CN109855986A - 一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法，包括以下步骤：将采用F型承插接头连接的三个矩形顶管构件放置于支撑体系上，使两个型钢支撑分别支撑于位于两侧的矩形顶管构件下方、两个弹性支撑以及两个临时支撑设置在中间的矩形顶管构件下方；在位于中间的矩形顶管构件正上方安装竖向荷载施加装置，在弹性支撑上部安装压力传感器，在刚套环下部安装电测位移计；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矩形顶管接头的剪切刚度模型。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变形的限制作用，可以较为真实地反映矩形顶管接头剪切力学行为，准确获得接头的剪切刚度模型。

Description

一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法

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管节接头的剪切试验方法。

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。

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，管节极易发生节间错台剪切变形。当剪切变形过大时，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剪切错台变形成为工程界与学术界关注的难点与热点。但是，考虑接变形不连续性的纵向变形预测方法首先需要确定接头的剪切刚度模型与刚度参数，然而确定接头剪切刚度模型与刚度参数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管节接头的剪切试验方法，通过采用F型承插接头连接的三个矩形顶管构件下方分别设置型钢支撑、临时支撑和弹性支撑，向位于中间的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，从而获得剪力和相对剪切位移的试验数据，对其分析处理得到接头的剪切刚度模型。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法，其特征在于所述剪切试验方法包括以下步骤：将通过采用F型承插接头连接的三个矩形顶管构件放置于支撑体系上，所述F形承插接头外设置有刚套环，使所述支撑体系中的两个型钢支撑分别支撑于位于两侧的所述矩形顶管构件下方、两个弹性支撑以及两个临时支撑支撑于位于中间的所述矩形顶管构件下方；在位于中间的所述矩形顶管构件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，在两个所述刚套环下部分别安装一个电测位移计；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接头的剪切刚度模型。

所述竖向荷载施加装置包括作动器与刚性梁，所述刚性梁设置于位于中间的所述矩形顶管构件上部正中央，所述作动器设置于所述刚性梁的正上方。

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刚性梁刚好接触，读取所述压力传感器、所述电测位移计的初始读数，对三个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，所述上筒筒顶与位于中间的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标准砂从所述砂筒内均匀流出，所述上筒下沉，使位于中间的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。

所述弹性支撑为弹簧支座。

分析处理所述试验数据的具体方法为：绘制剪力与相对剪切位移的关系图，通过对试验数据进行拟合，得到剪力与相对剪切位移的函数关系式，对所述函数关系式求导得到所述矩形顶管接头的剪切刚度模型。

位于两侧的所述矩形顶管构件的上部分别增设有配重。

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变形的限制作用，可以较为真实地反映矩形顶管接头剪切力学行为，准确获得接头的刚度模型。

附图说明

图1为本发明中矩形顶管隧道管节接头的剪切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1-19分别为：矩形顶管构件1、刚套环2、型钢支撑3、弹簧支座4、砂筒5、支墩6、配重7、刚性梁8、作动器9、电测位移计10、压力传感器11、上支座12、下支座13、弹簧14、上筒15、下筒16、标准砂17、孔18、螺栓19。

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管节接头的剪切试验方法，该试验方法通过F型承插方式将三个矩形顶管构件1依次连接，并在三个矩形顶管构件1的下方设置支撑体系，通过作动器9向位于中间的矩形顶管构件1施加各级荷载以模拟接头剪切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剪切刚度模型。

如图1-5所示，本实施例的矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法具体步骤如下：

（1）如图1所示，用F型承插方式将三个矩形顶管构件1依次连接成一体，从而使相邻的两个矩形顶管构件1之间形成一个F型承插接头，然后在F型承插接头外设置刚套环2，本实施例中使用的三个矩形顶管构件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三个矩形顶管构件1的支撑体系，该支撑体系设置在水平地面上，包括两个型钢支撑3、两个弹簧支座4、两个砂筒5和两个支墩6，将三个矩形顶管构件1安置在支撑体系上，使得两个型钢支撑3刚好支撑于位于两侧的矩形顶管构件1的下部，两个型钢支撑3的尺寸应小于矩形顶管构件1的尺寸，并且与两个接头存在一定距离，以更好地模拟顶管接头的剪切力学行为，而两个弹簧支座4和两个砂筒5则支撑于位于中间的矩形顶管构件1的下部，由于砂筒5的高度较低，在其下方设置了支墩6使其能够接触支撑到位于中间的矩形顶管构件1；需要指出的是，两个弹簧支座4与矩形顶管构件1的两个接头的距离可以相同也可不同，若距离相同，则试验中两个接头的剪切力理论上基本一致，每级荷载施加时所获得的两个接头的试验数据也基本相同，若距离不同，则试验中两个接头的剪切力存在差异，每级荷载施加时所获得的两个接头的试验数据也相差较大。

如图2、3所示，弹簧支座4包括上支座12、下支座13和弹簧14，上支座12和下支座13均呈圆筒状，且下支座13套设于上支座12内，起到相互限位的作用，弹簧14的两端分别连接上支座12和下支座13，使得上支座12在受力时压缩弹簧14并沿下支座13的外筒壁面向下运动，直至压力与弹簧14的支持力平衡，弹簧14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14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4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剪切错台变形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剪切错台变形的限制作用。

如图4、5所示，砂筒5包括上筒15和下筒16，上筒15套设于下筒16中，起到相互限位的作用，且砂筒5填满了标准砂17，使得砂筒5的高度保持不变，其中，标准砂17即加工后符合标准规定的石英砂，下筒16的侧壁面上对称设置有两个尺寸相同的孔18，并用螺栓19对孔18进行封堵；上筒15的筒顶与位于中间的矩形顶管构件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5和支墩6，而弹簧支座4起辅助作用，当需要切换到利用弹簧支座4起支撑作用时，只需同步打开下筒16的两个螺栓19，使标准砂17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15沿下筒16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5也可以用其他类型的支撑作为临时支撑，比如千斤顶等。

（2）在位于中间的矩形顶管构件1的正上方安装竖向荷载施加装置，竖向荷载施加装置包括刚性梁8和作动器9，刚性梁8设置于位于中间的矩形顶管构件1上部正中央，而作动器9则设置于刚性梁8的正上方，当作动器9下降作用于刚性梁8时，刚性梁8将所受的力均匀传递至中间的矩形顶管构件1上，使其两端的接头受剪力作用，从而模拟矩形顶管接头剪切力学行为，当然竖向荷载施加装置也可以是千斤顶等施力装置；然后在位于两侧的矩形顶管构件1上部增加配重7，平衡三个矩形顶管构件1，避免施加荷载作用于位于中间的矩形顶管构件1时产生较大的位移。

（3）在两个刚套环2的下部分别安装一个电测位移计10，在两个弹簧支座4的上部分别安装一个压力传感器11，使作动器9向下运动至与刚性梁8刚好接触，读取压力传感器11、电测位移计10的初始读数，然后对三个矩形顶管构件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9通过刚性梁8施加第一级荷载于位于中间的矩形顶管构件1，拧开砂筒5的两个螺栓19使桶内的标准砂均匀流出，上筒15沿下筒16内壁面均匀下沉与位于中间的矩形顶管构件1分离，从而使该矩形顶管构件1与弹簧支座4的上支座12充分接触，上支座12受力压缩弹簧14并沿下支座13的外壁面下沉，直至弹簧14向上的弹力与上支座12所受的压力平衡，此时矩形顶管构件1的两个接头受到剪力作用发生位移，待第一级荷载稳定后采集压力传感器11、电测位移计10的数据；然后作动器9依次施加各级荷载于位于中间的矩形顶管构件1，每次待荷载稳定后采集压力传感器11、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剪切位移数据绘制剪力与相对剪切位移的关系图，并通过对试验数据进行拟合处理，得到剪力与相对剪切位移的函数关系式，对此关系式求导即可得到矩形顶管接头的剪切刚度模型。

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变形的限制作用，可以较为真实地反映矩形顶管接头剪切力学行为，准确获得接头的剪切刚度模型；（2）可操作性强，砂筒这一临时支撑制作简单、操作方便。

Claims (8)

1.一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法，其特征在于所述剪切试验方法包括以下步骤：将通过采用F型承插接头连接的三个矩形顶管构件放置于支撑体系上，所述F形承插接头外设置有刚套环，使所述支撑体系中的两个型钢支撑分别支撑于位于两侧的所述矩形顶管构件下方、两个弹性支撑以及两个临时支撑设置在中间的所述矩形顶管构件下方；在位于中间的所述矩形顶管构件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，在两个所述刚套环下部分别安装一个电测位移计；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接头的剪切刚度模型。

2.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法，其特征在于所述竖向荷载施加装置包括作动器与刚性梁，所述刚性梁设置于位于中间的所述矩形顶管构件上部正中央，所述作动器设置于所述刚性梁的正上方。

3.根据权利要求2所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法，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刚性梁刚好接触，读取所述压力传感器、所述电测位移计的初始读数，对三个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管节接头的剪切试验方法，其特征在于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，所述上筒筒顶与位于中间的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。

5.根据权利要求4所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法，其特征在于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标准砂从所述砂筒内均匀流出，所述上筒下沉，使位于中间的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。

6.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法，其特征在于所述弹性支撑为弹簧支座。

7.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法，其特征在于分析处理所述试验数据的具体方法为：绘制剪力与相对剪切位移的关系图，通过对试验数据进行拟合，得到剪力与相对剪切位移的函数关系式，对所述函数关系式求导得到所述矩形顶管接头的剪切刚度模型。

8.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验方法，其特征在于位于两侧的所述矩形顶管构件的上部分别增设有配重。