一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置及方法，试验装置包括模型箱系统、与模型箱系统相连通的补水系统及温控系统、设于模型箱系统内的路基模拟系统及地铁隧道模型，以及设于模型箱系统外的CT测量系统；试验方法包括：1)制备透明土；2)在透明模型箱底部及侧壁铺设透水石，分层布设透明土，并设置地铁隧道模型；3)固定并密闭透明模型箱；4)分别连通透明模型箱与低温恒温槽以及透水石与供水机构；5)设定试验条件；6)开始试验，收集数据并整理。与现有技术相比，本发明专利技术采用透明土模拟天然土体并结合CT技术进行检测，实现对试验结果的定性分析与定量分析，并获得不同温度变化下地铁隧道沉降规律。

A visual test device and method for the influence of temperature change on subway tunnel

【技术实现步骤摘要】
一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置及方法
本专利技术属于可视化模型试验
，涉及一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置及方法。
技术介绍
随着社会经济的迅速发展，我国的城市化进程不断推进，城市内人口数量剧增，给交通带来了巨大压力。城市地下空间地铁建设成为了解决交通拥堵的重要途径，经过国内外众多学者的研究，地下空间开发技术不断完善，地铁建设技术日渐成熟。然而现今的研究中，多采用有限元软件进行数值模拟和实际工程监测，由于土体内部的复杂性，有限元软件很难进行准确的模拟，实际工程监测多用于地铁建设后的数据监测，施工前无法对地铁安全建设、运营情况进行准确评估，且实际工程监测耗费高、时间长。因此，提出一种既经济又能较准确评估地铁安全建设和运营的技术方案是十分必要的。室内模型试验因费用低、周期短和试验数据较准确等优点，被大量研究工作者广泛使用。透明土的基本原理是利用透明颗粒材料和具有相同折射率的孔隙液体混合，通过某种方法排除空气得到透明的饱和土，该土体与天然土体具有相似的岩土工程性质。利用激光器可以在透明土中形成散斑场，可以用工业相机拍出高精度的图片。现今透明土技术多用于模拟边坡滑动、打桩施工过程和岩土性质试验，还未发现其运用于温度变化影响地铁安全运营的相关研究。透明土技术所拍摄的照片可以较准确的定性分析实验结果，但因数据提取误差及其他原因很难对实验结果进行定量分析，使用CT(电子计算机断层扫描)机扫描则可很好地弥补此类缺陷，实现对试验结果的定性分析与定量分析。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置及方法，通过本专利技术可以较准确模拟实际工程工况，并得到温度变化下地铁隧道的沉降规律。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置，包括模型箱系统、与模型箱系统内部相连通的补水系统及温控系统、设于模型箱系统内的路基模拟系统及地铁隧道模型，以及设于模型箱系统外部的CT测量系统。进一步地，所述的模型箱系统包括透明模型箱；所述的补水系统包括分别设于透明模型箱内部底面及内侧壁上的底端透水石及侧面透水石，以及设于透明模型箱外部并分别与底端透水石及侧面透水石相连通的供水机构；补水系统是为了补充水分，在现实中天然土体是具有一定含水率的土体，温度变化对土体中水的膨胀收缩影响很大，为减小试验误差添加补水系统。所述的温控系统包括与透明模型箱内部相连通的低温恒温槽、分别设于透明模型箱内并与低温恒温槽电连接的温度传感器及气压传感器，以及套设于透明模型箱外的隔热层；所述的路基模拟系统为设于透明模型箱内的透明土体，并且所述的地铁隧道模型位于透明土体上或透明土体内；所述的CT测量系统包括相对设置在模型箱系统外部的X射线发射器及X射线接收器，以及分别与X射线发射器及X射线接收器电连接的计算机。本专利技术装置为用于模拟获得设定温度变化下地铁隧道沉降规律的可视化试验装置，其中，透明模型箱与透明土体为模型的可视化检测提供可能，低温恒温槽内部设有制冷装置、循环泵以及数据采集仪与控制器，通过制冷装置与循环泵将低温恒温槽内的空气与透明模型箱内空气进行制冷循环，并通过温度传感器进行检测并反馈至数据采集仪与控制器，使透明模型箱内温度及温度变化达到相应设定值，同时，通过CT测量系统对模型的沉降情况进行检测，之后，通过计算机对X射线接收器采集到的图像进行定量化重建分析，以获得温度变化下地铁隧道沉降规律。所述的气压传感器用于监测透明模型箱内的气压，以便平衡箱体内外气压。所述的隔热层主要由隔热棉制成，用于隔绝保持透明模型箱的低温状态。所述的底端透水石及侧面透水石均由透水石制成，透水石内部设有孔隙，形成供水流通过的通道，使得水流均匀分散于透明土体内。所述的透明土体由透明土制成，透明土作为一种人工合成的透明土体，与天然土体具有相似的岩土工程性质，常用于研究土体内部位移场和渗透场等问题的可视化模型试验。进一步地，所述的模型箱系统还包括开设于透明模型箱顶部并分别与温控系统相连通的进气孔与出气孔、开设于透明模型箱侧壁并分别与侧面透水石及供水机构相连通的侧面补水口，以及开设于透明模型箱侧壁并分别与底端透水石及供水机构相连通的底端补水口。所述的透明模型箱内部通过进气孔及出气孔与低温恒温槽循环连通，所述的侧面透水石及底端透水石分别通过侧面补水口及底端补水口与供水机构相连通。进一步地，所述的透明模型箱为多块透明有机玻璃板围成的密闭矩形箱，该密闭矩形箱的侧壁之间，以及侧壁与底部之间均通过强力胶固定连接，顶面与侧壁之间通过螺栓固定连接。通过螺栓连接顶面有机玻璃板与侧壁有机玻璃板，便于透明模型箱内各个部件的布置与更换。进一步地，所述的供水机构包括分别设于模型箱系统外部的侧面补水箱与底端补水箱、分别设于侧面补水箱与侧面补水口之间以及底端补水箱与底端补水口之间的导水管，以及设于导水管上的止水夹。所述的底端补水箱依次通过导水管、底端补水口与底端透水石相连通，所述的侧面补水箱依次通过导水管、侧面补水口与侧面透水石相连通。进一步地，所述的温控系统还包括设于低温恒温槽上的循环出口及循环入口、分别设于循环出口与进气孔之间以及循环入口与出气孔之间的硅橡胶管，以及设于硅橡胶管上的开关。所述的低温恒温槽依次通过循环出口、硅橡胶管、进气孔以及出气孔、硅橡胶管、循环入口与透明模型箱循环连通。所述的低温恒温槽内的制冷介质为乙醇或水中的一种。所述的制冷介质优选乙醇，具体为工业酒精，若透明模型箱内的温度变化范围为5-40℃，则可用蒸馏水替代工业酒精。进一步地，所述的透明模型箱内部设有多个温度传感器，所述的多个温度传感器分别设于透明土体上方以及透明土体内，分别用于检测透明模型箱内空气及透明土体的温度。一种如上所述的温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置的试验方法，包括以下步骤：1)制备透明土；2)试样填入：打开透明模型箱的顶面有机玻璃板，并在透明模型箱内部底面及侧面涂抹凡士林，在底部放置底端透水石，在侧壁放置侧面透水石，分层布设透明土，得到透明土体，并在设计位置放置地铁隧道模型、温度传感器及气压传感器；3)试样填筑完毕后，闭合顶面有机玻璃板并通过螺栓固定，使透明模型箱固定并密闭，再将隔热层包裹于透明模型箱外，保留进气孔、出气孔、侧面补水口及底端补水口，之后将侧面补水箱与底端补水箱置于设定高度处；4)仪器连接：将循环出口与进气孔以及循环入口与出气孔分别通过相应的硅橡胶管相连通，使透明模型箱的顶部与低温恒温槽循环连通，再将底端补水箱与底端补水口以及侧面补水箱与侧面补水口分别通过相应的导水管相连通，使底端透水石及侧面透水石分别与供水机构相连通，之后将温度传感器及气压传感器分别与低温恒温槽电连接；5)试验条件设定：设置低温恒温槽内的试验温度范围、温度变化速率、温度气压数据采集频率，以及CT扫描频率；6)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置，其特征在于，该装置包括模型箱系统、与模型箱系统内部相连通的补水系统及温控系统、设于模型箱系统内的路基模拟系统及地铁隧道模型(20)，以及设于模型箱系统外部的CT测量系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置，其特征在于，该装置包括模型箱系统、与模型箱系统内部相连通的补水系统及温控系统、设于模型箱系统内的路基模拟系统及地铁隧道模型(20)，以及设于模型箱系统外部的CT测量系统。


2.根据权利要求1所述的一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置，其特征在于，
所述的模型箱系统包括透明模型箱(1)；
所述的补水系统包括分别设于透明模型箱(1)内部底面及内侧壁上的底端透水石(17)及侧面透水石(25)，以及设于透明模型箱(1)外部并分别与底端透水石(17)及侧面透水石(25)相连通的供水机构；
所述的温控系统包括与透明模型箱(1)内部相连通的低温恒温槽(6)、分别设于透明模型箱(1)内并与低温恒温槽(6)电连接的温度传感器(7)及气压传感器(8)，以及套设于透明模型箱(1)外的隔热层(13)；
所述的路基模拟系统为设于透明模型箱(1)内的透明土体(18)，并且所述的地铁隧道模型(20)位于透明土体(18)上或透明土体(18)内；
所述的CT测量系统包括相对设置在模型箱系统外部的X射线发射器(21)及X射线接收器(22)，以及分别与X射线发射器(21)及X射线接收器(22)电连接的计算机(23)。


3.根据权利要求2所述的一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置，其特征在于，所述的模型箱系统还包括开设于透明模型箱(1)顶部并分别与温控系统相连通的进气孔(2)与出气孔(3)、开设于透明模型箱(1)侧壁并分别与侧面透水石(25)及供水机构相连通的侧面补水口(4)，以及开设于透明模型箱(1)侧壁并分别与底端透水石(17)及供水机构相连通的底端补水口(5)。


4.根据权利要求3所述的一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置，其特征在于，所述的透明模型箱(1)为多块透明有机玻璃板围成的密闭矩形箱，该密闭矩形箱的侧壁之间，以及侧壁与底部之间均通过强力胶固定连接，顶面与侧壁之间通过螺栓(19)固定连接。


5.根据权利要求3所述的一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置，其特征在于，所述的供水机构包括分别设于模型箱系统外部的侧面补水箱(14)与底端补水箱(24)、分别设于侧面补水箱(14)与侧面补水口(4)之间以及底端补水箱(24)与底端补水口(5)之间的导水管(15)，以及设于导水管(15)上的止水夹(16)。


6.根据权利要求3所述的一种温度变化对地铁隧道影响的可视化试验装置，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王长丹，陈凯祥，周顺华，王炳龙，李柱雄，散骞骞，周伟，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31