模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模拟箱及试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程模型试验领域，特别涉及一种模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模型箱及其试验方法。

背景技术

随着模型试验的不断发展，试验的技术和方法不断创新，模型试验作为一种科学的技术手段越来越受到科研工作者的认可和青睐。

目前，隧道长期沉降模型箱多为三项加载试验设备。而一些隧道如沉管隧道、盾构隧道不仅需要考虑荷载的短期作用，还要考虑长期荷载作用下对隧道结构的影响。以沉管隧道为例，在开挖后土体不均匀回填、基础施工的误差、天然地基土的性质、地震砂土液化等作用下均会导致沉管的不均匀沉降，而不均匀沉降会对沉管隧道的安全性产生重大影响。一般沉管下部地基可以分为人工地基和天然地基，在模型试验过程中还应当考虑到地基土性以及外部荷载对沉管受力的影响。

而目前已有沉降试验平台由多个额定载重几十到一百顿的电动机械千斤顶和边长为1.5～2.0m的等边三角形的钢筋混凝土面板，以及设置在千斤顶下部的矩形钢筋混凝土柱组成。千斤顶由一台电子计算机和PLC下位机控制，最大行程几十公分，控制精度为1mm。该种试验平台巨大，适合模拟大比例尺的路基、大坝、隧道等试验模型的地基沉降。大型模型试验的试验周期长，费用高，不适合一般性的隧道模型试验研究，且模拟不出地铁隧道在行车荷载和温度、湿度作用下对地基沉降的影响。

发明内容

为了克服现有技术中隧道模型试验箱所存在的技术缺陷，本发明提供了一种模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模型箱及其试验方法，具体方案如下：

模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模型箱，包括模型箱体、隧道模型体、加载板、液压千斤顶和量测系统，所述隧道模型体贯穿于模型箱体两端，且采用地基土固定在模型箱体内，沿隧道模型体底部向模型箱体外延伸铺设行车轨道，加载板安装在隧道模型体上方覆盖的地基土顶部，液压千斤顶设在加载板上，且固定在模型箱体顶部，所述量测系统包括应变片、土压力盒、微型孔隙水压力传感器、示踪土带、温度传感器和含水量传感器，应变片设在隧道模型体管壁上，土压力盒和微型孔隙水压力传感器分别铺设在隧道模型体下方，示踪土带由下至上分层铺设在地基土中，温度传感器和含水量传感器分别插入地基土内。

进一步地，还包括干湿循环系统和模型车，所述干湿循环系统包括暖风机、降雨模拟设备和供水管网，暖风机和降雨模拟设备分别设置在加载板上方，加载板上设有数个通孔，供水管网铺设在模型箱底部，所述模型车放置在行车轨道上。

进一步地，所述降雨模拟设备为水阀，模型车上装有配重铅块。

进一步地，所述行车轨道与隧道模型体两出口连接处分别通过柔性管固定，且向模型箱体外延伸铺设的行车轨道底部通过多个固定支架支撑，行车轨道为环形轨道或直行轨道。

进一步地，所述隧道模型体为缩尺管状，温度传感器和含水量传感器呈直杆状。

一种模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模型箱的试验方法，包括如下步骤：

(1)制备均匀的地基土，分层填入模拟箱体内；

(2)在设定深度处埋入隧道模型体，继续填入地基土，通过液压千斤顶对加载板施压，使模拟箱体内的地基土压缩固结；

(3)步骤(2)的地基土变形稳定后，再通过液压千斤顶施加模拟地铁运营的荷载，通过控制干湿循环系统，实现模拟膨胀模拟箱体内地基土的干湿循环；

(4)通过量测系统获得隧道模型体应力应变和沉降、地基土内含水量和干湿循环变化、以及地基土应力和位移等全方位的基础试验数据。

本发明的优点

本发明的模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模型箱能真实模拟隧道结构上方覆盖地基土的压力、地铁运营荷载等作用下隧道的长期沉降，并能通过量测系统采集隧道的内力变化和试验中地基土不同位置处应力的变化和孔压变化，作用机理明确，试验操作安全可靠，能为同类地下结构(特别是盾构隧道和沉管隧道)的沉降模型试验提供良好的技术支撑，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明模拟箱的侧面结构剖视图。

图2为图1的正面结构示意图。

图3为图2的俯视结构示意图。

图中：

1、加载板；2、液压千斤顶；3、降雨模拟设备；4、隧道模型体；4-1、模型车；4-2、应变片；4-3、固定支架；5-1、温度传感器；5-2、含水量传感器；5-3、供水管网；5-4、微型孔隙水压力传感器；5-5、土压力盒；5-6、示踪土带；6、柔性管；7、行车轨道；8、模型箱；9、暖风机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地解释说明，需要注意的是，本具体实施例不用于限定本发明的权力范围。

如图1至图3所示，本具体实施例的模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模型箱，包括模型箱体8、隧道模型体4、加载板1、液压千斤顶2、干湿循环系统、模型车4-1和量测系统。

隧道模型体4为缩尺管状，隧道模型体4贯穿于模型箱体8两端，且采用地基土固定在模型箱体8内，沿隧道模型体4底部向模型箱体8外延伸铺设行车轨道7，且向模型箱体8外延伸铺设的行车轨道7底部通过多个固定支架4-3支撑，行车轨道7与隧道模型体4两出口连接处分别通过柔性管6固定，柔性管6的直径大于隧道模型体4的直径。行车轨道7为环形轨道或直行轨道，目的是为了实现周期性地铁运营荷载的模拟。在模型车4-1上配重铅块后放置在行车轨道7上，目的是为了实现与实际工况一致的移动力水平，基于弹性半空间内Mindlin解，根据地铁车辆的自重(如B型车轴重14t)和超载时的人数(以每平米9人，平均体重为60kg)进行初步估算，由实际地铁运营导致隧道管片底面处地基土产生的动应力幅值为5kPa～15kPa。在隧道模型体4预设的特定部位开槽模拟螺栓连接。

加载板1安装在隧道模型体4上方覆盖的地基土顶部，液压千斤顶2设在加载板4上，且固定在模型箱体8顶部。目的是为了在隧道模型体4上方覆盖的地基土进行压力模拟，通过液压千斤顶2对加载板1进行加载，至少能满足50kPa加载，对隧道模型体4上方覆盖的地基土施加与实际工况相同的压力，在高水平的应力环境下进行模型试验，以准确预测地铁隧道的长期沉降，并研究其机理。

为了进行膨胀土干湿循环的控制，在模拟箱体8内设置干湿循环系统，干湿循环系统包括暖风机9、降雨模拟设备3和供水管网5-3，在模型箱体8底部铺设供水管网5-3，在加载板1上方分别设置暖风机9和降雨模拟设备3，加载板1上设有数个通孔，目的是为了透水透气。优选地，降雨模拟设备3为水阀。优选地，暖风机9和水阀分别设置两个，且分别对称设置在加载板1上方，目的是为了能模拟由于地下水位升降和季节变换导致的膨胀土干湿循环。由于膨胀土的透水性较差，增湿过程是通过底部供水，依靠毛细作用自下而上地实现的，而脱湿过程则是通过暖风机9送风升温，依靠水分蒸发自上而下地实现，增湿和脱湿过程皆与实际地铁隧道的地基土的情况一致。

量测系统包括应变片4-2、土压力盒5-5、微型孔隙水压力传感器5-4、示踪土带5-6、温度传感器5-1和含水量传感器5-2，在隧道模型体4管壁上贴有应变片4-2，能得到相应位置的隧道模型体4内力变化情况。在隧道模型体4下方分别铺设土压力盒5-5和微型孔隙水压力传感器5-4，以监测试验中地基土不同位置处应力的变化和孔压变化。优选地，土压力盒5-5的型号为HCYB-16，微型孔隙水压力传感头5-4的型号为HC-25。应变片4-2和土压力盒5-5均采用无线方式采集信息，以减少常规采集系统的线缆对隧道模型体4地基土的干扰。示踪土带5-6由下至上分层铺设在地基土中，示踪土带5-6的作用在于观察土体的变形。在试验过程中对膨胀土含水率的监测和对干湿循环幅度的控制由型号为HC-5的温度传感器5-1和型号为EC-5的含水量传感器5-2完成，温度传感器5-1和含水量传感器5-2呈直杆状，且分别由上至下插入地基土内，能测得地基土整个深度剖面上的温度和含水量变化过程。借助量测系统，将获取的地基土内含水量和干湿循环变化、隧道模型体4的应力应变和沉降、以及地基土地应力和位移等全方位的基础试验数据。

一种模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模型箱的试验方法，包括如下步骤：

(1)制备均匀的地基土，分层填入模拟箱体8内；

(2)在设定深度处埋入隧道模型体4，继续填入地基土，通过液压千斤顶2对加载板1施压，使模拟箱体8内的地基土压缩固结；

(3)步骤(2)的地基土变形稳定后，再通过液压千斤顶2施加模拟地铁运营的荷载，通过控制暖风机9、降雨模拟设备3和供水管网5-3，实现模拟膨胀模拟箱体8内地基土的干湿循环；

(4)通过应变片4-2、土压力盒5-5、微型孔隙水压力传感器5-4、示踪土带5-6、温度传感器5-1和含水量传感器5-2获得隧道模型体4的应力应变和沉降、地基土内含水量和干湿循环变化、以及地基土应力和位移等全方位的基础试验数据。

本实施例的隧道模型沉降模拟箱既适用于盾构模型，也适用于沉管模型。可真实模拟隧道模型体4上方覆盖地基土的压力、地铁运营荷载、膨胀土干湿循环等作用下隧道的长期沉降，具有一定的科研价值。

对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的条件下，所做出的改进，均应视为在本发明的保护范围内。