CN102435458A - 一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置及其加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置及其加载方法。本发明对非圆形断面隧道结构水压试验提供方便且精确的研究并解决结构受水压作用下的力学特征问题。整体结构呈T型布置，上部为左、中、右三个框体，下部为下框体，左、右框体的空间内布置力传感器，力传感器上方设置微调螺杆。环箍钢绞线经横轴上导向滑轮和左/右框体翼板的定位孔与力传感器连结；下框体的底板开有底板凹槽，下框体内品字形布置加载中轴、向上导向侧轴和向下导向侧轴，加载中轴设置在中框体翼板凹槽和下框体底板凹槽的滑动槽中，各轴上均设有定位导向滑轮其位置可以前后调节。主要用于隧道结构试验。

Description

一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置及其加载方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，特别涉及非圆形断面隧道模型试验技术领域。

背景技术

富水山岭隧道及水下隧道的衬砌主体结构多处于高水压作用下，其承受的水压呈顶部小底部大的非均匀分布。在施工和运营期间，隧道结构承受的水压变化非常大，加之目前隧道断面呈现大型化的发展趋势，隧道结构在施工期和运营期承受的非均匀水压产生的影响不可忽略。通过模拟实际上小下大的非均匀水压对隧道结构的作用和影响，能够对高水压隧道以及水下隧道结构的设计和施工给出科学可靠的试验依据，以保证隧道的建设和营运安全。

目前，有针对圆形断面盾构隧道的水压原型试验方法，该方法采用环箍加载方式，在原型管片结构前、后环箍梁上施加环箍张拉力，从而对隧道结构产生径向接触压力，是一种根据力学等效原理较为合理的模拟实际水压的试验方法。但由于锚索与管片间设置有较大的锚具，使得锚索与管片不能紧密接触，无法准确施加全周荷载，且锚具对结构的反力也严重影响结构的力学特征精度，另外，由于原型试验体积大，施加的环箍张拉力很大，操作困难，精度不高。

采用大比尺的隧道结构模型试验可以较为方便且精确的研究结构受水压作用下的力学特征，但目前尚无有效方法对非圆形断面隧道结构施加顶部小底部大全周密闭水压，这是当前高水压隧道以及水下隧道设计与建设中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置，该装置能对非圆形断面隧道模型试验的全周密闭模拟水压加载装置，可以为非圆形隧道结构模型试验提供一种实际水压的等效模拟方法，且能对隧道结构施加顶部小底部大全周密闭的非均匀模拟水压，能较真实地模拟水压对隧道结构的作用和影响，从而对高水压隧道以及水下隧道结构的设计和施工给出更科学可靠的试验依据，以保证隧道的建设和营运安全。配合土层复合体模拟试验装置，可以研究衬砌主体结构在不同水压和埋深条件下与周围土体和水体的相互作用关系、受力特征及破坏形式。

本发明为实现其第一个发明目的，所采用的技术方案是：一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置，其特征在于：

整体结构呈T型布置，上部为左、中、右三个框体，下部为下框体；左、右框体的空间内布置力传感器，力传感器上方设置微调螺杆；中框体的翼板的一侧开有翼板凹槽；

左、右框体的翼板上布置定位孔，左、右框体的翼板上的定位孔下方对应前后布置成对的悬臂立柱，左、右框体下方的各对悬臂立柱在左右的横向上呈“八”字阶梯状；每对悬臂立柱之间设有横轴，横轴上套有导向滑轮，环箍钢绞线经导向滑轮、左/右框体的翼板的定位孔与力传感器连结；

下框体的底板开有底板凹槽，下框体内品字形的布置加载中轴、向上导向侧轴和向下导向侧轴，向上导向侧轴和向下导向侧轴分别由向上导向侧轴孔、向下导向侧轴孔固定，加载中轴的两端分别插入翼板凹槽和底板凹槽上的滑动槽中；各轴上均设有定位导向滑轮；下框体的两侧板上设有侧定位孔。

上述的左、右框体的翼板下方开有悬臂立柱孔，通过螺纹连结悬臂立柱。

本发明实现其第二个发明目的，所采用的技术方案是：使用上述的模拟水压加载装置，在隧道结构试验时进行模拟水压加载的方法，由以下步骤组成：

A、试验准备：隧道结构模型按照几何相似比1∶10-50的比例尺制作，模型材料按照容重相似比1∶1配制，隧道结构模型的纵向深度须超过或等于模拟水压加载装置的高度，在隧道结构模型的内、外表面上对称布设环向分布的测试元件，在隧道结构模型外侧环箍钢绞线的位置粘贴减阻贴片，并涂抹润滑油；

B、安装模拟水压加载装置：将模拟水压加载装置设置于隧道结构模型墙角两侧，水压加载装置的翼板凹槽和底板凹槽抵住隧道结构模型，隧道结构模型上部环向布置环箍钢绞线，其位置由向下导向侧轴上的定位导向滑轮确定，环箍钢绞线绕过加载中轴，并被加载中轴抵住贴紧隧道结构模型，两端头绕过向下导向侧轴从侧板上的侧定位孔穿出，然后绕过横轴上的导向滑轮从翼板的定位孔穿过，锚固于上框体上的力传感器上；环向布置模型结构下部也布置环箍钢绞线，其位置由向上导向侧轴上的定位导向滑轮确定，环箍钢绞线绕过加载中轴，与上部的环箍钢绞线错开，并被加载中轴抵住贴紧隧道结构模型，两端头绕过向上导向侧轴从下框体侧板上的侧定位孔穿出，然后绕过横轴上的导向滑轮从翼板的定位孔穿过，锚固于上框体上的力传感器上；

C、测试仪器的布置：将模拟水压加载装置和隧道结构模型的组合体固定住，在隧道结构模型内部布置其他测试元件，将力传感器、测试元件以及其他测试元件与计算机相连；

D、测试：使用力传感器微调螺杆精确调节环箍力的大小，将环箍钢绞线拉紧，对隧道结构模型施以径向压力，同时利用测试元件对加载的载荷量引起隧道结构的力学响应进行测试，并将测试结果输入计算机进行分析。

上述的加载中轴的位置可以通过加载中轴的滑动槽前后调节，适用于不同的结构模型试验，通过合理调节加载中轴的位置，使环箍钢绞线能够紧密的贴近隧道结构模型，确保隧道结构模型全周都能受到准确可控的径向压力；向上导向侧轴、向下导向侧轴和横轴将环箍钢绞线引到模拟水压加载装置的上方，与力传感器相连接，便于力的施加与控制。

上述的上部圆弧环箍钢绞线根数与下部圆弧环箍钢绞线根数不同，通过匹配与之数目相同的定位导向滑轮和定位孔，合理分配顶部小底部大的水压力，且使环箍钢绞线布置的时候相互错开，避免相交产生的误差。

本发明的隧道结构试验用模拟水压加载装置及其加载方法的原理是：

采用大比尺相似模型试验手段，操作方便且结果精确，适合用于规律性试验研究。当隧道处于高水压作用下，水头高度越大，隧道高度与水头高度的比值越小，隧道不同位置承受的水压受隧道高度的影响就越小，因此隧道结构全周承受的非均匀水压的差值很小。考虑到非圆形结构断面的上部(拱顶+边墙)、下部(仰拱)两段圆弧占整个断面的绝大部分，可以把此非均匀水压分成上小下大的两部分均匀荷载，分别作用于上下两段圆弧上。通过合理确定上下两部均匀荷载的大小，等效模拟顶部小底部大的非均匀实际水压作用，使得结构的受力和变形与在实际水压作用下相同。

采用环箍加载方式，在隧道结构上下圆弧段设置环箍钢绞线施加张拉力，可以在隧道结构上产生径向均匀接触压力。模拟水压加载装置中设置加载中轴，能抵住墙角位置的环箍钢绞线使其紧贴于隧道结构，保证环箍钢绞线与隧道结构紧密全周接触，实现全周密闭加载。本发明能够模拟非圆形断面隧道结构受上小下大的水压，能对非圆形断面隧道结构施加全周密闭的上下两部均匀荷载，准确得出衬砌结构全周的力学响应、受力特征、破坏形式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明能实现对非圆形隧道结构顶部小底部大的非均匀水压的等效模拟，较真实地测出环境水压对隧道结构的作用和影响，且采用大比尺相似模型试验的手段，可以较为方便且准确的研究隧道结构的力学参数和性能，从而对高水压隧道以及水下隧道结构的设计和施工给出更科学可靠的试验依据，以保证隧道的建设和营运安全。

2、本发明对隧道结构上下部环箍时，不采用传统的锚具固定环箍钢绞线，避免因为锚具的厚度使环箍钢绞线与结构模型之间产生距离，从而不能施加全周密闭荷载。本发明在模拟水压加载装置中设置加载中轴，该结构能抵住环箍钢绞线使其紧贴于隧道结构模型，保证环箍钢绞线与隧道结构模型紧密全周接触，实现全周密闭加载，可以准确的得到隧道结构在水压条件下全周的力学特征。

3、本发明可以配合土层复合体模拟试验装置，可以同时研究衬砌主体结构在不同水压和埋深条件下与周围土体和水体的相互作用关系、受力特征及破坏形式。而且环箍钢绞线通过向上导向侧轴、向下导向侧轴和横轴引至装置上方，便于力的加载与控制。

上述的加载中轴的位置可以通过加载中轴滑动槽前后调节，适用于不同的结构模型试验，通过合理调节加载中轴的位置，使环箍钢绞线能够紧密的贴近隧道结构模型，确保结构模型全周都能受到准确可控的径向压力。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例装置的立体结构示意图；

图2是本发明实施例装置的正视结构示意图；

图3是图1的A-A剖视图；

图4是本发明实施例装置的翼板仰视图；

图5是图4的B-B剖视图；

图6是用本发明实施例的装置进行试验时的示意图(图中以箭头表示力传感器)。

图7是环箍钢绞线箍拉力与隧道结构模型受均匀荷载的关系图。

具体实施方式

实施例

图1-5示出，本发明的一种具体实施方式为：一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置，其特征在于：

整体结构呈T型布置，上部为左、中、右三个框体，下部为下框体；左、右框体的空间内布置力传感器9，力传感器9上方设置微调螺杆；中框体的翼板的一侧开有翼板凹槽10；

左、右框体的翼板上布置定位孔7，左、右框体的翼板上的定位孔7下方对应前后布置成对的悬臂立柱8，左、右框体下方的各对悬臂立柱8在左右的横向上呈“八”字阶梯状；每对悬臂立柱8之间设有横轴4，横轴4上套有导向滑轮5，环箍钢绞线12经导向滑轮5、左/右框体的翼板的定位孔7与力传感器9连结；

下框体的底板开有底板凹槽11，下框体内品字形的布置加载中轴1、向上导向侧轴2和向下导向侧轴3，向上导向侧轴2和向下导向侧轴3分别由向上导向侧轴孔14、向下导向侧轴孔15固定，加载中轴1的两端分别插入翼板凹槽10和底板凹槽11上的滑动槽13A、13B中；各轴上均设有定位导向滑轮6；下框体的两侧板上设有侧定位孔7A、7B。

本例的左、右框体的翼板下方开有悬臂立柱孔16，通过螺纹连结悬臂立柱8。

图6-7及图1-5示出，使用上述的模拟水压加载装置，在隧道结构试验时进行模拟水压加载的方法，由以下步骤组成：

A、试验准备：隧道结构模型17按照几何相似比1∶10-50的比例尺制作，模型材料按照容重相似比1∶1配制，隧道结构模型17的纵向深度须超过或等于模拟水压加载装置的高度，在隧道结构模型17的内、外表面上对称布设环向分布的测试元件18，在隧道结构模型外侧环箍钢绞线12的位置粘贴减阻贴片，并涂抹润滑油；

B、安装模拟水压加载装置：将模拟水压加载装置设置于隧道结构模型17墙角两侧，水压加载装置的翼板凹槽10和底板凹槽11抵住隧道结构模型17，隧道结构模型17上部环向布置环箍钢绞线12，其位置由向下导向侧轴3上的定位导向滑轮6确定，环箍钢绞线12绕过加载中轴1，并被加载中轴1抵住贴紧隧道结构模型17，两端头绕过向下导向侧轴3从侧板上的侧定位孔7A穿出，然后绕过横轴4上的导向滑轮5从翼板的定位孔7穿过，锚固于上框体上的力传感器9上；环向布置模型结构下部也布置环箍钢绞线12，其位置由向上导向侧轴2上的定位导向滑轮6确定，环箍钢绞线绕过加载中轴1，与上部的环箍钢绞线错开，并被加载中轴1抵住贴紧隧道结构模型17，两端头绕过向上导向侧轴2从下框体侧板上的侧定位孔7B穿出，然后绕过横轴4上的导向滑轮5从翼板的定位孔7穿过，锚固于上框体上的力传感器9上；

C、测试仪器的布置：将模拟水压加载装置和隧道结构模型17的组合体固定住，在隧道结构模型17内部布置其他测试元件，将力传感器9、测试元件18以及其他测试元件与计算机相连；

D、测试：使用力传感器微调螺杆精确调节环箍力的大小，将环箍钢绞线12拉紧，对隧道结构模型17施以径向压力，同时利用测试元件18对加载的载荷量引起隧道结构的力学响应进行测试，并将测试结果输入计算机进行分析。

本例中，加载中轴1的位置可以通过加载中轴1的滑动槽13A、13B前后调节，适用于不同的结构模型试验，通过合理调节加载中轴1的位置，使环箍钢绞线12能够紧密的贴近隧道结构模型17，确保隧道结构模型17全周都能受到准确可控的径向压力；向上导向侧轴2、向下导向侧轴3和横轴4将环箍钢绞线12引到模拟水压加载装置的上方，与力传感器9相连接，便于力的施加与控制。

本例中，上部圆弧环箍钢绞线12根数与下部圆弧环箍钢绞线12根数不同，通过匹配与之数目相同的定位导向滑轮6和定位孔7A、7B，合理分配顶部小底部大的水压力，且使环箍钢绞线12布置的时候相互错开，避免相交产生的误差。

试验时环箍力的确定：

根据结构力学分析计算得出，环箍钢绞线12与隧道结构外表面的径向接触压力关系。

取需要施加均匀径向水压的圆弧段，几何关系如图7所示，设衬砌外半径为R，纵向宽度为B，作用在结构表面上的平均压应力为q，张拉的钢绞线数目为n，沿纵向平均分配到衬砌上，单根钢绞线箍力为F，根据力的平衡关系有：

$2n{F}_y=B{\∫}_{a1}^{a2}\mathrm{qR}\sin \mathrm{\θd\θ}---\left(1\right)$

积分后，推导得：

$F_y=-\frac{2}{2n}\mathrm{BqR}\cos \mathrm{\θ}{|}_{a1}^{a2}---\left(2\right)$

又有：

q＝γ_wH                  (3)

得到环箍力与水头高度的关系式：

$F_y=-\frac{1}{2n}B{\mathrm{\γ}}_w\mathrm{HR}\cos \mathrm{\θ}{|}_{a1}^{a2}---\left(4\right)$

得：

F＝F_y/cosa1             (5)

因为对非均匀断面采取上下部环箍的方式，计算上下部钢绞线环箍力时取值不同，上部环箍力计算半径为上段圆弧半径，下部环箍力计算半径为下段圆弧半径，而因为上部弧度较大，其平均压应力q取值按照边墙水位高度计算为宜，下部弧度很小，其平均压应力q取值按照仰拱水位高度计算。经数值模拟验证，可以满足误差条件，精确的模拟上小下大的实际非均匀水压的作用。

Claims (5)

1.一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置，其特征在于：

整体结构呈T型布置，上部为左、中、右三个框体，下部为下框体；左、右框体的空间内布置力传感器(9)，力传感器(9)上方设置微调螺杆；中框体的翼板的一侧开有翼板凹槽(10)；

左、右框体的翼板上布置定位孔(7)，左、右框体的翼板上的定位孔(7)下方对应前后布置成对的悬臂立柱(8)，左、右框体下方的各对悬臂立柱(8)在左右的横向上呈“八”字阶梯状；每对悬臂立柱(8)之间设有横轴(4)，横轴(4)上套有导向滑轮(5)，环箍钢绞线(12)经导向滑轮(5)、左/右框体的翼板的定位孔(7)与力传感器(9)连结；

下框体的底板开有底板凹槽(11)，下框体内品字形的布置加载中轴(1)、向上导向侧轴(2)和向下导向侧轴(3)，向上导向侧轴(2)和向下导向侧轴(3)分别由向上导向侧轴孔(14)、向下导向侧轴孔(15)固定，加载中轴(1)的两端分别插入翼板凹槽(10)和底板凹槽(11)上的滑动槽(13A、13B)中；各轴上均设有定位导向滑轮(6)；下框体的两侧板上设有侧定位孔(7A、7B)。

2.根据权利要求1所述的一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置，其特征在于：左、右框体的翼板下方开有悬臂立柱孔(16)，通过螺纹连结悬臂立柱(8)。

3.一种使用权利要求1所述的模拟水压加载装置，在隧道结构试验时进行模拟水压加载的方法，其特征在于：

A、试验准备：隧道结构模型(17)按照几何相似比1∶10-50的比例尺制作，模型材料按照容重相似比1∶1配制，隧道结构模型(17)的纵向深度须超过或等于模拟水压加载装置的高度，在隧道结构模型(17)的内、外表面上对称布设环向分布的测试元件(18)，在隧道结构模型外侧环箍钢绞线(12)的位置粘贴减阻贴片，并涂抹润滑油；

B、安装模拟水压加载装置：将模拟水压加载装置设置于隧道结构模型(17)墙角两侧，水压加载装置的翼板凹槽(10)和底板凹槽(11)抵住隧道结构模型(17)，隧道结构模型(17)上部环向布置环箍钢绞线(12)，其位置由向下导向侧轴(3)上的定位导向滑轮(6)确定，环箍钢绞线(12)绕过加载中轴(1)，并被加载中轴(1)抵住贴紧隧道结构模型(17)，两端头绕过向下导向侧轴(3)从侧板上的侧定位孔(7A)穿出，然后绕过横轴(4)上的导向滑轮(5)从翼板的定位孔(7)穿过，锚固于上框体上的力传感器(9)上；环向布置模型结构下部也布置环箍钢绞线(12)，其位置由向上导向侧轴(2)上的定位导向滑轮(6)确定，环箍钢绞线绕过加载中轴(1)，与上部的环箍钢绞线错开，并被加载中轴(1)抵住贴紧隧道结构模型(17)，两端头绕过向上导向侧轴(2)从下框体侧板上的侧定位孔(7B)穿出，然后绕过横轴(4)上的导向滑轮(5)从翼板的定位孔(7)穿过，锚固于上框体上的力传感器(9)上；

C、测试仪器的布置：将模拟水压加载装置和隧道结构模型(17)的组合体固定住，在隧道结构模型(17)内部布置其他测试元件，将力传感器(9)、测试元件(18)以及其他测试元件与计算机相连；

D、测试：使用力传感器微调螺杆精确调节环箍力的大小，将环箍钢绞线(12)拉紧，对隧道结构模型(17)施以径向压力，同时利用测试元件(18)对加载的载荷量引起隧道结构的力学响应进行测试，并将测试结果输入计算机进行分析。

4.根据权利要求3所述的一种用于隧道结构试验的模拟水压加载方法，其特征在于：加载中轴(1)的位置可以通过加载中轴(1)的滑动槽(13A、13B)前后调节，适用于不同的结构模型试验，通过合理调节加载中轴(1)的位置，使环箍钢绞线(12)能够紧密的贴近隧道结构模型(17)，确保隧道结构模型(17)全周都能受到准确可控的径向压力；向上导向侧轴(2)、向下导向侧轴(3)和横轴(4)将环箍钢绞线(12)引到模拟水压加载装置的上方，与力传感器(9)相连接，便于力的施加与控制。

5.根据权利要求3所述的一种用于隧道结构试验的模拟水压加载方法，其特征在于：上部圆弧环箍钢绞线(12)根数与下部圆弧环箍钢绞线(12)根数不同，通过匹配与之数目相同的定位导向滑轮(6)和侧定位孔(7A、7B)，合理分配顶部小底部大的水压力，且使环箍钢绞线(12)布置的时候相互错开，避免相交产生的误差。

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