CN110132718B - 基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法及系统，所述方法包括以下步骤：1)根据实际隧道结构，以设定相似比制作衬砌模型；2)对所述衬砌模型进行加载试验，记录衬砌模型的结构变形与对应荷载；3)根据所述相似比获得相应的实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；4)测量获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，测得实际隧道结构的剩余承载力。与现有技术相比，本发明能够根据工程监测的数据，定量判断结构的剩余承载力，作为结构安全评价依据，同时通过模型试验还能够揭示结构的受力损伤特征和破坏模式。
Description
技术领域
本发明涉及隧道安全监测技术领域，尤其是涉及一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法及系统。
背景技术
隧道结构在长期运营过程中，可能发生开裂、变形过大等结构问题，影响隧道的使用性能。特别是破碎围岩条件下，隧道容易产生大变形，可能破坏支护结构、侵入建筑界限，危害结构和交通安全，严重时甚至会导致塌方，造成严重后果。实际工程中，工程师一般结合隧道收敛变形的大致特征及隧道所在地的地质、气候、水文等信息，根据经验判断制订处治对策和方案。实践表明，仅根据经验制定方案和对策是不够的，缺乏系统和科学的隧道安全状态诊断方法，可能导致不合理甚至错误的处置，造成不必要的浪费。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，包括以下步骤：
1)根据实际隧道结构，以设定相似比制作衬砌模型；
2)对所述衬砌模型进行加载试验，记录衬砌模型的结构变形与对应荷载；
3)根据所述相似比获得相应的实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；
4)测量获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，测得实际隧道结构的剩余承载力。
进一步地，所述相似比包括几何、强度、弹性模量、应变、位移、面力、体力、力、弯矩、地层抗力系数和配筋率的相似比。
进一步地，所述衬砌模型中混凝土采用混合砂浆模拟，钢筋采用镀锌钢丝模拟。
进一步地，所述步骤3)中的数据拟合采用分阶段拟合，具体地：
第一阶段，开始加载至结构开裂前，采用线形回归分析拟合；第二阶段，结构开裂至主裂缝贯通前，采用线形回归分析拟合，且斜率小于第一阶段；第三阶段，主裂缝贯通至结构破坏，采用最小二乘法进行多项式拟合。
本发明还提供一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定系统，包括：
衬砌模型，该衬砌模型根据实际隧道结构以设定相似比制作获得；
加载装置，用于对所述衬砌模型施加荷载，该加载装置包括用于测量对所述衬砌模型所施加的荷载的压力传感器；
百分表，用于对衬砌模型的变形进行测量；
计算机，与所述压力传感器和百分表连接，获取测量数据，并根据所述测量数据处理获得实际隧道结构的剩余承载力。
进一步地，所述加载装置包括：
加载单元，设有多个，均匀分布于衬砌模型的拱部和边墙外侧；
反力单元，设有多个，均匀分布于衬砌模型的仰拱外侧；
反力架，所述加载单元和反力单元安装于该反力架上；
该加载装置采用单调静力全周分级加载方式施加荷载，模拟拱顶松动荷载、偏压荷载和侧向荷载。
进一步地，所述加载单元包括由外到内依次连接的法兰盘、千斤顶、压力传感器、弹簧和加载曲板，所述法兰盘与反力架连接，所述加载曲板作用于衬砌模型。
进一步地，所述反力单元包括从外到内依次连接的法兰盘、螺栓、压力传感器、弹簧和加载曲板，所述法兰盘与反力架连接，所述加载曲板作用于衬砌模型。
进一步地，所述百分表包括布置于衬砌模型外表面每个曲板中间位置的第一百分表、纵向布置于左右侧起拱线位置的第二百分表以及横向布置于拱顶安装的第三百分表。
进一步地，所述计算机保存有一测定程序，该测定程序运行时执行以下步骤：
根据获取的测量数据及相似比获得实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；
获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，计算实际隧道结构的剩余承载力。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
1)本发明通过科学、准确地评估结构当前的承载状态和剩余承载力，有助于正确地判断隧道结构的安全状况，以便及时采取有效的措施，延长隧道使用寿命并减少安全事故发生。
2)本发明能够根据工程监测的数据，定量判断结构的剩余承载力，为结构安全评价依据，同时通过模型试验还能够揭示结构的受力损伤特征和破坏模式，对维修加固方法的选择有一定的参考意义。
3)本发明通过设定相似比建立与实际隧道结构对应的衬砌模型，能够准确模拟实际隧道结构的变形及相应施加荷载，进而准确测定实际隧道结构的剩余承载力。
4)本发明采用分阶段拟合方式获得变形荷载函数关系，与实际结构变形过程相匹配，拟合准确度高。
5)本发明适用于修建于IV-VI级围岩区段的各类公路隧道断面，实现了隧道剩余承载力的定量分析，为结构安全状态的评估提供了科学的依据。
附图说明
图1为根据隧道衬砌变形特征确定剩余承载力的流程图；
图2为测定装置的组成示意图；
图3为拱部和边墙位置由千斤顶、弹簧、加载板等组成的加载单元示意图；
图4为仰拱位置由弹簧、加载板等组成的反力单元示意图；
图5为量测系统的测点布置示意图；
图6为试验所得荷载-位移数据和拟合曲线；
图中：1-衬砌模型，2-加载单元，3-反力单元，4-反力架，5-法兰盘，6-千斤顶，7-压力传感器，6-弹簧，9-加载板，10-连接螺栓，11-百分表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，适用于修建于IV-VI级围岩区段的各类公路隧道断面，包括以下步骤：
1)根据实际隧道结构，以设定相似比制作衬砌模型，所述相似比包括几何、强度、弹性模量、应变、位移、面力、体力、力、弯矩、地层抗力系数和配筋率的相似比；
2)对所述衬砌模型进行加载试验，记录衬砌模型的结构变形与对应荷载；
3)根据所述相似比获得相应的实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；
4)测量获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，测得实际隧道结构的剩余承载力。
A.模型设计
本实施例中，几何相似比CL(模型/原型，其余相似比类似)依据试验室场地条件和加载的便利性选取，可取1/15-1/10；模型轴向长度可取30cm。
衬砌模型1中混凝土采用混合砂浆模拟，钢筋采用镀锌钢丝模拟。混合砂浆由水泥、黄砂、石灰膏和水按照一定比例配合而成，混合砂浆的材料配比按下列要求确定：和易性好，便于在尺寸较小的模具中浇筑。
采用7cm×7cm×7cm的立方体试块进行单轴压缩试验测试其抗压强度，除以原型混凝土材料的抗压强度可得强度相似比Cσ；混合砂浆的强度适宜，过大会导致模型破坏荷载过大超过试验室的加载能力，过小则会导致模型破坏太快，强度相似比可取1/10。采用10cm×10cm×30cm的棱柱体试块进行单轴压缩试验测试其弹性模量，除以原型混凝土材料的弹性模量可得弹性模量的CE，混合砂浆的弹性模量应较小，可使结构变形较明显而易于测量，弹性模量可取1/15-1/10。强度相似比和弹性模数相似比尽可能相同。
应变、位移、面力、体力、力、弯矩和地层抗力系数的相似比Cε、Cδ、Cs、Cρ、CN、CM、Ck可分别按公式(1)至公式(7)的相似关系确定：
Cs＝Cσ(3)
进一步，模型结构的配筋率相似比根据截面抗弯强度满足强度相似比确定，根据公式(8)计算：
公式中
表示模型中钢丝的屈服强度和原型中抗拉钢筋的屈服强度的比值。
钢丝保护层厚度按照几何相似比计算，制作模型时，沿模型衬砌轴向的钢丝端部做弯折处理，弯头长度与保护层厚度相同，弯头紧贴模具。
B.加载装置
加载装置用于对衬砌模型施加荷载，该加载装置包括用于测量对所述衬砌模型所施加的荷载的压力传感器。如图2所示，加载装置包括：加载单元2，设有多个，均匀分布于衬砌模型的拱部和边墙外侧；反力单元3，设有多个，均匀分布于衬砌模型的仰拱外侧；反力架4，所述加载单元2和反力单元3安装于该反力架4上。
加载单元2包括由外到内依次连接的法兰盘5、千斤顶6、压力传感器7、弹簧8和加载曲板9，所述法兰盘5与反力架4连接，所述加载曲板9作用于衬砌模型1。反力单元3包括从外到内依次连接的法兰盘5、螺栓10、压力传感器7、弹簧8和加载曲板9，所述法兰盘5与反力架4连接，所述加载曲板9作用于衬砌模型1。反力架4用来支撑千斤顶和弹簧的反力及安装量测设备，用钢板制作，可以在外侧焊接工字钢提高反力架的刚性。
弹簧反力用于模拟弹性地层抗力，因此弹簧的弹性系数K应满足与地层抗力系数k相似的要求，可根据公式(9)计算：
进一步，由于结构自重对承载力的影响较小，加载装置水平放置于地面以便于试验操作；在加载装置和衬砌模型与地面的接触面上进行刷漆整平处理，并在地面放置聚四氟乙烯板或涂抹润滑脂，减小加载装置和衬砌模型与地面的摩擦。
通过加载装置可模拟拱顶松动荷载、偏压荷载和侧向荷载：(a)拱顶的3个千斤顶主动加载，其他千斤顶和弹簧一起被动受力，可模拟拱顶松动荷载；(b)所有千斤顶主动加载，但左右两侧千斤顶加载大小不同，可模拟偏压荷载；(c)仅一侧的千斤顶主动加载，另一侧千斤顶和弹簧一起被动受力，可模拟侧向荷载。
C.量测设备
量测设备包括用于测量对所述衬砌模型所施加的荷载的压力传感器和用于对衬砌模型的变形进行测量的百分表。
在上部千斤顶与弹簧连接处通过套筒连接压力传感器，仰拱弹簧位置压力传感器通过螺栓嵌入法兰盘并与反力架相连，用于测量千斤顶主动施加的荷载大小和弹簧反力的大小。
沿模型隧道外表面每个曲板中间位置布置百分表，用于测量模型全周的径向位移；在左右侧起拱线位置各安装一个纵向的百分表，用于测量起拱线的沉降；当模拟偏压荷载和侧向荷载时，在拱顶安装一个横向的百分表，用于测量拱顶的偏移。
D.加载方案
采用单调静力全周分级加载，每级荷载施加后待荷载稳定30min再开始下一级荷载，直至结构破坏。
进一步，所述结构破坏的标志包括：受拉主钢筋拉断；受压区混凝土压坏。当在规定的荷载持续时间结束后，出现上述标志之一时，应以此时的荷载值作为截面破坏的实测值；当在加载过程中出现上述标志之一时，应取前一级荷载值作为破坏荷载的实测值；当在规定的荷载持续时间内出现上述标志之一时，应取本级荷载值与前一级荷载的平均值作为破坏荷载的实测值。
模型试验应进行多组平行试验进行验证，确保试验结果可靠；当某组平行试验与其他组结果相差过大时，认为此组试验失败，剔除该组试验数据。
E.剩余承载力测定
所述的压力传感器和百分表通过采集仪连接到计算机，通过采集软件保存记录全过程数据。计算机保存有一测定程序，该测定程序运行时执行以下步骤：
根据获取的测量数据及相似比获得实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；
获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，计算实际隧道结构的剩余承载力。
测量的模型变形δm(mm)和荷载Pm(kPa)分别按照公式(10)和公式(11)反算原型结构的变形δp(mm)和荷载Pp(kPa)：
优选地，数据拟合可结合模型试验的现场采用分阶段拟合，具体地：
第一阶段，开始加载至结构开裂前，采用线形回归分析拟合；第二阶段，结构开裂至主裂缝贯通前，采用线形回归分析拟合，且斜率小于第一阶段；第三阶段，主裂缝贯通至结构破坏，采用最小二乘法进行多项式拟合。
获得实际隧道结构的当前收敛变形即结构监测，应从施工期开始，记录结构施工完成时结构的初始变形状况，带入所述荷载变形函数关系式的结构实际变形为初始状态至今的累计变形值。
若围岩等级不清楚时，利用钻孔获取围岩试样，通过加载试验获取岩体的抗压强度、弹性模数等数据，判定围岩等级。
本实施例针对一座2车道公路隧道，开展模型试验，研究其结构变形与荷载的关系。原型隧道断面宽1186cm，高962.8cm，轴向长300cm；二衬为C30钢筋混凝土，厚50cm，受拉主钢筋为HRB335，保护层厚度5cm，配筋率0.62％。考虑试验室场地大小和加载条件，几何相似比CL选择1/10，模型衬砌厚5cm，宽118.6cm，高96.28cm，轴向长度30cm，。根据多次配比试验比较，混凝土材料采用水泥、黄砂、石灰膏和水的质量比为187:1450:113:330时制成的M30混合砂浆模拟。经过7cm×7cm×7cm的立方体试块单轴压缩试验测得抗压强度为3.1MPa，强度相似比Cσ≈1/10；经过10cm×10cm×30cm的棱柱体试块单轴压缩试验测得弹性模量1.57Gpa，弹性模量相似比CE≈1/20。
进一步，由公式(1)至公式(7)的相似关系计算其他物理量的相似常数：
Cε＝2、Cδ＝0.2、Cs＝0.1、Cρ＝1、CN＝10-3、CM＝10-4、Ck＝0.5
采用直径1mm、屈服强度为195MPa的镀锌钢丝模拟钢筋，保护层厚度5mm，根据截面抗弯强度满足强度相似比确定模型结构的配筋率相似比，根据公式(8)计算：
根据相似比的要求，沿隧道环向，截面两侧各配置20根受力主筋，则模型的配筋率为0.105％，满足配筋率相似比要求。制作模型时，沿模型衬砌轴向的钢丝端部做弯折处理，弯头长度与保护层厚度相同为5mm，弯头紧贴模具。
加载装置如图2所示，在结构模型1的拱部和边墙外侧均匀分布11个加载单元A～K2，模型仰拱外侧均匀分布5个反力单元L～P，加载单元2和反力单元3安装在钢板和工字钢制作的反力架4内侧。加载单元2的结构如图3所示，从外到内分别由连接反力架的法兰盘5、千斤顶6、压力传感器7、弹簧8、加载曲板9组成；反力单元3的结构如图4所示，从外到到内分别由连接反力架的法兰盘5、螺栓10、压力传感器7、弹簧8、加载曲板9组成。加载曲板9面积为0.063m2，曲率与模型一致并紧贴在模型的外表面，将千斤顶和弹簧的集中荷载转化为均布荷载。
为模拟弹性抗力系数为3.16MPa/m的VI级围岩，根据公式(9)求得弹簧弹性系数为100kN/m：
K＝100kN/m
对于IV-V级围岩，也可以分别确定模拟期弹性抗力的弹簧的弹性系数。
进一步，由于试验主要关注外力作用下结构的受力变形特征，结构自重对承载力的影响较小，所述的加载装置水平放置于地面以便于试验操作；在试验装置和衬砌模型与地面的接触面上进行刷漆整平处理，并在地面放置聚四氟乙烯板或涂抹润滑脂，减小试验装置和衬砌模型与地面的摩擦。
量测系统如图5所示，包括前述的压力传感器7和百分表11。压力传感器与加载单元和反力单元的千斤顶和弹簧相连，用于测量千斤顶主动施加的荷载大小和弹簧反力的大小。百分表布置在模型外表面每个曲板中间位置用于衬砌模型全周的径向位移；在左右侧起拱线位置各安装一个纵向的百分表，用于测量起拱线的沉降。压力传感器和百分表通过采集仪连接到计算机，通过采集软件保存记录试验全过程量测的荷载和结构位移数据。
原型结构由于拱顶上方围岩劣化、松动圈扩大，导致和在水平增加。试验中通过控制拱顶的3支千斤顶E～G主动加载、其余加载单元、弹簧被动受荷承担结构反力来模拟拱顶松动荷载。
图6为由该次试验得到的模拟IV-VI级围岩的荷载-位移数据图。VI级围岩状态下最终破坏荷载时拱顶均布荷载为189kPa。根据试验现象，结构变形过程可分为3个阶段：第I阶段，开始加载至结构开裂前，采用线形回归分析拟合，结构荷载-位移关系为P＝9.5442Δ(Δ＜7.2)；第II阶段，结构开裂至主裂缝贯通前，也采用线形回归分析拟合，结构荷载-位移关系为P＝3.2686Δ+50.26(7.2≤Δ≤42.1)；第III阶段，主裂缝贯通至结构破坏，采用最小二乘法做多项式拟合，本试验该阶段仅2点，也可采用线性回归，结构荷载-位移关系为P＝0.1618Δ+177.65(Δ＞42.1)。
通过实际运营隧道的现场调查和监测发现，该隧道所处围岩等级为VI级，施工期结构拱顶相对仰拱沉降2mm，运营期结构拱顶相对仰拱沉降3mm，累计变形为5mm，根据所述的荷载-位移关系公式可以估算当前的拱顶的荷载为47.7kPa，剩余承载力为189-47.4＝141.3kPa。
若实测围岩等级为IV级或V级，可以选择图5中对应等级的试验数据，通过分段拟合获得该等级围岩的荷载-位移关系公式。
本发明根据隧道衬砌变形特征确定剩余承载力的方法不仅局限于上述实施例，不违背本发明分析方法基本精神原则所做的些许改动，均属于本发明的保护范围。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）根据实际隧道结构，以设定相似比制作衬砌模型；
2）对所述衬砌模型进行加载试验，记录衬砌模型的结构变形与对应荷载，加载试验过程中采用百分表对衬砌模型的变形进行测量；
所述百分表包括布置于衬砌模型外表面每个曲板中间位置的第一百分表、纵向布置于左右侧起拱线位置的第二百分表以及横向布置于拱顶安装的第三百分表；
3）根据所述相似比获得相应的实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系，具体地：
第一阶段，开始加载至结构开裂前，采用线形回归分析拟合；第二阶段，结构开裂至主裂缝贯通前，采用线形回归分析拟合，且斜率小于第一阶段；第三阶段，主裂缝贯通至结构破坏，采用最小二乘法进行多项式拟合；
4）获得实际隧道结构的当前收敛变形即结构监测，应从施工期开始，记录结构施工完成时结构的初始变形状况，带入所述变形荷载函数关系的结构实际变形为初始状态至今的累计变形值，基于所述变形荷载函数关系，测得实际隧道结构的剩余承载力。
2.根据权利要求1所述的基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，其特征在于，所述相似比包括几何、强度、弹性模量、应变、位移、面力、体力、力、弯矩、地层抗力系数和配筋率的相似比。
3.根据权利要求1所述的基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，其特征在于，所述衬砌模型中混凝土采用混合砂浆模拟，钢筋采用镀锌钢丝模拟。
4.一种实现如权利要求1所述的结构剩余承载力测定方法的基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定系统，其特征在于，包括：
衬砌模型，该衬砌模型根据实际隧道结构以设定相似比制作获得，衬砌模型中混凝土采用混合砂浆模拟，钢筋采用镀锌钢丝模拟；
加载装置，用于对所述衬砌模型施加荷载，该加载装置包括用于测量对所述衬砌模型所施加的荷载的压力传感器；
百分表，用于对衬砌模型的变形进行测量，包括布置于衬砌模型外表面每个曲板中间位置的第一百分表、纵向布置于左右侧起拱线位置的第二百分表以及横向布置于拱顶安装的第三百分表；
计算机，与所述压力传感器和百分表连接，获取测量数据，并根据所述测量数据处理获得实际隧道结构的剩余承载力；
所述加载装置包括：
加载单元，设有多个，均匀分布于衬砌模型的拱部和边墙外侧，包括由外到内依次连接的法兰盘、千斤顶、压力传感器、弹簧和加载曲板，所述法兰盘与反力架连接，所述加载曲板作用于衬砌模型；
反力单元，设有多个，均匀分布于衬砌模型的仰拱外侧；
反力架，所述加载单元和反力单元安装于该反力架上；
该加载装置采用单调静力全周分级加载方式施加荷载，模拟拱顶松动荷载、偏压荷载和侧向荷载。
5.根据权利要求4所述的基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定系统，其特征在于，所述反力单元包括从外到内依次连接的法兰盘、螺栓、压力传感器、弹簧和加载曲板，所述法兰盘与反力架连接，所述加载曲板作用于衬砌模型。
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