测量重叠隧道土拱效应的活动门装置及试验方法与流程

本发明涉及土木工程岩土工程试验装置领域，特别涉及一种测量重叠隧道土拱效应的活动门装置及试验方法。

背景技术：

支护结构引起的“土拱效应”是地下工程中最关键的问题，其广泛存在于地下工程中，如隧道开挖、基坑支护等工程。其实质是一种应力转移的现象。这种应力的转移是由于土体受到外力发生不均匀变形而实现的。

在隧道工程中，隧道荷载主要来源于围岩的作用，在荷载或自重的作用下，土体发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，于是在一定范围土层中产生“土拱效应”。由于土拱效应的存在，使得围护结构后的主动土压力产生重分布。充分研究“土拱效应”的作用机理、充分利用其应力重分布的特点成为了主要的研究方向。

早在1884年，英国科学家roberts首次发现了“粮仓效应”：粮仓底面所承受的力在粮食堆积到一定程度后达到最大值并保持不变，这就是通常所说的土拱效应。1895年，德国工程师janssen用连续介质模型对其进行了定量解释。1943年，太沙基通过著名的“活动门”试验证实了土力学领域土拱效应的存在，并在对土拱的应力分布进行描述的基础上，得出了土拱效应存在的条件。但太沙基的“活动门”实验只能研究固定宽度的“土拱效应”，并不能在一个装置上研究多个宽度的“土拱效应”。

在有关“土拱效应”的试验研究中，专利号为cn102680390a的发明专利公开了一种用于模拟隧道开挖引起土拱效应的试验装置。该装置在原有的太沙基试验基础上，增设了可拆除板的设计，使得可以在一定程度上改变宽度进行试验。但这种宽度的变化是固定的，只能是拆除板宽度的整数倍，不能实现宽度的无级调节。

在现有的活动门试验装置中，都是观测平面状态下的“土拱效应”，研究的是平面应变问题。而“土拱效应”在整个土体中都是存在的，是一种空间效应，仅仅将它当作平面应变问题考虑是不全面的。另外，由于现在重叠隧道数目逐渐增加，研究重叠隧道情况下的空间“土拱效应”成为了研究的一大热点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测量重叠隧道土拱效应的活动门装置及试验方法。利用该活动门装置及试验方法能够实现对重叠隧道的不同宽度的空间所产生的土拱效应进行试验。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种测量重叠隧道土拱效应的活动门装置，包括箱体、活动门、隧道模型和三维扫描仪，其中，所述活动门水平设置在所述箱体内，所述活动门上设置有若干土压力盒，所述活动门的上表面和所述箱体围成的空间用于容纳土体，所述隧道模型设置在所述土体内；所述活动门能够移动；所述活动门的移动能够使所述土体塌落，所述土压力盒能够测量所述土体竖向的土压力；所述三维扫描仪设置在所述箱体内并位于所述活动门的下面，所述三维扫描仪能够测量所述土体形成土拱效应的拱轴线。

进一步地，在上述的活动门装置中，所述箱体包括有前板、后板、左板和右板，所述前板、所述左板、所述后板和所述右板依次连接形成上下开口的立方体结构；优选地，所述活动门包括有两块隔板，两块所述隔板并排置于所述箱体内，两块所述隔板均能够移动；优选地，每块所述隔板的上表面设置有21个所述土压力盒。

进一步地，在上述的活动门装置中，两块所述隔板的前后两端均设置有滑动装置，所述滑动装置位于所述隔板的下表面；所述滑动装置包括滑轨、滑轮和连轴，所述滑轨与所述隔板连接，所述前板的内侧壁和所述后板的内侧壁上均设置有多个连轴，每个所述连轴上均套设有滑轮，所述滑轮与所述连轴之间为转动连接；所述滑轮与所述滑轨接触，所述滑轨能够在所述滑轮上移动，进而使两块所述隔板能够发生相对位移。

进一步地，在上述的活动门装置中，所述左板和所述右板均设置有开口，所述开口分别与两块所述隔板的一侧相对应，一块所述隔板的部分或者全部能够由所述左板的开口移出所述箱体；另一块所述隔板的部分或者全部能够由所述右板的开口移出所述箱体。

进一步地，在上述的活动门装置中，所述滑轮上套设有橡胶圈；所述滑轮内部设置有转动轴承，所述转动轴承套接在所述连轴上；优选地，每个所述滑动装置设置有大于等于5个所述滑轮。

进一步地，在上述的活动门装置中，所述箱体材质为有机玻璃，优选地，所述箱体材质为亚克力板；优选地，所述活动门的材质为亚克力板。

进一步地，在上述的活动门装置中，在所述隔板上的所述滑轨沿所述隔板的宽度方向设置，所述隔板上的两个所述滑轨位于同一高度的平面上；所述滑轨通过螺栓固定在所述隔板的底部。

进一步地，在上述的活动门装置中，所述箱体的长度l1为1m，所述箱体的宽度l2为0.8m，所述箱体的高度h1为1.3m；所述活动门与所述箱体底部的垂直距离h2为0.3m，两块所述隔板的长度均为所述箱体长度的一半、宽度均与所述箱体的宽度相等、厚度h3均为0.03m。

另一方面，提供了一种利用上述的活动门装置进行试验的方法，包括如下步骤：

1)将活动门装置置于水平平整的地面，将两块隔板并拢中间不留有空隙；

2)向箱体内分层填充土体并将隧道模型埋设在土体内；

3)待土体呈现出土拱效应后，记录每个土压力盒的读数；

4)分别拉动两块隔板的把手，使两块隔板分别向箱体的左右两侧移动，进而增加两块隔板之间的距离，待箱体中的部分土体由两块隔板之间塌落并保持稳定后，记录每个土压力盒的读数，打开三维扫描仪，对土体形成土拱效应的拱轴线进行精确测量；

5)将三维扫描仪测量的拱轴线导入计算机，通过拱轴线以及土压力盒的读数分析箱体内重叠隧道模型所在空间的土拱效应规律。

进一步地，在上述的方法中，在所述步骤4)和所述步骤5)之间还包含有以下步骤：

再次分别拉动两块隔板的把手，缓缓分开两块隔板，土体再次塌落，等待土体塌落完成后，记录下此时不同位置处土压力盒的读数，并用三维扫描仪扫描新形成的土拱拱轴线，完成二次“土拱效应”的模拟；优选地在所述步骤2)中，分层填充土体时，所述土体分三层进行填充，相邻两层所述土体的填充间隔时间为1h以上，箱体填充完成后静置一天；优选地，在所述步骤2)中，仅对隧道模型所在空间进行土体填充。

分析可知，本发明公开一种测量重叠隧道土拱效应的活动门装置及试验方法。通过在土体中设置隧道模型，在隔板上安装土压力盒，并借助三维扫描仪精确测量形成土拱效应的拱轴线，可以对重叠隧道的空间“土拱效应”进行模拟。并且本发明还设置了滑动装置，同时在隔板上安装滑轮轨道，使两块隔板可以自由滑动，借此来改变两块隔板之间的宽度，实现重叠隧道的不同宽度的空间土拱效应试验。还可以模拟土拱形成并稳定后再次改变隔板之间宽度形成的二次土拱效应。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的立体结构示意图。

图2为本发明一实施例的主视结构示意图。

图3为本发明一实施例的右视结构示意图。

图4为本发明一实施例的滑轮及轨道细部结构示意图

附图标记说明：1箱体；11前板；12后板；13左板；14右板；15底板；2活动门；21隔板；3隧道模型；4土压力盒；5土体；6三维扫描仪；7滑动装置；71滑轨；72滑轮；73连轴；8开口；9把手；

l1箱体的长度；l2箱体的宽度；h1箱体的高度；h2活动门与底板的垂直距离；h3隔板的厚度。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图4所示，根据本发明的实施例，提供了一种测量重叠隧道土拱效应的活动门装置，包括箱体1、活动门2、隧道模型3和三维扫描仪6，其中，活动门2水平设置在箱体1内，活动门2上设置有若干土压力盒4，活动门2的上表面和箱体1围成的空间用于容纳土体5，隧道模型3设置在土体5内；活动门2能够移动且能够穿过箱体1的侧壁部分或全部移出箱体1；活动门2的移动能够使土体5塌落，土压力盒4能够测量土体5竖向的土压力；三维扫描仪6设置在箱体1内并位于活动门2的下面，三维扫描仪6能够测量土体5形成土拱效应的拱轴线。拱轴线的参数包括隔板21所受荷载、隔板21间隔不同距离时形成的土拱拱轴线高度。

位于活动门2下面的箱体1部分可称为底座，三维扫描仪6固定在底座底部的中间处，三维扫描仪6优选激光三维扫描仪，可以实现非接触测量。

具体地，箱体1内的土体5可以为不同种类不同参数的土体，进而能够对不同种类不同参数的土体5所产生的土拱效应进行模拟，多次移动活动门2使箱体1内的土体5塌落，每次土体5塌落后且土体5达到平衡稳定后，土体5内产生土拱效应，利用土压力盒4测量当前状态下土体5竖向的土压力，利用三维扫描仪6测量当前状态下土体5形成土拱效应的拱轴线。利用土压力的数据和拱轴线可以分析箱体1内隧道模型3所在空间产生土拱效应的规律。

进一步地，如图1所示，箱体1包括有前板11、后板12、左板13和右板14，前板11、左板13、后板12和右板14依次连接形成上下开口的立方体结构，本发明所要研究的是半无限大土体中的“土拱效应”，立方体结构的箱体1是对半无限大土体的简化；优选地，活动门2包括有两块隔板21，两块隔板21并排置于箱体1内，两块隔板21均能够移动，移动两块隔板21能够使两块隔板21发生相对位移，当两块隔板21发生相对位移时，两块隔板21之间具有缝隙，土体5能够通过两块隔板21之间的缝隙塌落；优选地，每块隔板21的上表面设置有21个土压力盒4，21个土压力盒呈矩形阵列设置，土压力盒4在隔板21上由前端到后端依次设置有7排土压力盒4，每排设置有3个土压力盒4，21个土压力盒在隔板21上均匀分布，以便能测量不同位置处土压力的大小，土压力盒21之间的间距应根据土压力盒21本身的大小确定。土压力盒4的个数是根据土压力盒4的大小与满足测量纵向不同位置处的土压力来决定的，土压力盒4的数量太多会没有位置安放、数量太少则无法测量纵向不同位置的土压力。能够相向平移的两块隔板21组成活动门，两块隔板21均能够移动。由于箱体1本身尺寸的限制，如果一块隔板21固定不动，只能一块隔板21移动的方式会导致偏压，不能达到实现试验目的。两块均能够移动的隔板21可以使两块隔板21相对于箱体中心位置发生相对移动，通过移动隔板21改变两块隔板21之间间隔的距离来形成“土拱效应”和二次“土拱效应”，进而能够实现重叠隧道的不同宽度的空间“土拱效应”试验。

进一步地，如图2所示，箱体1还包括有底板15，底板15与前板11的底端、后板12的底端、左板13的底端和右板14的底端均连接，三维扫描仪6设置在底板15上，如此设置能够方便整个活动门装置移动并简化实验程序。

本发明在土体5中设置隧道模型3，利用隧道模型3模拟既有(原有)隧道，在隔板21上安装土压力盒4，并借助三维扫描仪6精确测量形成的土拱的拱轴线，可以对重叠隧道的空间“土拱效应”进行模拟。两块隔板21的移动能够改变两块隔板21之间缝隙的宽度，实现重叠隧道的不同宽度的空间“土拱效应”试验。还可以模拟土拱形成并稳定后再次改变隔板21之间缝隙宽度形成的二次“土拱效应”。

进一步地，如图1所示，箱体1的长度(前板11和后板12的长度)l1为1m，箱体1的宽度(左板13和右板14的长度)l2为0.8m，箱体1的高度h1为1.3m；活动门2(隔板21)与箱体1底端的垂直距离h2为0.3m，两块隔板21的长度均为箱体1长度的一半、宽度均与箱体1的宽度相等、厚度h3均为0.03m。上述活动门装置的尺寸是根据相似模型试验的相似比确定的，尺寸满足相似原则。

进一步地，为了能直观观测到土拱效应，箱体1材质为有机玻璃，优选地，箱体1材质为亚克力板。优选地，活动门2的材质为亚克力板，如此设置可以有效降低土体5与活动门2之间的摩擦，减小边界效应的影响。

进一步地，为了使两块隔板21能够稳定缓慢的移动，两块隔板21的前后两端均设置有滑动装置7，如图3和图4所示，滑动装置7位于隔板21的下表面；滑动装置7包括滑轨71、滑轮72和连轴73，滑轨71与隔板21连接，前板11的内侧壁和后板12的内侧壁上均设置有多个连轴73，每个连轴73上均套设有滑轮72，滑轮72与连轴73之间为转动连接；滑轮72与滑轨71紧密接触，滑轨71能够在滑轮72上移动，进而使两块隔板21能够发生相对位移。使两块隔板21可以自由滑动，借此来改变两块隔板21之间缝隙的宽度，实现重叠隧道的不同宽度的空间“土拱效应”试验。还可以模拟土拱形成并稳定后再次改变隔板21之间缝隙的宽度形成的二次“土拱效应”。

进一步地，滑轮72上套设有橡胶圈，橡胶圈的设置能够增加滑轮72与滑轨71之间的摩擦力，防止滑轮72与滑轨71发生相对转动影响隔板21的滑动效果；滑轮72内部设置有转动轴承，转动轴承套接在连轴73上；优选地，每个滑动装置7设置有大于等于5个滑轮72。滑轮72的个数可以进行调整，但数量应大于等于5个。由于本试验中，对土体5的扰动应该尽量控制，防止由于扰动太大出现坍塌而不出现“土拱效应”，增加滑轮72的数量可以增加隔板21移动时的稳定性进而避免土体5的扰动。优选地，滑轮72的半径为0.02m。选用尺寸较小的滑轮72，并通过调整滑轮72的数量增加隔板21移动时的稳定性，减少对土体5的扰动。且半径为0.02m的滑轮72为常用尺寸，便于购买配置。

进一步地，在隔板21上的滑轨71沿隔板21的宽度方向设置，即滑轨71设置在隔板21前后两端的下表面，滑轨71由隔板21的左侧延伸至隔板21右侧。滑轨71的长度应与隔板21的左右两端之间的边长相等，隔板21与滑轨71连接成一个整体。隔板21上的两个滑轨71位于同一高度的平面上，如此设置能够防止出现土体5装填高度不同的情况，影响土拱效应发生。滑轨71通过螺栓分别固定在隔板21的底部，如此设置能够使滑轨71与隔板21之间的连接更加牢固。

进一步地，如图1所示，左板13和右板14均设置有开口8，开口8的形状与隔板21的一侧面的形状相同，左板13上的开口8和右板14上的开口8分别与两块隔板21的一侧相对应，一块隔板21位于左板13上的开口8处的一侧面上设置有把手9，另一块隔板21位于右板14上的开口8处的一侧面上设置有把手9，分别拉动两块隔板21上的把手9能够使两块隔板21发生相对位移，一块隔板21的部分或者全部能够由左板13的开口8移出箱体1；另一块隔板21的部分或者全部能够由右板14的开口8移出箱体1。

进一步地，在土体5内，隧道模型3可根据试验工况调整放置的位置以及倾斜的角度。

在本发明的技术方案中，隧道模型3用于模拟既有(原有)隧道，而在拉开两块隔板21产生“土拱效应”的位置修建新建隧道，此时既有(原有)隧道和新建隧道形成了重叠隧道。在本发明的试验中所研究的是在既有隧道的情况下，新建隧道的土拱效应，放一个隧道模型3就可以对重叠隧道所形成的土拱效应进行测量。

本发明还公开了一种利用上述的活动门装置进行试验的方法，包括如下步骤：

1)将活动门装置置于水平平整的地面，将两块隔板21并拢中间不留有空隙；

2)向箱体1内分层填充土体5并将隧道模型3埋设在土体5内。土体5可以为不同种类不同参数的土体5以模拟不同土体5情况下土拱效应，选定所需要进行试验的土体5后，向箱体1内采用分层填充法填充土体5并将隧道模型3埋设在土体5内。分层填充法即将土体5分层装入箱体1中，每装一层需将已装填好的土体5整平，分层填充土体5时，土体5分三层进行填充，相邻两层土体5的填充间隔时间为1h以上，如此设置能够使土体5装填更加密实，更接近实际情况，有利于土体5产生“土拱效应”。其中，分层填充土体5时，仅对隧道模型3所在空间进行土体5的填充，本发明为了减小侧向土拱效应产生的影响，试验基于盾构隧道的上半区域进行，即：在装填土体5时，在土体5的最底层(隔板21的上表面)进行砂土填筑，填砂需密实。

3)步骤2)完成后静置一天，待土体5呈现出土拱效应后，记录每个土压力盒4的读数；

4)分别拉动两块隔板21的把手9，使两块隔板21分别向箱体1的左右两侧移动后静止不动，进而增加两块隔板21之间的距离，待箱体1中的部分土体5由两块隔板21之间塌落并保持稳定后，箱体1内的土体5呈现出土拱效应，记录每个土压力盒4的读数，打开三维扫描仪6，对土体5形成土拱效应的拱轴线进行精确测量，完成单次空间“土拱效应”的模拟；

5)再次分别拉动两块隔板21的把手9，缓缓分开隔板21，土体5再次塌落，等待土体5塌落完成后，记录下此时不同位置处土压力盒4的读数，并用三维扫描仪6扫描新形成的土拱拱轴线，完成二次“土拱效应”的模拟。

6)重复步骤5)，试验多次，得到不同宽度的结果，当两块隔板21之间的距离达到土体5不能形成稳定的土拱效应的宽度时，试验结束。

7)将三维扫描仪6测量的拱轴线导入计算机，通过拱轴线以及土压力盒4的读数分析箱体1内重叠隧道模型3所在空间的土拱效应规律。

在步骤4)至步骤6)中，两块隔板21每次移动的距离根据土体5本身的性质和试验的极限情况等决定。可以在开展正式试验前先做预试验，得到这种土体5情况下隔板能够稳定的最大宽度，之后给定每次移动的距离，在试验中保证每次移动的距离相等即可。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

一种测量重叠隧道土拱效应的活动门装置，包括箱体1、活动门2、隧道模型3和三维扫描仪6。活动门2上设置有若干土压力盒4，活动门2的上表面和箱体1围成的空间用于容纳土体5，土体5内设置有隧道模型3。

本发明通过在土体5中设置隧道模型3，在隔板21上安装土压力盒4，并借助三维扫描仪6精确测量形成土拱效应的拱轴线，可以对重叠隧道的空间“土拱效应”进行模拟。并且本发明还设置了滑动装置7，同时在隔板21上安装滑轮72轨道，使两块隔板21可以自由滑动，借此来改变两块隔板21之间缝隙的宽度，实现重叠隧道的不同宽度的空间“土拱效应”试验。还可以模拟土拱形成并稳定后再次改变隔板21之间缝隙的宽度形成的二次“土拱效应”。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。