模拟隧道开挖对桩基影响的试验装置及方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，具体地，涉及一种模拟隧道开挖对桩基影响的试验装置以及一种模拟隧道开挖对桩基影响的试验方法。

背景技术

在隧道开挖施工过程中，由于地层损失而产生的地层位移可能使得隧道周围的建筑物桩基产生一定的沉降或倾斜，若控制不力则极易造成建筑物的开裂倾斜等问题，影响其正常使用，并可能带来生命和财产的严重损失。因此，控制好地层沉降位移，探究出土体与周围建筑物、桩基的相互作用，避免隧道开挖引起的灾害事故，是地铁隧道工程中迫切需要解决的问题，通过一种试验装置及试验方法，对桩基周围土体的变形特性和力学行为进行监测，为研究桩基的沉降倾斜机理提供充分的数据资料，对隧道开挖中桩基变形的预测给予科学的指导是具有重要意义的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种模拟隧道开挖对桩基影响的试验装置及一种模拟隧道开挖对桩基影响的试验方法，能够通过室内的试验模型模拟实际工程中隧道开挖对桩基的影响，得到隧道开挖过程中桩基附近土体的移动变化规律，结构和操作简单、准确性良好、造价低、可重复使用。

本发明提供的模拟隧道开挖对桩基影响的试验装置包括：试验箱体装置，包括试验箱体和地层结构；所述试验箱体为单开口中空立方形箱体结构，包括构成试验箱体底面的工作平台以及构成试验箱体侧壁的多个透明玻璃板，在其中两个相对设置的透明玻璃板上分别开设有作为隧道孔洞的通孔，所述通孔的中心线重合且中心线与地面平行，在其中一块透明玻璃板的靠近所述工作平台的边缘位置处开设有过滤排水口；所述试验箱体内填加有所述地层结构，所述地层结构由透明土以及填加在透明土的孔隙中的溴化钙溶液构成；

桩基模型，具有桩身和呈尖锥形的桩靴，所述桩基模型由桩靴作为插入端垂直插入在所述地层结构中；

隧道开挖模拟装置，包括中空的不锈钢筒、多个橡胶环以及多个钢杆；所述多个橡胶环通过多个钢杆串接并套装在所述不锈钢筒上，所述不锈钢筒的两端分别通过对应的通孔安装在所述试验箱体中，每个所述钢杆具有用于拉拽的牵拉端，通过拉拽所述牵拉端能够将与钢杆对应的橡胶环逐个从所述模型箱中牵拉出；

量测装置，包括激光器、计算机、至少两个支架以及至少两个工业相机；所述激光器固定安装在所述试验箱体的上方，用于照射所述桩基模型周围预定范围内的地层结构，所述工业相机通过安装在所述支架上布置在所述试验箱体的外侧，用于采集所述桩基模型经照射的视场内的地层结构在变形前后的图像数据，所述计算机与所述工业相机电连接，用于通过所述图像数据获得所述地层结构中的透明土的土体颗粒的移动变化规律。

优选地，每个橡胶环的侧壁上沿轴向开设有至少两个对称设置的串接通孔，所述多个橡胶环由穿过每个橡胶环的串接通孔的多根钢杆串接，且每个橡胶环的串接通孔位置处均固定有对应的钢杆，以使得通过拉拽所述钢杆的牵拉端能够将橡胶环逐个从所述模型箱中牵拉出。

优选地，套装有所述多个橡胶环的不锈钢筒的外径等于作为隧道孔洞的所述通孔的孔径。

优选地，所述通孔朝向所述试验箱体的外侧孔口位置处粘结有硅胶垫片。

优选地，所述不锈钢筒的长度大于所述两个通孔的中心点之间的距离。

优选地，在所述橡胶环的外表面裹覆有塑料膜。

优选地，在每个所述钢杆的牵拉端外壁焊接有用于牵拉所述钢杆的凸耳。

优选地，所述桩基模型的桩顶与所述地层结构的顶面齐平。

另一方面，本发明还提供一种模拟隧道开挖对桩基影响的试验方法，该试验方法包括采用本发明提供的试验装置对所述桩基模型周围预定范围内的地层结构进行测量，所述测量步骤包括：

s1)试验装置安装步骤：将所述隧道开挖模拟装置安装在所述试验箱体中，之后将所述地层结构装入所述模型箱体中；安装所述量测装置，以及根据桩身的位置和需要测量的地层结构的预定范围，调节所述激光器的高度、照射角度以及亮度；在所述模型箱体的四个外侧面位置分别建立一个标志点作为所述地层结构的土体变形后的参考位置；

s2)模拟隧道开挖过程步骤：利用所述不锈钢筒模拟隧洞衬砌，通过分别拉拽所述钢杆将所述不锈钢筒上对应的橡胶环逐个从所述模型箱中牵拉出，模拟隧道开挖时地层损失连续发展的形态，其中每个所述橡胶环的轴向长度作为一次隧道掘进的距离；

s3)试验数据采集步骤：通过所述激光器以预设亮度照射所述桩基模型周围预定范围内的地层结构，每从所述模型箱中牵拉出一个橡胶环通过所述工业相机拍摄所述地层结构中的透明土体的一张土体颗粒图像，直至所有的橡胶环均被从所述模型箱中牵拉出，在拍摄中使得所述标志点均处于拍摄范围内；

s4)试验数据处理步骤：通过依次对比相邻两次时刻拍摄的土体颗粒图像，获得经照射的视场内的透明土的所有土体颗粒的速度分布状态，其中针对每一土体颗粒：

其中：t1为前一次拍摄时刻；

t2为后一次拍摄时刻；

x1为前一次拍摄时该土体颗粒的水平位置；

x2为后一次拍摄时该土体颗粒的水平位置；

y1为前一次拍摄时该土体颗粒的竖向位置；

y2为后一次拍摄时该土体颗粒的竖向位置；

u为该土体颗粒运动的水平速度；

v为该土体颗粒运动的竖向速度；

s5)根据被测量的所有土体颗粒的速度分布状态绘制动态矢量图，以获得所有土体颗粒的移动变化规律。

本发明提供的模拟隧道开挖对桩基影响的试验装置及试验方法，能够通过室内的试验模型模拟实际工程中隧道开挖对桩基的影响，得到隧道开挖过程中桩基附近土体的移动变化规律，结构和操作简单、准确性良好、造价低、可重复使用。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的模拟隧道开挖对桩基影响的试验装置的横断面的结构示意图；

图2是根据本发明实施方式的试验装置的纵断面的结构示意图；

图3是根据本发明实施方式的试验装置中一个橡胶环和钢杆的安装示意图；以及

图4是根据本发明实施方式的试验装置中不锈钢筒和橡胶环的安装示意图。

附图标记说明

1玻璃板2透明土

3过滤排水口4通孔

5工作平台6桩身

7桩靴8橡胶环

9串接通孔10凸耳

11钢杆12不锈钢筒

13塑料膜14硅胶垫片

15激光器16工业相机

17支架18计算机

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。

本发明提供一种模拟隧道开挖对桩基影响的试验装置，该试验装置包括：试验箱体装置，包括试验箱体和地层结构；所述试验箱体为单开口中空立方形箱体结构，包括构成试验箱体底面的工作平台5以及构成试验箱体侧壁的多个透明玻璃板1，在其中两个相对设置的透明玻璃板1上分别开设有作为隧道孔洞的通孔4，所述通孔4的中心线重合且中心线与地面平行，在其中一块透明玻璃板1的靠近所述工作平台5的边缘位置处开设有过滤排水口3；所述试验箱体内填加有所述地层结构，所述地层结构由透明土2以及填加在透明土2的孔隙中的溴化钙溶液构成；

桩基模型，具有桩身6和呈尖锥形的桩靴7，所述桩基模型由桩靴7作为插入端垂直插入在所述地层结构中；

隧道开挖模拟装置，包括中空的不锈钢筒12、多个橡胶环8以及多个钢杆11；所述多个橡胶环8通过多个钢杆11串接并套装在所述不锈钢筒12上，所述不锈钢筒12的两端分别通过对应的通孔4安装在所述试验箱体中，每个所述钢杆11具有用于拉拽的牵拉端，通过拉拽所述牵拉端能够将与钢杆11对应的橡胶环8逐个从所述模型箱中牵拉出；

量测装置，包括激光器15、计算机18、至少两个支架17以及至少两个工业相机16；所述激光器15固定安装在所述试验箱体的上方，用于照射所述桩基模型周围预定范围内的地层结构，所述工业相机16通过安装在所述支架17上布置在所述试验箱体的外侧，用于采集所述桩基模型经照射的视场内的地层结构在变形前后的图像数据，所述计算机18与所述工业相机16电连接，用于通过所述图像数据获得所述地层结构中的透明土2的土体颗粒的移动变化规律。

根据本发明的技术方案，如图1-图2所示，试验箱体装置包括试验箱体和地层结构；所述试验箱体为单开口中空立方形箱体结构，包括构成试验箱体底面的工作平台5以及构成试验箱体侧壁的多个透明玻璃板1。根据本发明的一种实施方式，所述多个透明玻璃板1之间通过螺栓连接，并在各连接处通过密封材料(例如，防水胶)进行密封。

在其中两个相对设置的透明玻璃板1上分别开设有作为隧道孔洞的通孔4，模拟在两个相对设置的透明玻璃板1之间开挖隧道，两个相对设置的透明玻璃板1之间的垂直距离为隧道的长度，所述通孔4的中心线重合且中心线与地面平行。

在其中一块透明玻璃板1的靠近所述工作平台5的边缘位置处开设有过滤排水口3；所述试验箱体内填加有所述地层结构，所述地层结构由透明土2以及填加在透明土2的孔隙中的溴化钙溶液构成；多余的所述溴化钙溶液能够穿过所述透明土2的孔隙并从所述滤排水口3排出所述试验箱体。

根据本发明的一种实施方式，本试验采用的透明土2的土体颗粒材料为熔融石英砂，由于所述溴化钙溶液与熔融石英砂的折射率大致匹配，通过真空排气后所述透明土2基本处于饱和状态，能够保证由透明土2以及填加在所述透明土2的孔隙中的溴化钙溶液构成的所述地层结构具有较佳的透明效果。

根据本发明的技术方案，桩基模型具有桩身6和呈尖锥形的桩靴7，用于模拟隧道周围的建筑物的桩基，所述桩基模型由桩靴7作为插入端垂直插入在所述地层结构中。

根据本发明的一种实施方式，优选地，所述桩身6为圆柱形亚克力杆，所述桩靴7顶面使用强力胶水与所述桩身6底面粘结固定。

根据本发明的一种实施方式，所述桩基模型的桩顶与所述地层结构的顶面齐平。

根据本发明的技术方案，如图1-图4所示，隧道开挖模拟装置包括中空的不锈钢筒12、多个橡胶环8以及多个钢杆11；所述多个橡胶环8通过多个钢杆11串接并套装在所述不锈钢筒12上，所述不锈钢筒12的两端分别通过对应的通孔4安装在所述试验箱体中，所述不锈钢筒12用于模拟隧道衬砌，每一个橡胶环8的长度作为一次隧道掘进的距离，每个所述钢杆11具有用于拉拽的牵拉端，通过拉拽所述牵拉端能够将与钢杆11对应的橡胶环8逐个从所述模型箱中牵拉出，能够用于模拟隧道开挖时地层损失连续发展的形态。

根据本发明的一种实施方式，如图3-图4所示，优选地，每个橡胶环8的侧壁上沿轴向开设有至少两个对称设置的串接通孔9，所述多个橡胶环8由穿过每个橡胶环8的串接通孔9的多根钢杆11串接(为了表达简洁清晰，图4中穿过所述串接通孔9只示出一根所述钢杆11，其他所述钢杆11未示出)，且每个橡胶环8的串接通孔9位置处均固定有对应的钢杆11，以使得通过拉拽所述钢杆11的牵拉端能够将橡胶环8逐个从所述模型箱中牵拉出。

根据本发明的一种实施方式，每个所述橡胶环8的侧壁上沿轴向开设有两个对称设置的串接通孔9，所述多个橡胶环8通过穿过每个橡胶环8的串接通孔9的所述多根钢杆11串接，每个所述橡胶环8的串接通孔9位置处与对应的所述钢杆11固定，使得牵拉该所述钢杆11的牵拉端时，所述橡胶环8的受力均匀。

根据本发明的另一种实施方式，每个所述橡胶环8的侧壁上沿轴向开设有四个对称设置的串接通孔9，所述多个橡胶环8通过穿过每个橡胶环8的串接通孔9的所述多根钢杆11串接，每个所述橡胶环8的串接通孔9位置处与对应的所述钢杆11固定，使得牵拉该所述钢杆11的牵拉端时，所述橡胶环8不仅受力均匀，且尽量减少了所述橡胶环8的形变，以保证测量实验的精确度。

根据本发明的一种实施方式，在每个所述橡胶环8上按照牵拉顺序标号，相应的，与该橡胶环8的串接通孔9对应固定的所述钢杆11标注相同的标号，保证在牵拉时的准确性。

根据本发明的一种实施方式，优选地，套装有所述多个橡胶环8的不锈钢筒12的外径等于作为隧道孔洞的所述通孔4的孔径，以防止所述透明土2及溴化钙溶液从所述通孔4的缝隙漏出。

根据本发明的一种实施方式，优选地，所述通孔4朝向所述试验箱体的外侧孔口位置处粘结有硅胶垫片14(未示出)，以防止所述透明土2及溴化钙溶液从所述通孔4的缝隙漏出。

根据本发明的一种实施方式，优选地，所述不锈钢筒12的长度大于所述两个通孔4的中心点之间的距离，以便于所述不锈钢筒12的安装固定及与所述两个通孔4的密封。

根据本发明的一种实施方式，优选地，在所述橡胶环8的外表面裹覆有塑料膜13，用于减小所述橡胶环8在牵出时对周围土体颗粒的扰动。

根据本发明的一种实施方式，优选地，在每个所述钢杆11的牵拉端外壁焊接有用于牵拉所述钢杆11的凸耳10，便于操作牵拉。

根据本发明的技术方案，如图1-图2所示，量测装置，包括激光器15、计算机18(未示出)、至少两个支架17以及至少两个工业相机16；所述激光器15固定安装在所述试验箱体的上方，用于照射所述桩基模型周围预定范围内的地层结构，所述工业相机16通过安装在所述支架17上布置在所述试验箱体的外侧，用于采集所述桩基模型经照射的视场内的地层结构在变形前后的图像数据，所述计算机18与所述工业相机16电连接，用于通过所述图像数据获得所述地层结构中的透明土2的土体颗粒的移动变化规律。

根据本发明的一种实施方式，优选地，设置两个支架17以及两个工业相机16，每个所述工业相机16安装在一个所述支架17上，分别布置在所述试验箱体的两侧与所述不锈钢筒12的中轴线重合的方向上和与所述不锈钢筒12的中轴线垂直的方向上，用于采集所述试验箱体的纵断面和横断面方向上土体颗粒的变化情况。

根据本发明的一种实施方式，设置四个支架17以及四个工业相机16，每个所述工业相机16安装在一个所述支架17上，分别布置在所述试验箱体的四个侧面与所述不锈钢筒12的中轴线重合的方向上和与所述不锈钢筒12的中轴线垂直的方向上，用于全面的采集所述试验箱体的纵断面和横断面方向上土体颗粒的变化情况。

另一方面，本发明还提供一种模拟隧道开挖对桩基影响的试验方法，该试验方法包括采用本发明提供的试验装置对所述桩基模型周围预定范围内的地层结构进行测量，可以根据实验室条件确定隧道开挖模拟装置与原型尺寸的几何相似比，进而选取模型箱和桩基模型的尺寸，所述测量步骤包括：

s1)试验装置安装步骤：将所述隧道开挖模拟装置安装在所述试验箱体中，之后将所述地层结构装入所述模型箱体中；安装所述量测装置，以及根据桩身6的位置和需要测量的地层结构的预定范围，调节所述激光器15的高度、照射角度以及亮度；在所述模型箱体的四个外侧面位置分别建立一个标志点作为所述地层结构的土体变形后的参考位置；

s2)模拟隧道分步开挖过程步骤：利用所述不锈钢筒12模拟隧洞衬砌，通过分别拉拽所述钢杆11将所述不锈钢筒12上对应的橡胶环8逐个从所述模型箱中牵拉出，模拟隧道开挖时地层损失连续发展的形态，其中每个所述橡胶环8的轴向长度作为一次隧道掘进的距离；

s3)试验数据采集步骤：通过所述激光器15以预设亮度照射所述桩基模型周围预定范围内的地层结构，每从所述模型箱中牵拉出一个橡胶环8通过所述工业相机16拍摄所述地层结构中的透明土体2的一张土体颗粒图像，直至所有的橡胶环8均被从所述模型箱中牵拉出，在拍摄中使得所述标志点均处于拍摄范围内；

s4)试验数据处理步骤：通过依次对比相邻两次时刻拍摄的土体颗粒图像，获得经照射的视场内的透明土2的所有土体颗粒的速度分布状态，其中针对每一土体颗粒：

其中：t1为前一次拍摄时刻；

t2为后一次拍摄时刻；

x1为前一次拍摄时该土体颗粒的水平位置；

x2为后一次拍摄时该土体颗粒的水平位置；

y1为前一次拍摄时该土体颗粒的竖向位置；

y2为后一次拍摄时该土体颗粒的竖向位置；

u为该土体颗粒运动的水平速度；

v为该土体颗粒运动的竖向速度；

s5)根据被测量的所有土体颗粒的速度分布状态绘制动态矢量图，以获得所有土体颗粒的移动变化规律。

本发明提供的模拟隧道开挖对桩基影响的试验装置及试验方法，能够通过室内的试验模型模拟实际工程中隧道开挖对桩基的影响，得到隧道开挖过程中桩基附近土体的移动变化规律，结构和操作简单、准确性良好、造价低、可重复使用。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。