CN109781366B - 一种矩形顶管隧道f型承插接头的受弯试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，包括以下步骤：将采用F型承插接头连接的两个矩形顶管构件放置于支撑体系上，支撑体系包括固定支座、弹性支撑、临时支撑和滑动支撑；在钢套环正上方安装竖向荷载施加装置，在两个弹性支撑上部分别安装一个压力传感器，在刚套环下部安装两个电测位移计；通过竖向荷载施加装置依次施加各级荷载获取试验数据后对其进行分析处理得到所述矩形顶管F型承插接头的转动刚度模型。本发明的优点是：可操作性强，通过设置弹性支撑模拟地层对接头转动的限制作用，可以较为真实地反映矩形顶管接头受弯力学行为，准确获得接头的转动刚度模型。

Description

一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法

技术领域

本发明涉及矩形顶管隧道技术领域，具体涉及一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法。

背景技术

矩形顶管法修建的隧道具有断面面积利用率高、埋深浅、不中断地面道路交通、避免地下管线的拆迁、无噪音等优点，可应用于暗挖地铁车站、地下综合管廊、地铁车站出入口过街通道、行人过街地下通道、下穿城市道路的隧道、城市地下空间开发以及地下空间的互联互通等工程中，代表着城市中短隧道修建技术的发展方向之一。

大量的已建矩形顶管隧道管节纵向连接通常采用F型承插接头，主要起到防水的功效，属于柔性接头，但在隧道上方地表荷载发生变化、下卧土层不均匀、地下水位发生变化、地下结构近接穿越工程活动等情况下，管节容易发生节间弯曲张开变形。当张开变形过大时，易导致接头局部防水失效而引起整体防水效果大大降低，从而出现渗漏、滴水甚至漏砂漏泥等病害，影响正常使用，危及结构安全，甚至引发工程灾害。

因此，如何准确预测运营期矩形顶管隧道管节弯曲张开变形成为工程界与学术界关注的难点与热点。但是，考虑接变形非连续性的纵向变形预测方法首先需要确定接头的转动刚度模型，然而确定接头转动刚度模型的试验方法未见相关报道。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，通过在采用F型承插接头连接的两个矩形顶管构件下方设置固定支撑、滑动支撑、临时支撑和弹性支撑，向两个矩形顶管构件施加荷载，撤除其下的临时支撑改为弹性支撑，从而获得弯矩和相对转角的试验数据，对其分析处理得到接头的转动刚度模型。。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，其特征在于所述受弯试验方法包括以下步骤：将采用F型承插接头连接的两个矩形顶管构件放置于支撑体系上，所述F型承插接头外设置有钢套环，使其中一个所述矩形顶管构件下方的所述支撑体系自内向外依次为临时支撑、弹性支撑以及固定支座，使另一个所述矩形顶管构件下方的所述支撑体系自内向外依次为临时支撑、弹性支撑以及滑动支座；在所述钢套环正上方安装竖向荷载施加装置，在两个所述弹性支撑上部分别安装一个压力传感器，在所述刚套环下部安装两个电测位移计；通过所述竖向荷载施加装置依次施加各级荷载获取试验数据后对其进行分析处理得到所述矩形顶管F型承插接头的转动刚度模型。

所述竖向荷载施加装置包括作动器与分配梁，所述作动器设置于所述分配梁的正上方，所述分配梁设置于所述刚套环的正上方且和两个所述矩形顶管构件上部连接。

施加各级荷载之前还包括以下步骤：使所述作动器向下运动至与所述分配梁刚好接触，读取所述压力传感器、所述电测位移计的初始读数，对所述矩形顶管构件施加小荷载以使各部分接触良好，然后将其卸载。

所述临时支撑为内部填满标准砂的砂筒，所述砂筒包括上筒和下筒，所述上筒套设于所述下筒内并可沿所述下筒内壁面做竖向运动，所述上筒筒顶与所述矩形顶管构件下部接触支撑，所述下筒侧壁面设有开孔并通过螺栓封堵。

获取所述试验数据的具体方法为：通过所述竖向荷载施加装置施加第一级荷载，扭开所述砂筒的所述螺栓使所述标准砂从所述砂筒内均匀流出，所述上筒下沉，使两个所述矩形顶管构件与所述弹性支撑充分接触，待荷载稳定后采集第一组数据；依次施加各级荷载，待每次荷载稳定后进行数据采集。

分析处理所述试验数据的具体方法为：绘制弯矩与相对转角的关系图，通过对试验数据进行拟合，得到弯矩与相对转角的函数关系式，对所述函数关系式求导得到所述矩形顶管F型承插接头的转动刚度模型。

所述弹性支撑为弹簧支座。

所述弹性支撑和所述临时支撑设置于支墩上部。

本发明的优点是：力学概念明确，可操作性强，通过设置弹性支撑模拟地层对接头转动的限制作用，可以较为真实地反映矩形顶管接头受弯力学行为，准确获得接头的转动刚度模型。

附图说明

图1为本发明中矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验装置的结构示意图；

图2为本发明中弹簧支座的剖面结构示意图；

图3为本发明中弹簧的俯视示意图；

图4为本发明中砂筒的剖面结构示意图；

图5为本发明中砂筒的俯视示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5，图中标记1-20分别为：矩形顶管构件1、刚套环2、固定支座3、滑动支座4、弹簧支座5、砂筒6、小支墩7、压力传感器8、大支墩9、电测位移计10、分配梁11、作动器12、上支座13、下支座14、弹簧15、上筒16、下筒17、标准砂18、孔19、螺栓20。

实施例：如图1-5所示，本实施例具体涉及一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，该试验方式通过采用F型承插方式连接的两个矩形顶管构件1连为一体并在连接处形成接头，在两个矩形顶管构件1的下方设置支撑体系，通过作动器12向接头两侧的矩形顶管构件1施加各级荷载以模拟接头受弯力学行为从而获取试验数据，对其进行分析处理即得到矩形顶管接头的转动刚度模型。

如图1-5所示，本实施例中矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法具体步骤如下：

（1）如图1所示，采用F型承插方式将两个矩形顶管构件1连成一体，并在两个矩形顶管构件1连接处形成F型承插接头，在F型承插接头外设置刚套环2，本实施例中的两个矩形顶管构件1的尺寸相同，然后根据矩形顶管构件1的尺寸设置用于支撑这两个矩形顶管构件1的支撑体系，该支撑体系设置在水平地面上，包括一个固定支座3、一个滑动支座4、两个弹簧支座5、两个砂筒6、两个小支墩7和两个大支墩9，将两个矩形顶管构件1安置在支撑体系上，使得其中一个矩形顶管构件1下方自内向外依次为砂筒6、弹簧支座5以及固定支座3，而另一个矩形顶管构件1下方自内向外依次为砂筒6、弹簧支座5以及滑动支座4，固定支座3、滑动支座4和砂筒6起到主要的支撑作用；其中由于砂筒6的高度较低，在其下方设置了小支墩7，并且在同一个矩形顶管构件1下方的弹簧支座5和小支墩7下方还设置了大支墩9，使其能够接触到地面起到支撑矩形顶管构件1的作用。

如图2、3所示，弹簧支座5包括上支座13、下支座14和弹簧15，上支座13和下支座14均呈圆筒状，且下支座14套设于上支座13内，起到相互限位的作用，弹簧15的两端分别连接上支座13和下支座14，使得上支座13在受力时压缩弹簧15并沿下支座14的外筒壁面向下运动，直至压力与弹簧15的支持力平衡，弹簧15的刚度系数通过试验所在的地基土的性质来确定，其具体确定过程为：首先根据地基土的性质确定竖向基床系数，然后竖向荷载施加装置底面积乘以竖向基床系数得到等效弹性总刚度，等效弹性总刚度除以二即可得到单个弹性支撑刚度，通过单个弹性支撑刚度可以很容易选取弹簧15的参数，即线径、外径、自由高度和圈数；当然，本实施例中的弹簧支座5也可以是其他能够在施加荷载时发生形变以模拟地层对接头转动的限制作用的其他弹性支撑结构；由于矩形顶管构件1的接头脆弱，弹性支撑一方面可以起到固定矩形顶管构件1、防止其在自重作用导致接头提前破坏的作用，另一方面可以用于模拟地层对接头转动的限制作用。

如图4、5所示，砂筒6包括上筒16和下筒17，上筒16套设于下筒17中，起到相互限位的作用，且砂筒6填满了标准砂18，使得砂筒6的高度保持不变，其中，标准砂18即加工后符合标准规定的石英砂，下筒17的侧壁面上对称设置有两个尺寸相同的孔19，并用螺栓20对孔19进行封堵；上筒16的筒顶与矩形顶管构件1下部接触支撑，起到临时支撑的作用，此时矩形顶管构件1的支撑主要依靠砂筒6，而弹簧支座5起辅助作用，当需要切换到利用弹簧支座5起支撑作用时，只需同步打开下筒17的两个螺栓20，使标准砂18从孔内流出，由于标准砂的粒度单一，其流出的速度均匀可控，从而上筒16沿下筒17内壁面下沉，与矩形顶管构件1分离，不再起到支撑作用，由此完成弹性支撑与临时支撑两者之间的切换，当然砂筒6也可以用其他类型的支撑作为临时支撑，比如千斤顶等。

（2）在两个矩形顶管构件1的接头正上方安装竖向荷载施加装置，竖向荷载施加装置包括分配梁11和作动器12，分配梁11设置于刚套环2上部正中央并且和两个矩形顶管构件1的上部连接，而作动器12则设置于分配梁11的正上方，当作动器12下降作用于分配梁11时，分配梁11将所受的力均匀分配传递至两个矩形顶管构件1，使其接头受到弯力作用发生转动，从而模拟矩形顶管接头受弯力学行为，当然竖向荷载施加装置也可以是千斤顶等施力装置。

（3）在刚套环2的下部安装两个电测位移计10，在两个弹簧支座5的上部分别安装一个压力传感器8，使作动器12向下运动至与分配梁11刚好接触，读取压力传感器8、电测位移计10的初始读数，然后对两个矩形顶管构件1施加小荷载以使各部分接触良好，调整好后将其卸载。

（4）作动器12通过分配梁11施加第一级荷载于两个矩形顶管构件1上，拧开砂筒6的两个螺栓20使桶内的标准砂均匀流出，上筒16沿下筒17内壁面均匀下沉与矩形顶管构件1下部分离，从而使矩形顶管构件1与弹簧支座5的上支座13充分接触，上支座13受力压缩弹簧15并沿下支座14的外壁面下沉，直至弹簧15向上的弹力与上支座13所受的压力平衡，此时矩形顶管构件1的接头受弯发生转动，待第一级荷载稳定后采集压力传感器8、电测位移计10的数据；然后作动器12依次施加各级荷载于矩形顶管构件1上，每次待荷载稳定后采集压力传感器8、电测位移计10的数据。

（5）利用试验过程记录的不同分级的荷载与相应的受弯位移数据绘制弯矩与相对转角的关系图，并通过对试验数据进行拟合处理，得到弯矩与相对转角的函数关系式，对此关系式求导即可得到矩形顶管接头的转动刚度模型。

本实施例的有益效果是：（1）力学概念明确，通过设置弹性支撑模拟地层对接头受弯的限制作用，可以较为真实地反映矩形顶管接头受弯力学行为，准确获得接头的转动刚度模型；（2）可操作性强，砂筒这一临时支撑制作简单、操作方便。

Claims (6)

1.一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，其特征在于所述受弯试验方法包括以下步骤：将采用F型承插接头连接的两个矩形顶管构件放置于支撑体系上，所述F型承插接头外设置有钢套环，使其中一个所述矩形顶管构件下方的所述支撑体系自内向外依次为临时支撑、弹性支撑以及固定支座，使另一个所述矩形顶管构件下方的所述支撑体系自内向外依次为临时支撑、弹性支撑以及滑动支座；在所述钢套环正上方安装竖向荷载施加装置，在两个所述弹性支撑上部分别安装一个压力传感器，在所述钢套环下部安装两个电测位移计；通过所述竖向荷载施加装置依次施加各级荷载获取试验数据后对其进行分析处理得到所述矩形顶管F型承插接头的转动刚度模型；所述临时支撑为内部填满标准砂的砂筒，所述砂筒包括上筒和下筒，所述上筒套设于所述下筒内并可沿所述下筒内壁面做竖向运动，所述上筒筒顶与所述矩形顶管构件下部接触支撑，所述下筒侧壁面设有开孔并通过螺栓封堵；获取所述试验数据的具体方法为：通过所述竖向荷载施加装置施加第一级荷载，扭开所述砂筒的所述螺栓使所述标准砂从所述砂筒内均匀流出，所述上筒下沉，使两个所述矩形顶管构件与所述弹性支撑充分接触，待荷载稳定后采集第一组数据；依次施加各级荷载，待每次荷载稳定后进行数据采集。

2.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，其特征在于所述竖向荷载施加装置包括作动器与分配梁，所述作动器设置于所述分配梁的正上方，所述分配梁设置于所述钢套环的正上方且和两个所述矩形顶管构件上部连接。

3.根据权利要求2所述的一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，其特征在于施加各级荷载之前还包括以下步骤：使所述作动器向下运动至与所述分配梁刚好接触，读取所述压力传感器、所述电测位移计的初始读数，对所述矩形顶管构件施加小荷载以使各部分接触良好，然后将其卸载。

4.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，其特征在于分析处理所述试验数据的具体方法为：绘制弯矩与相对转角的关系图，通过对试验数据进行拟合，得到弯矩与相对转角的函数关系式，对所述函数关系式求导得到所述矩形顶管F型承插接头的转动刚度模型。

5.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，其特征在于所述弹性支撑为弹簧支座。

6.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道F型承插接头的受弯试验方法，其特征在于所述弹性支撑和所述临时支撑设置于支墩上部。

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