[发明专利]可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置和试验方法

权利要求书

1.可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：包括土体模拟系统、盾构模拟系统、泥水系统、空气加压系统、监测系统；

土体模拟系统包括模型箱、填充在模型箱的土体；盾构模拟系统设置在土体中；盾构模拟系统包括模拟盾构机壳、模拟开挖面的竖向设置的柔性膜、第二刚性隔板；

柔性膜固定封堵在模拟盾构机壳的前端；第二刚性隔板位于柔性膜的后侧，且周边与模拟盾构机壳内壁固接；模拟盾构机壳、柔性膜与第二刚性隔板之间形成密闭室，密闭室内设置有空气腔、以柔性膜为其中一个腔壁的泥水腔；

盾构模拟系统还包括分隔泥水腔、空气腔的分隔件；分隔件包括位置可调的移动部，移动部的位置控制泥水腔、空气腔的体积；泥水腔与泥水系统相连通，泥水腔内填充由泥水系统充入的泥浆；空气腔与空气加压系统相连通，空气加压系统控制空气腔的压力；监测系统监测土体的变化。

2.按照权利要求1所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：模型箱的侧面为透明材质，土体为透明土。

3.按照权利要求2所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：模拟盾构机壳的形状为半圆柱曲面；安装时，半圆柱曲面的两条直边紧固在模型箱的侧面上，并与模型箱构成开口朝前后方向的半圆柱筒；柔性膜、第二刚性隔板与半圆柱筒围成密闭室。

4.按照权利要求1所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：盾构模拟系统还包括第三刚性隔板；分隔件包括第一刚性隔板、作为移动部的水平的活塞板；第一刚性隔板设置在柔性膜与第二刚性隔板之间；第三刚性隔板的前、后端分别与第一、第二刚性隔板密闭固接，上、下端皆与模拟盾构机壳的内壁密闭固接；活塞板分别与第一、第二、第三刚性隔板以及模型箱的内壁垂直且紧密接触；活塞板沿第三刚性隔板上下移动，活塞板上侧的腔室为空气腔。

5.按照权利要求4所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：第一刚性隔板的边缘与密闭室的室壁紧密固接，第一刚性隔板的下方与模拟盾构机壳之间留有连通泥水腔前部和泥水腔后部的孔隙。

6.按照权利要求4所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：第二刚性隔板上，作为空气腔腔壁的部分设有与空气加压系统相接的空气口，作为泥水腔腔壁的部分设有与泥水系统相接的泥水口。

7.按照权利要求2所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：监测系统包括位移传感器、压力传感器；柔性膜所在面的土体上端表面沿左右方向均匀设置有位移传感器，柔性膜前方的土体中沿前后方向均匀设置有位移传感器；压力传感器设置在柔性膜的中间位置上。

8.按照权利要求7所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：透明土中设置有示踪粒子，监测系统还包括激光器、高精度摄像机；激光器和高精度摄像机布置在模型箱周围。

9.按照权利要求1所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置，其特征在于：还包括地下水模拟系统；地下水模拟系统包括水泵、水箱、出水管及对土体喷灌的喷头；出水管一端连接水箱，另一端安装有喷头；喷头设置在模型箱的上方。

10.可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验方法，其特征在于：使用权利要求1-9任一项所述的可视化的泥水盾构开挖面失稳模型试验装置；试验步骤包括：

1)试验前，泥水腔与模型箱皆为未填充状态；配置泥浆并将配置好的泥浆充入泥水系统；

2)根据需填充的土体，启动泥水系统、空气加压系统将泥浆填充到泥水腔中，并以压力传感器辅助，通过泥水系统、空气加压系统、空气腔调整泥浆的填充状态，将泥浆对柔性膜的压力调至能平衡柔性膜前方待填土体的压力；

3)在模型箱中填充土体；若需要模拟地下水情况，启动地下水模拟系统将水注入土体中，至水到达目标高度后停止；

4)通过空气加压系统调整空气腔的压力以调整活塞板的位置，逐渐减小泥浆对柔性膜的压力，模拟土体失稳过程，并通过位移传感器、压力传感器实时监测收集数据；通过激光器、高精度摄像机收集图像信息；

5)结合理论分析所收集的数据，并处理图像信息得到相关矢量场，分析失稳过程，预测开挖面稳定性。