CN111650046A - 一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置及方法，该装置包括模型箱，所述模型箱内填充有土体，土体中埋设有隧道模型，所述隧道模型由初次衬砌模型和装配式管片模型组成，所述装配式管片模型置于混凝土导向平台上并通过水泥砂浆垫层套装固定于初次衬砌模型内，所述装配式管片模型两端设置可拆卸盖板，基准梁的两端分别穿过两端的可拆卸盖板后固定在所述装配式管片模型中，所述隧道模型上设置有监测装置。

Description

一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置及方法

技术领域

本发明属于山岭隧道模型试验技术领域，特别涉及一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置及方法，适用于矿山法开挖山岭隧道工况的模拟，尤其是对矿山法施工的装配式衬砌山岭隧道特别适用。

背景技术

目前我国山岭公路隧道常采用钻爆法施工，隧道衬砌大多为传统的现场浇筑法施工，这对人员健康安全、工程质量和工程效率等，均较为不利。随着建设水平和技术的提高，隧道建设趋向标准化、机械化、预制化方向发展，装配式技术可以较好的解决以上问题。利用矿山法开挖并完成隧道初期支护，再利用配套机械设备进行预制混凝土管片拼装，并进行管片壁后充填、注浆，完成隧道二次衬砌，其中预制混凝土管片按生产工艺要求，在工厂标准化、批量加工制作，保证管片生产质量、隧道强度、防水及使用年限要求。通过研究既能保证施工质量，提高施工进度。

目前，国内对采用装配式衬砌的钻爆法施工公路隧道研究还处于初级阶段，对装配式衬砌断面形状、衬砌分块、结构计算等缺少研究。通过室内模型试验的方法，不仅可以解决软件模拟当中存在的诸多问题，如装配式管片受力不合理问题，同时也为装配式衬砌隧道的完善与发展提供可靠的数据资料，为装配式衬砌隧道的结构设计及结构模型优化提供数据保障。

综上所述，装配式衬砌隧道还有诸多内容需要研究，亟需通过室内模型试验获取数据资料，以进一步优化、改进装配式衬砌隧道技术。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置及方法，以解决现有存在的装配式管片受力不合理问题。

为实现上述技术目的，本发明实施例采用了以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，包括模型箱，所述模型箱内填充有土体，土体中埋设有隧道模型，所述隧道模型由初次衬砌模型和装配式管片模型组成，所述装配式管片模型置于混凝土导向平台上并通过水泥砂浆垫层套装固定于初次衬砌模型内，所述装配式管片模型两端设置可拆卸盖板，基准梁的两端分别穿过两端的可拆卸盖板后固定在所述装配式管片模型中，所述隧道模型上设置有监测装置。

进一步地，所述初次衬砌模型由若干管片模型首尾拼接围合而成，所述管片模型表面均匀设置锚杆模型。

进一步地，所述监测装置包括数据采集仪以及均与所述数据采集仪相连的第一位移计、土压力盒、微型土压力计、第二位移计和应变片，

其中，所述第一位移计，用于测定隧道模型的结构绝对变形，通过读取前后读数的变化，收集隧道模型结构的绝对变形程度；

所述土压力盒设置在初次衬砌模型外壁的两侧拱腰、拱顶以及拱底位置，通过读取过程中土压力盒的读数，收集初次衬砌模型周围的土体压力分布情况；

所述微型土压力计安装在装配式管片模型外壁的拱顶、拱底及拱腰处，通过读取微型土压力计的读数，收集初次衬砌模型与装配式管片模型之间的压力分布情况；

所述第二位移计安装在装配式管片模型内，即一端固定于装配式管片内部，一端固定于基准梁上，通过读取第二位移计的前后变化，收集装配式管片模型的拱顶、及两拱腰处的位移，用于收集装配式管片模型的绝对形变情况；

所述应变片布置在初次衬砌模型外壁底部，通过读取应变片读数，从而收集初次衬砌模型的底部弯矩变化情况。

进一步地，所述第一位移计搭载在辅助装置上，所述辅助装置自下而上由铅块、连接杆、垫片依次连接而成，第一位移计感应端头与垫片顶面中心相接触。

进一步地，所述连接杆外套设套管，起到防止扰动作用。

进一步地，所述模型箱为无盖容器，侧壁具有刻度。

进一步地，所述初次衬砌模型为圆环结构，横断面为马蹄形，两端沿环向设有橡胶套圈；所述装配式管片模型为圆环结构，横断面为马蹄形，两端沿环向设有橡胶套圈。

进一步地，所述装配式管片模型的两端由可拆卸盖板密封，两端的可拆卸盖板均设置一个供基准梁穿过的小孔，小孔内部沿环向设置橡胶套圈。

第二方面，本发明实施例提供一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置的施工方法，包括以下步骤：

(1)无缝安装模型箱，水平放置于地面，在模型箱中均匀铺设土体；

(2)在初次衬砌模型外侧拱腰、拱顶、拱底位置均设置土压力盒，拱底轴线位置设置应变片后在初次衬砌模型内部充满土体；

(3)将所述初次衬砌模型插入于土体中，使其底面与土体紧密结合，隧道模型两端与模型箱左右两侧洞口无缝连接；

(4)在初次衬砌模型上表面安装辅助装置，将第一位移计搭载在辅助装置上，所述辅助装置自下而上由铅块、连接杆、垫片依次连接而成，第一位移计感应端头与垫片顶面中心相接触；

(5)从初次衬砌模型洞口将土体挖出，清孔，后在其内部表面铺设混凝土导向平台；

(6)在装配式管片模型外侧拱顶、拱底及拱腰处设置微型土压力计，在内部安装第二位移计，第二位移计端位于拱腰、拱顶、拱底，另一端位于基准梁上；

(7)将水泥砂浆注入初次衬砌模型与装配式管片模型之间的缝隙中，完成安装。

第三方面，本发明实施例提供一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置的试验方法，该方法在第一方面所述的一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置中实现，该方法包括以下步骤：

(1)第一位移计用于测定隧道模型的结构绝对变形，通过读取前后读数的变化，收集隧道模型结构的绝对变形程度；

(2)土压力盒设置在初次衬砌模型外壁的两侧拱腰、拱顶以及拱底位置，通过读取过程中土压力盒的读数，收集初次衬砌模型周围的土体压力分布情况；

(3)微型土压力计安装在装配式管片模型外壁的拱顶、拱底及拱腰处，通过读取土压力盒的读数，收集初次衬砌模型与装配式管片模型之间的压力分布情况；

(4)第二位移计安装在装配式管片模型内，即一端固定于装配式管片内部，一端固定于基准梁上，通过读取第二位移计的前后变化，收集装配式管片模型的拱顶、及两拱腰处的位移，用于收集装配式管片模型的绝对形变情况。

(5)应变片布置在初次衬砌模型外壁底部，通过读取应变片读数，从而收集初次衬砌模型的底部弯矩变化情况；

(6)后期处理各部分读数并，绘制相关曲线图，得到分布规律。

根据以上技术方案，本发明实施例的有益效果是：

(1)真实模拟实际工况，装置结构简单

装配式管片模型利用混凝土导向平台控制位置，更加接近实际工况且实验精度更高。在真实模拟实际工况的条件下，将装置结构简单化，制作简便化。试验操作简单。

(2)针对布置测量装置，精确反映试验结果

在隧道模型顶部设置位移计，能测量隧道模型的结构绝对变形；在初次衬砌模型外部四个方向设置的土压力盒能够测量隧道模型外侧土压力分布情况；在初次衬砌模型和装配式管片模型之间安装微型土压力计，测量初次衬砌模型与装配式管片模型之间的压力；在初次衬砌模型底部间置应变片，测量隧道模型底部产生的弯矩变化；在装配式管片模型内部拱顶、拱底及两侧拱腰设置四个方向的位移计，能测量装配式管片模型的绝对位移和结构收敛变形情况；上述精确监测装配式管片模型的变形情况进行监控量测，充分反映试验过程装配式管片模型的受力及变形情况。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的试验装置整体结构示意图；

图2是本发明实施例中隧道模型横断面平面图；

图3是本发明实施例中隧道模型纵断面平面图；

图4是本发明实施例中装配式管片模型内部示意图；

附图标记说明：模型箱1；隧道模型2；管片模型3；土体4；锚杆模型5；铅块6；套管7；连接杆8；垫片9；第一位移计10；数据采集仪11；基准梁12；可拆卸盖板13；初次衬砌模型14；土压力盒15；混凝土导向平台16；水泥砂浆垫层17；微型土压力计18；装配式管片模型19；第二位移计20；应变片21。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1和图2所示，本实施例提供一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，包括模型箱1，所述模型箱1内填充有土体4，土体4中埋设有隧道模型2，所述隧道模型2由初次衬砌模型14和装配式管片模型19组成，所述初次衬砌模型14由若干管片模型3首尾拼接围合而成，所述装配式管片模型19置于混凝土导向平台16上并通过水泥砂浆垫层17套装固定于初次衬砌模型14内，由于混凝土导向平台的存在，让安装的精度更高，定位更准确。所述管片模型3表面均匀设置锚杆模型5，以模拟实际工程中锚杆对隧道初次衬砌产生的作用。所述装配式管片模型19两端设置可拆卸盖板13，基准梁12的两端分别穿过两端的可拆卸盖板13后固定在所述装配式管片模型19中，便于内部第二位移计20的安装，如图4所示。所述隧道模型2上设置有监测装置。

具体地，所述监测装置包括数据采集仪11以及均与所述数据采集仪11相连的第一位移计10、土压力盒15、微型土压力计18、第二位移计20和应变片21，

其中，所述数据采集仪11用于收集实测数据。

所述第一位移计10搭载在辅助装置上，用于测定隧道模型2的结构绝对变形，通过读取前后读数的变化，收集隧道模型2结构的绝对变形程度。其中，辅助装置自下而上由铅块6、连接杆8、垫片9依次连接而成，第一位移计10感应端头与垫片9顶面中心相接触，所述连接杆8外套设套管7，起到防止扰动作用。

土压力盒15设置在初次衬砌模型14外壁的两侧拱腰、拱顶以及拱底位置。通过读取过程中土压力盒的读数，收集初次衬砌模型14周围的土体压力分布情况。

微型土压力计18安装在装配式管片模型19外壁的拱顶、拱底及拱腰处，通过读取微型土压力计18的读数，收集初次衬砌模型14与装配式管片模型13之间的压力分布情况；

第二位移计20安装在装配式管片模型3内，即一端固定于装配式管片内部，一端固定于基准梁12上，通过读取第二位移计的前后变化，收集装配式管片模型19的拱顶、及两拱腰处的位移，用于收集装配式管片模型的绝对形变情况。

应变片21布置在初次衬砌模型14外壁底部，通过读取应变片读数，从而收集初次衬砌模型14的底部弯矩变化情况。

具体地，如图1所示，为真实模拟工况，模型箱1以20:1的比例缩小，长宽高分别为4m×3m×4m，内部包括隧道模型2，置于3.5m厚土体4中，上覆层土体4厚度800mm；管片模型3为厚度15mm、宽度60mm的装配式衬砌管片；锚杆模型5为直径2mm、长150mm的有机玻璃锚杆，真实模拟山岭隧道实际施工。

如图2所示，初次衬砌模型14为有机玻璃材质，高350mm，厚度15mm，呈马蹄形，其两侧拱腰、拱顶、拱底位置均设置土压力盒15，准确测定外部土压力，并在其内部设置应变片21，准确测定拱底弯矩，并在初次衬砌模型14内部填满土体4。将第二位移计19安装在装配式管片模型3内，即一端固定于装配式管片内部，一端固定于基准梁12上；将微型土压力计18安装在装配式管片模型19外壁的拱顶、拱底及拱腰处，用于测量装配式管片模型3的形变。将安装完成后的装配式管片模型19，整体放置于混凝土导向平台16之上，精确推入初次衬砌模型14内部后注入水泥砂浆垫层17填充缝隙。

如图3所示，在初次衬砌模型14底部布置土压力盒15，并均匀间隔布置应变片21。基准梁12两端通过中部开有小孔的可拆卸盖板13，固定于装配式管片模型19中，并安装第二位移计20于基准梁12于装配式管片模型19之间。

本实施例还提供上述一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置的施工方法，包括以下步骤：

(1)无缝安装模型箱1，水平放置于地面，在模型箱1中均匀铺设土体4；

(2)在初次衬砌模型14外侧拱腰、拱顶、拱底位置均设置土压力盒，拱底轴线位置设置应变片后在初次衬砌模型14内部充满土体4；

(3)将上述初次衬砌插入于土体4中，使其底面与土体4紧密结合，隧道模型2两端与模型箱1左右两侧洞口无缝连接；

(4)在初次衬砌模型上表面安装第一位移计10，自下而上由铅块6、连接杆8、垫片9依次连接，第一位移计10感应端头与垫片9顶面中心相接触，套管7起到防止扰动作用，并在其上方进行填土夯实；

(5)从初次衬砌模型14洞口将土体4挖出，清孔，后在其内部表面铺设混凝土导向平台16；

(6)在装配式管片模型19外侧拱顶、拱底及拱腰处设置微型土压力计18，在内部安装第二位移计20，第二位移计20端位于拱腰、拱顶、拱底，另一端位于基准梁12上。将所有测线进行编号，并整理成束，通过混凝土导向平台16推入隧道模型2内；

(7)将水泥砂浆注入初次衬砌模型14与装配式管片模型19之间的缝隙中，完成整个室内模型试验装置的安装。

本实施例还提供一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置的试验方法，该方法在上述的一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置中实现，包括以下步骤：

(1)第一位移计10用于测定隧道模型2的结构绝对变形，通过读取前后读数的变化，收集隧道模型2结构的绝对变形程度；

(2)土压力盒15设置在初次衬砌模型14外壁的两侧拱腰、拱顶以及拱底位置。通过读取过程中土压力盒的读数，收集初次衬砌模型14周围的土体压力分布情况；

(3)微型土压力计18安装在装配式管片模型19外壁的拱顶、拱底及拱腰处，通过读取土压力盒的读数，收集初次衬砌模型14与装配式管片模型13之间的压力分布情况；

(4)第二位移计20安装在装配式管片模型3内，即一端固定于装配式管片内部，一端固定于基准梁12上，通过读取第二位移计的前后变化，收集装配式管片模型19的拱顶、及两拱腰处的位移，用于收集装配式管片模型的绝对形变情况；

(5)应变片21布置在初次衬砌模型14外壁底部，通过读取应变片读数，从而收集初次衬砌模型14的底部弯矩变化情况；

(6)后期处理各部分读数并，绘制相关曲线图，得到分布规律。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)，所述模型箱(1)内填充有土体(4)，土体(4)中埋设有隧道模型(2)，所述隧道模型(2)由初次衬砌模型(14)和装配式管片模型(19)组成，所述装配式管片模型(19)置于混凝土导向平台(16)上并通过水泥砂浆垫层(17)套装固定于初次衬砌模型(14)内，所述装配式管片模型(19)两端设置可拆卸盖板(13)，基准梁(12)的两端分别穿过两端的可拆卸盖板(13)后固定在所述装配式管片模型(19)中，所述隧道模型(2)上设置有监测装置。

2.根据权利要求1所述的一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，其特征在于，所述初次衬砌模型(14)由若干管片模型(3)首尾拼接围合而成，所述管片模型(3)表面均匀设置锚杆模型(5)。

3.根据权利要求1所述的一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，其特征在于，所述监测装置包括数据采集仪(11)以及均与所述数据采集仪(11)相连的第一位移计(10)、土压力盒(15)、微型土压力计(18)、第二位移计(20)和应变片(21)，

其中，所述第一位移计(10)，用于测定隧道模型(2)的结构绝对变形，通过读取前后读数的变化，收集隧道模型(2)结构的绝对变形程度；

所述土压力盒(15)设置在初次衬砌模型(14)外壁的两侧拱腰、拱顶以及拱底位置，通过读取过程中土压力盒的读数，收集初次衬砌模型(14)周围的土体压力分布情况；

所述微型土压力计(18)安装在装配式管片模型(19)外壁的拱顶、拱底及拱腰处，通过读取微型土压力计(18)的读数，收集初次衬砌模型(14)与装配式管片模型(13)之间的压力分布情况；

所述第二位移计(20)安装在装配式管片模型(3)内，即一端固定于装配式管片内部，一端固定于基准梁(12)上，通过读取第二位移计(20)的前后变化，收集装配式管片模型(19)的拱顶、及两拱腰处的位移，用于收集装配式管片模型的绝对形变情况；

所述应变片(21)布置在初次衬砌模型(14)外壁底部，通过读取应变片读数，从而收集初次衬砌模型(14)的底部弯矩变化情况。

4.根据权利要求3所述的一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，其特征在于，所述第一位移计(10)搭载在辅助装置上，所述辅助装置自下而上由铅块(6)、连接杆(8)、垫片(9)依次连接而成，第一位移计(10)感应端头与垫片(9)顶面中心相接触。

5.根据权利要求4所述的一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，其特征在于，所述连接杆(8)外套设套管(7)，起到防止扰动作用。

6.根据权利要求1所述的装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，其特征在于，所述模型箱为无盖容器，侧壁具有刻度。

7.根据权利要求1所述的装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，其特征在于，所述初次衬砌模型为圆环结构，横断面为马蹄形，两端沿环向设有橡胶套圈；所述装配式管片模型为圆环结构，横断面为马蹄形，两端沿环向设有橡胶套圈。

8.根据权利要求1所述的装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置，其特征在于，所述装配式管片模型的两端由可拆卸盖板密封，两端的可拆卸盖板均设置一个供基准梁穿过的小孔，小孔内部沿环向设置橡胶套圈。

9.一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)无缝安装模型箱(1)，水平放置于地面，在模型箱(1)中均匀铺设土体(4)；

(2)在初次衬砌模型(14)外侧拱腰、拱顶、拱底位置均设置土压力盒，拱底轴线位置设置应变片后在初次衬砌模型(14)内部充满土体(4)；

(3)将所述初次衬砌模型(14)插入于土体(4)中，使其底面与土体(4)紧密结合，隧道模型(2)两端与模型箱(1)左右两侧洞口无缝连接；

(4)在初次衬砌模型上表面安装辅助装置，将第一位移计(10)搭载在辅助装置安上，所述辅助装置自下而上由铅块(6)、连接杆(8)、垫片(9)依次连接而成，第一位移计(10)感应端头与垫片(9)顶面中心相接触；

(5)从初次衬砌模型(14)洞口将土体(4)挖出，清孔，后在其内部表面铺设混凝土导向平台(16)；

(6)在装配式管片模型(19)外侧拱顶、拱底及拱腰处设置微型土压力计(18)，在内部安装第二位移计(20)，第二位移计(20)端位于拱腰、拱顶、拱底，另一端位于基准梁(12)上；

(7)将水泥砂浆注入初次衬砌模型(14)与装配式管片模型(19)之间的缝隙中，完成安装。

10.一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置的试验方法，其特征在于，该方法在权利要求3所述的一种装配式衬砌受力变形的室内模拟试验装置中实现，该方法包括以下步骤：

(1)第一位移计(10)用于测定隧道模型(2)的结构绝对变形，通过读取前后读数的变化，收集隧道模型(2)结构的绝对变形程度；

(2)土压力盒(15)设置在初次衬砌模型(14)外壁的两侧拱腰、拱顶以及拱底位置，通过读取过程中土压力盒的读数，收集初次衬砌模型(14)周围的土体压力分布情况；

(3)微型土压力计(18)安装在装配式管片模型(19)外壁的拱顶、拱底及拱腰处，通过读取土压力盒的读数，收集初次衬砌模型(14)与装配式管片模型(13)之间的压力分布情况；

(4)第二位移计(20)安装在装配式管片模型(3)内，即一端固定于装配式管片内部，一端固定于基准梁(12)上，通过读取第二位移计的前后变化，收集装配式管片模型(19)的拱顶、及两拱腰处的位移，用于收集装配式管片模型的绝对形变情况；

(5)应变片(21)布置在初次衬砌模型(14)外壁底部，通过读取应变片读数，从而收集除此模型衬砌(14)的底部弯矩变化情况；

(6)后期处理各部分读数并，绘制相关曲线图，得到分布规律。

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