CN117198138A - 一种盾构管片微集料混凝土缩尺模型及其浇筑模具 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种盾构管片微集料混凝土缩尺模型及其浇筑模具，其根据管片主体抗弯承载力相似，设计微集料混凝土配合比及镀锌铁丝规格，并采用微集料混凝土和镀锌铁丝浇筑，还原钢筋混凝土的非线性力学行为；根据管片接头抗弯刚度相似，设计接头等效构造的细部尺寸和螺栓孔，还原盾构管片接头的三阶段非线性力学行为，能克服现有隧道模型无法还原钢筋混凝土材料非线性力学行为和管片接头非线性力学行为的关键技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及盾构隧道模型试验技术领域，具体涉及一种用于研究盾构隧道管片在地层-结构相互作用下的非线性力学行为的盾构管片微集料混凝土缩尺模型及其浇筑模具。
背景技术
盾构法是暗挖法隧道施工中的一种全机械化施工方法，因该法施工速度快、安全，且对周围环境影响小，已被广泛应用于城市地铁隧道建设中。由于工程水文地质条件复杂、暗挖施工空间封闭，以及盾构隧道的高安全性要求，地层中盾构管片的安全性往往需要通过试验研究评定。
目前，盾构管片试验主要分为足尺试验和缩尺试验。由于足尺管片尺寸大，难以放置于土层中开展考虑地层-结构相互作用的地层-结构试验，故足尺试验为结构试验，也就是直接在结构上采用千斤顶施加点荷载的方式进行承载力评估。但是在实际情况下，服役于地层中的盾构管片的损伤破坏，会导致地层位移场的扰动和应力重分布，进而就会导致盾构隧道所受的外荷载发生重分布，进一步就又可能导致管片的损伤破坏，这是一个地层-结构相互作用的过程。因此，现有模拟地层-结构相互作用的主要手段为地层-隧道模型试验，属于缩尺试验。
现有地层-隧道缩尺模型试验中存在两个局限性：第一个局限性是隧道模型采用均质弹性材料制作，无法模拟钢筋混凝土的材料非线性力学行为，也就是盾构管片混凝土的损伤演化规律及钢筋混凝土塑性阶段的应力应变关系；第二个局限性是接头构造简单，没有考虑间隙构造，难以模拟原型接头试验中常见的三阶段曲线，即无法模拟管片接头非线性力学行为。由于螺栓和接头间隙的存在，盾构管片接头的非线性力学行为呈现出明显的三个阶段，第一个阶段是全断面受压，刚度较大；第二个阶段是螺栓开始受力并最终达到屈服，此阶段刚度下降；第三个阶段是接头间隙闭合，间隙混凝土接触受力，刚度明显提升。因此，现有隧道模型难以用于研究实际地层环境中盾构隧道的力学行为。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种盾构管片微集料混凝土缩尺模型及其浇筑模具，其根据管片主体抗弯承载力相似，设计微集料混凝土配合比及镀锌铁丝规格，并采用微集料混凝土和镀锌铁丝浇筑，还原钢筋混凝土的非线性力学行为；根据管片接头抗弯刚度相似，设计接头等效构造的细部尺寸和螺栓孔，还原盾构管片接头的三阶段非线性力学行为，能克服现有隧道模型无法还原钢筋混凝土材料非线性力学行为和管片接头非线性力学行为的关键技术问题，从而可以解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：
本申请实施例提供了一种盾构管片微集料混凝土缩尺模型，包括通过抗弯承载力相似设计的模型主体和设置于所述模型主体上并通过抗弯刚度相似设计的模型接头，其中：
所述模型主体由模拟钢筋混凝土材料非线性力学行为的微集料混凝土和钢筋笼浇筑而成；
所述模型接头包括通过抗弯刚度相似设计计算并采用微集料混凝土浇筑成型的细部构造及螺栓孔。
作为本申请的一种优选改进，所述微集料混凝土由0.5-1mm粒径石英砂、3.15-7.1mm粒径玄武岩骨料、硅灰、减水剂、水及水泥配置而成。
作为本申请的一种优选改进，所述钢筋笼由镀锌铁丝绑扎而成。
作为本申请的一种优选改进，所述细部构造包括盾构管片的外侧间隙、止水带间隙和内侧间隙。
作为本申请的一种优选改进，所述微集料混凝土设计强度和弹性模量与制造盾构隧道的C50混凝土一致。
作为本申请的一种优选改进，所述镀锌铁丝采用3.0mm、0.9mm直径的镀锌铁丝，以用于分别模拟盾构管片中的HRB400、HPB300钢筋。
作为本申请的一种优选改进，所述模型接头三阶段非线性力学行为通过OpenSees有限元软件利用纤维梁单元模拟验证。
本申请实施例还提供了一种用于制备所述的缩尺模型的浇筑模具，包括用于接头等效模型成型的侧板、固设于所述侧板底部的底座、用于螺栓孔成型并组配于所述侧板上的插销、用于手孔成型并固设于所述侧板内侧壁上的凸台以及固设于所述侧板顶部的顶盖，所述顶盖上预留有浇筑孔。
作为本申请的一种优选改进，所述侧板、底座、顶盖均采用铣床加工。
本申请的有益效果如下：
(1)与现有均质弹性材料所制的隧道模型相比，本申请利用微集料混凝土和镀锌铁丝钢筋笼浇筑，结合微集料混凝土可模拟混凝土开裂、压溃的性质与镀锌铁丝可模拟钢筋屈服的性质，可解决均质弹性隧道模型无法还原钢筋混凝土材料非线性力学行为的关键技术问题。
(2)与现有简单接头等效模型相比，本申请根据盾构管片接头抗弯刚度相似，设计模型接头细部构造及螺栓孔，并利用OpenSees有限元软件模拟验证模型接头三阶段非线性力学行为，可解决简单接头等效模型无法还原管片接头三阶段非线性力学行为的关键科学问题。
(3)本申请通过0.5-1mm粒径石英砂、3.15-7.1mm粒径玄武岩骨料、硅灰、0.1%减水剂、水及水泥混合搅拌，配制的微集料混凝土，可自流实，且浇筑精度可达0.1mm，可解决镀锌铁丝钢筋笼密导致的缩尺模型难以浇筑成型的关键可行性问题。
(4)本申请利用细骨料尺寸小的特点，配制浇筑精度可达0.1mm的微集料混凝土，解决了缩尺模型尺寸误差大的关键技术问题。同时，本发明通过添加适当比例硅灰、0.1%减水剂和水，实现微集料混凝土自流实，可解决镀锌铁丝钢筋笼密导致的缩尺模型难以浇筑成型的关键可行性问题。
(5)本申请提供的高精度浇筑模具，通过铣床加工，精度达0.1mm。
(6)本申请通过在高精度模具顶盖设置浇筑孔，利用微集料混凝土的自流实性进行浇筑，可保证模型接头细部构造浇筑精度。
(7)本申请通过连接零件将底座、凸台、侧板、插销和顶盖有机结合，浇筑模型成型后可按顶盖-插销-侧板-凸台-底座顺序拆分，可解决缩尺模型难以脱模的关键技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本申请实施例提供的盾构管片微集料混凝土缩尺模型的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的盾构管片拼接后的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的细部构造的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的模型接头的三阶段非线性力学行为图；
图5为本申请实施例提供的浇筑模具的结构示意图。
图中：1、模型主体；2、模型接头；21、细部构造；211、外侧间隙；212、止水带间隙；213、内侧间隙；22、螺栓孔；3、浇筑模具；31、侧板；32、底座；33、插销；34、凸台；35、顶盖；351、浇筑孔；36、手孔；37、连接零件。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
请参见图1-3所示，本申请实施例提供的一种盾构管片微集料混凝土缩尺模型，包括通过抗弯承载力相似设计的模型主体1和设置于所述模型主体1上并通过抗弯刚度相似设计的模型接头2。
所述模型主体1由模拟钢筋混凝土材料非线性力学行为的微集料混凝土和钢筋笼浇筑而成。
所述模型主体1的尺寸通过盾构管片主体抗弯承载力相似设计计算。
所述微集料混凝土由0.5-1mm粒径石英砂、3.15-7.1mm粒径玄武岩骨料、硅灰、减水剂、水及水泥配置而成。
在一些实施例中，所述微集料混凝土设计强度和弹性模量与制造盾构隧道的C50混凝土一致。
所述钢筋笼由镀锌铁丝绑扎而成。
在一些实施例中，所述镀锌铁丝采用3.0mm、0.9mm直径的镀锌铁丝，以用于分别模拟盾构管片中的HRB400、HPB300钢筋。
需进一步说明的是，镀锌铁丝绑扎成的钢筋笼通过盾构管片主体抗弯承载力相似选取屈服强度和弹性模量，并计算配筋；
所述钢筋混凝土材料非线性力学行为指钢筋和混凝土的非线性应力应变关系。
盾构管片主体抗弯承载力公式为：
式中，M为抗弯承载力；为混凝土抗压强度设计值；b为管片横截面的宽度；h为管片横截面的高度；x为混凝土受压区的高度；/>为受拉区边缘至受拉纵向受力钢筋中心的距离；/>为受压钢筋的抗压强度设计值；/>为受压区纵向受力钢筋的截面面积；/>为受压区边缘至受压纵向受力钢筋中心的距离。
所述模型接头2包括通过抗弯刚度相似设计计算并采用微集料混凝土浇筑成型的细部构造21及螺栓孔22。
所述模型接头2三阶段非线性力学行为通过OpenSees有限元软件利用纤维梁单元模拟验证，可解决简单接头等效模型无法还原管片接头三阶段非线性力学行为的关键科学问题，所述模型接头的三阶段非线性力学行为如图4所示。
由图4可见，第一个阶段是全断面受压，刚度较大；第二个阶段是螺栓开始受力并最终达到屈服，此阶段刚度下降；第三个阶段是接头间隙闭合，间隙混凝土接触受力，刚度明显提升。
所述细部构造21包括盾构管片的外侧间隙211、止水带间隙212和内侧间隙213。
所述螺栓孔22设计为直螺栓孔，并采用双头直螺栓进行连接。
再结合图5所示，本申请实施例还提供了一种用于制备所述的缩尺模型的浇筑模具3，包括用于接头等效模型成型的侧板31、固设于所述侧板31底部的底座32、用于螺栓孔成型并组配于所述侧板31上的插销33、用于手孔36成型并固设于所述侧板31内侧壁上的凸台34以及固设于所述侧板顶部的顶盖35，所述顶盖35上预留有浇筑孔351。
需要说明的是，所述浇筑模具3还包括用于将上述零部件进行连接的连接零件37。
所述侧板31、底座32、顶盖35均采用铣床加工，这样，加工精度达0.1mm，从而可组装成高精度浇筑模具。
所述浇筑模具3采用以下方法制备所述缩尺模型：
第一步，将所述底座32、凸台34、侧板31、插销33和顶盖35有机结合，形成所述浇筑模具；
第二步，将将绑扎好的镀锌铁丝钢筋笼放入浇筑模具内；
第三步，将微集料混凝土从浇筑模具顶部的浇筑孔注入；
第四步，待成型后，按顶盖-插销-侧板-凸台-底座顺序拆分，得到所述缩尺模型。
本申请的有益效果如下：
(1)与现有均质弹性材料所制的隧道模型相比，本申请利用微集料混凝土和镀锌铁丝钢筋笼浇筑，结合微集料混凝土可模拟混凝土开裂、压溃的性质与镀锌铁丝可模拟钢筋屈服的性质，可解决均质弹性隧道模型无法还原钢筋混凝土材料非线性力学行为的关键技术问题。
(2)与现有简单接头等效模型相比，本申请根据盾构管片接头抗弯刚度相似，设计模型接头细部构造及螺栓孔，并利用OpenSees有限元软件模拟验证模型接头三阶段非线性力学行为，可解决简单接头等效模型无法还原管片接头三阶段非线性力学行为的关键科学问题。
(3)本申请通过0.5-1mm粒径石英砂、3.15-7.1mm粒径玄武岩骨料、硅灰、0.1%减水剂、水及水泥混合搅拌，配制的微集料混凝土，可自流实，且浇筑精度可达0.1mm，可解决镀锌铁丝钢筋笼密导致的缩尺模型难以浇筑成型的关键可行性问题。
(4)本申请利用细骨料尺寸小的特点，配制浇筑精度可达0.1mm的微集料混凝土，解决了缩尺模型尺寸误差大的关键技术问题。同时，本发明通过添加适当比例硅灰、0.1%减水剂和水，实现微集料混凝土自流实，可解决镀锌铁丝钢筋笼密导致的缩尺模型难以浇筑成型的关键可行性问题。
(5)本申请提供的高精度浇筑模具，通过铣床加工，精度达0.1mm。
(6)本申请通过在高精度模具顶盖设置浇筑孔，利用微集料混凝土的自流实性进行浇筑，可保证模型接头细部构造浇筑精度。
(7)本申请通过连接零件将底座、凸台、侧板、插销和顶盖有机结合，浇筑模型成型后可按顶盖-插销-侧板-凸台-底座顺序拆分，可解决缩尺模型难以脱模的关键技术问题。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和系统的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
Claims (8)
1.一种盾构管片微集料混凝土缩尺模型，其特征在于，包括通过抗弯承载力相似设计的模型主体和设置于所述模型主体上并通过抗弯刚度相似设计的模型接头，其中：
所述模型主体由模拟钢筋混凝土材料非线性力学行为的微集料混凝土和钢筋笼浇筑而成；
所述模型接头包括通过抗弯刚度相似设计计算并采用微集料混凝土浇筑成型的细部构造及螺栓孔；
所述微集料混凝土由0.5-1mm粒径石英砂、3.15-7.1mm粒径玄武岩骨料、硅灰、减水剂、水及水泥配置而成。
2.根据权利要求1所述的盾构管片微集料混凝土缩尺模型，其特征在于，所述钢筋笼由镀锌铁丝绑扎而成。
3.根据权利要求1所述的盾构管片微集料混凝土缩尺模型，其特征在于，所述细部构造包括盾构管片的外侧间隙、止水带间隙和内侧间隙。
4.根据权利要求1所述的盾构管片微集料混凝土缩尺模型，其特征在于，所述微集料混凝土设计强度和弹性模量与制造盾构隧道的C50混凝土一致。
5.根据权利要求2所述的盾构管片微集料混凝土缩尺模型，其特征在于，所述镀锌铁丝采用3.0mm、0.9mm直径的镀锌铁丝，以用于分别模拟盾构管片中的HRB400、HPB300钢筋。
6.根据权利要求1所述的盾构管片微集料混凝土缩尺模型，其特征在于，所述模型接头三阶段非线性力学行为通过OpenSees有限元软件利用纤维梁单元模拟验证。
7.一种用于制备权利要求1-6任意一项所述的盾构管片微集料混凝土缩尺模型的浇筑模具，其特征在于，包括用于接头等效模型成型的侧板、固设于所述侧板底部的底座、用于螺栓孔成型并组配于所述侧板上的插销、用于手孔成型并固设于所述侧板内侧壁上的凸台以及固设于所述侧板顶部的顶盖，所述顶盖上预留有浇筑孔。
8.根据权利要求7所述的浇筑模具，其特征在于，所述侧板、底座、顶盖均采用铣床加工。
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