一種實現管片三維受載的結構力學性能的建模方法與流程

2023-06-08 18:48:21

本發明涉及城市地鐵、公路隧道等採用盾構施工管片結構襯砌的隧道工程，具體為一種實現管片三維受載環境下結構力學特性分析的建模方法。

背景技術：

近年來隨著經濟的發展和技術的進步，盾構隧道在城市地鐵、公路隧道、跨江海隧道等領域中得到了廣泛的應用。盾構隧道管片襯砌結構是通過管片接頭將管片拼接成環，再通過環間接頭將單個管片環連接成管狀結構而構成的隧道主體。管片處於三維受載環境，是盾構隧道的主要支護結構，但是由於管片接頭的存在，隧道在施工和運營過程中容易出現錯臺、張開、破損、漏水等影響使用功能的問題，是工程施工中需要特別關注的環節。

目前，針對管片的受力特性研究，國內外學者從室內管片結構加載、數值計算、現場監測等方面均做了大量工作，研究成果在工程中也得到了應用。但是，即使科研成果顯著，結構設計仍然難以採用，仍然以高安全係數確保結構的安全性，造成材料浪費。其中一個重要原因就是一般的管片受力室內實驗只選取管片作為實驗對象，地應力等效為荷載施加於管片，力學模型過於簡化，造成管片受力環境過於理想化。同時，現場監測的手段只針對於特點地質條件，不能獲取極限邊界條件。

為了克服管片結構受力忽略地層物理力學特性而過於理想化，現場監測工程地質過於單一的特點，設計了一種實現管片三維受載環境的結構力學性能建模方法，該方法不僅考慮了地層的影響，而且通過多工況模擬實現了管片受力極值的確定。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是一般的管片受力室內實驗只選取管片作為實驗對象，地應力等效為荷載施加於管片，力學模型過於簡化的缺陷，提供一種實現管片三維受載的結構力學性能的建模方法。

本發明為解決以上問題採用的技術方案為：一種實現管片三維受載的結構力學性能的建模方法，包括以下建模步驟：

1.地層重塑與製作：根據工程地質條件，查明各地層物理力學性質，根據froude比例定律的要求設計模型的長度、應力、力和時間相似比尺，在結構加載平臺內充填夯實各層填土，實現地層重塑。

2.縮尺管片模型製作：根據管片原型抗拉剛度，配置一定直徑的鐵絲模擬管片主筋；根據管片力學參數和相似比尺，配置一定水膏比的石膏材料模擬混凝土，預製管片模型並加工現場安裝；根據管片原型的抗彎剛度，在模型接頭的相應位置配置螺栓進行連接。

3.管片監測系統設計：以模型中間環管片為主要監測部位，在監測環管片中線沿環向均勻布設6-10個環向應變片，相同監測點布設管片環縱向應變片；在相同環管片兩側邊沿環向分別均勻布設12-20個環向應變片，相同監測點布設管片環縱向應變片，應變片的布設應上下左右對稱。

在監測管片環外側10cm環面地層中沿管片環法線方向均勻布設8個土壓力計，或者粘貼於監測管片環外層進行布設8個土壓力計。

4.管片不同受載模型實驗實現：根據工程地質條件，確定地應力值，預測管片可能出現的錯臺及偏載等情況，設計模型模擬工況；控制結構加載平臺左右兩側的推進油缸、頂部推進油缸實現對重塑填土的加載，控制推進油缸的不同推進位移，實現對管片不同受載、管片的錯臺與偏載。

5.數據採集與分析：實時採集管片應變片及土壓力計的監測數據，剔除異常值，根據監測點位比較分析土壓力值與管片應力應變值。

6、指導工程實踐：根據不同工況下對管片力學特性的分析，指導管片拼裝施工和管片壁後注漿的控制參數設置，避免因管片錯臺或偏載造成的管片不可修復的損傷。

本發明有益效果：採用此實驗方法實現了地層重塑，管片在各類工況下的力學特性分析，有效克服了現場管片監測實驗對施工的幹擾；同時，多工況的單一因素模型實驗的實施，有效彌補了現場多因素影響單一工況的缺陷。該實驗方法為各類地質下管片施工控制提供了重要的支持手段，具有重要的指導意義，值得推廣和應用。

附圖說明

圖1為一種實現管片三維受載的結構力學性能的建模方法原理圖

圖2為管片應變片粘貼示意圖；

圖3為結構加載平臺模型實現橫向截面示意圖；

圖4為結構加載平臺模型實現縱向截面示意圖。

其中，1為螺栓孔，2為應變片，3為管片，4為推進油缸，5為地層，6為管片，7為地基，8為出料口，9為推板。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施過程，對本發明實施方式做進一步的說明：

如圖1所示，開展管片三維受載的結構力學性能建模包括地層重塑與製作，縮尺管片模型製作，管片監測系統設計，管片不同受載模型實驗實現，數據採集與分析。

如圖3、4所示，首先建立一個加載平臺，所述加載平臺為六面方體結構，包括左、右側面，前、後側面，上蓋面，底面，所述左、右側面和上蓋面的內層設置有推板9，所述推板由若干個成陣列排列的推板單元組成，每個推板單元外側穿過左、右側面的側壁垂直設置一個推進油缸4；所述前側面上設置有出料口8。

其中，推板與側面或者推板與上蓋面之間可以有相對位移，各個推板單元之間也可以發生相對位移。

步驟1中的地層重塑與製作要充分考慮工程現場地質條件，提取各地層的密度、變形模量、泊松比、內摩擦角等重要物理力學參數，根據不同的地層參數，各地層依次填築到加載機構中、分層夯實，直至達到設計要求，製成方形結構地層，蓋上上蓋面，於出料口處，在方形地層結構的中間穿鑿隧洞。

如圖2所示，步驟2中的縮尺管片模型製作，管片製作要充分考慮原型的力學參數、抗拉剛度及抗彎剛度。取幾何相似比為1∶12時，c50等級混凝土採用水∶石膏＝1∶1.50的石膏材料模擬，保證終凝時材料彈性模量與原型的比例為1∶12；二級主筋採用直徑1.2mm鐵絲模擬，彈性模量以實驗值為準，保證與原型的等效抗拉剛度ea完全相似；螺栓選用同主筋類似，並保證接頭與管片原型的抗彎剛度相等。

如圖2所示，其中一組環管片為監測環管片，在監測環管片上布設管片應變片，管片應變片布設應沿環向和管片環縱向分別布設。取模擬管片直徑20cm時，管片中線沿環向均勻布設不少於8個監測點，每個監測點分別布設環向和軸向兩個方向應變片；在同一管片環兩側邊沿環向分別布設不少於16個監測點，每個監測點分別布設環向和軸向兩個方向應變片。

待管片製成後，在隧洞的內圓周上布設管片，在布設管片之前，確定其中中間一組環管片採用監測環管片，在監測管片環外側10cm環面地層中沿管片環法線方向均勻布設8個土壓力計。

本發明的又一實施例，所述土壓力計也可粘貼於監測管片環外層後再進行隧洞布置。

如圖3、4所示，待三維受載模型搭建好後，對模擬工況的實現，以實現水平向與豎向地應力不同為例，可以通過控制結構加載平臺左右兩側油缸的位移量與頂部油缸的位移量不同來實現；以實現管片環沿軸向的左右錯臺為例，可以通過控制左右兩側油缸沿軸向的位移量不同來實現，後部油缸位移量較前部油缸位移量向左偏移一定距離，即實現對管片的左右錯臺。

如圖1所示，實時採集管片應變片及土壓力計的監測數據，剔除異常值，根據監測點位比較分析土壓力值與管片應力應變值；對每種工況實時採集監測數據，並處理分析後，不僅可以反映各工況下管片力學特性分布，而且可以針對不同地層優化管片結構設計，實現管片結構性能與經濟效益的最大化。

根據不同工況下對管片力學特性的分析，指導管片拼裝施工和管片壁後注漿的控制參數設置，避免因管片錯臺或偏載造成的管片不可修復的損傷。

所述方法為實現對不同地質條件下管片受力分析，管片錯臺與偏載等管片結構力學特性分析提供了一種行之有效的室內建模方法，為預測隧道管片受力與破壞提供了技術支持，有助於盾構施工參數控制優化。