基于应力探测的地层空洞塌陷过程模拟装置

1.本实用新型涉及地下工程空洞诱发塌陷装置领域，特别涉及一种基于应力探测的地层空洞塌陷过程模拟装置。


背景技术：

2.地面塌陷是地下岩土体在自然因素或人类活动因素的影响下，发生滑移坍落，进而发展至地表导致地面形成坑洞的不良地质现象，是一种具有突发性和和高危害性的地质灾害，一旦发生地面塌陷，极易造成人员伤亡和财产损失。随着城市的发展和人类活动的增加，在城市内的地陷灾害，尤其是路面塌陷时有发生，虽不及采矿区的地陷规模大，但因发生于人口密度大，建筑体量多的城市内，地陷灾害一旦发生，极易造成人员伤亡和财产损失，此外，地陷灾害发生也将影响建筑施工进度，为居民的日常生活带来不便。
3.天然地层中的地下空洞通常经过了漫长的地质运动，具有自稳定性，在进行模型试验时，难以人为地构造土层中的空洞，进而难以研究地下工程施工对地下空洞的扰动以及诱发地陷发生。
4.已有的模拟地下空洞的试验装置多为手动控制气囊释放气体来模拟地下空洞的破坏，但实际工程中，地下空洞的失稳具有一定的突发性和不确定性，已有的发明和研究成果无法解决这一问题，这是本技术需要着重改善的地方。
5.中国专利cn 204514914 u、中国专利cn 105223336 b公开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及方法，该试验装置使用聚氯胺液囊模拟地层空洞。在实际地层中，地层空洞处于相对稳定状态，不会引起塌陷，当建筑施工扰动或地震灾害等对地层产生扰动，导致地层应力状态变化时，才可能引起地层空洞塌陷。上述试验装置中，均为人为控制空洞形成塌陷，无法实现因地层应力状态变化而导致的空洞塌陷，具有一定缺陷。这是本技术需要着重改善的地方。


技术实现要素：

6.本实用新型所要解决的技术问题是要提供一种基于应力探测的地层空洞塌陷过程模拟装置，实现因地层应力状态变化而导致的空洞塌陷。
7.为了解决以上的技术问题，本实用新型提供了一种基于应力探测的地层空洞塌陷过程模拟装置，包括充气气囊、压力传感器、导气管、气压控制模块；其中：
8.所述充气气囊，埋置于土层中的任一深度和位置，模拟地下空洞；
9.所述压力传感器，充气气囊表面上均匀布置多个压力传感器，在气囊的各个不同位置感应土体内部的应力变化，获取作用于气囊表面的压力，并传输至气压控制模块；
10.所述导气管，连接充气气囊和气压控制模块，用于气体的传输；
11.所述气压控制模块，通过导气管与充气气囊相连，气压控制模块实时监测气囊表面的应力变化，压力值达到预设值时缓慢释放气体，气囊占据的体积模拟地下空洞。
12.所述气压控制模块，包括控制器和空气流量计；控制器用于控制气囊充气或放气，
气囊的进气口与出气口均安装空气流量计，用于记录充气与排气过程中的气体体积。
13.试验开始阶段，控制器为充气气囊充气，由空气流量计记录充气时的气体体积；试验开始后，气压控制模块实时接收由压力传感器传送的气囊表面的压力变化，当压力减小到初始压力值的40%～60%时，气压控制模块通过控制器使气囊释放气体，在土层中形成空洞，实现因地层应力状态变化而导致的空洞塌陷。
14.在模拟基坑开挖、隧道开挖等地下工程施工的干扰下，将诱发地陷，通过布置于充气气囊表面的压力传感器，记录土体作用于气囊表面的应力状态，将应力状态数据通过压力传感器传输到气压控制模块，控制释放气囊中的气体，使试验土体内部形成空洞，模拟地下空洞塌陷。
15.本实用新型的优越功效在于：
16.1）本实用新型模拟装置能在土层的任意位置放置充气气囊，模拟因地层应力状态变化而导致的地下空洞；
17.2）本实用新型模拟装置对土体内部压力进行实时监测，当压力传感器监测到土体内部压力减小到初始压力值的40%～60%时，气压控制模块开始释放气囊内的气体，气囊释放气体来模拟地下空洞失稳塌陷，此过程无需人为操作；
18.3）本实用新型模拟装置适用于多种地下工程的施工或地下过程灾害的工况；
19.4）本实用新型模拟装置操作简单，安全可靠。
附图说明
20.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
21.图1为本实用新型具体实施例的结构示意图；
22.图2为本实用新型具体实施例的应力探测布置图；
23.图3为本实用新型具体实施例实验模拟示意图；
24.图中标号说明：
25.1—充气气囊；
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2—压力传感器；
26.3—导气管；
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4—气压控制模块；
27.5—控制器；
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6—空气流量计；
28.7—模型箱；
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8—试验土样；
29.9—盾构模型；
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10—电动机。
具体实施方式
30.以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
31.图1示出了本实用新型具体实施例的结构示意图；图2示出了本实用新型具体实施例的应力探测布置图。如图1所示，本实用新型提供了一种基于应力探测的地层空洞塌陷过程模拟装置，包括充气气囊1、压力传感器2、导气管3和气压控制模块4，所述气压控制模块4包括控制器5和空气流量计6。如图2所示，在充气气囊1的表面均匀布置多个压力传感器2，采用粘贴方式将压力传感器2固定于充气气囊1的表面。多个压力传感器2用来探测不同方
位的地层应力状态，获取作用于气囊表面的压力，并传输至气压控制模块4。气囊的进气口与出气口均安装空气流量计6，用于记录充气与排气过程中的气体体积。所述充气气囊1埋置于土层中的任一深度和位置，模拟地下空洞。
32.所述导气管3，连接充气气囊1和气压控制模块4，用于气体的传输；
33.所述气压控制模块4，通过导气管3与充气气囊1相连，控制气囊的充气和放气。
34.试验开始阶段，控制器5为充气气囊1充气；试验开始后，气压控制模块4实时接收由压力传感器2传送的气囊表面的压力变化，当压力减小到初始压力值的40%～60%时，气压控制模块4通过控制器5使气囊释放气体，在土层中形成空洞，实现因地层应力状态变化而导致的空洞塌陷。
35.结合图3对本实用新型的具体实施进行详细说明。以隧道工程为例，但不仅限于隧道工程。如图3所示为隧道工程施工工况下，一种基于应力探测的地层空洞塌陷过程模拟装置实施的示意图。
36.如图3所示，模型箱7由四面透明的玻璃板形成，以便观察和记录。将配置好的试验土样8均匀地放置在模型箱中，并在模型箱7内的任意位置处放置未充气的气囊，模型箱7一侧装有电动机10，电动机10与盾构模型9连接，驱动盾构模型9运动，模拟各类地下工程施工，施工扰动引起地层内空洞发生破坏的过程。试验开始前，通过控制器5向气囊内灌输气体，使气囊膨胀，模拟地层中的地下空洞，通过空气流量计6观察气囊内的气压，待其稳定后开始试验。试验开始时，盾构模型9通过电动机10模拟隧道施工，隧道前方土体产生位移变化，导致地层应力发生变化，布置在充气气囊1上的压力传感器2实时将气囊上的压力变化传送至气压控制模块4，当压力减小到初始压力值的50%时，气压控制模块4通过控制器5释放气囊气体，模拟空洞失稳。气囊气体通过导气管3将气体排出，排出速度30l/min，空气流量计6监测气囊气体排出的情况，气体完全排出后认定空洞失稳。
37.通过布置在模型箱7内的土压力计和位移传感器，实时记录试验过程中应力、位移等参数变化，得到隧道工程施工工况下，因地层应力状态变化引起地层空洞诱发塌陷的失稳破坏模式和发展过程。
38.以上所述仅为本实用新型的优先实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。