CN103956109B - 一种衬砌结构接头刚度可变的隧道模型试验方法 - Google Patents

Abstract

一种衬砌结构接头刚度可变的隧道模型试验方法，其作法是：A、模型的制作用石膏制作出盾构隧道模型(1)，并在盾构隧道模型(1)的外周面上形成模拟管片接头初始刚度的凹槽(2)；B、在凹槽(2)的两侧布置应变片(3)或位移计；C、对盾构隧道模型逐级加载；根据每一阶段的荷载不同计算出相应的凹槽深度，采用标注刻蚀位置并向凹槽(2)内注射石膏溶解剂的方法使每一阶段的凹槽(2)深度等于其计算值。该方法在隧道模型试验过程中衬砌结构接头的刚度会随荷载的变化而相应变化，更加符合实际工程中隧道接头的力学行为，从而其试验测试数据更准确、可靠，能为隧道工程的设计、施工与维护提供准确、可靠的试验依据。

Description

一种衬砌结构接头刚度可变的隧道模型试验方法

技术领域

本发明涉及一种衬砌结构接头刚度可变的隧道模型试验方法

背景技术

隧道工程中，实际工程和结构的原型一般尺寸较大且较为复杂，其力学性能和受力机理往往无法通过对结构直接进行研究而获得。而必须采用模型试验，即：借助于模型，根据相似原理和相似准则进行试验，从而得到结构的各项数据和性能，为隧道的设计和施工提供试验依据。隧道结构在施工中由于构造以及施工技术等原因存在接头，隧道接头的连接方式有多种，通常采用的有螺栓接头、无连接件接头、插入式接头、销插式接头以及一些其他的连接形式。由于其结构特点，接头在整个结构中的作用至关重要，不管是从宏观的计算模型，或者是结构接头的微观构造，接头处的结构形态、变形和应力状态等均具有典型的非线性特征。而接头处的刚度等力学性能变化，会对接头处的接触关系、结构整体的荷载，产生重要影响，特别是当荷载达到结构失稳临界状态时，对隧道结构整体受力状态和变形具有非常大的影响。因此，在试验时，应该考虑这些力学性能的变化，以真实反映实际工作情况。

目前隧道模型试验中模拟接头刚度的方法有两类：

第一类方法是对由聚乙烯管(PE管)等合成材料制作的模型，经过相似比计算后用螺丝+薄塑料片(PE片)进行模拟。该方法中采用的材料与混凝土力学性能差异较大，采用螺丝将接头PE片固定的方法不是实际接头的连接方式，螺丝孔也削弱了整体结构的刚度，引起应力集中，其接头的布置方式虽然可以调整，但是其受力机理不同，也不能真实反映接头的力学性能。

第二类方法是对由石膏等胶凝材料制作的模型，采用在隧道衬砌结构受拉区削弱截面的方式，通过计算确定对应于特定荷载工况各接头所需的开口深度，在试验前进行相应深度的割槽。但由于割槽的深度不能在试验中随荷载等因素变化，因此不能真实反映隧道接头在隧道开挖和运营过程中力学特性的变化。

而实际工程中的隧道接头的刚度是随着荷载等外部环境的变化而改变的，因此，以上方法中对于接头刚度的模拟，只能针对隧道接头特定的一种受力状态，其实验的刚度等力学性能在试验过程中不能随荷载等其他因素改变，与实际工程中隧道接头的力学行为不符，导致这些模型试验方法的试验结果的误差大，可靠性低，不能为隧道工程的设计、施工与维护提供准确、可靠的试验依据。同时由于接头刚度固定，现有方法也不能够研究接头刚度对隧道结构整体的变形和受力状态的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种衬砌结构接头刚度可变的隧道模型试验方法，该方法在隧道模型试验过程中衬砌结构接头的刚度会随荷载的变化而相应变化，更加符合实际工程中隧道接头的力学行为，从而其试验测试数据更准确、可靠，能为隧道工程的设计、施工与维护提供准确、可靠的试验依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种衬砌结构接头刚度可变的隧道模型试验方法，其作法是：

A、模型的制作用石膏制作出盾构隧道模型，并在盾构隧道模型的外周面上形成模拟管片接头初始刚度的凹槽；

B、测试仪器布置在凹槽的两侧布置应变片或位移计；

C、加载试验

对盾构隧道模型逐级加载；每级加载后根据加载的荷载和应变片或位移计测得到的应变值或位移量，计算出凹槽处的内力，得到该阶段对应的接头刚度的凹槽深度D_n，n＝1,2,3,...N，n为逐级加载的级数；根据该凹槽深度D_n在凹槽端部的深度延伸线上标注出该段溶蚀位置；再向凹槽内注射石膏溶解剂以溶解凹槽底部的石膏，使凹槽的深度延长至标注的溶蚀位置、凹槽的深度等于该阶段对应的接头刚度的凹槽深度D_n，；然后进行下一级的加载，直至加载完设定的级数或盾构隧道模型破坏。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、将现有试验中隧道结构接头刚度固定不变改为随荷载变化而相应变化，即根据每一阶段的荷载不同计算出相应的凹槽深度，通过将凹槽深度改变成计算值，而模拟出每一阶段的接头刚度。从而更加准确真实地模拟出隧道衬砌结构接头刚度在实际工程中的非线性变化，更加符合实际工程中隧道接头的力学行为，从而其试验测试数据更准确、可靠，能为隧道工程的设计、施工与维护提供准确、可靠的试验依据。

二、本发明方法可通过等效计算结果，对接头的刚度进行定量控制，从而既可以通过实验得到接头在不同外部条件下的力学行为和破坏形态，也可以通过实验得到在相应接头刚度条件下，整个隧道结构在不同外部条件下的力学行为和破坏形态，方便研究隧道结构接头刚度对整体结构的变形和受力状态的影响。

附图说明

图1是本发明实施例方法中使用的隧道模型接头处的示意图。

图2是衬砌结构接头等效梁结构计算简图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式为，一种衬砌结构接头刚度可变的隧道模型试验方法，其作法是：

A、模型的制作用石膏制作出盾构隧道模型1，并在盾构隧道模型1的外周面上形成模拟管片接头初始刚度的凹槽2；

B、测试仪器布置在凹槽2的两侧布置应变片3或位移计；

C、加载试验

对盾构隧道模型逐级加载；每级加载后根据加载的荷载和应变片3或位移计测得到的应变值或位移量，计算出凹槽2处的内力，得到该阶段对应的接头刚度的凹槽深度D_n，n＝1,2,3,...N，n为逐级加载的级数；根据该凹槽深度D_n在凹槽2端部的深度延伸线上标注出该段溶蚀位置2a；再向凹槽2内注射石膏溶解剂以溶解凹槽2底部的石膏，使凹槽2的深度延长至标注的溶蚀位置2a、凹槽2的深度等于该阶段对应的接头刚度的凹槽深度D_n，；然后进行下一级的加载，直至加载完设定的级数或盾构隧道模型破坏。

本发明方法中，凹槽深度的计算方法如下：

凹槽深度依据与接头抗弯能力(用K_θ表示)等效的原则确定。模型接头抗弯能力K_θ的计算方法：在梁的正中开一小槽，并在梁的特定位置加上荷载，算出开槽处的位移，计算简图如图2所示。由于开槽后该部位的抗弯刚度比其它部位的抗弯刚度低很多，故运用结构力学原理可以近似地计算出梁的K_θ值即模型接头抗弯能力。其具体计算公式如下：

$K_{\mathrm{\θ}}=\frac{6\mathrm{EI}\·\mathrm{PaL}}{24\mathrm{EI}{\mathrm{\δ}}_c-\mathrm{Pa}({3L}^2-4\mathrm{aL})}$ ①

而弱化后的等效截面高度h与抗弯能力关系由下式确定：

$h=\sqrt[3]{\frac{K_{\mathrm{\θ}}{H}^3}{\mathrm{EI}}}(I=\frac{{\mathrm{BH}}^3}{12})$ ②

其中：K_θ为弯曲刚度，δ_c为中央部的位移，a为荷载与支座间的距离，EI为衬砌结构刚度，L为支座间距离，H为模型的截面厚度，P为施加的荷载，h为等效截面高度也即凹槽底部的厚度。

由①、②式即可得到凹槽深度D_n＝H-h，从而实现对接头力学性能的改变。

Claims (1)

1.一种衬砌结构接头刚度可变的隧道模型试验方法，其作法是：

A、模型的制作,用石膏制作出盾构隧道模型(1)，并在盾构隧道模型(1)的外周面上形成模拟管片接头初始刚度的凹槽(2)；

B、测试仪器布置,在凹槽(2)的两侧布置应变片(3)或位移计；

C、加载试验

对盾构隧道模型逐级加载；每级加载后根据加载的荷载和应变片(3)或位移计测得到的应变值或位移量，计算出凹槽(2)处的内力，得到该阶段对应的接头刚度的凹槽深度D_n，n＝1,2,3,...N，n为逐级加载的级数；根据该凹槽深度D_n在凹槽(2)端部的深度延伸线上标注出该段溶蚀位置(2a)；再向凹槽(2)内注射石膏溶解剂以溶解凹槽(2)底部的石膏，使凹槽(2)的深度延长至标注的溶蚀位置(2a)、凹槽(2)的深度等于该阶段对应的接头刚度的凹槽深度D_n；然后进行下一级的加载，直至加载完设定的级数或盾构隧道模型破坏。