CN108195664A - 盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，包括：框架结构；固设于所述框架结构上的第一支座；与所述第一支座相对设置、且可移动的第二支座；支撑连接于所述第二支座和所述框架结构的X向加载作动器，所述X向加载作动器推动所述第二支座以配合所述第一支座夹紧待测隧道管片，并用于施加垂直于待测隧道管片截面的X向加载力；装设于所述框架结构顶部的Y向外侧加载作动器，用于施加垂直于待测隧道管片的外侧面的Y向外侧加载力；装设于所述框架结构底部Y向内侧加载作动器，用于施加垂直于所述待测隧道管片的内侧面的Y向内侧加载力。本发明的试验装置可以实现纵缝受弯、纵缝受剪和环缝受剪三种形式的力学试验，利用效率较高。

Description

盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置

技术领域

本发明涉及盾构管片性能试验领域，特指一种盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置。

背景技术

近年来，盾构法施工隧道用于远距离输水管线的技术得到了快速发展。相比于其他盾构隧道，输水隧道具有(高)内水压、水锤效应等特点，目前还没有现成的规范或标准。目前国内为了配合海绵城市，出现一种新的形式的输水隧道，其模式为：该隧道深埋于地层内，采用雨季调蓄入流，当隧道充满后，启用合流泵站，抽送雨水入河的“蓄排结合”的工作模式。这种工作模式将会给隧道带来运行周期内受力工况复杂多变的问题，空管、有压满管等多种运行工况将会轮流出现。加之隧道内部环境恶劣，城市雨季污水一旦发生渗漏，将会对深层地下水质、土体产生不可挽回的后果。

对于上述盾构隧道的衬砌管片力学特性试验，目前国内外主要采用两种形式：模型试验和原型试验。接头力学特性试验是原型试验中比较重要的一种形式。目前在接头力学试验中主要存在以下问题，1)试验装置只能简单的施加轴力和弯矩，无法真实模拟实际管片受力状态；2)实际盾构隧道在承受内外水压时受力状态十分复杂，现有的装置无法施加内水压；3)实际在做接缝抗弯、抗剪试验往往需要采用不同的试验装置，造价昂贵，造成不必要的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，解决现有的试验装置无法真实模拟实际管片受力状态、无法施加内水压力、以及抗弯及抗剪试验需要不同的装置导致造价昂贵进而造成不必要的浪费的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，包括：

框架结构；

固设于所述框架结构上的第一支座，所述第一支座上设有第一插槽；

与所述第一支座相对设置、且可移动的第二支座，所述第二支座上设有第二插槽，通过所述第二插槽和所述第一插槽夹持相对接的两个待测隧道管片；

支撑连接于所述第二支座和所述框架结构的X向加载作动器，所述X向加载作动器推动所述第二支座向所述第一支座移动以使得所述第一支座和所述第二支座夹紧位于所述第一插槽和所述第二插槽之间的两个待测隧道管片，且所述X向加载作动器用于对所述待测隧道管片施加垂直于所述待测隧道管片截面的X向加载力；

装设于所述框架结构顶部的Y向外侧加载作动器，用于向所述待测隧道管片的外侧面施加垂直于所述待测隧道管片的外侧面的Y向外侧加载力；以及

装设于所述框架结构底部并与所述Y向外侧加载作动器相对应设置的Y向内侧加载作动器，用于向所述待测隧道管片的内侧面施加垂直于所述待测隧道管片的内侧面的Y向内侧加载力。

本发明的试验装置可以考虑管片形状、接缝连接方式，从而进行接缝力学足尺试验；可以实现纵缝受弯、纵缝受剪和环缝受剪三种形式的力学试验，装置的利用效率较高。在隧道管片内部和外部设置Y向加载作动器，既可以考虑外部水土压力、内部水土压力同时作用的实际状态，又可以考虑内水压反复加卸载状态下，接缝产生疲劳后的力学效应。本发明的试验装置能够解决现有的试验装置中存在的无法真实模拟实际管片受力状态、无法施加内水压力、以及抗弯及抗剪试验需要不同的装置导致造价昂贵进而造成不必要的浪费的问题。

本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的进一步改进在于，所述Y向外侧加载作动器和所述Y向内侧加载作动器均通过旋转铰接件可转动调节地安装在框架结构上，从而使得所述Y向外侧加载作动器和所述Y向内侧加载作动器可调整施力方向与所述待测隧道管片的半径所在方向相重合。

本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的进一步改进在于，还包括设于相对接的两个待测隧道管片的接缝处的位移传感器，用于实时感测所述接缝的张开量，从而确定所述接缝的转角刚度。

本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的进一步改进在于，所述框架结构包括底板，所述底板的中部形成有弧形凸起，所述弧形凸起上均匀装设所述Y向内侧加载作动器。

本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的进一步改进在于，所述第一支座的顶部设有第一斜面卡台，所述第一斜面卡台上以位置可调的方式装设有第一夹具，所述第一夹具和所述第一斜面卡台之间形成所述第一插槽，且通过调节所述第一夹具的位置以使得所述第一插槽可适应不同厚度的待测隧道管片；

所述第二支座的顶部设有第二斜面卡台，所述第二斜面卡台上以位置可调的方式装设有第二夹具，所述第二夹具和所述第二斜面卡台之间形成所述第二插槽，且通过调节所述第二夹具的位置以使得所述第二插槽可适应不同厚度的待测隧道管片。

本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的进一步改进在于，所述框架结构包括底板，所述底板上设有轨道；

所述装置还包括滑设于所述轨道上的运送系统，用于将待测隧道管片运送至所述框架结构内。

本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的进一步改进在于，还包括装设于所述运送系统上的Z向加载作动器，用于对所述待测隧道管片施加垂直于所述待测隧道管片环向截面的Z向加载力。

本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的进一步改进在于，所述运送系统上面对所述待测隧道管片环向截面的一侧设有支撑座，所述支撑座与所述Z向加载作动器相对设置。

本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的进一步改进在于，所述Y向外侧加载作动器沿对应的所述待测隧道管片的外周均匀布设；

所述Y向内侧加载作动器沿对应的所述待测隧道管片的内周均匀布设。

本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的进一步改进在于，同一待测隧道管片对应设置有至少两个Y向外侧加载作动器和至少两个Y向内侧加载作动器。

附图说明

图1为本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的结构示意图。

图2为本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的正视图。

图3为本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的剖视图且运送系统移出框架结构内部的结构示意图。

图4为本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置中的第一支座的结构示意图。

图5为盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置中第一支座中的第一夹具和第一倾斜面的俯视图。

图6为盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置在测试纵缝受弯的结构示意图。

图7为本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置在测试纵缝受剪的结构示意图。

图8为本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置在测试环缝受剪的结构示意图。

图9为本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的单环管片纵缝受弯的俯视图。

图10为本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的三环管片错缝夹片受弯的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，用于真实模拟实际管片的受力状态，提供内外水土压力的作用，可实现抗弯、抗剪试验，能够节省成本，避免浪费。本发明的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置包括框架结构、X向加载作动器、Y向外侧加载作动器、Y向内侧加载作动器以及Z向加载作动器，通过X向加载作动器向隧道管片施加垂直管片截面的轴力，通过Y向外侧和内侧加载作动器向隧道管片施加垂直于管片外侧面和内侧面的作用力，通过Z向加载作动器向隧道管片施加垂直于管片环向截面的作用力，从而可实现纵缝受弯、纵缝受剪和环缝受剪三种形式的力学试验，本发明的试验装置的利用效率较高。即可考虑外部水土压力、内部水土压力同时作用的实际状态，又可以考虑内水压反复加卸载状态下，接缝产生疲劳后的力学效应。本发明的试验装置可进行调节，以满足不同厚度、内径的管片形式。下面结合附图对本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置进行说明。

参阅图1，显示了本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的结构示意图。参阅图2，显示了本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置的正视图。下面结合图1和图2所示，对本发明盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置进行说明。

如图1和图2所示，本发明的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置20包括框架结构21、第一支座22、第二支座23、X向加载作动器24、Y向外侧加载作动器25和Y向外侧加载作动器26，第一支座22固设在框架结构21上，该第一支座22上设有第一插槽；第二支座23与第一支座22相对设置且可移动调节，该第二支座22上设有第二插槽，通过第二插槽和第一插槽夹持相对接的两个待测隧道管片11；X向加载作动器24支撑连接在第二支座23和框架结构21之间，该X向加载作动器24推动第二支座23向第一支座22的方向移动以使得第一支座22和第二支座23夹紧位于第一插槽和第二插槽之间的两个待测隧道管片11，且该X向加载作动器24用于对待测隧道管片11施加垂直于待测隧道管片11截面111的X向加载力；Y向外侧加载作动器25装设在框架结构21顶部，用于向待测隧道管片11的外侧面112施加垂直于待测隧道管片11的外侧面112的Y向外侧加载力；Y向内侧加载作动器26装设在框架结构21的底部并与Y向外侧加载作动器25相对应设置，用于向待测隧道管片11的内侧面113施加Y向内侧加载力。

如图2和图3所示，待测隧道管片11相互对接时，同一环的两个隧道管片11之间对接形成纵缝115，相邻两环管片之间对接形成环缝116，X向加载作动器24所施加的X向加载力为垂直于纵缝115方向的力，该X向加载力垂直施加于待测隧道管片11的纵向的截面111，对纵缝115施加相应的轴力，以模拟实际工况；Y向外侧加载作动器25所施加的Y向外侧加载力为垂直于待测隧道管片11的外表面112，Y向内侧加载作动器25所施加的Y向内侧加载力为垂直于待测隧道管片11的内表面113，对隧道管片11施加向内的压力和向外的压力，以模拟实际管片受到的内外水土压力。

作为本发明的一较佳实施方式，如图1所示，本发明的框架结构21包括底板211、立设在底板211上的多个立柱214以及横向支撑连接在两个立柱214之间的横梁215，通过立柱214和横梁215连接形成方框结构，内部设有测试空间，用于放置待测隧道管片11。立柱214和横梁215设置在底板211的一侧，底板211的另一侧用于装卸及搬运待测隧道管片11。

作为本发明的另一较佳实施方式，结合图2所示，Y向外侧加载作动器25和Y向内侧加载作动器26均通过旋转铰接件29可转动调节地安装在框架结构21上，利用旋转铰接件29安装Y向外侧加载作动器25和Y向内侧加载作动器26，通过旋转铰接件29的自由旋转调节实现Y向外侧加载作动器25和Y向内侧加载作动器26施力方向的自由调节，能够适应不同外径的管片的试验。对于圆形管片的模拟试验，通过旋转铰接件29的调节功能使得Y向外侧加载作动器25和Y向内侧加载作动器26调节其施力方向与待测隧道管片11的半径所在方形相重合，从而Y向外侧加载作动器25和Y向内侧加载作动器为向心设置，实现了更为精确地模拟水土压力实际的作用方向。

较佳地，Y向外侧加载作动器25固设在框架结构21的顶部的横梁215上，Y向内侧加载作动器26固设在框架结构21的底板211上。

进一步地，如图1和图2所示，框架结构21的底板211中部形成有弧形凸起212，弧形凸起212上均匀装设Y向内侧加载作动器26。该弧形凸起212的外表面为圆弧状，该弧形凸起212适配于待测试的隧道管片11的圆弧，进而使得Y向内侧加载作动器26能够方便的通过调节而垂直抵靠于待测隧道管片11的内侧面113。

作为本发明的又一较佳实施方式，如图2和图6所示，该试验装置20还包括设于相对接的两个待测隧道管片11的接缝处的位移传感器，该接缝为纵缝115，利用位移传感器实时感测接缝的张开量，也即纵缝115的张开量，从而确定接缝的转角刚度。在进行转角刚度试验时，通过Y向外侧加载作动器25模拟实际管片所受的外水土压力，通过Y向内侧加载作动器26模拟实际管片所受的内水土压力，该Y向外侧加载作动器25和内侧加载作动器26均加载作用于待测隧道管片11上，使得在纵缝115处产生了一个可知的且可控的弯矩，再配合X向加载作动器24对纵缝115施加相应的轴力，并利用位移传感器实时测试纵缝的张开量，进而确纵缝的转角刚度。在进行纵缝的刚度试验时，如图9所示，可进行单环管片的纵缝抗弯试验，也可如图10所示，可进行多环管片错缝拼装的错缝夹片抗弯试验。

作为本发明的再一较佳实施方式，如图2所示，本发明的试验装置20通过第一支座22和第二支座23来夹固待测隧道管片11，该第一支座22和第二支座23的结构相同，下面以第一支座22为例对第一支座22和第二支座23的结构进行说明。结合图4和图5所示，在第一支座22的顶部设有第一斜面卡台222，该第一斜面卡台222包括第一倾斜面2221和第二倾斜面2222，在第一斜面卡台222上以位置可调的方式装设有第一夹具223，该第一夹具223安装在第一倾斜面2221上，且可在第一倾斜面2221上进行位置调节，实现向第二倾斜面2222靠近或远离。第一夹具223和第一斜面卡台222之间形成第一插槽221，该第一插槽221供待测隧道管片11的端部插设。第一夹具223、第一倾斜面2221和第二倾斜面2222围合形成第一插槽221，通过第一夹具223的位置调节使得该第一插槽221可适应不同厚度的待测隧道管片11。

较佳地，在第一倾斜面2221上设置有多排安装孔，通过选择不同的安装孔来固定第一夹具223来实现第一夹具223的位置调节。

第二支座23的结构与第一支座22的结构相同，其顶部设置有第二斜面卡台，该第二斜面卡台上以位置可调的方式装设有第二夹具，第二夹具和第二斜面卡台之间形成第二插槽，且通过调节第二夹具的位置以使得第二插槽可适应不同厚度的待测隧道管片。

结合图2所示，待测隧道管片11的端部插设在第一支座22的第一插槽内，另一待测隧道管片11的端部插设在第二支座22的第二插槽内，通过X向加载作动器24作用于第二支座22的加载力，使得两个待测隧道管片11紧紧的对接，且牢固地夹持在第一支座22和第二支座23之间。

作为本发明的再又一较佳实施方式，如图1和图3所示，框架结构21的底板211上设有轨道213，该轨道213位于弧形凸起212的两侧，本发明的试验装置20还包括滑设在轨道213上的运送系统27，该运行系统27用于将待测隧道管片11运送到框架结构21内。该运送系统27可沿着轨道213进行来回移动，以实现待测隧道管片11的运输，通过运送系统27将待测隧道管片11运送至框架结构21内，并夹设在第一支座22和第二支座23上，以进行模拟试验，在试验结束后，再利用运送系统27将隧道管片11运出框架结构21，进而将隧道管片11卸载。

较佳地，该运送系统27为运送小车，具有车架和位于车架底部的滚轮，该滚轮滑设在轨道213上，实现了沿着轨道213进行来回移动。在车架上设置有供盛放隧道管片11的支撑杆，以将隧道管片11支撑在运送系统27上。该运送系统27还包括一对相对设置的加载支撑架271，两个加载支撑架271之间通过拉杆272连接。结合图2所示，该加载支撑架271对应隧道管片11的环向截面114设置。

作为本发明的再另一较佳实施方式，本发明的试验装置20还包括装设在运送系统27上的Z向加载作动器28，用于对待测隧道管片11施加垂直于待测隧道管片11环向截面114的Z向加载力。结合图1、图3和图10所示，将多环待测的隧道管片11放置在运送系统27上，利用Z向加载作动器28施加作用于隧道管片11的环形截面114上的Z向加载力，使得该多环隧道管片11间紧紧相贴，且牢固地夹固在运送系统27上。

较佳地，Z向加载作动器28安装在运送系统27的一个加载支撑架271上，在另一个加载支撑架271上设置有支撑座，该支撑座与Z向加载作动器28相对设置，当该Z向加载作动器28施加加载力时，通过支撑座的配合，将两者之间的隧道管片11夹紧固定。

如图2所示，本发明的Y向外侧加载作动器25沿对应的待测隧道管片11的外周均匀布设，Y向内侧加载作动器26沿对应的待测隧道管片11的内周均匀布设。在同一待测隧道管片11上对应设置有至少两个Y向外侧加载作动器25和至少两个Y向内侧加载作动器26。

如图7所示，显示了管片纵缝剪切刚度试验。通过Y向外侧加载作动器25施加Y向外侧加载力作用于其中的一个待测隧道管片11上，通过Y向内侧记载作动器26施加Y向内侧加载力作用于其中的另一个待测隧道管片11上，使得两个隧道管片11间的纵缝115处产生剪切效应，同时通过X向加载作动器24对纵缝115施加相应的轴力，可以进行不同轴力下纵缝剪切效应研究。此时通过Z向加载作用器28夹紧待测隧道管片11。当然，该纵缝剪切刚度试验，可针对一环管片的两个隧道管片11，也可以是多环管片的试验。

如图8所示，显示了管片环缝116的剪切刚度试验。设置了三环管片，将Y向外侧加载作动器25施加Y向外侧加载力作用于位于中间的隧道管片11上，将Y向内侧加载作用强26施加Y向内侧加载力作用于位于两侧的隧道管片11上，同时通过X向加载作动器24对纵缝施加相应的轴力，通过Z向加载作动器28对环缝116施加相应的加载力。实现了环缝剪切刚度的试验。

如图9和图10所示，在进行试验时，利用X向加载作动器24一方面沿纵向夹紧隧道管片11，另一方面对隧道管片11的截面111施加轴力，以模拟管片的实际受力；利用Z向加载作动器28一方面沿环形夹紧隧道管片11，另一方面对隧道管片11施加加载力，以模拟管片的实际受力。

本发明试验装置的有益效果包括：

可以考虑管片形状、接缝连接方式，从而进行接缝力学足尺试验。

该试验装置可以实现纵缝受弯、纵缝受剪和环缝受剪三种形式的力学试验，装置的利用效率较高；

在管片外部与内部同时安设加载装置，既可以考虑了外部水土压力、内部水压同时作用的实际状态，又可以考虑内水压反复加卸载状态下，接缝产生疲劳后的力学效应；

Y向内侧和外侧加载作动器为向心设置，较传动的竖向设置更为精确地模拟水土压力实际的作用方向；

试验装置能够进行调节，满足不同厚度、内径的管片形式。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，包括：

框架结构；

固设于所述框架结构上的第一支座，所述第一支座上设有第一插槽；

与所述第一支座相对设置、且可移动的第二支座，所述第二支座上设有第二插槽，通过所述第二插槽和所述第一插槽夹持相对接的两个待测隧道管片；

支撑连接于所述第二支座和所述框架结构的X向加载作动器，所述X向加载作动器推动所述第二支座向所述第一支座移动以使得所述第一支座和所述第二支座夹紧位于所述第一插槽和所述第二插槽之间的两个待测隧道管片，且所述X向加载作动器用于对所述待测隧道管片施加垂直于所述待测隧道管片截面的X向加载力；

装设于所述框架结构顶部的Y向外侧加载作动器，用于向所述待测隧道管片的外侧面施加垂直于所述待测隧道管片的外侧面的Y向外侧加载力；以及

装设于所述框架结构底部并与所述Y向外侧加载作动器相对应设置的Y向内侧加载作动器，用于向所述待测隧道管片的内侧面施加垂直于所述待测隧道管片的内侧面的Y向内侧加载力。

2.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，所述Y向外侧加载作动器和所述Y向内侧加载作动器均通过旋转铰接件可转动调节地安装在框架结构上，从而使得所述Y向外侧加载作动器和所述Y向内侧加载作动器可调整施力方向与所述待测隧道管片的半径所在方向相重合。

3.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，还包括设于相对接的两个待测隧道管片的接缝处的位移传感器，用于实时感测所述接缝的张开量，从而确定所述接缝的转角刚度。

4.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，所述框架结构包括底板，所述底板的中部形成有弧形凸起，所述弧形凸起上均匀装设所述Y向内侧加载作动器。

5.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，所述第一支座的顶部设有第一斜面卡台，所述第一斜面卡台上以位置可调的方式装设有第一夹具，所述第一夹具和所述第一斜面卡台之间形成所述第一插槽，且通过调节所述第一夹具的位置以使得所述第一插槽可适应不同厚度的待测隧道管片；

所述第二支座的顶部设有第二斜面卡台，所述第二斜面卡台上以位置可调的方式装设有第二夹具，所述第二夹具和所述第二斜面卡台之间形成所述第二插槽，且通过调节所述第二夹具的位置以使得所述第二插槽可适应不同厚度的待测隧道管片。

6.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，所述框架结构包括底板，所述底板上设有轨道；

所述装置还包括滑设于所述轨道上的运送系统，用于将待测隧道管片运送至所述框架结构内。

7.如权利要求6所述的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，还包括装设于所述运送系统上的Z向加载作动器，用于对所述待测隧道管片施加垂直于所述待测隧道管片环向截面的Z向加载力。

8.如权利要求7所述的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，所述运送系统上面对所述待测隧道管片环向截面的一侧设有支撑座，所述支撑座与所述Z向加载作动器相对设置。

9.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，所述Y向外侧加载作动器沿对应的所述待测隧道管片的外周均匀布设；

所述Y向内侧加载作动器沿对应的所述待测隧道管片的内周均匀布设。

10.如权利要求1所述的盾构隧道管片接缝力学性能多功能试验装置，其特征在于，同一待测隧道管片对应设置有至少两个Y向外侧加载作动器和至少两个Y向内侧加载作动器。