CN114279827A - 一种隧道减震层材料获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道减震层材料获取方法，包括以下步骤：根据预先确定的几何相似比、密度相似比及应力相似比制备围岩相似材料、衬砌相似材料；利用制备好的围岩相似材料制作围岩模型，利用制备好的衬砌相似材料制备衬砌模型，利用围岩模型、衬砌模型和减震层制备多个试样，不同试样的减震层材料不同；在试样在衬砌模型横断面设定位置安装应变监测元件，依次将试样置入模型箱中并施加设定荷载，直至得到衬砌模型的应力和应变在设定范围内的目标试样，根据应力相似比和目标试样的减震层的材料确定实际工程中减震层材料，采用本发明的方法操作简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程测试技术领域，具体涉及一种隧道减震层材料获取方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
隧道(洞)广泛存在于公路、铁路、市政、水电等工程，在交通、输水、电力、通讯等领域发挥着重要作用。然而，在过去几次强烈地震中有大量隧道受损，造成了严重的损失。地震严重威胁着高烈度地区隧道的安全运营，科学的抗震设计与有效的抗震措施是降低隧道震害的有效途径。
目前，隧道的抗震措施可分为抗震(如围岩加固、衬砌加固)与减震(如设置减震层、减震缝、铰接)两种。隧道的抗震设计方法主要采用经验类比法、数值仿真法及模型试验方法。由于不同隧道所处的地质地震环境不尽相同，经验类别法仅能提供定性参考，无法提供抗减震措施的定量评价；数值仿真方法可考虑隧道场地的地质、地震环境，但受到材料本构模型、模型参数、边界条件、计算方法等多个因素的影响，其分析结果多作为设计参考；相比之下，室内模型试验被认为是最为可靠的方法，其不仅可考虑具体隧道场地的地震与地质环境，还能考虑围岩与衬砌的复杂力学行为。
针对隧道的地震响应规律及抗震设计，目前开展较多的模型试验为振动台模型试验和离心机模型试验，通过振动台模型试验和离心机模型试验获取最佳的减震层材料参数，发明人发现，两种模型试验均需要专业的试验设备，导致大部分实验室无法开展；同时，两种模型试验的动力相似比难以全部满足，且试验过程复杂，试验成本高，试验难以多次重复。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种隧道减震层材料获取方法，方便在实验室内开展，试验成本低。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
本发明的实施例提供了一种隧道减震层材料获取方法，包括以下步骤：
根据预先确定的几何相似比、密度相似比及应力相似比制备围岩相似材料、衬砌相似材料；
利用制备好的围岩相似材料制作围岩模型，利用制备好的衬砌相似材料制备衬砌模型，利用围岩模型、衬砌模型和减震层制备多个试样，不同试样的减震层材料不同；
在衬砌模型横断面设定位置安装应变监测元件，依次将试样置入模型箱中并施加设定荷载，直至得到衬砌模型的应力和应变在设定范围内的目标试样，根据应力相似比和目标试样的减震层的材料确定实际工程中减震层材料。
可选的，根据隧道断面的四分之一制备围岩模型、衬砌模型，得到的试样断面为完整隧道断面的四分之一。
可选的，沿衬砌模型断面环向等间隔设置3-5组应变监测元件，每组应变监测元件设置多个，同一组的不同的应变监测元件与水平面的夹角不同。
可选的，同一组中设置三个应变监测元件，三个应变监测元件与水平面的夹角分别为0°、45°和90°。
可选的，所述应变监测元件采用应变片或光纤光栅传感器。
可选的，所述模型箱包括竖向设置的第一箱壁和第二箱壁，第一箱壁和第二箱壁的一侧之间设有第三箱壁，第一箱壁和第二箱壁底端之间设有第四箱壁，形成一侧和顶部敞口设置的箱体结构。
可选的，所述第一箱壁或第二箱壁开设有导线孔，第一箱壁和第二箱壁之间设有加固螺栓，加固螺栓设置在第一箱壁和第二箱壁远离第三箱壁和第四箱壁的角部位置。
可选的，对试样施加两种情况下的设定荷载，分别为压缩波对应的第一设定荷载和剪切波对应的第二设定荷载，第一设定荷载根据隧道压缩波作用下的最大压应变和应力相似比确定，第二设定荷载根据隧道剪切波作用下的最大剪应变和应力相似比确定。
可选的，第一设定荷载的施加方法为，对试样的顶面施加竖向荷载的同时对试样的一侧侧面施加水平荷载；
可选的，第二荷载的施加方法为首先对试样的一侧侧面施加水平荷载，然后对试样的顶面施加竖向荷载。
本发明的有益效果：
1.本发明的方法，通过制备相似材料制备试样，将试样放入模型箱中，对试样施加荷载，得到衬砌模型的应变情况，进而判断实验用减震层的材料是否符合要求，进而通过应变相似比得到实际工程用的减震层材料，整个过程无需振动台或离心机等复杂试验系统，操作简便、成本低、便于重复，同时，解决了现有动力模型试验中动力相似比难以全部满足带来的试验误差问题，提高了测量精度。
2.本发明的方法，施加的荷载为竖向荷载或水平向荷载，而且施加荷载的大小根据隧道剪切波作用下的最大剪应变和隧道压缩波作用下的最大压应变确定，将隧道地震响应的动态问题转化为了最不利时刻的静态问题，只需要在一般压力机上开展静态压缩试验即可获得地震作用下隧道的最大动态响应，方便快捷。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1方法流程图；
图2为本发明实施例1提供的试样及加载示意图；
图3为本发明实施例1提供的模型箱示意图；
图4为本发明实施例1提供的自由场地应变时程曲线图；
图5为本发明实施例1提供的衬砌模型监测点应变变化曲线；
图6是本发明实施例1压缩波作用下的加载示意图；
图7是本发明实施例1剪切波作用下的加载示意图；
其中，1-围岩模型；2-减震层；3-衬砌模型；4-应变监测元件；5-加固螺栓；6-导线孔。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种隧道减震层材料获取方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：根据预先确定的几何相似比、密度相似比及应力相似比制备围岩相似材料、衬砌相似材料。
具体步骤为：
步骤1.1：设计试验相似比：圆形隧道分析区域取自圆心向外2-3倍洞径，根据圆形隧道形状的对称性及地震作用下模型外载的对称性，实际分析区域取四分之一。根据分析区域的大小及室内压力机对试样的要求确定试样的尺寸，进而确定试验的几何相似比Cl。根据围岩、隧道衬砌的密度及常用相似材料密度范围，确定试验的密度相似比Cρ。根据围岩、隧道衬砌及常用相似材料的弹性模量范围，确定试验的应力(或弹性模量)相似比Cσ。
步骤1.2研制试验用相似材料：根据围岩与衬砌的密度、弹性模量、泊松比及试验的相似比，计算得到围岩与衬砌相似材料的目标密度、目标弹性模量及目标泊松比。通过调整常用相似材料的成分及配合比制备围岩相似材料和衬砌相似材料，使相似材料的相关参数与目标参数相近，确定相似材料的配合比与施工方法。
步骤2：利用制备好的围岩相似材料制作围岩模型1，利用制备好的衬砌相似材料制备衬砌模型3，利用围岩模型、衬砌模型和设定材料的减震层2制备试样。
具体方法为：根据地震波作用下模型外载的对称性与圆形隧道的几何对称性，根据隧道断面的四分之一制备围岩模型1、衬砌模型3，得到的试样断面为完整隧道断面的四分之一。
考虑试验机的要求及试验的几何相似比，根据隧道衬砌与减震层的厚度及布置方式最终确定试样的大小。根据试样尺寸与形状制备模板，通过浇筑的方法制备出围岩体，得到围岩模型1；根据施工性能确定减震层厚度，并制作设定材料的减震层2，在围岩模型1开挖面黏贴减震层2；在减震层2内表面通过浇筑或黏贴的方式制备隧道衬砌，得到衬砌模型3。围岩模型1、减震层2和衬砌模型3组装好后，得到试样。本实施例中，制备多个试样，不同试样的减震层的材料不同。
步骤3：在衬砌模型3横断面设定位置安装应变监测元件4，并将试样置入模型箱中，对试样施加设定的荷载。
具体的，所述应变监测元件4采用应变片或光纤光栅传感器。
本实施例中，在衬砌模型3的断面沿环向等间距布置3-5组应变监测元件4，即设置3-5个应变监测点，每组包括多个应变监测元件4，且同一组中的应变监测元件4的布置角度不同，优选的，每组应变监测元件4设置三个，分别与水平面的夹角为0°、45°和90°。
如图3所示，所述模型箱根据试样尺寸制作，模型箱为刚性立方体结构，其刚度大于试样的刚度，所述模型箱包括竖向平行设置的第一箱壁和第二箱壁，所述第一箱壁和第二箱壁的一侧端部之间设有第三箱壁，第一箱壁和第二箱壁底端之间设有第四箱壁，形成顶部和一侧侧部敞口设置的箱体结构。能够通过顶部敞口向试样施加y方向的竖向荷载，能够通过侧部的敞口向试样施加x方向的水平荷载。
所述第一箱壁或第二箱壁靠近第三箱壁和第四箱壁的角部开设有导线孔6，第一箱壁和第二箱壁远离第三箱壁和第四箱壁的角部之间设置有加固螺栓5，即加固螺栓5设置的在模型箱的两个敞口面交界位置处，进一步增加了模型箱的刚度。
在模型箱的内表面涂抹润滑油，然后将试样放入模型箱中，试样沿环向的两个端部分别与第三箱壁和第四箱壁接触，将应变监测元件4的导线通过导线孔6引出并连接相应的控制系统。
试样放置到模型箱内部后，对试样施加设定荷载。
本实施例中，需要分步对试样施加两种类型的荷载，分别得到两种荷载条件下试样的相关应变数据。
设定荷载的确定方法为：
根据隧道场地地震安评报告，开展自由场地(隧道开挖前)的一维或二维地震反应分析，确定地震过程中隧道所在位置处自由场的最大应变即剪切波作用下取最大剪应变γmax和压缩波作用下取最大压应变εmax，最大应变发生时刻为最不利时刻，当地震波沿y方向传播时，根据最大应变由下式计算地震波引起的自由场应力：
剪切地震波引起的剪应力：
压缩地震波引起的正应力：
根据地震波引起的自由场应力由下式确定两个加载方向上的试验荷载(px，py)：
压缩波对应的第一设定荷载：px＝Aσxx/Cσ，py＝Aσyy/Cσ
剪切波对应的第二设定荷载：px＝Aτxy/Cσ，py＝-Aτxy/Cσ
其中，Eg与vg分别为真实围岩材料的弹性模量与泊松比，A为加载面的面积。
本实施例中，采用常用的压力机对试样施加第一设定荷载和第二设定荷载，其中px为采用压力机通过模型箱侧部敞口施加的水平荷载，py为采用压力机通过模型箱顶部敞口施加的竖向荷载。
如图6所示，其中压缩波对应的第一设定荷载为px和py同时施加。
由于常用的压力机只能施加压缩荷载而不能施加拉伸荷载，因此剪切波作用下的第二设定荷载分两步施加，如图7所示，剪切波对应的第二设定荷载为首选施加水平方向的px然后施加竖向方向的py。最终的应变结果为第一步结果减去第二步结果。
加载过程中，利用应变监测元件实时记录衬砌模型的应变。
由于应变的相似比为1，试验测得的应变等于实际地震过程中衬砌的应变εxx、εyy、ε45。由于应变片或光纤光栅不能直接测得剪应变，根据材料力学知识，测点的剪应变可由三个方向的正应变换算得到，γxy＝2ε45-εxx-εyy。根据弹性力学知识，利用测得的应变计算得到实际地震过程中最不利时刻隧道衬砌的应力：
其中，El与vl分别为真实衬砌材料的弹性模量与泊松比。
步骤4：根据衬砌模型应变得到衬砌模型的应力，如果衬砌模型的应力在设定范围内，则对应的试样为目标试样，根据应力相似比和目标试样的减震层的材料确定实际工程中减震层材料，否则选取其他材料的减震层重复步骤1-步骤3，直至实验得到的衬砌模型应变在设定范围内，然后得到实际工程中减震层材料。
具体的，对比分析施工减震层前后最不利时刻衬砌测点处的应变与应力，当衬砌模型的应力和应变在设定的范围内时，说明实验用的设定材料制作的减震层满足要求，对满足减震要求的减震材料，根据其弹性模量Ei，t与应力相似比确定实际工程中减震材料的弹性模量Ei＝Ei，t×Cσ，并据此选择实际工程中采用的减震层的材料。
本实施例的方法，与传统的振动台、离心机室内模型试验方法相比，将隧道地震响应的动态问题转化为了最不利时刻的静态问题，只需要在一般压力机上开展静态压缩试验即可获得地震作用下隧道的最大动态响应，进而对隧道减震层效果进行检验与评价，无需振动台或离心机等复杂试验系统，操作简便、成本低、便于重复；同时，解决了现有动力模型试验中动力相似比难以全部满足带来的试验误差问题，提高了测量精度。
本方法的一个实际应用中，
隧道直径8.5m，根据岩土力学原理及隧道工程开挖经验，隧道外2～3倍洞径外接近自由场应力。根据圆形隧道几何对称性与地震作用下模型外载的对称性，分析区域可取四分之一。因此，试验分析区域长度取2.5倍洞径约20.0m。考虑到室内试验机的加载尺寸，模型试验中试样长度取0.8m。所以，试验的几何相似比为Gl＝20/0.8＝25。根据现场勘察，分析断面处围岩的密度约2400kg/m3，弹性模量约5GPa,泊松比0.23；衬砌混凝土的密度为2500kg/m3，弹性模量30GPa，泊松比0.20。拟采用水泥砂浆加辅助材料配置围岩与衬砌的相似材料，考虑水泥砂浆相似材料力学参数的范围，取密度相似比为Cρ＝1.4，应力(弹模)相似比为Cσ＝4。
考虑围岩与衬砌的密度、弹性模量及泊松比，选取水泥砂浆作为相似材料。通过不断调整配合比，制备出与相似比相符的相似材料。其中围岩相似材料采用石英砂、水泥、水玻璃及添加剂配制而成，隧道衬砌相似材料采用水、石英砂、水泥及添加剂配制而成；两种相似材料养护28天的力学参数见表1。从表中可以看出，两种相似材料的力学参数与目标接近，符合相似比要求。
表1相似材料的物理力学参数
根据现场施工情况，减震层拟使用厚度约0.15m的橡胶层，根据几何及应力相似比，对应室内试验时的厚度为6mm，弹性模量约2.5MPa。
考虑圆形隧道的几何对称性及地震作用下模型外载的对称性，如图2所示，试样取模型的四分之一。为了减小整个模型的重量，试样的厚度取0.15m，最终的试样尺寸为长×宽×厚＝0.8m×0.8m×0.15m。
首先，制备与试样中围岩及衬砌对应的可拆卸模板，将配置好的围岩、衬砌相似材料倒入模具中并进行振捣，静置1天后脱模，而后在标准环境条件下养护28天，制备出围岩试样与衬砌试样；然后，将橡胶减震材料黏贴在在试样对应的隧道开挖面上；接着，将衬砌试样与减震层黏贴在一起；最后，沿衬砌环向均匀设置5组监测点，每个监测点处黏贴3支应变片，分别监测衬砌沿x方向、y方向及45°方向的应变。
如图2所示，试验过程中，在对称边界处需约束试样的法向位移而使切向自由。同时，通常情况下隧道轴向的长度远大于和横断面尺寸，隧道衬砌处于平面应变状态。
为了在试样过程中对试样施加上述边界条件，采用钢板制备出如图3所示的立方体模型箱，模型箱尺寸与试样尺寸一致，但其刚度远大于试样的刚度。模型箱顶面与右侧面敞开，用于加载；右上角采用螺栓连接以增加模型箱的刚度；模型箱左下角预留出线孔用以布置监测线路。由于模型箱的刚度远大于试样，在试验过程中模型箱的变形可以忽略不计；同时，由于模型箱内厚度与试样厚度相同，试验过程中模型基本处于平面应变状态。
基于隧道横断面的地质剖面建立有限元模型，该隧道洞口段50m埋深范围内主要有两层岩层，采用隧道场地地震安评报告中给定的场地设计地震动，开展场地一维地震反应分析(此处仅考虑垂直传播的剪切地震波)，得到如图4所示的隧道所在位置处的自由场应变时程曲线。从曲线中可以看出，最不利时刻为10.2s，此时最大剪应变约为γmax＝0.00019。根据围岩的弹性模量Eg与泊松比vg，最不利时刻地震波引起的自由场中的剪应力为：
由自由场剪应力确定试验外载：px＝Aτxy/Cσ＝12kN·py＝-l2kN。
在模型箱内表面均匀抹润滑油，然后将制备好的试样放入模型箱中。润滑油可减小试样与模型箱切向的摩擦力，使试验过程中试样切向的变形自由。将装有试样的模型箱放置在试验台上，模型箱的左侧面与下侧面固定至刚性支架上，使得试验过程中试样左侧、下侧边界处法向位移为零。
所述压力机采用伺服试验机，由于采用的伺服试验机只能施加压缩荷载而不能施加拉伸荷载，所以上述外载分两步施加，第一步施加水平荷载Px，第二步施加竖向荷载-Py。在试验过程中记录试验机输出的荷载时程，并采用应变片监测衬砌关键点的应变，如图5所示，然后，将第一步中的应变监测结果减去第二步中的应变监测结果，相减之后的应变为最终应变εxx、εyy、γxy。
建立如图2所示的直角坐标系，由于应变的相似比为1，试验测得的衬砌应变等于实际地震过程中衬砌的应变。由于应变片只能测量正应变而无法直接测出剪应变，根据弹性力学知识，测点处的剪应变可由x、y及45°方向的正应变换算得到γxy＝2ε45-εxx-εyy。如表2、表3所示，衬砌测点位置的剪应变可由三个方向的正应变计算得到。
表2不施加减震层时衬砌测点处的应变
表3施加减震层后衬砌测点处的应变
根据弹性力学的知识，利用测得的正应变、剪应变及应力相似比计算得到实际地震过程中施加减震层前后隧道衬砌的应力：
式中，El为衬砌的弹性模量，vl为衬砌的泊松比。
表4施加减震层前后衬砌应力对比
表4中为施加减震层前后隧道衬砌应力的变化，从表中可以看出，设计地震动作用下衬砌拱腰处应力最大；对比施加减震层前后，五个监测位置处衬砌的应力均有显著的降低，最小降低幅度超过60％。上述结果表明在设计地震动作用下减震层具有较好的减震效果。
对于减震层，影响减震效果最主要的参数为弹性模量。试验过程中采用的橡胶材料的弹性模量Ei，t＝2.5MPa根据试验的应力相似比，实际工程中采用的减震材料的弹性模量可选择在Ei＝Ei，t×Cσ＝10MPa左右。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据预先确定的几何相似比、密度相似比及应力相似比制备围岩相似材料、衬砌相似材料；
利用制备好的围岩相似材料制作围岩模型，利用制备好的衬砌相似材料制备衬砌模型，利用围岩模型、衬砌模型和减震层制备多个试样，不同试样的减震层材料不同；
在衬砌模型横断面设定位置安装应变监测元件，依次将试样置入模型箱中并施加设定荷载，直至得到衬砌模型的应力和应变在设定范围内的目标试样，根据应力相似比和目标试样的减震层的材料确定实际工程中减震层材料。
2.如权利要求1所述的一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，根据隧道断面的四分之一制备围岩模型、衬砌模型，得到的试样断面为完整隧道断面的四分之一。
3.如权利要求1所述的一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，沿衬砌模型断面环向等间隔设置3-5组应变监测元件，每组应变监测元件设置多个，同一组的不同的应变监测元件与水平面的夹角不同。
4.如权利要求3所述的一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，同一组中设置三个应变监测元件，三个应变监测元件与水平面的夹角分别为0°、45°和90°。
5.如权利要求1所述的一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，所述应变监测元件采用应变片或光纤光栅传感器。
6.如权利要求1所述的一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，所述模型箱包括竖向设置的第一箱壁和第二箱壁，第一箱壁和第二箱壁的一侧之间设有第三箱壁，第一箱壁和第二箱壁底端之间设有第四箱壁，形成一侧和顶部敞口设置的箱体结构。
7.如权利要求6所述的一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，所述第一箱壁或第二箱壁开设有导线孔，第一箱壁和第二箱壁之间设有加固螺栓，加固螺栓设置在第一箱壁和第二箱壁远离第三箱壁和第四箱壁的角部位置。
8.如权利要求1所述的一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，对试样施加两种情况下的设定荷载，分别为压缩波对应的第一设定荷载和剪切波对应的第二设定荷载，第一设定荷载根据隧道压缩波作用下的最大压应变和应力相似比确定，第二设定荷载根据隧道剪切波作用下的最大剪应变和应力相似比确定。
9.如权利要求8所述的一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，第一设定荷载的施加方法为，对试样的顶面施加竖向荷载的同时对试样的一侧侧面施加水平荷载。
10.如权利要求8所述的一种隧道减震层材料获取方法，其特征在于，第二荷载的施加方法为首先对试样的一侧侧面施加水平荷载，然后对试样的顶面施加竖向荷载。
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