CN108593892A - 隧道衬砌模型、模拟隧道纵向效应的试验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道衬砌模型、模拟隧道纵向效应的试验装置及实验方法，该隧道衬砌模型包括初期支护和二次衬砌，二次衬砌纵向分为至少两个二次衬砌节段，相邻两个二次衬砌节段由T型的环形橡胶带和卡箍连接；初期支护由pvc软板卷制而成，初期支护接头处采用企口搭接并粘结。本发明将二次衬砌分节段设计，节段间采用T型环形带和卡箍进行连接，既能保证二次衬砌节段间的连接及约束作用，又可以模拟二次衬砌节段间在变形缝处的传力机制，更好的模拟隧道结构在实际工程当中的真实状态，更好的反映隧道结构在纵向上的力学特性和变形特性，为实际隧道的抗纵向变形设置提供可靠的基础数据，保证隧道长期的稳定性和安全性，从而更好的保证生命财产安全和经济。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程试验技术领域，尤其涉及一种隧道衬砌模型、包括该隧道衬砌模型的模拟隧道纵向效应的试验装置及实验方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，尤其是交通基础设施建设发展的迫切需要，长大隧道越来越多，隧道所穿越的工程地质环境也越来越复杂，长大隧道作为特长线性结构,其纵向刚度较小,对于外部荷载的变化较为敏感，由于下卧土层分布的不均匀性、隧道周围荷载的变化、列车荷载以及土体的固结流变等因素影响下，在隧道长期运营过程中,隧道的纵向沉降尤其是纵向不均匀沉降的问题逐渐凸现，纵向变形对隧道结构非常不利，当隧道存在过量的变形量或者纵向曲率达到一定的量值时，将会导致隧道初期支护破坏或二次衬砌变形缝张开过大而引起漏水漏泥；当隧道纵向不均匀沉降量过大时，将会造成轨道产生纵向偏差和高低差，影响列车运营时的舒适性和安全性。当轨道的纵向偏差和高低差超过标准时，道床开裂、轨道与车轮之间的磨损加重，导致日常维护和保养任务加重，造成巨大的经济损失。因此隧道产生的纵向不均匀变形是隧道工程中不可忽视的问题。
传统的室内模型试验一方面将二次衬砌结构在纵向上视为一个均质整体，考虑为平面应变问题，另一方面虽然将二次衬砌进行了分段处理，但二次衬砌分段后段与段之间采用相似材料浇筑的刚性连接，无法准确有效的体现隧道在纵向上的刚度变化及变形缝处相邻二次衬砌节段的传力作用，对于短隧道或隧道下卧土层均匀坚硬的情况下模型试验，变形缝处引起的纵向刚度变化对纵向变形及纵向不均匀变形影响较小，此法具有一定适应性，而对于长大隧道、下卧层不均匀等情况下，纵向变形及纵向不均匀变形敏感性强，传统方法则无法模拟出衬砌结构在纵向上的力学特性及变形特性。
发明内容
本发明旨在提供隧道衬砌模型、模拟隧道纵向效应的试验装置及实验方法，该模型能更好地模拟隧道结构在实际工程当中的真实状态，更好地反映隧道结构在纵向上的力学特性和变形特性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
隧道衬砌模型，包括初期支护和二次衬砌，所述二次衬砌纵向分为至少两个二次衬砌节段，相邻两个二次衬砌节段由环形带连接。
进一步的，环形带的截面形状为T型，环形带的腹板位于相邻两个二次衬砌节段之间，环形带的翼缘包裹住相邻两个二次衬砌节段。
优选地，环形带的翼缘由两个卡箍分别箍在其中一个二次衬砌节段上。
其中，初期支护与二次衬砌之间有填充材料。
其中，环形带材质为橡胶。
进一步的，二次衬砌节段由石膏、硅藻土为主料混合浇筑而成。
进一步的，初期支护的材质为pvc。
优选地，初期支护由pvc软板卷制而成，初期支护接头处采用企口搭接并粘结。
模拟隧道纵向效应的试验装置，除了包括上述隧道衬砌模型外，还包括模型试验箱和多个矩阵布置的垂直加载装置，垂直加载装置的底部安装有压板，模型试验箱顶部开口，模型试验箱相对的两侧板上分别设有一个隧道洞口，所述隧道衬砌模型的两端分别放置在其中一个隧道洞口上，模型试验箱内填有土体。
上述隧道衬砌模型的制作方法，制作多个二次衬砌节段，用环形带将二次衬砌节段连接起来构成二次衬砌；
根据隧道衬砌节段连接处的几何相似比与弹性模量相似比选择环形带的刚度；
首先，分别计算出原型隧道纵向上衬砌节段抗弯刚度(EcIc)p、抗拉刚度(EcAc)p与节段间连接接头的抗弯刚度(EtIt)p、抗拉刚度(EtAt)p的比值(αij)p，模型隧道纵向上衬砌节段抗弯刚度(EcIc)m、抗拉刚度(EcAc)m与节段间连接接头的抗弯刚度(EtIt)m、抗拉刚度(EtAt)m的比值(αij)m，由相似理论可得(αij)p＝(αij)m＝αij，其中，j＝1表示抗弯，j＝2表示抗拉；
然后，由公式(1)和公式(2)计算得到模型的接头弹性模量Etm和原型的接头弹性模量Etp；
式(1)和式(2)中，Ec为衬砌的弹性模量，Et为接头的弹性模量，Ic为衬砌的惯性矩，It为接头的惯性矩，Ac为衬砌的截面面积，At为接头的截面面积；
按公式(3)计算几何相似比：
式(3)中，Ltp为原型的接头尺寸，Ltm为模型的接头尺寸，CLt为接头处的几何相似比；
按公式(4)计算弹性模量相似比：
式(4)中，CEt为接头处的弹性模量相似比；Etm为模型的接头弹性模量，Etp为原型的接头弹性模量。
利用上述隧道衬砌模型进行室内模型试验的方法，包括以下步骤；
步骤一，将隧道衬砌模型放入模型试验箱内，模型试验箱顶部开口，模型试验箱相对的两侧板上分别设有一个隧道洞口，将隧道衬砌模型的两端分别放置在其中一个隧道洞口上，向模型试验箱内回填土；
步骤二，对模型试验箱内的土体施加垂直荷载并记录测试数据。
进一步的，所述步骤二中，利用多个矩阵布置的垂直加载装置对模型试验箱内的土体施加垂直荷载。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1，本发明将二次衬砌结构分为不同的节段与实际情况下二次衬砌因设置变形缝分段的情况相符合，同时，也便于试验操作，二次衬砌节段与节段间采用T型环形带和卡箍进行连接，环形带和卡箍既能保证二次衬砌节段间的连接及约束作用，同时，又可以模拟二次衬砌节段间在变形缝处的传力机制，从而更加准确真实地模拟出隧道衬砌结构节段连接处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变形缝连接处的力学行为，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；
2，pvc软板具有一定的柔韧性，在将其卷成所需的初期支护后，还能保持一定的刚度，既可以模拟其整体性，又可以模拟柔性支护的特点，真实反映初期支护的力学特点；
3，通过等效计算结果，对环形带的刚度进行定量控制，来模拟衬砌节段在变形缝处不同情况下的连接刚度，既可以通过试验得到连接处在不同外部条件的力学行为和破环形态，也可以通过试验得到在相应连接刚度条件下，整个隧道结构在不同外部条件下的力学行为和破坏形态，方便研究接头连接及外界环境对隧道结构的纵向变形和受力状态的影响。
附图说明
图1是本发明中隧道衬砌模型横断面的示意图；
图2是本发明中隧道衬砌模型纵断面的示意图；
图3是本发明中隧道衬砌模型节段连接处的示意图；
图4是图3中A处的放大图；
图5是本发明中初期支护横断面的示意图；
图6是本发明中实验装置的正视图；
图7是本发明中实验装置的侧视图；
图8是本发明中实验装置的俯视图；
图中：1-初期支护、2-二次衬砌节段、3-环形带、4-卡箍、5-填充材料、6-模型试验箱、7-垂直加载装置、8-隧道洞口、9-压板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1-4所示，本发明公开的隧道衬砌模型，包括初期支护1和二次衬砌，二次衬砌纵向分为至少两个二次衬砌节段2，相邻两个二次衬砌节段2由环形带3连接，环形带3可由卡箍4箍在二次衬砌节段2上也由其他固定装置固定在二次衬砌节段2上。将二次衬砌结构分为不同的节段与实际情况下二次衬砌因设置变形缝分段的情况相符合。
环形带3的截面形状为T型，环形带3的腹板位于相邻两个二次衬砌节段2之间，环形带3的翼缘包裹住相邻两个二次衬砌节段2。环形带3的翼缘由两个卡箍4分别箍在其中一个二次衬砌节段2上。具体的，选择T字形橡胶止水带作为环形带3用，将T字形橡胶止水带置于相邻二次衬砌节段2间进行嵌套，使T型橡胶止水带的两翼包裹住相邻二次衬砌节段2的末端，一个皮带式的卡箍4绕止水带一翼端缠绕然后箍紧固定在其中一个二次衬砌节段2上，另一个卡箍4绕T型橡胶止水带另一翼端缠绕后将其箍紧固定在另一个二次衬砌节段2上。二次衬砌节段与节段间采用T型环形带和卡箍进行连接，环形带和卡箍既能保证二次衬砌节段间的连接及约束作用，同时，又可以模拟二次衬砌节段间在变形缝处的传力机制，从而更加准确真实地模拟出隧道衬砌结构节段连接处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变形缝连接处的力学行为。
由石膏、硅藻土为主料，按所需衬砌的力学特性，根据相似准则确定的材料之间比例关系配置混合浇筑成满足几何相似条件的二次衬砌节段2。其中，初期支护1与二次衬砌之间有填充材料5，填充材料5采用石膏，用于填充初期支护1与二次衬砌2间的空隙。
如图5所示，本实施方式中初期支护1由pvc软板卷制而成，初期支护1接头处采用企口搭接并粘结。具体的，采用订制的弹性模量相似的pvc软板卷成满足几何相似条件的初期支护长度和断面形式的初期支护1，pvc软板的拼接采用打磨后企口搭接，并用胶水粘结的方式。初期支护1的搭接处位于仰拱处，拼接处打磨厚度为pvc软板厚度的1/2，打磨长度S为初期支护1仰拱弧长的1/5，打磨好后将软板进行搭接，然后采用胶水或粘黏剂进行粘结。pvc软板具有一定的柔韧性，在将其卷成所需的初期支护后，还能保持一定的刚度，既可以模拟其整体性，又可以模拟柔性支护的特点，真实反映初期支护的力学特点。
如图6、7、8所示，本发明公开的模拟隧道纵向效应的试验装置，除了包括上述隧道衬砌模型外，还包括模型试验箱6和多个矩阵布置的垂直加载装置7，垂直加载装置7的底部安装有压板9，压板9为木板。模型试验箱6顶部开口，模型试验箱6由矩形的左侧板、矩形右侧板、矩形的前侧板、矩形后侧板、矩形的底板组成，其中左侧板与右侧板设有隧道洞口8。隧道衬砌模型的两端分别放置在其中一个隧道洞口8上，模型试验箱6内填有土体。
上述隧道衬砌模型的制作方法，制作初期支护1和多个二次衬砌节段2，用环形带3将二次衬砌节段2连接起来构成二次衬砌。本实施方式中采用订制的pvc软板模拟初期支护1，石膏、硅藻土等浇筑结构模拟二次衬砌节段2，环形带3来模拟隧道二次衬砌节段间的变形缝连接，初期支护1、二次衬砌节段2、环形带3的相似材料均制成不同配合比的试件在压力机上做弹性模量的测试，以满足结构弹性模量的相似。具体包括一下步骤：
步骤一，采用订制的pvc软板卷成相应长度和断面形式的初期支护1，在软板的拼接处对软板进行打磨，然后企口搭接并用胶水或粘黏剂粘结；
步骤二，石膏、硅藻土等按特定比例混合浇筑相应断面和长度的二次衬砌节段2；
步骤三，订制生产所需的T型橡胶止水带作为环形带3使用，拼接二次衬砌节段2，二次衬砌相邻节段间放置T型橡胶止水带进行嵌套，并采用卡箍4将其固定在相邻衬砌节段上以连接相邻二次衬砌节段2。
步骤四：在初期支护1与二次衬砌之间的空隙中填充石膏，使初期支护与二次衬砌密贴。
上述步骤三中，T型橡胶止水带可以根据隧道衬砌节段连接处刚度相应改变其刚度，具体根据隧道衬砌节段连接处的几何相似比与弹性模量相似比选择T型橡胶止水带的刚度，选择方法如下：
首先，分别计算出原型隧道纵向上衬砌节段抗弯刚度(EcIc)p、抗拉刚度(EcAc)p与节段间连接接头的抗弯刚度(EtIt)p、抗拉刚度(EtAt)p的比值(αij)p，模型隧道纵向上衬砌节段抗弯刚度(EcIc)m、抗拉刚度(EcAc)m与节段间连接接头的抗弯刚度(EtIt)m、抗拉刚度(EtAt)m的比值(αij)m，由相似理论可得(αij)p＝(αij)m＝αij，其中，j＝1表示抗弯，j＝2表示抗拉。
然后，由公式(1)和公式(2)计算得到模型的接头弹性模量Etm和原型的接头弹性模量Etp；
式(1)和式(2)中，Ec为衬砌的弹性模量，Et为接头的弹性模量，Ic为衬砌的惯性矩，It为接头的惯性矩，Ac为衬砌的截面面积，At为接头的截面面积。
按公式(3)计算几何相似比：
式(3)中，Ltp为原型的接头尺寸，Ltm为模型的接头尺寸，CLt为接头处的几何相似比。
按公式(4)计算弹性模量相似比：
式(4)中，CEt为接头处的弹性模量相似比；Etm为模型的接头弹性模量，Etp为原型的接头弹性模量。
本发明公开的利用上述隧道衬砌模型进行室内模型试验的方法，包括以下步骤；
步骤一，将隧道衬砌模型放入模型试验箱6内，将隧道衬砌模型的两端分别放置在其中一个隧道洞口8上，向模型试验箱6内回填土并压密；
步骤二，对模型试验箱6内的土体施加垂直荷载来模拟附加荷载。利用多个矩阵布置的垂直加载装置7来进行垂直加载，其中垂直加载装置7施加的垂直荷载作用于特定尺寸的压板9上，再传递给地层土体，以达到荷载相似的效果；
步骤三，加载过程中，同步记录隧道模型上应变片及土压力盒的测试数据。应变片及土压力盒的设置是本领域的常规技术，此处不再赘述。
本发明能更好的模拟隧道结构在实际工程当中的真实状态，更好的反映隧道结构在纵向上的力学特性和变形特性，探究横向性能对纵向性能的影响，揭示环境、荷载等内外因素对隧道整体沉降的影响机理，为实际隧道的抗纵向变形设置提供可靠的基础数据，保证隧道长期的稳定性和安全性，从而更好的保证生命财产安全和经济。
当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (11)
1.一种隧道衬砌模型，其特征在于:包括初期支护(1)和二次衬砌，所述二次衬砌纵向分为至少两个二次衬砌节段(2)，相邻两个二次衬砌节段(2)由环形带(3)连接。
2.根据权利要求1所述的隧道衬砌模型，其特征在于：环形带(3)的截面形状为T型，环形带(3)的腹板位于相邻两个二次衬砌节段(2)之间，环形带(3)的翼缘包裹住相邻两个二次衬砌节段(2)。
3.根据权利要求2所述的隧道衬砌模型，其特征在于：环形带(3)的翼缘由两个卡箍(4)分别箍在其中一个二次衬砌节段(2)上。
4.根据权利要求2或3所述的隧道衬砌模型，其特征在于：初期支护(1)与二次衬砌之间有填充材料(5)。
5.根据权利要求1、2或3所述的隧道衬砌模型，其特征在于：环形带(3)材质为橡胶。
6.根据权利要求1所述的隧道衬砌模型，其特征在于：二次衬砌节段(2)由石膏、硅藻土为主料混合浇筑而成。
7.根据权利要求1或6所述的隧道衬砌模型，其特征在于：初期支护(1)的材质为pvc，初期支护(1)由pvc软板卷制而成，初期支护(1)接头处采用企口搭接并粘结。
8.包括权利要求1-7中任一项权利要求所述的隧道衬砌模型的实验装置，其特征在于：还包括模型试验箱(6)和多个矩阵布置的垂直加载装置(7)，垂直加载装置(7)的底部安装有压板(9)，模型试验箱(6)顶部开口，模型试验箱(6)相对的两侧板上分别设有一个隧道洞口(8)，所述隧道衬砌模型的两端分别放置在其中一个隧道洞口(8)上，模型试验箱(6)内填有土体。
9.权利要求1-7中任一项权利要求所述的隧道衬砌模型的制作方法，其特征在于：制作多个二次衬砌节段(2)，用环形带(3)将二次衬砌节段(2)连接起来构成二次衬砌；根据隧道衬砌节段连接处的几何相似比与弹性模量相似比选择环形带(3)的刚度；
首先，分别计算出原型隧道纵向上衬砌节段抗弯刚度(EcIc)p、抗拉刚度(EcAc)p与节段间连接接头的抗弯刚度(EtIt)p、抗拉刚度(EtAt)p的比值(αij)p，模型隧道纵向上衬砌节段抗弯刚度(EcIc)m、抗拉刚度(EcAc)m与节段间连接接头的抗弯刚度(EtIt)m、抗拉刚度(EtAt)m的比值(αij)m，由相似理论可得(αij)p＝(αij)m＝αij，其中，j＝1表示抗弯，j＝2表示抗拉；
然后，由公式(1)和公式(2)计算得到模型的接头弹性模量Etm和原型的接头弹性模量Etp；
式(1)和式(2)中，Ec为衬砌的弹性模量，Et为接头的弹性模量，Ic为衬砌的惯性矩，It为接头的惯性矩，Ac为衬砌的截面面积，At为接头的截面面积；
按公式(3)计算几何相似比：
式(3)中，Ltp为原型的接头尺寸，Ltm为模型的接头尺寸，CLt为接头处的几何相似比；
按公式(4)计算弹性模量相似比：
式(4)中，Etm为模型的接头弹性模量，CEt为接头处的弹性模量相似比，Etp为原型的接头弹性模量。
10.利用权利要求1-7中任一项权利要求所述的隧道衬砌模型进行室内模型试验的方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤一，将隧道衬砌模型放入模型试验箱(6)内，模型试验箱(6)顶部开口，模型试验箱(6)相对的两侧板上分别设有一个隧道洞口(8)，将隧道衬砌模型的两端分别放置在其中一个隧道洞口(8)上，向模型试验箱(6)内回填土；
步骤二，对模型试验箱(6)内的土体施加垂直荷载并记录测试数据。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，利用多个矩阵布置的垂直加载装置(7)对模型试验箱(6)内的土体施加垂直荷载。
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