一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置及方法

本发明涉及岩土工程试验设备，具体涉及一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置及方法。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、盾构隧道开挖会引起土体的变形，对地下结构物、地表建筑物造成不同程度的影响，盾构施工过程中引起土体变形最主要的因素是地层损失，地层损失是盾构施工中挖土体体积和建成隧道体积之差，引起地层损失的因素包括开挖面土体移动、盾构后退、注浆压力以及开挖面超挖等因素。

3、申请号201910419469.1公开了一种多仓分隔式水囊排水的盾构掘进地层损失模拟装置及方法，其水囊固定在盾构模型外壁上，盾构模型固定，发明人发现，其只能够模拟静态的地层损失，但在实际工程中，掘进过程中会产生地层损失，注浆、盾尾空隙等因素也会产生地层损失，静态地层损失只是地层损失的一部分，因此上述技术方案对地层损失的模拟不准确。

4、目前的隧道开挖的模型试验中，监测的位移数据多为地表沉降，土体内部的位移监测的手段十分有限，常见的位移传感器在土体内部难以发挥，一些学者采用透明土试验，借助散斑技术、piv粒子图像技术等对土颗粒进行监测并绘制土体变形云图，这种试验方法首先必须是透明的试验箱，对试验用土也有较高的要求，并且需要借助高速相机等成本较高的成像设备，因此只局限在小比尺的实验中，难以在大型盾构机模型中应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置及方法，对地层损失的模拟更加准确，且位移检测适用于大型盾构机模型中应用。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案

3、第一方面，本发明的实施例提供了一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置，包括：

4、盾构机模型；

5、模型试验箱，用于放入试验土体，其一侧设有用于盾构机模型进入的开口；

6、地层损失模拟机构，用于埋设在模型试验箱内的试验土体中，包括轮毂，轮毂具有用于盾构机模型穿过的通道，轮毂外周固定有水囊，水囊内部空间与水管的一端连通。

7、土体位移监测机构，包括固定在模型试验箱开口对侧箱壁的环形件，环形件与多个沿环向分布的连接件的一端连接，连接件的另一端设有位移检测元件。

8、可选的，所述模型试验箱采用顶部敞口设置的立方体结构，所述开口设置在模型试验箱的一侧侧部箱壁上。

9、可选的，所述模型试验箱的箱壁上设置有排水口，水管的另一端能够通过排水口伸出至模型试验箱外部。

10、可选的，模型试验箱的箱壁上还设置有多个出线口，用于位移检测元件数据线的引出。

11、可选的，所述连接件采用连接杆，连接杆的一端与环形件固定，另一端设置有安装孔，安装孔处安装有位移检测元件。

12、可选的，所述位移检测元件采用应变式位移传感器或磁致伸缩式位移传感器。

13、可选的，所述位移检测元件的探头部位设置有感应片。

14、可选的，所述轮毂的两端均设置有卡槽，水囊的两个端部均设置有卡圈，卡圈卡入卡槽中以使得轮毂与水囊固定。

15、第二方面，本发明的实施例提供了一种第一方面所述的模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置的工作方法，包括以下步骤：

16、通过水管向水囊内注入水，注水完成后将水管封堵；

17、在模型试验箱内填土，直至填土高度达到第一设定高度，在模型试验箱的箱壁上安装土体位移检测机构，继续填土至第二设定高度，然后在模型试验箱内放入地层损失模拟机构，且轮毂的通道与开口位置对应，将水管和位移检测元件的数据线引出至模型试验箱外部，数据线连接控制系统；

18、继续填土至第三设定高度；

19、盾构机模型工作，通过开口进入模型试验箱，进行盾构开挖，同时打开水管，模拟地层损失，盾构机模型开挖至开挖面越过地层损失模拟机构,通过位移检测元件获取土体位移信息。

20、可选的，填土采用分层填土，每填完一层土后将土体进行夯实。

21、本发明的有益效果：

22、1.本发明的试验装置，由于水囊是埋设在土体中，且盾构模型进行盾构挖掘操作，因此模拟试验，综合考了盾构机顶进、刀盘切削土体等施工因素以及地层损失因素，实现了地层损失的动态模拟，能够更加真实地反映实际工程中盾构隧道开挖的工况。

23、2.本发明的试验装置，土体位移监测机构中包括环形件，环形件设有沿环向分布的多个连接件，连接件端部设有位移检测元件，能够实现环向360°全方位土体位移监测，真实反应土体的位移情况，与传统的土体内部位移监测方法相比，无需使用透明土试验，无需借助散斑技术、piv粒子图像技术，也无需设置高速相机等设备，适用于大型盾构模型的试验需求。

技术特征：

1.一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置，其特征在于，所述模型试验箱采用顶部敞口设置的立方体结构，所述开口设置在模型试验箱的一侧侧部箱壁上。

3.如权利要求1所述的一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置，其特征在于，所述模型试验箱的箱壁上设置有排水口，水管的另一端能够通过排水口伸出至模型试验箱外部。

4.如权利要求1所述的一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置，其特征在于，模型试验箱的箱壁上还设置有多个出线口，用于位移检测元件数据线的引出。

5.如权利要求1所述的一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置，其特征在于，所述连接件采用连接杆，连接杆的一端与环形件固定，另一端设置有安装孔，安装孔处安装有位移检测元件。

6.如权利要求1所述的一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置，其特征在于，所述位移检测元件采用应变式位移传感器或磁致伸缩式位移传感器。

7.如权利要求1所述的一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置，其特征在于，所述位移检测元件的探头部位设置有感应片。

8.如权利要求1所述的一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置，其特征在于，所述轮毂的两端均设置有卡槽，水囊的两个端部均设置有卡圈，卡圈卡入卡槽中以使得轮毂与水囊固定。

9.一种权利要求1-8任一项所述的模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置的工作方法，包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置的工作方法，其特征在于，填土采用分层填土，每填完一层土后将土体进行夯实。

技术总结
本发明涉及一种模拟盾构地层损失和监测土体位移的试验装置及方法，包括：盾构机模型；模型试验箱，用于放入试验土体，其一侧设有用于盾构机模型进入的开口；地层损失模拟机构，用于埋设在模型试验箱内的试验土体中，包括轮毂，轮毂具有用于盾构机模型穿过的通道，轮毂外周固定有水囊，水囊内部空间与水管的一端连通；土体位移监测机构，包括固定在模型试验箱开口对侧箱壁的环形件，环形件与多个沿环向分布的连接件的一端连接，连接件的另一端设有位移检测元件，采用本发明的试验装置能够对地层损失进行动态模拟，更加符合实际情况。

技术研发人员：张乾青,王茂林,王术剑,刘善伟,鹿辕,肖凯,刘景航,李振宝
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12