面支撑为透明玻璃棒。4.根据权利要求3所述的基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，其特征在于:所述隧道开挖面支撑上刻有位移标记线。5.根据权利要求1所述的基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，其特征在于:所述模型箱上标有刻度。6.根据权利要求1或5所述的基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，其特征在于:所述模型箱置于试验台上。7.根据权利要求1所述的基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，其特征在于:所述十字激光源与隧道模型前端的水平距离为隧道模型内径的一半。8.根据权利要求1所述的基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，其特征在于:所述隧道模型的上方外表面标有刻度。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于透明土的隧道开挖面失稳模型试验装置，包括模型箱，模型箱上设有隧道模型，该隧道模型的一端伸入模型箱内；隧道模型内设有隧道开挖面支撑；在模型箱内放置透明土，透明土将隧道模型埋没；在模型箱的顶部上方设有十字激光源，对透明土体内部进行纵、横两方向切片；在模型箱的正前方和侧面分别设有相机，相机同步拍摄纵、横两方向激光切面图像；相机将数据传递给计算机，计算机控制两台相机；模型箱、隧道模型、隧道开挖面支撑均为透明材质制成。本实用新型可以非接触、连续、同步测量隧道开挖面附近土体纵、横剖面内的变形场，测量精度高，结构简单、操作容易、制作费用低。
【IPC分类】G01M99/00
【公开号】CN205384153
【申请号】CN201620172378
【发明人】陈军, 黄祥国, 肖铭钊, 孙吉主, 田久晖, 徐平, 程华强, 李忠超, 黄奎, 谢磊
【申请人】武汉市市政建设集团有限公司
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2016年3月7日