一种下沉式三维岩土工程地质模型试验系统及试验方法与流程

本发明涉及隧道及地下岩土工程实验技术领域，更具体地说，它涉及一种下沉式三维岩土工程地质模型试验系统及试验方法。

背景技术：

隧道及地下岩土工程包含隧道工程、车站基坑工程、软基加固工程、深基础工程及地下综合管廊工程等。由于地下工程的特殊性，其施工环境差、施工工艺要求高，且存在结构与离散性大的岩土介质的相互作用的问题，其施工力学特性极其复杂，通过单一的理论分析或数值模拟方法存在一定局限性，难以摸清其力学响应，物理模型试验是重要的研究手段，且由于地下工程隐蔽工程的性质，质量控制难度大，对施工工艺的合理选择也需通过试验来论证。

因此，本发明提出的一种下沉式三维岩土工程地质模型试验系统及试验方法，对深入了解地下岩土工程的力学特性，探索其破坏机理并提出相应的防治措施具有重要的实践意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种下沉式三维岩土工程地质模型试验系统及试验方法，能够精细化、可视化地获取岩土模型在多因素耦合作用下的应力变形发展规律及破坏现象，能深入了解岩土工程复杂的宏细观破坏机理，为有效防治工程措施的提出提供技术支撑。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种下沉式三维岩土工程地质模型试验系统，包括顶端可开启闭合的透明模型箱、荷载控制系统、数据采集系统和下沉式试验平台系统；所述透明模型箱内设有岩土工程模型；所述下沉式试验平台系统包括基坑、预埋落实固定于基坑内且与基坑内壁贴靠的立柱、与立柱侧壁连接的试验平台和安装与立柱之间的楼梯，所述透明模型箱安装于试验平台顶面；所述立柱侧壁对称设有电控滑轨，试验平台的两端部与电控滑轨固定连接；所述透明模型箱顶端设有用于控制岩土工程模型渗透压力的渗流控制系统，所述渗流控制系统包括水泵、与水泵连接的流量控制阀和埋设于岩土工程模型内的孔隙水压力传感器；

所述荷载控制系统包括加载框架、竖直油缸和水平油缸，所述加载框架位于透明模型箱正上方与基坑锚固，所述油缸与加载框架的横梁底端固定连接，所述竖直油缸的底端与岩土模型连接；所述基坑内壁设有锚板，所述水平油缸安装于锚板侧壁，且所述水平油缸的端部与岩土模型连接；

所述数据采集系统包括高清数码摄像仪、高倍数体视显微设备、动态应变数据采集设备和电脑设备，所述电脑设备分别与高清数码仪、高倍数体视显微设备、动态应变数据采集设备、电控滑轨和孔隙水压力传感器连接；

所述高清数码摄像仪用于获取的试验过程中岩土工程模型的整体图像信息，以观察岩土工程模型的宏观变形及破坏现象；

所述高倍数体视显微设备用于获取试验过程中岩土工程模型的局部图像信息，以分析岩土工程模型中岩土体的细观演化现象；

所述动态应变数据采集设备用于获取岩土工程模型中岩土体的应力变形等参数。

通过采用上述技术方案，在使用该下沉式三维岩土工程地质模型试验系统进行试验的过程中，通过透明模型箱，便于将岩土体分层铺设于透明模型箱内，从而便于根据研究需要设计不同类型的岩土工程模型；通过透明模型箱，便于通过透明模型箱的侧板观察试验过程中岩土工程模型的变形发展情况；通过由加载框架、竖直油缸和水平油缸构成的荷载控制系统，便于根据不同工况需求，对岩土工程模型进行多方向加载；通过竖直油缸，便于对岩土工程模型进行竖直方向的荷载加载；通过水平油缸，便于岩土工程模型进行水平方向的荷载加载；通过高清数码摄像仪，便于对试验过程中岩土工程模型的整体图像信息进行采集；通过高倍数体视显微设备，便于对试验过程中岩土工程模型局部图像信息进行采集；通过动态应变数据采集设备，便于实时采集岩土工程模型的应力变形等参数数据信息；通过电脑设备，便于对高清数码摄像仪采集的岩土工程模型的整体图像信息、高倍数体视显微设备采集的岩土工程模型局部图像信息和动态应变数据采集设备实时采集的岩土工程模型的应力变形等参数数据信息进行整合分析与处理，从而得到岩土工程模型的应力及变形发展规律；通过安装于立柱侧壁的电控滑轨，便于电脑设备通过程序控制电控滑轨进行工作，从而使得试验平台的升降能够进行智能自动化控制，从而便于试验操作且能满足不同模型尺寸的试验要求；通过渗流控制系统，便于对岩土工程模型施加渗透压力进行流固耦合试验；通过该下沉式三维岩土工程地质模型试验系统，能够精细化、可视化地获取岩土模型在多因素耦合作用下的应力变形发展规律及破坏现象，能深入了解岩土工程复杂的宏细观破坏机理，为有效防治工程措施的提出提供技术支撑。

本发明进一步设置为：所述透明模型箱的板面均为钢化玻璃材质，所述透明模型箱的侧板绘制有方格。

通过采用上述技术方案，通过方格，便于观察岩土工程模型中岩土体结构的变形发展情况。

本发明进一步设置为：所述动态应变数据采集设备包括动态应变数据采集仪和与动态应变数据采集仪的输入端连接的传感器，所述传感器分布于岩土模型中。

通过采用上述技术方案，通过动态应变数据采集仪和与动态应变数据采集仪的输入端连接的传感器，便于实时采集岩土工程模型中岩土体的应力应变等参数数据信息，并将该应力应变等参数数据信息传递至电脑设备进行分析与处理。

本发明进一步设置为：所述基坑的长度为9m，宽度为6m，深度为5m；所述试验平台与基坑底面的距离大于2m，且所述试验平台临边设有防护栏。

通过采用上述技术方案，通过长度为9m，宽度为6m，深度为5m的基坑，便于下沉式试验平台系统的安装；通过防护栏，便于防止透明模型箱从试验平台滑落。

本发明进一步设置为：所述透明模型箱底端连接有排水管，所述排水管连接有用于回收试验用水的集液箱。

通过采用上述技术方案，通过排水管和集液箱，便于回收试验过程中渗流控制系统施加渗透压力产生的水。

本发明进一步设置为：所述电控滑轨包括固定安装于立柱侧壁的竖直导轨、安装于立柱底端侧壁与电脑设备连接的伺服电机、与伺服电机输出端固定连接的第一转动滑轮和靠近竖直导轨顶端与立柱侧壁固定连接的第二转动滑轮；所述第一转动滑轮和第二转动滑轮之间连接有钢绳；所述钢绳侧壁固定连接有连接座，所述连接座端部与试验平台端部固定连接，所述连接座远离试验平台的端部与竖直导轨连接。

通过采用上述技术方案，通过与电脑设备连接的伺服电机，便于电脑设备通过程序控制伺服电机进行工作，且能够控制伺服电机的转向，从而便于带动与伺服电机输出端连接的第一转动滑轮进行转动，带动第二转动滑轮及钢绳的进行运动，使得与钢绳固定连接的连接座进行上升与下降，从而便于带动试验平台进行上升与下降工作，从而实现智能自动化控制试验平台的升降。

一种下沉式三维岩土工程地质模型试验方法，包括以下步骤：

1)根据材料相似原则，制备岩土体或现场取样备用；

2)将岩土体分层铺设于透明模型箱内，以模拟实际的地质状态；

3)根据研究需要在岩土体内设置隧道、基坑或深基础等岩土工程模型，并关闭透明模型箱顶端的顶板；

4)启动数据采集系统，对岩土工程模型的整体图像信息、局部图像信息和应力应变等参数信息进行实时采集；

5)调节荷载控制系统增大荷载至模拟工况下的压力，并进行多方向的加载模拟试验；

6)观察试验全过程，通过透明模型箱侧板上绘制的方格观察透明模型箱内岩土体变形发展情况；

7)试验数据分析，将高清数码摄像仪获取的多方向荷载作用下的岩土工程模型的整体图像信息、高倍数体视显微设备获取的多方向荷载作用下的岩土工程模型的局部图像信息和动态应变数据采集设备获取的应力应变等参数传递至电脑设备，通过电脑设备分析处理岩土工程模型在多方向荷载作用过程下的应力、变形发展规律及破坏现象，得出岩土模型在多因素作用下的破坏机理；

8)改变岩土体状态、荷载特征进行其他工况的试验，比如进行其他地质条件、不良地质属性、埋深、渗透压力等因素下的试验。

综上所述，本发明具有以下有益效果：通过透明模型箱，便于将岩土体分层铺设于透明模型箱内，从而便于根据研究需要设计不同类型的岩土工程模型；通过透明模型箱，便于通过透明模型箱的侧板观察试验过程中岩土工程模型的变形及破坏发展情况；通过由加载框架、竖直油缸和水平油缸构成的荷载控制系统，便于根据不同工况需求，对岩土工程模型进行多方向加载；通过竖直油缸，便于对岩土工程模型进行竖直方向的荷载加载；通过水平油缸，便于岩土工程模型进行水平方向的荷载加载；通过高清数码摄像仪，便于对试验过程中岩土工程模型的整体图像信息进行采集；通过高倍数体视显微设备，便于对试验过程中岩土工程模型局部图像信息进行采集；通过动态应变数据采集设备，便于实时采集岩土工程模型的应力变形等参数数据信息；通过电脑设备，便于对高清数码摄像仪采集的岩土工程模型的整体图像信息、高倍数体视显微设备采集的岩土工程模型局部图像信息和动态应变数据采集设备实时采集的岩土工程模型的应力变形等参数数据信息进行整合分析与处理，从而得到岩土工程模型的应力及变形发展规律；通过安装与立柱侧壁的电控滑轨，便于电脑设备通过程序控制电控滑轨工作，从而使得试验平台的升降能够进行智能自动化控制，便于试验操作并满足不同尺寸模型的试验要求；通过渗流控制系统，便于对岩土工程模型施加渗透压力进行流固耦合试验；通过该下沉式三维岩土工程地质模型试验系统，能够精细化、可视化地获取岩土模型在多因素耦合作用下的应力变形发展规律及破坏现象，能深入了解岩土工程复杂的宏细观破坏机理，为有效防治工程措施的提出提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明实施例1中的结构示意图；

图2是本发明实施例1中的结构框图；

图3是本发明实施例1中电控滑轨与立柱之间连接结构的放大示意图；

图4是本发明实施例2中的流程图。

图中：1、透明模型箱；2、数据采集系统；3、岩土工程模型；4、基坑；5、立柱；6、试验平台；7、电控滑轨；8、水泵；9、流量控制阀；10、孔隙水压力传感器；11、加载框架；12、竖直油缸；13、水平油缸；14、锚板；15、高清数码摄像仪；16、高倍数体视显微设备；17、动态应变数据采集设备；18、电脑设备；19、方格；20、动态应变数据采集仪；21、传感器；22、排水管；23、集液箱；24、楼梯；25、竖直导轨；26、伺服电机；27、第一转动滑轮；28、第二转动滑轮；29、钢绳；30、连接座。

具体实施方式

以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种下沉式三维岩土工程地质模型试验系统，如图1、图2和图3所示，包括顶端可开启闭合的透明模型箱1、荷载控制系统、数据采集系统2和下沉式试验平台6系统。透明模型箱1内布置有岩土工程模型3。下沉式试验平台6系统包括基坑4、预埋落实固定于基坑4内且与基坑4内壁贴靠的立柱5、与立柱5侧壁连接的试验平台6和安装与立柱5之间的楼梯24，透明模型箱1安装于试验平台6顶面。立柱5侧壁对称安装有电控滑轨7，试验平台6两端部与电控滑轨7固定连接。透明模型箱1顶端安装有用于控制岩土工程模型3渗透压力的渗流控制系统，渗流控制系统包括水泵8、与水泵8连接的流量控制阀9和埋设于岩土工程模型3内的孔隙水压力传感器10。

荷载控制系统包括加载框架11、竖直油缸12和水平油缸13，加载框架11位于透明模型箱1正上方与基坑4锚固，竖直油缸12与加载框架11的横梁底端固定连接，竖直油缸12的底端与岩土模型连接。基坑4内壁安装有锚板14，水平油缸13安装于锚板14侧壁，且水平油缸13的端部与岩土模型连接。

数据采集系统2包括高清数码摄像仪15、高倍数体视显微设备16、动态应变数据采集设备17和电脑设备18，电脑设备18分别与高清数码仪、高倍数体视显微设备16、动态应变数据采集设备17、电控滑轨7和孔隙水压力传感器10连接。

高清数码摄像仪15用于获取试验过程中岩土工程模型3的整体图像信息，以观察岩土工程模型3的宏观破坏现象。

高倍数体视显微设备16用于获取试验过程中岩土工程模型3的局部图像信息，以分析岩土工程模型3中岩土体的细观演化现象。

动态应变数据采集设备17用于获取岩土工程模型3中岩土体的应力变形等参数。

在本实施例中，试验平台6由工字钢411紧密排列构成。在使用该下沉式三维岩土工程地质模型试验系统进行试验的过程中，通过透明模型箱1，便于将岩土体分层铺设于透明模型箱1内，从而便于根据研究需要设计不同类型的岩土工程模型3。通过透明模型箱1，便于通过透明模型箱1的侧板观察试验过程中岩土工程模型3的变形发展情况。通过由加载框架11、竖直油缸12和水平油缸13构成的荷载控制系统，便于根据不同工况需求，对岩土工程模型3进行多方向荷载的加载。通过竖直油缸12，便于对岩土工程模型3进行竖直方向的荷载加载。通过水平油缸13，便于岩土工程模型3进行水平方向的荷载加载。通过高清数码摄像仪15，便于对试验过程中岩土工程模型3的整体图像信息进行采集。通过高倍数体视显微设备16，便于对试验过程中岩土工程模型3局部图像信息进行采集。通过动态应变数据采集设备17，便于实时采集岩土工程模型3的应力变形等参数数据信息。通过电脑设备18，便于对高清数码摄像仪15采集的岩土工程模型3的整体图像信息、高倍数体视显微设备16采集的岩土工程模型3局部图像信息和动态应变数据采集设备17实时采集的岩土工程模型3的应力变形等参数数据信息进行整合分析与处理，从而得到岩土工程模型3的应力及变形发展规律。通过电控滑轨7与试验平台6两端部的固定连接，便于电脑设备18通过程序控制电动滑轨7进行工作，从而使得试验平台6的升降能够进行智能自动化控制，便于试验操作且能够满足不同尺寸模型的试验要求。通过渗流控制系统，便于对岩土工程模型3施加渗透压力进行流固耦合试验。通过该下沉式三维岩土工程地质模型试验系统，能够精细化、可视化地获取岩土工程模型3在多因素耦合作用下的应力变形发展规律及破坏现象，揭示岩土工程模型3复杂的宏细观破坏机理，为有效防治工程措施的提出提供技术支撑。

透明模型箱1的板面均为钢化玻璃材质，透明模型箱1的侧板绘制有方格19。

在本实施例中，通过方格19，便于观察岩土工程模型3中岩土体结构的变形发展情况。

动态应变数据采集设备17包括动态应变数据采集仪20和与动态应变数据采集仪20的输入端连接的传感器21，传感器21分布于岩土模型中。

在本实施例中，通过动态应变数据采集仪20和与动态应变数据采集仪20的输入端连接的传感器21，便于实时采集岩土工程模型3中岩土体的应力应变等参数数据信息，并将该应力应变等参数数据信息传递至电脑设备18进行分析与处理。

基坑4的长度为9m，宽度为6m，深度为5m。试验平台6与基坑4底面的距离大于2m，且试验平台6临边焊接有防护栏。

在本实施例中，通过长度为9m，宽度为6m，深度为5m的基坑4，便于下沉式试验平台6系统的安装。通过防护栏，便于防止透明模型箱1从试验平台6滑落。

透明模型箱1底端连接有排水管22，排水管22连接有用于回收试验用水的集液箱23。

在本实施例中，通过排水管22和集液箱23，便于回收试验过程中渗流控制系统施加渗透压力产生的水。

电控滑轨7包括固定安装于立柱5侧壁的竖直导轨25、安装于立柱5底端侧壁与电脑设备18连接的伺服电机26、与伺服电机26输出端固定连接的第一转动滑轮27和靠近竖直导轨25顶端与立柱5侧壁固定连接的第二转动滑轮28。第一转动滑轮27和第二转动滑轮28之间连接有钢绳29。钢绳29侧壁固定连接有连接座30，连接座30端部与试验平台6端部固定连接，连接座30远离试验平台6的端部与竖直导轨25连接。

在本实施例中，通过与电脑设备18连接的伺服电机26，便于电脑设备18通过程序控制伺服电机26进行工作，且能够控制伺服电机26的转向，从而便于带动与伺服电机26输出端连接的第一转动滑轮27进行转动，带动第二转动滑轮28及钢绳29的进行运动，使得与钢绳29固定连接的连接座30进行上升与下降，从而便于带动试验平台6进行上升与下降工作，从而实现智能自动化控制试验平台6的升降。

实施例2：一种下沉式三维岩土工程地质模型试验方法，如图4所示，包括以下步骤：

1)根据材料相似原则，制备岩土体或现场取样备用。

2)将岩土体分层铺设于透明模型箱1内，以模拟实际的地质状态。

3)根据研究需要在岩土体内设置隧道、基坑或深基础等岩土工程模型3，并关闭透明模型箱1顶端的顶板。

4)启动数据采集系统2，对岩土工程模型3的整体图像信息、局部图像信息和应力应变等参数信息进行实时采集。

5)调节荷载控制系统增大荷载至模拟工况下的压力，并进行多方向的加载模拟试验。

6)观察试验全过程，通过透明模型箱1侧板上绘制的方格19观察透明模型箱1内岩土体变形发展情况。

7)试验数据分析，将高清数码摄像仪15获取的多方向荷载作用下的岩土工程模型3的整体图像信息、高倍数体视显微设备16获取的多方向荷载作用下的岩土工程模型3的局部图像信息和动态应变数据采集设备17获取的应力应变等参数传递至电脑设备18，通过电脑设备18分析处理岩土工程模型3在多方向荷载作用过程下的应力、变形发展规律，揭示岩土工程模型3在多因素作用下的破坏机理。

8)改变岩土体状态、荷载特征进行其他工况的试验。

工作原理：在使用该下沉式三维岩土工程地质模型试验系统进行试验的过程中，利用透明模型箱1，便于将岩土体分层铺设于透明模型箱1内，从而便于根据研究需要模拟实际的地质状态并设计不同类型的岩土工程模型3。通过透明模型箱1，便于通过透明模型箱1的侧板观察试验过程中岩土工程模型3的变形及破坏发展情况。通过由加载框架11、竖直油缸12和水平油缸13构成的荷载控制系统，便于根据不同工况需求，对岩土工程模型3进行多方向荷载的加载。通过竖直油缸12，便于对岩土工程模型3进行竖直方向的荷载加载。通过水平油缸13，便于岩土工程模型3进行水平方向的荷载加载。通过高清数码摄像仪15，便于对试验过程中岩土工程模型3的整体图像信息进行采集。通过高倍数体视显微设备16，便于对试验过程中岩土工程模型3局部图像信息进行采集。通过动态应变数据采集设备17，便于实时采集岩土工程模型3的应力变形等参数数据信息。通过电脑设备18，便于对高清数码摄像仪15采集的岩土工程模型3的整体图像信息、高倍数体视显微设备16采集的岩土工程模型3局部图像信息和动态应变数据采集设备17实时采集的岩土工程模型3的应力变形等参数数据信息进行整合分析与处理，从而得到岩土工程模型3的应力及变形发展规律。通过电控滑轨7与试验平台6连接，便于电脑设备18通过程序控制电控滑轨7进行工作，从而使得试验平台6的升降能够进行智能自动化控制，便于试验操作且能够满足不同尺寸模型的试验要求。通过渗流控制系统，便于对岩土工程模型3施加渗透压力进行流固耦合试验。通过该下沉式三维岩土工程地质模型试验系统，能够精细化、可视化地获取岩土模型在多因素耦合作用下的应力变形发展规律及破坏现象，揭示岩土工程复杂的宏细观破坏机理，为有效防治工程措施的提出提供技术支撑。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。