[发明专利]一种模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置

说明书

技术领域

本发明属于地质工程、岩土工程以及隧道与地下工程领域，具体涉及一种模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置。

背景技术

目前，在模拟深部位移引发地层变形协调机制分析领域，尚无相关试验装置。与本发明相关的试验装置主要有各种模拟隧道开挖对周围土体影响的试验装置，主要用于离心模型试验模拟盾构隧道开挖过程中周围土体的应力变化及变形情况。例如孙兵和仇文革在论文《双孔盾构隧道地表位移离心机模型试验研究》中用水囊注放水的方式模拟隧道盾构开挖所引起的地层损失。此类试验装置大多只能模拟一种工况，不能重复利用，当要改变边界条件时，整个实验装置必须重新设计，时间周期较长且造成一定程度的资源浪费。此类试验装置所模拟边界条件的准确性完全依赖于气囊的压缩性，而气囊在试验过程中很容易发生不定向变形，造成实际边界条件与试验所要模拟的边界条件相差太大。总之，此类试验装置不能准确的模拟实际边界条件，还造成时间和资源的浪费，在实际中有诸多局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置，能够解决在室内研究深部地层位移引发地层变形及地面沉降的问题，可模拟的工程实际主要有：深部地层降水引发上部各土层变形及地面沉降问题，地铁隧道盾构推进及管片安装过程中由于地层损失引起隧道上部土层变形情况及地面沉降情况。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种模拟深部位移引发地层变形协调机制的试验装置，包括模型箱1、地层相似材料、成型固定位移边界模具、气囊和测量设备，其中：模型箱1为透明柱体结构，钢架5位于模型箱1顶部，所述成型固定位移边界模具22按照模型试验要求的位移边界条件预制而成，成型固定位移边界模具22位于模型箱1内底部，气囊16位于成型固定位移边界模具22上方，气囊16上方设有地层相似材料，地层相似材料上方设有测量设备；气囊16顶部中心设有气囊接口15，所述气囊接口15连接输气管10一端，输气管10另一端连接调压阀17和气压计18，气囊16内设有气压计14；测量设备包括接触式电测位移计2、垫片3、接触式电测位移计固定块4、分层位移计6、分层沉降标7、分层沉降位移计固定块8和套管9，接触式电测位移计2通过接触式电测位移计固定块4于钢架5下部，接触式电测位移计2通过接触式电测位移计数据线19连接电脑20，垫片3的底面紧贴地层相似材料，顶面与接触式电测位移计2探针接触，垫片3随着地层相似材料移动而移动，接触式电测位移计2探针将探测到的垫片3位移传输到电脑20中进行信号转化，形成位移数据；分层位移计6通过分层沉降位移计固定块8固定于钢架5下部，分层位移计6通过分层沉降位移计数据线21连接电脑20，分层沉降标7底端固定于垫片3上，顶端与分层位移计6接触，分层位称计6探针将探测到的垫片3位移传输到电脑20中进行信号转化，形成位移数据；套管9套于分层沉降标7外，套管9底部与垫片3接触，顶部与一带孔的金属薄片焊接，所述带孔的金属薄片孔径大于分层沉降标7的直径。

本发明中，所述接触式电测位移计2的数量视具体情况而定，一般为4-10个。

本发明中，所述分层位移计6的数量视具体情况而定，一般为5-20个，相应的，分沉降标7和套管9为5-20个。

本发明中，成型固定边界模具22的中部设有凹槽，气囊16位于所述凹槽内，气囊16与凹槽的结构相匹配。

本发明在试验中可以观察气囊及各土层的变化情况。地层相似材料为试验前模型试验相似比在室内配制成。成型固定边界模具和气囊组成一个整体，用来模拟深部地层位移。其中成型固定边界模具为实验前预制，形状及尺寸按要求设定。气囊亦为试验前预制，通过气压调节器精确控制气囊中的气压，从而达到改变深部地层位移的目的。量测设备包括位移计、分层沉降标，根据试验要求还可加入土压力盒、孔隙水压力计等。本发明中，气囊中的压力大小可通过置于气囊内部的气压计精确测量。

本发明中，深部土层的位移通过分层沉降标及位移计精确测量。

本发明中，模型箱的尺寸根据模型试验中原型、相似比等确定。模型箱为透明有机玻璃制成，试验中可以通过模型箱的四个侧面准确及时地定性观察试验动态。

本发明中，地层相似材料为室内人工配制而成。可根据工程实际中各个土层的物理、力学参数按模型试验中的相似准则进行配制。

本发明中，成型固定边界模具为试验前预制。不同的位移边界条件可通过替换不同的模具实现。模具的形状、尺寸等参数根据模型试验的要求设定。