用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置及方法与流程

本发明涉及土体沉降测量技术领域，具体涉及一种用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置及方法。

背景技术：

在隧道、涵洞等地下施工过程中会出现地层损失，这可能会影响其上方的土体结构，诱发土体变形，危害土体内或上方的建筑物的结构安全。在实践中，应在施工之前考虑施工过程对土体内或上方的建筑物结构的影响，以尽可能的降低事故发生概率和发生的事故烈度。因此，需要模拟施工过程中地层损失诱发的土体变形过程，以定性了解施工过程中地层损失对土体内或上方的建筑物结构的影响，并获取试验数据，为研究获取地层损失诱发的土体变形模型打下基础。

“南水北调工程”是一项水渠输水工程，水渠衬砌采用素混凝土结构构造。随着沿线周边城市建设和经济的发展，许多工程施工需要下穿南水北调水渠，比如某些管道的施工、地铁的施工等，此时监测施工过程中南水北调水渠衬砌变形显得尤为重要。由于南水北调工程的特殊性无法现场监测衬砌的沉降和变形，所以暂时没有成熟的沉降及变形控制标准。

目前下穿南水北调干渠的施工中以衬砌变形30mm为一个控制值，它存在以下缺陷：①施工过程中衬砌的沉降变形呈曲面状，而衬砌变形30mm是从平面的角度讲的，由于工程的特殊性，如何监测衬砌的变形具有不可操作性，故而，以衬砌变形30mm为控制值的实际意义较低；②设置衬砌变形的控制值为30mm没有理论或试验依据，而且在施工过程中，水渠衬砌的变形与定向钻、顶管、盾构机的施工参数无法构成联系，比如施工过程中它们提供的顶力，前进的速度及其转速对干渠衬砌变形造成的影响等因素。

公开于2013年5月15日的中国专利文献cn103105310a记载了一种模拟地铁盾构隧道施工引发地层变形的试验装置，包括模型箱及地层系统、隧道模拟系统、地层损失模拟系统、地表沉降测量系统；模型箱及地层系统包括模型箱框架、钢化玻璃块、基准钢梁、相似材料土层、标志线、隧道孔洞，进水管及排水管孔洞；模型箱框架与钢化玻璃块连接形成模型箱，相似材料土层分层填入模型箱并夯实，在需要观察内部土层沉降的深度处植入标志线，最后钢梁固定于模型箱顶部纵向中央部位，隧道孔洞与进水管及排水管孔洞位于模型箱底部；隧道模拟装置包括聚氯乙烯隧道模型、聚氯乙烯圆板支撑；3道聚氯乙烯圆板支撑等间距置于聚氯乙烯隧道模型的圆孔中，然后用密闭水袋将聚氯乙烯隧道模型环向紧密包裹后植入隧道孔洞中；地层损失模拟系统包括密闭水袋、进水管、排水管、止水阀门、密闭水袋支撑、量桶、压力水泵；密闭水袋支撑均匀布置于密闭水袋中，密闭水袋紧密包围聚氯乙烯隧道模型，进水管与排水管分别连接于密闭水袋的一侧边缘，并通过进水管及排水管孔洞引出，进水管与排水管上分别配置有一个止水阀门，进水管的进水口与压力水泵连接，排水管出水口处放置一个量桶；地表沉降测量系统包括百分表，磁性座；磁性座固定于基准钢梁上，百分表安装在磁性座上。看起来该方案中，在试验准备阶段，密闭水袋环向紧密包裹隧道模型，然后覆盖相似材料土层，通过密闭水袋的体积收缩模拟地层损失，可以理解还原了隧道模型外围土体出现了环向塌陷的情形。

公开于2018年6月1日的中国专利文献cn105223336b记载了一种模拟地铁盾构隧道地层空洞引发地层损失的试验装置，包括：视觉识别系统、模型箱系统、聚氯胺液囊、连通聚氯胺液囊的第一导管和第二导管、对应第二导管的容器、设置在聚氯胺液囊内部的电阻丝、连接电阻丝的加热控制装置；所述模型箱系统包括：带有排砂门的模型箱、带有小孔的盾构隧道钢模型、钢化玻璃、试验土体、地表位移量测装置lvdt位移计；模型箱的一面为透明的钢化玻璃，通过钢化玻璃监测试验土体的界面，在试验土体顶部安装lvdt位移计测量表面土体变形；视觉识别系统包括：实时监测摄像头、固定支架以及采集计算模块，实时监测摄像头用于拍摄监测界面的视频图像，将视频图像传输给采集计算模块进行分析计算，获得兴趣点的位移数据，还包括遮盖整个试验装置的帷幕和位置固定的光源；固定支架将监测摄像头固定，然后与采集计算模块通过数据线相连；采集计算模块包括顺次连接的视频帧提取单元、视频帧存储单元、兴趣点提取单元、图像坐标数据存储单元；视频帧提取单元用于根据用户选择在视频帧中提取视频帧图片，存储在视频帧存储单元中，兴趣点提取单元读入用户选择的视频帧图片，在视频帧图片中通过鼠标点击的方式对试验土体界面上的兴趣点进行提取，并将提取的兴趣点坐标数据存储在图像坐标数据存储单元中；再通过读入跟踪的兴趣点位置变化数据，根据系统的数据采集频率，绘制每一个兴趣点的位移曲线；所述采集计算模块还包括一直线拟合单元，该直线拟合单元通过对提取到的不同帧中的同一个兴趣点进行直线拟合，检查是否存在不能进行直线拟合的兴趣点，如果不能进行直线拟合则采用直线拟合的方式并求取交点作为每个兴趣点的位置。看起来该方案中，在试验准备阶段，盾构隧道是从外而内设置的聚乙烯塑料、钢丝网和聚氨脂液囊，当聚气脂液囊被固体冰撑起后聚乙烯塑料形成盾构隧道的外表面，当聚氨脂液囊内的固体冰融化为水后可以排出，可以理解为还原了盾构隧道的顶部出现破坏性塌陷的情形。

公开于2018年7月3日的中国专利文献cn105806697b记载了一种模拟隧道开挖对周边管线影响的试验装置，包括试验箱、隧道开挖模拟装置、管线量测系统；所述的试验箱为可视化钢化玻璃箱，玻璃箱带底并敞口，且在相对的两壁面上预制孔洞，在壁面外侧孔洞的周边外设置“凹”形不锈钢滑槽，用于安置玻璃挡板；所述的试验箱内装有土体，土体的表层低于试验箱的开口面；所述的土体中埋有管线，管线安置在设计深度处；所述的隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管和外管；所述的内管模拟隧道的砌衬，外管模拟盾构机的盾壳；所述的内管和外管嵌套在一起，水平安装在试验箱的孔洞中；所述的内管和外管之间留有空隙，两端用泡沫环密封；所述的内管贯穿箱体，左端与试验箱上的玻璃挡板紧接，右端伸出试验箱外；所述的外管左端距试验箱左壁10-30cm，右端伸出试验箱外20cm；外管右端伸出部分沿环向均布圆孔，所述的拉拔仪器通过绳索连接到外管的圆孔上；所述的外管外侧沿轴向有刻度标记；所述的量测系统包括沉降杆、位移传感器、应变片、压力盒、数据采集仪和计算机；所述的沉降杆有多根，其上端与位移传感器连接，下端固定在管线上，所述的位移传感器布置在土体表层上；所述的应变片有多组，沿管线外侧轴向间隔布置，每组2个应变片，分别布置在管线的顶部和底部；所述的压力盒有多组，沿管线外侧轴向与应变片间隔布置，每组2个压力盒，分别布置在管线的顶部和底部；所述的压力盒还布设于管线所在深度的无管线影响区域，所述无影响区域为距管线轴线5倍管径水平距离处；所述的位移传感器、应变片和压力盒分别通过数据线与数据采集仪连接，所述的数据采集仪与计算机连接。看起来该方案中，在试验过程中，通过拉动套设在内管上的外管，此时土体与内管之间存在间隙，也可以理解为还原了盾构隧道外围土体出现了环向塌陷的情形，它与cn103105310a相比的优异点在于，它的环向塌陷点是随着内管的端头的位置变化而增加的。

技术实现要素：

本发明的发明目的是提供一种用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置及方法，以解决现有的模拟方法不能够模拟管道或隧道开挖过程的地层损失诱发的土体变形过程的技术问题。

在与隧道相关的地层损失诱发的土体变形过程中，由于管道或隧道开挖过程一般可以采用顶管施工法、盾构施工法、定向钻施工法、爆破施工法，其中顶管施工法、盾构施工法、定向钻施工法均采用有大型机械，其施工过程对土体的影响（例如土体流失、震动）较管道或隧道形成型后的地层损失对土体变形影响更大，因此，背景技术中提及的现有技术均不能更好的模拟管道或隧道开挖过程的地层损失诱发的土体变形过程，不足以作为研究管道或隧道开挖过程的地层损失诱发的土体变形过程的信息基础。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置，包括试验容器、长条形建筑模拟物、施工过程模拟物和土体模拟物；所述土体模拟物用于设置在所述试验容器内，以与所述试验容器共同支撑所述长条形建筑模拟物；所述施工过程模拟物包括圆硬管和漏孔开关，所述圆硬管用于设置在土体模拟物内，所述圆硬管的轴线平行于所述长条形建筑模拟物的底面，且所述圆硬管的轴线与所述长条形建筑物的长度方向在水平面的投影互相垂直，在所述圆硬管的侧面设有土体模拟物漏孔，所述漏孔开关能够封堵所述土体模拟物漏孔，所述圆硬管与所述试验容器配合，以使所述土体模拟物仅能从打开状态的所述土体模拟物漏孔落入所述圆硬管内；所述试验容器具有用于观察所述土体模拟物变形过程的透光壁。

优选的，所述土体模拟物漏孔包括椭圆孔和在所述圆硬管的轴向方向上设置的条形孔中的至少一种，所述土体模拟物漏孔设置在靠近所述长条形建筑模拟物的一侧。

进一步的，所述条形孔有至少三个，包括左侧条形孔、顶部条形孔、右侧条形孔，所述顶部条形孔设置在所述圆硬管的顶部，在所述圆硬管的周面，所述左侧条形孔的中线与所述顶部条形孔的中线间的弧度为π/3，所述右侧条形孔的中线与所述顶部条形孔的中线间的弧度为π/3。

又进一步的，所述圆硬管的规格为：其内径为1m，其轴向长度为6.5m，所述圆硬管的轴线垂直于所述透光壁，且圆硬管的一端贴合于所述透光壁，以使所述透光壁封堵所述圆硬管的该端端口；所述条形孔的规格为：其宽度为100mm，其长度为3m，所述条形孔距所述透光壁的距离为200mm。

进一步的，所述漏孔开关为条形薄壁物，所述椭圆孔设置在所述条形薄壁物上，并对应于所述条形孔设置，以使所述土体模拟物能够从所述条形孔和椭圆孔漏入到所述圆硬管内。

优选的，所述试验容器的内腔尺寸10m×5.5m×5m，所述试验容器的壁厚为0.5m；所述土体模拟物为砂子；所述长条形建筑模拟物为混凝土板，所述混凝土板的尺寸为11m×6.5m×0.1m。

一种前述的用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置的使用方法，包括模拟施工过程的步骤；所述模拟施工过程的步骤包括以施工推进速度打开所述漏孔开关，所述土体模拟物经打开状态的所述土体模拟物漏孔落入所述圆硬管内。

优选的，所述土体模拟物漏孔包括椭圆孔和在所述圆硬管的轴向方向上设置的条形孔，所述漏孔开关为条形薄壁物，所述椭圆孔设置在所述条形薄壁物上，并对应于所述条形孔设置，以使所述土体模拟物能够从所述条形孔和椭圆孔漏入到所述圆硬管内；所述条形孔包括左侧条形孔、顶部条形孔、右侧条形孔，所述顶部条形孔设置在所述圆硬管的顶部，在所述圆硬管的周面，所述左侧条形孔的中线、所述右侧条形孔的中线与所述顶部条形孔的中线间的弧度均为锐角，在所述模拟施工过程的步骤中，拉动对应于所述顶部条形孔的漏孔开关时，用以模拟定向钻施工；同时拉动对应于所述左侧条形孔和右侧条形孔的漏孔开关时，用以模拟顶管施工；同时拉动对应于所述左侧条形孔、顶部条形孔和右侧条形孔的漏孔开关时，用以模拟盾构机施工。

优选的，所述使用方法还包括与所述模拟施工过程同步进行的采集数据的步骤，所述采集数据的步骤包括多次测量落入圆硬管内的所述土体模拟物的体积、与所述体积对应的所述长条形建筑模拟物的形变量。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果主要包括：

提供了一种模拟施工过程中地层损失诱发的土体变形过程的装置及模拟使用方法，可以借以观测施工过程中地层损失诱发的土体变形过程，也能够获取地层损失量、与其对应的长条形建筑模拟物的形变量的数据，以便于开展科学研究。

附图说明

图1为本发明一种用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置的右视透视图。

图2为沿图1的a-a剖面线的剖视图。

图3为图2中的施工过程模拟物局部放大图。

图4为沿图1中b-b剖面线的剖视图。

图5为图4中的施工过程模拟物局部放大图。

图6为沿图1中c-c剖面线的剖视图。

图7为图6中的施工过程模拟物局部放大图。

图8为图1的左视图。

图9为图1的俯视透视图。

图10为图1的立体图。

图中，1-试验容器，11-透光壁，2-施工过程模拟物，21-圆硬管，211-条形孔，212-卡槽，22-条形薄壁物，23-椭圆孔堵头，3-长条形建筑模拟物。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在常识中，圆孔是特殊的椭圆孔。

实施例1：一种用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置，参见图1-10，包括试验容器1、长条形建筑模拟物3、施工过程模拟物2和土体模拟物。土体模拟物（未画）用于设置在试验容器1内，以与试验容器1共同支撑长条形建筑模拟物3。施工过程模拟物2包括圆硬管21和漏孔开关，圆硬管21用于设置在土体模拟物内，在试验准备阶段，土体模拟物需要填满试验容器1与长条形建筑模拟物3围合的空间内且除圆硬管21外的空隙。圆硬管21的轴线平行于所述长条形建筑模拟物3的底面，且所述圆硬管21的轴线与长条形建筑物31的长度方向在水平面的投影互相垂直，在圆硬管21的侧面设有土体模拟物漏孔，漏孔开关能够封堵土体模拟物漏孔，圆硬管21与试验容器1配合，以使土体模拟物仅能从打开状态的土体模拟物漏孔落入所述圆硬管21内；试验容器1具有用于观察土体模拟物变形过程的透光壁11。

优选的，土体模拟物漏孔包括椭圆孔和在圆硬管21的轴向方向上设置的条形孔211，土体模拟物漏孔设置在靠近长条形建筑模拟物3的一侧，也即是圆硬管21的上部。圆硬管21可以选择这样的规格：内径为1m，其轴向长度为6.5m的钢管。条形孔211的宽度为100mm，其长度为3m，条形孔211距圆硬管21的一端的距离可以是200mm。作为进一步改进，参见图5，条形孔211有至少三个，包括左侧条形孔、顶部条形孔、右侧条形孔，顶部条形孔设置在圆硬管21的顶部，在圆硬管21的周面，左侧条形孔的中线与顶部条形孔的中线间的弧度为π/3，右侧条形孔的中线与顶部条形孔的中线间的弧度为π/3。

优选的，漏孔开关包括条形薄壁物22，椭圆孔设置在条形薄壁物22上，并对应于条形孔211设置，以使土体模拟物能够从条形孔211和椭圆孔漏入到圆硬管21内。作为进一步改进，漏孔开关还包括椭圆孔堵头23，椭圆孔堵头23用于在需要时封堵椭圆孔。若条形薄壁物22的截面是弧面，在一种特殊情形下，椭圆孔堵头23可以是圆截面，这样椭圆孔堵头23就可以与椭圆孔设为螺纹连接，以在需要时封堵椭圆孔。

优选的，透光壁11可以选择高强度透光玻璃或硬质透光塑料，越容易观察到土体模拟物越好。透光壁11选择2m×5m的规格，厚度根据强度需要设置。试验容器1的内腔尺寸可以选择10m×5.5m×5m的长方体空腔，本实施例中，实验容器1是这样形成的：首先，挖出10m×10m×4m的基坑，然后，将圆硬管21放置在基坑的坑底，圆硬管21的轴线位于基坑1的中线上，圆硬管21的两端与基坑的内壁设有一定距离，以预留人员的活动空间。然后使透光壁11距条形孔211的距离为200mm，将透光壁11贴合于圆硬管21的端面，以使透光壁11封堵圆硬管21的该端端口。接着，在基坑内建筑平行于透光壁11的第一墙壁、第二墙壁，第一墙壁、第二墙壁之间的距离可以设成5.5m，第一墙壁用于连接透光壁11与基坑的坑壁，为避免透光壁的移位，一般需要将透光壁与第一墙壁固定在一起。第二墙壁设置在圆硬管21的另一端，第一墙壁、透光壁11、第二墙壁与基坑的坑壁形成试验容器的四面侧壁，第一墙壁、第二墙壁可以采用砖砌而成，第一墙壁和第二墙壁的厚度可以是0.5m，第一墙壁与第二墙壁的高度应与透光壁11的高度一致，即为5m。由于基坑的坑深为4m，因此需要在基坑的坑沿上砌设第三墙壁和第四墙壁，第三墙壁和第四墙壁的高度为1m，第三墙壁用于连接第一墙壁和第二墙壁，第四墙壁用于连接第一墙壁和第二墙壁，以使试验容器1的壁高是一致的。

优选的，土体模拟物为砂子；长条形建筑模拟物3为混凝土板，混凝土板的尺寸为11m×6.5m×0.1m。在试验准备阶段，需要将土体模拟物填满试验容器1、长条形建筑模拟物3和施工过程模拟物围合的空间内，此时，土体模拟物需要与试验容器1共同支撑长条形建筑物3，以使长条形建筑物3为顺直的，不存在影响试验结果的曲率。

实施例2：一种用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置的使用方法，参见图1-10，用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置包括试验容器1、长条形建筑模拟物3、施工过程模拟物2和土体模拟物。土体模拟物（未画）用于设置在试验容器1内，以与试验容器1共同支撑长条形建筑模拟物3。施工过程模拟物2包括圆硬管21和漏孔开关，圆硬管21用于设置在土体模拟物内，在试验准备阶段，土体模拟物需要填满试验容器1与长条形建筑模拟物3围合的空间内且除圆硬管21外的空隙。圆硬管21的轴线平行于所述长条形建筑模拟物3的底面，且所述圆硬管21的轴线与长条形建筑物31的长度方向在水平面的投影互相垂直，在圆硬管21的侧面设有土体模拟物漏孔，漏孔开关能够封堵土体模拟物漏孔，圆硬管21与试验容器1配合，以使土体模拟物仅能从打开状态的土体模拟物漏孔落入所述圆硬管21内；试验容器1具有用于观察土体模拟物变形过程的透光壁11。

使用方法包括模拟施工过程的步骤，模拟施工过程的步骤包括以施工推进速度打开漏孔开关，土体模拟物经打开状态的土体模拟物漏孔落入圆硬管21内，此时在长条形建筑模拟物3下方就出现了地层损失现象，并伴随着发生土体模拟物的变形，长条形建筑模拟物3下方的支撑变弱，长条形建筑模拟物3会产生曲率变形。使用者可以经透光壁11观察这一过程。

优选的，土体模拟物漏孔包括椭圆孔和在圆硬管21的轴向方向上设置的条形孔211，漏孔开关为条形薄壁物，椭圆孔设置在条形薄壁物上，并对应于条形孔211设置，以使土体模拟物能够从条形孔211和椭圆孔漏入到圆硬管21内。作为进一步改进，漏孔开关还包括椭圆孔堵头23，椭圆孔堵头23用于在需要时封堵椭圆孔。

实施例3：一种用于模拟地层损失诱发的土体变形过程的装置的使用方法，作为对实施例2的进一步改进，本实施例中附加了以下特征：

条形孔211包括左侧条形孔、顶部条形孔、右侧条形孔，顶部条形孔设置在圆硬管21的顶部，在圆硬管21的周面，左侧条形孔的中线、右侧条形孔的中线与顶部条形孔的中线间的弧度均为锐角，在模拟施工过程的步骤中，拉动对应于顶部条形孔的漏孔开关时，用以模拟定向钻施工；同时拉动对应于左侧条形孔和右侧条形孔的漏孔开关时，用以模拟顶管施工；同时拉动对应于左侧条形孔、顶部条形孔和右侧条形孔的漏孔开关时，用以模拟盾构机施工。

优选的，使用方法还包括与模拟施工过程同步进行的采集数据的步骤，所述采集数据的步骤包括多次测量（也可以是即时监测）落入圆硬管内的土体模拟物的体积、与落入圆硬管内的土体模拟物的体积对应的长条形建筑模拟物3的形变量。具体的，可以在长条形建筑模拟物3的底面粘贴应变传感器，应变传感器与电阻应变仪对应连接，以通过电阻应变仪测量应变传感器处的长条形建筑模拟物3的形变量，在圆硬管中设置带坡面的导引通道，以使经打开状态的土体模拟物漏孔落入圆硬管21内的土体模拟物由导引通道引入计量容器中，从而计量落入圆硬管内的土体模拟物的体积，实验过程中，应将同一时刻的落入圆硬管内的土体模拟物的体积、长条形建筑模拟物3的形变量相对应。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。