CN109001038A - 管片加载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管片加载试验装置及方法，该方法包括如下步骤：利用加载油缸对试验管片的外表面施加加载力；依据设定压力调节所述加载力以使得所述加载力趋近于所述设定压力；测量所述加载油缸与所述试验管片外表面间的距离得到距离数据；在所述试验管片发生变形时，根据所测得的距离数据计算出变形量，并依据所述变形量计算出所述试验管片在设定埋深处的被动土压力值；依据所述被动土压力值调整所述加载力以使得所述加载力趋近于所述被动土压力值。本发明在试验管片的试验过程中，考虑管片变形引起的被动土压力变化，实现更加真实的模拟管片在土体中的受力情况，提高力学性能试验的准确性。

Description

管片加载试验装置及方法

技术领域

本发明涉及盾构实验测试领域，特指一种管片加载试验装置及方法。

背景技术

在大型城市交通日益拥堵的今天，地下轨道交通的重要性日渐突出。而在我国地下交通的建设中，盾构法得到了广泛的应用。盾构管片设计作为盾构法施工中重要的一环，直接决定了盾构法施工三成乃至接近一半的成本和施工的安全系数。可以说如何在避免浪费的前提下设计出能够确保安全的盾构管片在很大程度上决定了一次盾构施工的好坏。因此必须事先对盾构管片的力学性能进行试验，模拟实际载荷，验证各项设计指标。

目前常见的尤其是国内常见的盾构管片试验方式主要是缩小比例的模型试验，局部试验和简化试验等方式。以上试验由于结构的粗略化，材料的离散性和尺寸效应等因素限制，难以真实反映出盾构管片的细部特征和力学特性。而在1：1等比例整环试验方面，国外主要有：2003年,日本H.Nakamura等学者进行了双圆矩形盾构衬砌1：1原型试验研究；2003年，德国易北河第四座公路隧道外径达13.75m(建造时为世界之最)为验证衬砌管片的承载能力和稳定性进行了1:1整环试验；2000年,同济大学与上海市隧道工程轨道交通设计研究院合作进行了单圆衬砌1:1原型试验；2002年，上海隧道股份有限公司对轨道交通杨浦线(M8线)双圆盾构管片进行1:1力学加载试验；2006年张冠军等以宁波开明街—药行街地下人行通道为背景工程，对异形(矩形)盾构管片力学特性进行了1：1全比例试验。以上及其他一些1：1的原型试验，虽然能较好的反映出盾构管片的真实受力情况，但也存在着缺陷和不足。主要是在管片试验中，不考虑管片变形引起的土压力的变化对管片进一步变形的影响，认为土体为均质弹性体，而实际上，在隧道埋深较大时，管片变形引起的被动土压力的变化对管片变形的影响较大，使得现有的1:1原型试验存在力学性能试验不准确的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种管片加载试验装置及方法，解决现有的管片全比例试验中忽略管片变形引起的土压力变化而利用恒定的加载荷载进行试验存在的力学性能试验不准确的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种管片加载试验方法，包括如下步骤：

提供加载油缸，利用所述加载油缸对试验管片的外表面施加垂直于试验管片表面的加载力，并实时检测所述加载力；

依据设定压力调节所述加载力以使得所述加载力趋近于所述设定压力；

测量所述加载油缸与所述试验管片外表面间的距离得到距离数据；

在所述试验管片发生变形时，根据所测得的距离数据计算出变形量，并依据所述变形量计算出所述试验管片在设定埋深处的被动土压力值；

依据所述被动土压力值调整所述加载力以使得所述加载力趋近于所述被动土压力值。

本发明的试验方法，在对试验管片进行加载试验时，测量加载油缸与试验管片间的距离，由此来检测试验管片的变形，在试验管片发生变形时，依据变形量计算得出被动土压力值，进而根据被动土压力值来调整加载力，在试验管片的试验过程中，考虑管片变形引起的被动土压力变化，实现更加真实的模拟管片在土体中的受力情况，提高力学性能试验的准确性。

本发明管片加载试验方法的进一步改进在于，在依据所述被动土压力值调整所述加载力的过程中，随着所述加载力的调整所述试验管片的变形发生变化，根据所述试验管片新的变形量重新计算新的被动土压力值，再依据所述新的被动土压力值调整所述加载力，重复上述步骤实现被动土压力值和加载力的动态调整，直至所述试验管片变形完成达到稳定状态。

本发明管片加载试验方法的进一步改进在于，测量所述加载油缸与所述试验管片外表面间的距离时，以设定时间间隔进行测量。

本发明管片加载试验方法的进一步改进在于，依据所述被动土压力值调整所述加载力，包括：

比较所述被动土压力值与所述加载力的大小并得到比较结果，根据所述比较结果调整所述加载油缸输出的加载力。

本发明管片加载试验方法的进一步改进在于，在所述试验管片发生变形时，根据所测得的距离数据计算出变形量，并依据所述变形量计算出所述试验管片在设定埋深处的被动土压力值，包括：

当所述试验管片与所述加载油缸间距离变小时，依据当前的距离数据与原距离数据的差值计算得到变形量；

依据所述变形量与设定埋深处的土压力系数的乘积计算得到被动土压力值。

本发明还提供了一种管片加载试验装置，包括：

加载油缸，用于对试验管片的外表面施加垂直于试验管片表面的加载力；

安装于加载油缸上的压力传感器，用于实时检测所述加载油缸的加载力；

与所述加载油缸和所述压力传感器连接的控制单元，用于依据设定压力调节所述加载力以使得所述加载力趋近于所述设定压力；

安装于所述加载油缸上的位移传感器，用于测量所述加载油缸与所述试验管片外表面间的距离得到距离数据；

与所述位移传感器和所述控制单元连接的计算单元，用于在试验管片发生变形时计算得到变形量，并依据所述变形量计算出所述试验管片在设定埋深处的被动土压力值，将所得到的被动土压力值发送给控制单元；

其中的所述控制单元依据所述被动土压力值调整所述加载力以使得所述加载力趋近于所述被动土压力值。

本发明管片加载试验装置的进一步改进在于，所述控制单元调整所述加载力的过程中，随着所述加载力的调整所述试验管片的变形发生变化，在所述试验管片的变形变化过程中，所述计算单元根据所述位移传感器测量的新的距离数据重新计算得出新的被动土压力值，并将所述新的被动土压力值发送给控制单元，所述控制单元依据所述新的被动土压力值调整所述加载力，如此往复来实现被动土压力值和加载力的动态调整，直至所述试验管片变形完成达到稳定状态。

本发明管片加载试验装置的进一步改进在于，所述位移传感器以设定时间间隔测量所述加载油缸与所述试验管片外表面间的距离。

本发明管片加载试验装置的进一步改进在于，所述控制单元包括比较模块和处理模块；

所述比较模块比较所述被动压力值与所述加载力的大小得到比较结果；

所述处理模块与所述比较模块连接，用于根据所述比较结果调整所述加载油缸输出的加载力。

本发明管片加载试验装置的进一步改进在于，所述计算单元包括变形量计算模块和土压力计算模块；

所述变形量计算模块在所述试验管片与所述加载油缸间距离变小时，计算当前的距离数据与原距离数据的差值得到变形量；

所述土压力计算模块与所述变形量计算模块连接，用于计算所述变形量与设定埋深处的土压力系数的乘积以得到被动土压力值。

附图说明

图1为本发明管片加载试验装置的结构示意图。

图2为本发明管片加载试验装置中加载油缸处的结构放大示意图。

图3为本发明管片加载试验方法的流程图。

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，本发明提供了一种管片加载试验装置及方法，用于解决现有管片试验装置存在加载荷载固定，导致管片变形引起被动土压力被忽略的问题。本发明的装置及方法通过设置位移传感器监测管片的变形，在发生变形时利用变形量计算出被动土压力，并根据被动土压力来调整加载油缸的加载力，以实现仿真模拟管片在土体内的受力情况，提高受力性能试验的准确性。下面结合附图对本发明管片加载试验装置及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明管片加载试验装置的结构示意图。参阅图2，显示了本发明管片加载试验装置中加载油缸处的结构放大示意图。下面结合图1和图2，对本发明管片加载试验装置进行说明。

如图1和图2所示，本发明的管片加载试验装置包括加载油缸22、压力传感器、控制单元、位移传感器23以及计算单元，该管片加载试验装置用于对试验管片11进行受力性能实验，包括有套设在试验管片11外侧的管片加载框架21，将加载油缸22安装在管片加载框架21上，通过管片加载框架21提供管片试验反力，加载油缸22用于对试验管片11的外表面施加垂直于试验管片11表面的加载力，加载油缸22施加在试验管片11上的加载力用于模拟试验管片11在土体中的受力情况；在试验管片11的外表面对应加载油缸22的位置处装设有传力梁12，加载油缸22顶推在传力梁12上，进而通过传力梁12将加载力传递给试验管片11，通过传力梁12的设置使得加载力能够均匀的传递在试验管片11的外表面上；压力传感器安装在加载油缸22上，该压力传感器用于实时检测加载油缸22的加载力；控制单元与加载油缸22和压力传感器连接，控制单元用于依据设定压力调节加载油缸22的加载力以使得加载力趋近于设定压力，该设定压力为预设输入到控制单元内的压力值，该设定压力根据管片的实际施工参数进行设定。位移传感器23安装在加载油缸22上，该位移传感器23用于测量加载油缸22和试验管片11外表面间的距离而得到距离数据，通过位移传感器23不断地测量加载油缸22和试验管片11间的距离来检测试验管片11的变形，当该距离数据发生变化时，表面试验管片11发生了变形。计算单元与位移传感器23和控制单元连接，该计算单元用于在试验管片11发生变形时计算得到变形量，并依据变形量计算出试验管片11在设定埋深处的被动土压力值，将该被动土压力值发送给控制单元；控制单元依据被动土压力值调整加载力以使得加载力趋近于被动土压力值。

本发明的试验装置考虑了试验管片变形而引起的土压力变化对试验管片在进一步影响，实现了真实模拟试验管片在土体中变形时的受力情况，提高受力性能试验的精确性。

作为本发明的一较佳实施方式，在控制单元调整加载力的过程中，随着加载力的调整该试验管片11的变形发生变化，在该试验管片11的变形变化过程中，计算单元根据位移传感器23测量的新的距离数据重新计算得出新的被动土压力值，并将新的被动土压力值发送给控制单元，该控制单元依据新的被动土压力值调整加载力，如此往复来实现被动土压力值和加载力的动态调整，直至试验管片11变形完成达到稳定状态。本发明的试验装置能够较为真实地模拟试验管片在变形过程中引起土压力变化并且该土压力变化又引起管片进一步变形的情况，也即在试验管片变形的过程中，土压力值是动态变化，本发明的计算单元通过实时或等间隔地测量加载油缸22和试验管片11间的距离，在试验管片发生变形过程中，对变形的变形量进行全程监控，并根据该变形量计算出对应的被动土压力值，进而发送给控制单元以使得控制单元根据被动土压力值来调整加载油缸22的加载力。

作为本发明的另一较佳实施方式，位移传感器23以设定时间间隔测量加载油缸22与试验管片11外表面间的距离。较佳地，该时间间隔为2s。位移传感器23采用激光传感器，安装激光传感器时，令激光传感器发射的激光垂直于试验管片11的表面。该激光传感器的测量频率为1赫兹。

作为本发明的又一较佳实施方式，控制单元包括比较模块和处理模块，该比较模块与处理模块连接；比较模块用于比较被动压力值和加载力的大小以得到比较结果；处理模块接收比较模块得到的比较结果，并根据比较结果调整加载油缸22输出的加载力。在调整加载油缸22的加载力时，通过调节油压输出比例来实现，使得加载力不断趋近于被动压力值。

同样地，控制单元在根据设定压力调节加载力时，比较模块接收到压力传感器检测的加载力，将加载力与设定压力进行比较并得到另一比较结果；处理模块根据该比较结果来调节加载油缸输出的加载力。

作为本发明的再一较佳实施方式，计算单元包括变形量计算模块和土压力计算模块；变形量计算模块在试验管片11与加载油缸22间距离变小时，计算当前的距离数据与原距离数据的差值得到变形量；具体地，位移传感器将测量的距离数据发送给计算模块，变形量计算模块第一次接收到该距离数据后将距离数据存储作为原距离数据，而后每次接收到新的距离数据时，将该新的距离数据与原距离数据相比较，两者相同时则不处理，再不同时进行比较判断，若当前的距离数据小于原距离数据，则计算差值而得到变形量；土压力计算模块与变形量计算模块连接，用于接收变形量计算模块发的的变形量，并根据该变形量和设定埋深处的土压力系数的乘积计算得到被动土压力值，在试验开始时，根据试验管片实际施工参数预先输入对应的土压力系数，使得计算单元中的土压力计算模块能够计算出被动土压力值。

被动土压力产生机理是由于加载油缸和管片间距离变小而产生，而在两者距离变大时不会产生被动土压力，所以变形量计算模块在计算时，只计算加载油缸和管片间距离变小时的变形量即可。

下面对本发明提供的管片加载试验方法进行说明。

如图3所示，本发明提供的管片加载试验方法，包括如下步骤：

执行步骤S101，通过加载油缸对试验管片施加加载力：提供加载油缸，利用加载油缸对试验管片的外表面施加垂直于试验管片表面的加载力，并实时检测加载力；接着执行步骤S102。

执行步骤S102，依据设定压力调节加载力：依据设定压力调节加载力以使得加载力趋近于设定压力；接着执行步骤S103。

执行步骤S103，测量加载油缸与试验管片间的距离：测量加载油缸与试验管片外表面间的距离得到距离数据；接着执行步骤S104。

执行步骤S104，在试验管片发生变形时，根据变形量计算出被动土压力：在试验管片发生变形时，根据所测得的距离数据计算出变形量，并依据变形量计算出试验管片在设定埋深处的被动土压力值；接着执行步骤S105。

执行步骤S105，依据被动土压力调整加载力：依据被动土压力值调整加载力以使得加载力趋近于被动土压力值。

本发明的试验方法，在对试验管片进行加载试验时，测量加载油缸与试验管片间的距离，由此来检测试验管片的变形，在试验管片发生变形时，依据变形量计算得出被动土压力值，进而根据被动土压力值来调整加载力，在试验管片的试验过程中，考虑管片变形引起的被动土压力变化，实现更加真实的模拟管片在土体中的受力情况，提高力学性能试验的准确性。

作为本发明的一较佳实施方式，在依据被动土压力值调整加载力的过程中，随着加载力的调整试验管片的变形发生变化，根据试验管片新的变形量重新计算新的被动土压力值，再依据新的被动土压力值调整加载力，重复上述步骤实现被动土压力值和加载力的动态调整，直至试验管片变形完成达到稳定状态。

本发明的试验方法能够较为真实地模拟试验管片在变形过程中引起土压力变化并且该土压力变化又引起管片进一步变形的情况，也即在试验管片变形的过程中，土压力值是动态变化，本发明通过实时或等间隔地测量加载油缸和试验管片间的距离，在试验管片发生变形过程中，对变形的变形量进行全程监控，并根据该变形量计算出对应的被动土压力值，进而根据被动土压力值来调整加载油缸的加载力。

作为本发明的另一较佳实施方式，测量加载油缸与试验管片外表面间的距离时，以设定时间间隔进行测量。较佳地，该时间间隔为2s。位移传感器23采用激光传感器，安装激光传感器时，令激光传感器发射的激光垂直于试验管片11的表面。该激光传感器的测量频率为1赫兹。

作为本发明的又一较佳实施方式，依据被动土压力值调整加载力，包括：

比较被动土压力值与加载力的大小并得到比较结果，根据比较结果调整加载油缸输出的加载力。在调整加载油缸的加载力时，通过调节油压输出比例来实现，使得加载力不断趋近于被动压力值。

同样地，在根据设定压力调节加载力时，将加载力与设定压力进行比较并得到另一比较结果；根据该比较结果来调节加载油缸输出的加载力。

作为本发明的再一较佳实施方式，在试验管片发生变形时，根据所测得的距离数据计算出变形量，并依据变形量计算出试验管片在设定埋深处的被动土压力值，包括：

当试验管片与加载油缸间距离变小时，依据当前的距离数据与原距离数据的差值计算得到变形量；

依据变形量与设定埋深处的土压力系数的乘积计算得到被动土压力值。

具体地，利用位移传感器测量距离数据，将第一次的距离数据存储作为原距离数据，而后每次接收到新的距离数据时，将该新的距离数据与原距离数据相比较，两者相同时则不处理，两者不同时进行比较判断，若当前的距离数据小于原距离数据，则计算差值而得到变形量；进而根据该变形量和设定埋深处的土压力系数的乘积计算得到被动土压力值，在试验开始时，根据试验管片实际施工参数预先输入对应的土压力系数。

被动土压力产生机理是由于加载油缸和管片间距离变小而产生，而在两者距离变大时不会产生被动土压力，所以在计算变形量时，只计算加载油缸和管片间距离变小时的变形量即可。

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)

1.一种管片加载试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供加载油缸，利用所述加载油缸对试验管片的外表面施加垂直于试验管片表面的加载力，并实时检测所述加载力；

依据设定压力调节所述加载力以使得所述加载力趋近于所述设定压力；

测量所述加载油缸与所述试验管片外表面间的距离得到距离数据；

在所述试验管片发生变形时，根据所测得的距离数据计算出变形量，并依据所述变形量计算出所述试验管片在设定埋深处的被动土压力值；

依据所述被动土压力值调整所述加载力以使得所述加载力趋近于所述被动土压力值。

2.如权利要求1所述的管片加载试验方法，其特征在于，在依据所述被动土压力值调整所述加载力的过程中，随着所述加载力的调整所述试验管片的变形发生变化，根据所述试验管片新的变形量重新计算新的被动土压力值，再依据所述新的被动土压力值调整所述加载力，重复上述步骤实现被动土压力值和加载力的动态调整，直至所述试验管片变形完成达到稳定状态。

3.如权利要求1所述的管片加载试验方法，其特征在于，测量所述加载油缸与所述试验管片外表面间的距离时，以设定时间间隔进行测量。

4.如权利要求1所述的管片加载试验方法，其特征在于，依据所述被动土压力值调整所述加载力，包括：

比较所述被动土压力值与所述加载力的大小并得到比较结果，根据所述比较结果调整所述加载油缸输出的加载力。

5.如权利要求1所述的管片加载试验方法，其特征在于，在所述试验管片发生变形时，根据所测得的距离数据计算出变形量，并依据所述变形量计算出所述试验管片在设定埋深处的被动土压力值，包括：

当所述试验管片与所述加载油缸间距离变小时，依据当前的距离数据与原距离数据的差值计算得到变形量；

依据所述变形量与设定埋深处的土压力系数的乘积计算得到被动土压力值。

6.一种管片加载试验装置，其特征在于，包括：

加载油缸，用于对试验管片的外表面施加垂直于试验管片表面的加载力；

安装于加载油缸上的压力传感器，用于实时检测所述加载油缸的加载力；

与所述加载油缸和所述压力传感器连接的控制单元，用于依据设定压力调节所述加载力以使得所述加载力趋近于所述设定压力；

安装于所述加载油缸上的位移传感器，用于测量所述加载油缸与所述试验管片外表面间的距离得到距离数据；

与所述位移传感器和所述控制单元连接的计算单元，用于在试验管片发生变形时计算得到变形量，并依据所述变形量计算出所述试验管片在设定埋深处的被动土压力值，将所得到的被动土压力值发送给控制单元；

其中的所述控制单元依据所述被动土压力值调整所述加载力以使得所述加载力趋近于所述被动土压力值。

7.如权利要求6所述的管片加载试验装置，其特征在于，所述控制单元调整所述加载力的过程中，随着所述加载力的调整所述试验管片的变形发生变化，在所述试验管片的变形变化过程中，所述计算单元根据所述位移传感器测量的新的距离数据重新计算得出新的被动土压力值，并将所述新的被动土压力值发送给控制单元，所述控制单元依据所述新的被动土压力值调整所述加载力，如此往复来实现被动土压力值和加载力的动态调整，直至所述试验管片变形完成达到稳定状态。

8.如权利要求6所述的管片加载试验装置，其特征在于，所述位移传感器以设定时间间隔测量所述加载油缸与所述试验管片外表面间的距离。

9.如权利要求6所述的管片加载试验装置，其特征在于，所述控制单元包括比较模块和处理模块；

所述比较模块比较所述被动压力值与所述加载力的大小得到比较结果；

所述处理模块与所述比较模块连接，用于根据所述比较结果调整所述加载油缸输出的加载力。

10.如权利要求6所述的管片加载试验装置，其特征在于，所述计算单元包括变形量计算模块和土压力计算模块；

所述变形量计算模块在所述试验管片与所述加载油缸间距离变小时，计算当前的距离数据与原距离数据的差值得到变形量；

所述土压力计算模块与所述变形量计算模块连接，用于计算所述变形量与设定埋深处的土压力系数的乘积以得到被动土压力值。