一种隧道管片上部土体受荷变形实验装置及实验方法

1.本发明涉及隧道管片实验领域，具体涉及一种隧道管片上部土体受荷变形实验装置及实验方法。


背景技术：

2.当今世界，随着科技的日益发展，拥挤的交通成为各大城市发展的难题。单一的地面交通已经无法满足日益增长的人口所需要的出行条件，地下空间的开发利用很大程度上缓解了地面交通的压力。比如盾构机施工的方式，盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建（铺设）隧道之“盾”（指支撑性管片），它区别于敞开式施工法。盾构管片（又称隧道管片）是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。
3.由于地下空间不确定因素较多，地下建筑的施工也较为复杂，当城市地下空间施工时，往往会改变地下土体的原有应力状态，致使地层产生变形和损失。而地层损失往往会对地面、地下空间结构本身和地表上部结构产生影响和危害，轻则延误工期、增加施工工程量，重则导致地面开裂、房屋塌陷以及重大安全事故，威胁到人民的生命和财产安全。若能有一种装置，能模拟地下建筑施工时土体的受荷变形， 则能判断施工时土体发生的变形大小，从而预估施工对地面及地下建筑的危害程度，并采取有效的控制措施，最大程度地降低施工风险。


技术实现要素：

4.本发明要解决的问题是提供一种隧道管片上部土体受荷变形实验装置及实验方法，可以用于模拟隧道施工过程管片上部土体的受荷变形 ，从而精确分析隧道施工对上部土体及地表建筑的扰动，为隧道的设计与施工提供理论依据。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：一种隧道管片上部土体受荷变形实验装置，包括模型箱、加载装置和管片，所述模型箱为上端面敞开的方形箱体，所述模型箱的前壁和后壁均为透明面板，所述模型箱的左右侧壁均为检测板；所述模型箱内装有实验土体后，所述管片的背面压在实验土体上，所述加载装置连接所述管片的正面；两个检测板的内侧面以及所述模型箱的底座均设有压力传感器。
6.进一步的，所述前壁和后壁左右两端的内侧面对称设有安装槽，所述前壁和后壁的顶端分别设有对齐所述安装槽的回形架，所述检测板从上往下穿过所述回形架后插入所述安装槽能实现组装。
7.进一步的，所述检测板为具有韧性的塑料材质板，所述检测板的下端拼接有透水石板。
8.进一步的，所述压力传感器均为薄膜压力传感器，其数量为四个；其中，两个薄膜
压力传感器左右对称铺设在所述模型箱的底座左右两侧位置，所述模型箱的底座中间位置设有液压囊；另外两个薄膜压力传感器分别对应铺设在两个检测板内侧面。
9.进一步的，所述加载装置为电液推杆，所述管片的正面中心位置固定有载荷分布板，所述电液推杆的活动端固定连接所述载荷分布板。
10.进一步的，所述前壁和后壁均为透明高强树脂材料板。
11.一种采用本发明所述的隧道管片上部土体受荷变形实验装置的实验方法，包括以下步骤：步骤一、在模型箱内放入实验土体，通过挤压土体使其趋于密实，同时观察模型箱左右两检测板以及底座的压力传感器检测的压力数值，并与测得的现场实验土相同位置点的压力数值进行比较，通过不断挤压实验土测量直至与现场实验土压力数值相当；步骤二、将管片放置在模型箱内实验土上方，并使管片的背面与实验土体紧密接触；步骤三、通过加载装置控制管片缓缓下降并挤压实验土地，同时记录两个检测板的内侧面以及所述模型箱的底座的压力传感器数值变化，并通过模型箱的前壁或后壁观察实验土地的变化程度。
12.本发明与现有技术相比所取得的有益效果如下：1、在模型箱内放入实验土体，通过挤压土体使其趋于密实，通过加载装置控制管片缓缓下降并挤压实验土地，同时记录两个检测板的内侧面以及所述模型箱的底座的压力传感器数值变化，并通过模型箱的前壁或后壁观察实验土地的变化程度；本发明隧道管片上部土体受荷变形实验装置及实验方法，可有效模拟隧道管片上部土体受荷变形情况；2、检测板的下端拼接有透水石板，透水石板能够将挤压过程中实验土体内的水分排出，避免影响实验结果；3、前壁和后壁左右两端的内侧面对称设有安装槽，前壁和后壁的顶端分别设有对齐所述安装槽的回形架，检测板从上往下穿过所述回形架后插入安装槽能实现组装，结构简单，制造成本低且牢固稳定。
附图说明
13.图1为本发明所述隧道管片上部土体受荷变形实验装置结构示意图；图2为本发明所述模型箱结构示意图；图3为本发明所述加载装置和管片配合示意图；图4为本发明所述后壁结构示意图；图5为本发明所述检测板和透水石结构示意图；图中：1、模型箱，11、前壁，12、后壁，13、检测板，2、加载装置，3、管片，4、压力传感器，5、液压囊，6、回形架，7、安装槽，8、透水石板，9、、载荷分布板。
具体实施方式
14.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
施例，都属于本技术保护的范围。
15.在发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、
ꢀ“
前”、“后”、“上”、“下”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。
16.如图1
‑
5所示，本实例公开一种隧道管片3上部土体受荷变形实验装置，包括模型箱1、加载装置2、管片3、四个压力传感器4和液压囊5。模型箱1为上端面敞开的方形箱体，模型箱1是由前壁11、后壁12、左右两检测板13以及底座构成。模型箱1的底座选择为钢板，模型箱1的前壁11和后壁12均为透明面板，为了保证其强度且能方便观察内部结构，前壁11和后壁12均选用透明高强树脂材料板，前壁11和后壁12的下端通过螺栓组件固定在底座上。前壁11和后壁12左右两端的内侧面对称加工有安装槽7，在前壁11和后壁12的顶部左右两侧分别固定安装有对齐安装槽7的回形架6，左右两块检测板13分别对应从上往下穿过回形架6后插入安装槽7能实现组装。检测板13为具有韧性的塑料材质板，在检测板13的下端拼接有透水石板8，透水石板8的高度为检测板13的五分之一，其作用是用于排出实验土体内在挤压的情况下渗出的水分，避免造成实验误差。
17.压力传感器4是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。在实施例中，四个压力传感器均选用薄膜压力传感器，薄膜压力传感器在测量过程中，压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，同时通过电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号，这样的过程就是薄膜压力传感器进行测量的过程。其中两个薄膜压力传感器分别对应铺设在两个检测板13内侧面，另外两个薄膜压力传感器左右对称铺设在模型箱1的底座左右两侧位置。液压囊5是可以往内冲液体改变其压力的橡胶囊体，将液压囊5设置在模型箱1的底座中间位置。如此设计，可以局部改变对实验土体的载荷。
18.在模型箱1内装有实验土体后，管片3的背面压在实验土体上，加载装置2为电液推杆，管片3的正面中心位置通过螺栓固定有钢板材质的载荷分布板9，电液推杆的活动端固定连接载荷分布板9。
19.为了模拟隧道管片3的上部土地受荷变形状况，而设计了本发明，本发明所述隧道管片3上部土体受荷变形实验装置的实验方法，包括以下步骤：步骤一、在模型箱1内放入实验土体，通过挤压土体使其趋于密实，同时观察模型箱1左右两检测板13以及底座的压力传感器检测的压力数值，并与测得的现场实验土相同位置点的压力数值进行比较，通过不断挤压实验土测量直至与现场实验土体在零载荷时压力数值相当；步骤二、将管片3放置在模型箱1内实验土上方，并使管片3的背面与实验土体紧密接触；步骤三、通过电液推杆控制管片3缓缓下降并挤压实验土地，从而对对实验土体施加载荷来模拟现场实验土地的上表面有不同载荷的状况，记录两个检测板13的内侧面以及所述模型箱1的底座的压力传感器数值变化，并通过模型箱1的前壁11或后壁12观察实验土地在不同载荷情况下的形变程度。
20.本发明通过上述方法，可以判断实际下施工时土体发生的变形大小，从而预估施
工对地面及地下建筑的危害程度，并采取有效的控制措施，最大程度地降低施工风险。