一種襯砌結構接頭剛度可變的隧道模型試驗方法
【專利摘要】一種襯砌結構接頭剛度可變的隧道模型試驗方法，其作法是：A、模型的制作用石膏制作出盾構隧道模型(1)，并在盾構隧道模型(1)的外周面上形成模擬管片接頭初始剛度的凹槽(2)；B、在凹槽(2)的兩側布置應變片(3)或位移計；C、對盾構隧道模型逐級加載；根據每一階段的荷載不同計算出相應的凹槽深度，采用標注刻蝕位置并向凹槽(2)內注射石膏溶解劑的方法使每一階段的凹槽(2)深度等于其計算值。該方法在隧道模型試驗過程中襯砌結構接頭的剛度會隨荷載的變化而相應變化，更加符合實際工程中隧道接頭的力學行為，從而其試驗測試數據更準確、可靠，能為隧道工程的設計、施工與維護提供準確、可靠的試驗依據。
【專利說明】一種襯砌結構接頭剛度可變的隧道模型試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種襯砌結構接頭剛度可變的隧道模型試驗方法【背景技術】
[0002]隧道工程中，實際工程和結構的原型一般尺寸較大且較為復雜，其力學性能和受力機理往往無法通過對結構直接進行研究而獲得。而必須采用模型試驗，即:借助于模型，根據相似原理和相似準則進行試驗，從而得到結構的各項數據和性能，為隧道的設計和施工提供試驗依據。隧道結構在施工中由于構造以及施工技術等原因存在接頭，隧道接頭的連接方式有多種，通常采用的有螺栓接頭、無連接件接頭、插入式接頭、銷插式接頭以及一些其他的連接形式。由于其結構特點，接頭在整個結構中的作用至關重要，不管是從宏觀的計算模型，或者是結構接頭的微觀構造，接頭處的結構形態、變形和應力狀態等均具有典型的非線性特征。而接頭處的剛度等力學性能變化，會對接頭處的接觸關系、結構整體的荷載，產生重要影響，特別是當荷載達到結構失穩臨界狀態時，對隧道結構整體受力狀態和變形具有非常大的影響。因此，在試驗時，應該考慮這些力學性能的變化，以真實反映實際工作情況。
[0003]目前隧道模型試驗中模擬接頭剛度的方法有兩類:
[0004]第一類方法是對由聚乙烯管(PE管)等合成材料制作的模型，經過相似比計算后用螺絲+薄塑料片(PE片)進行模擬。該方法中采用的材料與混凝土力學性能差異較大，采用螺絲將接頭PE片固定的方法不是實際接頭的連接方式，螺絲孔也削弱了整體結構的剛度，引起應力集中，其接頭的布置方式雖然可以調整，但是其受力機理不同，也不能真實反映接頭的力學性能。
[0005]第二類方法是對由石膏等膠凝材料制作的模型，采用在隧道襯砌結構受拉區削弱截面的方式，通過計算確定對應于特定荷載工況各接頭所需的開口深度，在試驗前進行相應深度的割槽。但由于割槽的深度不能在試驗中隨荷載等因素變化，因此不能真實反映隧道接頭在隧道開挖和運營過程中力學特性的變化。
[0006]而實際工程中的隧道接頭的剛度是隨著荷載等外部環境的變化而改變的，因此，以上方法中對于接頭剛度的模擬，只能針對隧道接頭特定的一種受力狀態，其實驗的剛度等力學性能在試驗過程中不能隨荷載等其他因素改變，與實際工程中隧道接頭的力學行為不符，導致這些模型試驗方法的試驗結果的誤差大，可靠性低，不能為隧道工程的設計、施工與維護提供準確、可靠的試驗依據。同時由于接頭剛度固定，現有方法也不能夠研究接頭剛度對隧道結構整體的變形和受力狀態的影響。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種襯砌結構接頭剛度可變的隧道模型試驗方法，該方法在隧道模型試驗過程中襯砌結構接頭的剛度會隨荷載的變化而相應變化，更加符合實際工程中隧道接頭的力學行為，從而其試驗測試數據更準確、可靠，能為隧道工程的設計、施工與維護提供準確、可靠的試驗依據。
[0008]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種襯砌結構接頭剛度可變的隧道模型試驗方法，其作法是:
[0009]A、模型的制作用石膏制作出盾構隧道模型，并在盾構隧道模型的外周面上形成模擬管片接頭初始剛度的凹槽；
[0010]B、測試儀器布置在凹槽的兩側布置應變片或位移計；
[0011]C、加載試驗
[0012]對盾構隧道模型逐級加載；每級加載后根據加載的荷載和應變片或位移計測得到的應變值或位移量，計算出凹槽處的內力，得到該階段對應的接頭剛度的凹槽深度Dn，η =1，2，3，...N，η為逐級加載的級數；根據該凹槽深度Dn在凹槽端部的深度延伸線上標注出該段溶蝕位置；再向凹槽內注射石膏溶解劑以溶解凹槽底部的石膏，使凹槽的深度延長至標注的溶蝕位置、凹槽的深度等于該階段對應的接頭剛度的凹槽深度Dn，；然后進行下一級的加載，直至加載完設定的級數或盾構隧道模型破壞。
[0013]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0014]一、將現有試驗中隧道結構接頭剛度固定不變改為隨荷載變化而相應變化，即根據每一階段的荷載不同計算出相應的凹槽深度，通過將凹槽深度改變成計算值，而模擬出每一階段的接頭剛度。從而更加準確真實地模擬出隧道襯砌結構接頭剛度在實際工程中的非線性變化，更加符合實際工程中隧道接頭的力學行為，從而其試驗測試數據更準確、可靠，能為隧道工程的設計、施工與維護提供準確、可靠的試驗依據。
[0015]二、本發明方法可通過等效計算結果，對接頭的剛度進行定量控制，從而既可以通過實驗得到接頭在不同外部條件下的力學行為和破壞形態，也可以通過實驗得到在相應接頭剛度條件下，整個隧道結構在不同外部條件下的力學行為和破壞形態，方便研究隧道結構接頭剛度對整體結構的變形和受力狀態的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明實施例方法中使用的隧道模型接頭處的示意圖。
[0017]圖2是襯砌結構接頭等效梁結構計算簡圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例
[0019]圖1示出，本發明的一種【具體實施方式】為，一種襯砌結構接頭剛度可變的隧道模型試驗方法，其作法是:
[0020]A、模型的制作用石膏制作出盾構隧道模型1，并在盾構隧道模型I的外周面上形成模擬管片接頭初始剛度的凹槽2 ；
[0021]B、測試儀器布置在凹槽2的兩側布置應變片3或位移計；
[0022]C、加載試驗
[0023]對盾構隧道模型逐級加載；每級加載后根據加載的荷載和應變片3或位移計測得到的應變值或位移量，計算出凹槽2處的內力，得到該階段對應的接頭剛度的凹槽深度Dn，η = 1，2，3，...N，η為逐級加載的級數；根據該凹槽深度Dn在凹槽2端部的深度延伸線上標注出該段溶蝕位置2a ;再向凹槽2內注射石膏溶解劑以溶解凹槽2底部的石膏，使凹槽2的深度延長至標注的溶蝕位置2a、凹槽2的深度等于該階段對應的接頭剛度的凹槽深度Dn,;然后進行下一級的加載，直至加載完設定的級數或盾構隧道模型破壞。
[0024]本發明方法中，凹槽深度的計算方法如下:
[0025]凹槽深度依據與接頭抗彎能力(用Ke表示)等效的原則確定。模型接頭抗彎能力Ke的計算方法:在梁的正中開一小槽，并在梁的特定位置加上荷載，算出開槽處的位移，計算簡圖如圖2所示。由于開槽后該部位的抗彎剛度比其它部位的抗彎剛度低很多，故運用結構力學原理可以近似地計算出梁的Ke值即模型接頭抗彎能力。其具體計算公式如下:
【權利要求】
1.一種襯砌結構接頭剛度可變的隧道模型試驗方法，其作法是: A、模型的制作用石膏制作出盾構隧道模型(I)，并在盾構隧道模型(I)的外周面上形成模擬管片接頭初始剛度的凹槽(2); B、測試儀器布置在凹槽(2)的兩側布置應變片(3)或位移計； C、加載試驗 對盾構隧道模型逐級加載；每級加載后根據加載的荷載和應變片(3)或位移計測得到的應變值或位移量，計算出凹槽(2)處的內力，得到該階段對應的接頭剛度的凹槽深度Dn，n=1，2，3，...N，η為逐級加載的級數；根據該凹槽深度Dn在凹槽(2)端部的深度延伸線上標注出該段溶蝕位置(2a);再向凹槽(2)內注射石膏溶解劑以溶解凹槽(2)底部的石膏，使凹槽(2)的深度延長至標注的溶蝕位置(2a)、凹槽(2)的深度等于該階段對應的接頭剛度的凹槽深度Dn，；然后進行下一級的加載，直至加載完設定的級數或盾構隧道模型破壞。
【文檔編號】G01N3/00GK103956109SQ201410175038
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】何川, 封坤, 郭瑞, 王均勇, 劉四進, 邱月 申請人:西南交通大學
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