CN104181002B - 一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置和方法，该装置其包括：顶板(1)、底板(10)、立柱(12)、柔性密封条(3)、抽气装置(4)、高精度绝对气压计(5)、隧道结构模型(9)、电阻应变片(13)，在隧道结构模型(9)的内，气压检测孔(7)连接高精度绝对气压计(5)，通过抽气装置(4)和高精度绝对气压计(5)的协调工作来控制隧道结构模型(9)内部气压。采用气压代替水压的等效加载方法，可以模拟水不能抵抗剪切力的特性，不会对隧道结构变形产生附加约束，能真实反映隧道结构破坏的过程；可以模拟水压的渗透作用，模拟水压致裂的裂缝扩展过程，以及裂缝贯通后水压的卸载效果。

Description

一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置和方法

技术领域

本发明涉及隧道结构模型试验装置，尤其涉及的是一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置和方法。

背景技术

隧道工程的建设过程中，水的问题屡见不鲜，尤其对于高压富水山岭隧道以及穿江过海等水下隧道，无论是圆形还是非圆形断面的隧道衬砌结构，分离式还是连拱隧道衬砌结构，都承受着巨大的水压力，而我国日益增长的交通量使得隧道断面的尺寸越来越大，与之俱来的就是越发复杂的隧道结构受力形态。隧道结构在高水压环境下，断面高度与水头高度的比值越小，隧道断面不同位置处的水压差就越小，隧道结构受水压差影响就越小，此时可以近似把非均匀水压视为均匀水压。通过模拟高水压作用下均匀水压对隧道结构的影响，能够对圆形和非圆形断面的衬砌结构的设计和施工给出科学合理的依据。

目前，有针对圆形断面盾构隧道以及非圆形断面山岭隧道结构的水压加载试验方法，但上述两种方法都是采用若干根钢绞线环箍加载的方式来施加水压力，针对圆形断面的加载方法不能保证锚索与管片密贴，无法准确施加全周荷载，即便是针对非圆形断面的可以实现紧密接触的加载方法，也仅仅是一种简单的力学等效，其加载理论本身就具有错误。目前水压加载试验方法不足之处在于：

1、无法实现隧道结构外表面的均匀应力加载，容易造成钢绞线处局部应力集中，使得试验过程中钢绞线附近电阻应变片的数据与实际产生差异；

2、无法考虑水不能抵抗剪切力的特性，钢绞线与隧道结构密贴后，环箍力越大对隧道结构变形的约束越大；

3、隧道结构变形会引起严重的钢绞线应力损失，引起等效水压大幅度降低，若要维持一定的水压，需要反复调整每根钢绞线应力，其操作非常繁琐，在实际操作中往往无法实现。

4、该方法无法适应非圆形断面隧道衬砌结构的外水压加载模拟，因为同一根钢绞线上拉力F是不变的，由于钢绞线与隧道结构密贴，隧道断面形状的改变会导致钢绞线之间的夹角θ改变，其提供的径向力2Fcos(θ/2)也在随隧道断面改变而改变，隧道断面半径越小其提供的径向力越大，根本无法施加均匀水压力，更不要说上小下大的非均匀水压力了，应为一般山岭隧道结构断面都是上断面的半径小于仰拱的。

因此，急需一种更为符合水压特性的有效加载方法来模拟高水压作用下隧道结构承受的均匀水压，研究隧道结构的受力特征以及破坏过程，对圆形和非圆形断面的衬砌结构的设计和施工给出科学合理的依据。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置和方法。

本发明为实现其目的，所采用方案是：

一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置，其包括：顶板1、底板10、立柱12、柔性密封条3、抽气装置4、高精度绝对气压计5、隧道结构模型9、电阻应变片13，在隧道结构模型9的内、外表面对称环向粘贴电阻应变片13，同时将内表面的电阻应变片13的导线11焊接好，外表面的电阻应变片的导线直接引出，与内表面的电阻应变片的导线分组焊接在应变箱上用于读取数据，顶板1上设有接线柱2、抽气孔6、气压检测孔7，抽气孔6连接抽气装置4，气压检测孔7连接高精度绝对气压计5，通过抽气装置4和高精度绝对气压计5的协调工作来控制隧道结构模型9内部气压。

所述的装置，顶板1、底板10、立柱12组成整个装置的承载主体，立柱12位于隧道结构模型9内部与底板10粘结固定，将底板10、隧道结构模型9、顶板1依次堆叠起来，底板10与隧道结构模型9密贴，立柱12比隧道结构模型9高2～3mm，使得顶板1与隧道结构模型9分离，避免隧道结构模型9承受由顶板1传来的荷载并传递到立柱12和底板10；顶板1、底板10与隧道结构模型9之间的缝隙用柔性密封条3进行封堵，以保证整个装置的气密性，同时可以跟随隧道结构模型9一起形变，不因隧道结构模型9形变而使气密性受损。

所述的装置，接线柱2在顶板1的上、下面对称布置，用来将隧道结构模型9内部电阻应变片13的导线11引出到隧道结构模型9外部。

所述的装置，制作隧道结构模型9的几何相似比为1∶20～1∶50，隧道结构模型纵向长度为20～30cm。

所述的装置，顶板1、底板10、立柱12均采用有机玻璃制作。

利用上述任一所述的装置进行隧道结构模型试验的加载方法，具体实施步骤包括以下步骤：

A、试验准备：按照选定的几何相似比制作隧道结构模型9；根据确定的隧道结构模型9的纵向长度制作出立柱12，立柱12长度应比隧道结构模型9纵向长度长2～3mm，立柱12的直径和数量应根据实际隧道结构模型9尺寸而定；根据隧道结构模型9的断面尺寸加工顶板1和底板10，顶板1和底板10的断面尺寸与隧道结构模型9的断面相同；在隧道结构模型9的内、外表面对称环向粘贴电阻应变片13，同时将内表面电阻应变片13的导线11焊接好；

B、安装均匀水压模拟加载装置：将立柱12对称粘贴在底板10上；将隧道结构模型9置于底板10上，用密封条3将底板10与隧道结构模型9的缝隙进行封堵；将隧道结构模型内部电阻应变片13的导线11的另一端与顶板1下表面上的接线柱2焊接好；将顶板1置于立柱12上，用密封条3将顶板1与隧道结构模型9的缝隙进行封堵，同时把导线11焊接在顶板1上表面的接线柱2上；

C、仪器连接调试：将引出到隧道结构模型9外部的导线11以及其他测试元器件与计算机相连；用胶管8将抽气孔6与抽气装置4连接；将气压检测孔7通过胶管与高精度绝对气压计5连接；预先测试出当地的大气压力P₀，用抽气装置4抽出适当的气体，观察高精度绝对气压计5的数据变化来检测整个装置的气密性，直到气压计显示的数据保持稳定不变，拔掉抽气装置4使隧道结构模型9内部恢复到当地的大气压力P₀；

D、测试：根据确定的几何相似比和目标水压力值，计算出隧道结构模型试验所需加载的水压力值ΔP，利用抽气装置4和高精度绝对气压计5将隧道结构模型9内部的气压P调整为P₀-ΔP；用计算机采集电阻应变片13的数据，按照常规方法进行数据处理。

所述的方法，内表面电阻应变片、外表面电阻应变片分别用于测量内外表面应变ε_内、ε_外，在平截面假设条件下，可以求出该截面的轴力N和弯矩M，公式如下：

式(1)、(2)中b为单位长度，取1m；h为衬砌厚度，按隧道结构模型取值；E为衬砌的弹性模量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、无论是圆形还是非圆形断面的隧道衬砌结构，分离式还是连拱隧道衬砌结构，都可以采用本装置实现高水压作用下均匀水压力的加载，研究隧道结构的受力特征以及破坏过程，对圆形和非圆形断面的衬砌结构的设计和施工给出科学合理的依据。

2、不采用环箍钢绞线的传统方法，转而采用气压代替水压的等效加载方法，更为符合水压的特性，可以实现隧道结构外表面的均匀应力加载，不会造成应力集中，使得试验过程中电阻应变片的数据更符合实际；若考虑围岩与水压的共同作用，隧道结构模型在围岩压力作用下会向内变形，但不会发生像钢绞线那样的应力损失，不需要反复调整钢绞线应力，因此其操作更为简单。

3、采用气压代替水压的等效加载方法，可以模拟水不能抵抗剪切力的特性，不会对隧道结构变形产生附加约束，能真实反映隧道结构破坏的过程；可以模拟水压的渗透作用，模拟水压致裂的裂缝扩展过程，以及裂缝贯通后水压的卸载效果。

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横剖面图。

图4是图1的B-B竖剖面图。

图5是立柱与底板的示意图。

图6是隧道结构模型内部接线示意图。

图7是隧道结构模型内部导线引出示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

以下将以非圆形断面隧道为例进行本发明的详细介绍，其他类型断面只需将装置断面稍作改动即可。图1-4示出，本发明的一种具体实施方式是：一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置，其包括：顶板1、底板10、立柱12、柔性密封条3、抽气装置4、高精度绝对气压计5、隧道结构模型9、电阻应变片13，在隧道结构模型9的内、外表面对称环向粘贴电阻应变片13，同时将内表面电阻应变片13的导线11焊接好，外表面电阻应变片的导线直接引出，与内表面导线分组焊接在应变箱上用于读取数据。

内表面电阻应变片、外表面电阻应变片分别测量内外表面应变ε_内、ε_外，在平截面假设条件下，可以求出该截面的轴力N和弯矩M，公式如下：

式(1)、(2)中b为单位长度，取1m；h为衬砌厚度，按隧道结构模型取值；E为衬砌的弹性模量。

抽气装置4和高精度绝对气压计5协同控制隧道结构模型9内部压力：

顶板1、底板10、立柱12组成整个装置的承载主体，立柱12位于隧道结构模型9内部与底板10粘结固定，将底板10、隧道结构模型9、顶板1依次堆叠起来，底板10与隧道结构模型9密贴，立柱12比隧道结构模型9高2～3mm，使得顶板1与隧道结构模型9分离，避免隧道结构模型9承受由顶板1传来的荷载并传递到立柱12和底板10。顶板1、底板10与隧道结构模型9之间的缝隙用柔性密封条3进行封堵，以保证整个装置的气密性，同时可以跟随隧道结构模型9一起形变，不因隧道结构模型9形变而使气密性受损。

顶板1上设有接线柱2、抽气孔6、气压检测孔7。接线柱2在顶板1的上、下面对称布置，用来将隧道结构模型9内部电阻应变片13的导线11引出到隧道结构模型9外部；抽气孔6连接抽气装置4，气压检测孔7连接高精度绝对气压计5，通过抽气装置4和高精度绝对气压计5的协调工作来控制隧道结构模型9内部气压。

顶板1、底板10、立柱12均采用有机玻璃制作，其透明性便于对整个试验过程进行观察，与密封条3也有着良好的粘结性，无论是圆形还是非圆形断面的隧道衬砌结构，分离式还是连拱隧道衬砌结构，只需改变顶板1和底板10的断面形状即可采用本装置实现均匀水压力的加载。

图5-7示出，利用上述模拟水压加载装置进行隧道结构模型试验的加载方法，具体实施步骤是：

A、试验准备：按照选定的几何相似比制作隧道结构模型9，几何相似比以1∶20～1∶50为宜，隧道结构模型纵向长度以20～30cm为宜；根据确定的隧道结构模型9的纵向长度制作出立柱12，立柱12长度应比隧道结构模型9纵向长度长2～3mm，立柱12的直径和数量应根据实际隧道结构模型9尺寸而定；根据隧道结构模型9的断面尺寸加工顶板1和底板10，顶板1和底板10的断面尺寸与隧道结构模型9的断面相同；在隧道结构模型9的内、外表面对称环向粘贴电阻应变片13，同时将内表面电阻应变片13的导线11焊接好。

B、安装均匀水压模拟加载装置：将立柱12对称粘贴在底板10上；将隧道结构模型9置于底板10上，用密封条3将底板10与隧道结构模型9的缝隙进行封堵；将隧道结构模型内部电阻应变片13的导线11的另一端与顶板1下表面上的接线柱2焊接好；将顶板1置于立柱12上，用密封条3将顶板1与隧道结构模型9的缝隙进行封堵，同时把导线11焊接在顶板1上表面的接线柱2上。

C、仪器连接调试：将引出到隧道结构模型9外部的导线11以及其他测试元器件与计算机相连；用胶管8将抽气孔6与抽气装置4连接；将气压检测孔7通过胶管与高精度绝对气压计5连接。预先测试出当地的大气压力P₀，用抽气装置4抽出适当的气体，观察高精度绝对气压计5的数据变化来检测整个装置的气密性，直到气压计显示的数据保持稳定不变，拔掉抽气装置4使隧道结构模型9内部恢复到当地的大气压力P₀。

D、测试：根据确定的几何相似比和目标水压力值，计算出隧道结构模型试验所需加载的水压力值ΔP，利用抽气装置4和高精度绝对气压计5将隧道结构模型9内部的气压P调整为P₀-ΔP；用计算机采集内外表面电阻应变片13的数据，按照常规方法进行数据处理。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置，其特征在于，其包括：顶板(1)、底板(10)、立柱(12)、柔性密封条(3)、抽气装置(4)、高精度绝对气压计(5)、隧道结构模型(9)、电阻应变片(13)，在隧道结构模型(9)的内、外表面对称环向粘贴电阻应变片(13)，同时将内表面的电阻应变片(13)的导线(11)焊接好，外表面的电阻应变片的导线直接引出，与内表面的电阻应变片的导线分组焊接在应变箱上用于读取数据，顶板(1)上设有接线柱(2)、抽气孔(6)、气压检测孔(7)，抽气孔(6)连接抽气装置(4)，气压检测孔(7)连接高精度绝对气压计(5)，通过抽气装置(4)和高精度绝对气压计(5)的协调工作来控制隧道结构模型(9)内部气压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，顶板(1)、底板(10)、立柱(12)组成整个装置的承载主体，立柱(12)位于隧道结构模型(9)内部与底板(10)粘结固定，将底板(10)、隧道结构模型(9)、顶板(1)依次堆叠起来，底板(10)与隧道结构模型(9)密贴，立柱(12)比隧道结构模型(9)高2～3mm，使得顶板(1)与隧道结构模型(9)分离，避免隧道结构模型(9)承受由顶板(1)传来的荷载并传递到立柱(12)和底板(10)；顶板(1)、底板(10)与隧道结构模型(9)之间的缝隙用柔性密封条(3)进行封堵，以保证整个装置的气密性，同时可以跟随隧道结构模型(9)一起形变，不因隧道结构模型(9)形变而使气密性受损。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，接线柱(2)在顶板(1)的上、下面对称布置，用来将隧道结构模型(9)内部电阻应变片(13)的导线(11)引出到隧道结构模型(9)外部。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，制作隧道结构模型(9)的几何相似比为1∶20～1∶50，隧道结构模型纵向长度为20～30cm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，顶板(1)、底板(10)、立柱(12)均采用有机玻璃制作。

6.利用权利要求1-4任一所述的装置进行隧道结构模型试验的加载方法，其特 征在于，具体实施步骤包括以下步骤：

A、试验准备：按照选定的几何相似比制作隧道结构模型(9)；根据确定的隧道结构模型(9)的纵向长度制作出立柱(12)，立柱(12)长度应比隧道结构模型(9)纵向长度长2～3mm，立柱(12)的直径和数量应根据实际隧道结构模型(9)尺寸而定；根据隧道结构模型(9)的断面尺寸加工顶板(1)和底板(10)，顶板(1)和底板(10)的断面尺寸与隧道结构模型(9)的断面相同；在隧道结构模型(9)的内、外表面对称环向粘贴电阻应变片(13)，同时将内表面的电阻应变片(13)的导线(11)焊接好；

B、安装均匀水压模拟加载装置：将立柱(12)对称粘贴在底板(10)上；将隧道结构模型(9)置于底板(10)上，用密封条(3)将底板(10)与隧道结构模型(9)的缝隙进行封堵；将隧道结构模型内部的电阻应变片(13)的导线(11)的另一端与顶板(1)下表面上的接线柱(2)焊接好；将顶板(1)置于立柱(12)上，用密封条(3)将顶板(1)与隧道结构模型(9)的缝隙进行封堵，同时把导线(11)焊接在顶板(1)上表面的接线柱(2)上；

C、仪器连接调试：将引出到隧道结构模型(9)外部的导线(11)以及其他测试元器件与计算机相连；用胶管(8)将抽气孔(6)与抽气装置(4)连接；将气压检测孔(7)通过胶管与高精度绝对气压计(5)连接；预先测试出当地的大气压力P₀，用抽气装置(4)抽出适当的气体，观察高精度绝对气压计(5)的数据变化来检测整个装置的气密性，直到气压计显示的数据保持稳定不变，拔掉抽气装置(4)使隧道结构模型(9)内部恢复到当地的大气压力P₀；

D、测试：根据确定的几何相似比和目标水压力值，计算出隧道结构模型试验所需加载的水压力值ΔP，利用抽气装置(4)和高精度绝对气压计(5)将隧道结构模型(9)内部的气压P调整为P₀-ΔP；用计算机采集电阻应变片(13)的数据，按照常规方法进行数据处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，内表面电阻应变片、外表面电阻应变片分别用于测量内外表面应变ε_内、ε_外，在平截面假设条件下，可以求出该截面的轴力N和弯矩M，公式如下：

式(1)、(2)中b为单位长度，取1m；h为衬砌厚度，按隧道结构模型取值；E为衬砌的弹性模量。