[发明专利]一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置

权利要求书

1.一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：包括模型试验箱、矩形盾壳和蓄水箱；所述模型试验箱的侧壁采用透明材质制成，其上端敞口，箱内填有土样；所述矩形盾壳采用透明材质制成，其设置于模型试验箱内的土样中，矩形盾壳的前端敞口，并在敞口处设有一用于模拟掌子面的柔性膜，矩形盾壳中部设有用于存水的腔体，矩形盾壳的后端呈上下排布地设有连通于空腔内的进水管和泄水管；所述蓄水箱通过所述进水管连通于矩形盾壳的腔体内。

2.根据权利要求1所述的一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：还包括一导砂槽，所述导砂槽的一端设置于所述柔性膜下方，另一端延伸至模型试验箱外部，用于将试验过程中产生的坍塌土样及时排出。

3.根据权利要求1所述的一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：还包括采集仪以及电连接于所述采集仪的孔隙水压力传感器、土压传感器和位移传感器；若干所述孔隙水压力传感器和土压传感器均匀埋设于所述土样中，若干所述位移传感器设置于所述柔性膜的土样接触面。

4.根据权利要求3所述的一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：还包括相机和LED灯；所述相机设置于所述模型试验箱外部，用于实时拍摄土样并进行PIV图像分析；所述LED灯设置于所述模型试验箱与相机之间，用于为模型试验箱提供光线。

5.根据权利要求4所述的一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：所述蓄水箱标有刻度，蓄水箱内设有水压力计；所述进水管和泄水管均设有控水阀，并且进水管处装设有一水压计。

6.根据权利要求1所述的一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：所述矩形盾壳通过若干支撑架设置于所述模型试验箱内。

7.根据权利要求1所述的一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：所述矩形盾壳的顶部设有排气管。

8.根据权利要求1所述的一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：所述矩形盾壳由透明有机玻璃制成。

9.根据权利要求1所述的一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：所述模型试验箱的四个侧壁均由透明有机玻璃制成，且模型试验箱的外表面设有钢架。

10.根据权利要求5所述的一种泥水平衡盾构矩形掌子面稳定性控制模型试验装置，其特征在于：所述试验装置的试验方法包括如下步骤：

（1）试验前，根据预设的覆土厚度将土样铺设于模型试验箱内，并按预设的位置将孔隙水压力传感器、土压传感器和位移传感器埋设于土样中；与此同时，往蓄水箱内注入一定量的水，使矩形盾壳内的水头高度和柔性膜的土压力与水压力之和平衡，由此模拟泥水平衡状态；

（2）试验时，打开采集仪和相机，同时打开泄水管上的控水阀，使矩形盾壳内的水缓慢流出，观察矩形掌子面的柔性膜及矩形掌子面的土样变化情况，并用相机对矩形掌子面前方的土样进行摄像，同时采集仪通过土压传感器、孔隙水压力传感器和位移传感器采集相关数据；当柔性膜发生明显变形，则关闭泄水管上的控水阀，停止拍照，并结束监测数据的采集；

（3）试验结束后，对监测结果进行数据处理，并对矩形掌子面失稳模式进行PIV图像处理，进一步分析泥水平衡盾构矩形掌子面失稳模式，以及泥水压力降低过程中，矩形掌子面土样的变形、应力变化规律。