一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載裝置及其加載方法

2023-05-06 06:57:01 3

專利名稱：一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載裝置及其加載方法
技術領域：
本發明屬於土木工程技術領域，特別涉及非圓形斷面隧道模型試驗技術領域。
背景技術：
富水山嶺隧道及水下隧道的襯砌主體結構多處於高水壓作用下，其承受的水壓呈頂部小底部大的非均勻分布。在施工和運營期間，隧道結構承受的水壓變化非常大，加之目前隧道斷面呈現大型化的發展趨勢，隧道結構在施工期和運營期承受的非均勻水壓產生的影響不可忽略。通過模擬實際上小下大的非均勻水壓對隧道結構的作用和影響，能夠對高水壓隧道以及水下隧道結構的設計和施工給出科學可靠的試驗依據，以保證隧道的建設和營運安全。目前，有針對圓形斷面盾構隧道的水壓原型試驗方法，該方法採用環箍加載方式， 在原型管片結構前、後環箍梁上施加環箍張拉力，從而對隧道結構產生徑向接觸壓力，是一種根據力學等效原理較為合理的模擬實際水壓的試驗方法。但由於錨索與管片間設置有較大的錨具，使得錨索與管片不能緊密接觸，無法準確施加全周荷載，且錨具對結構的反力也嚴重影響結構的力學特徵精度，另外，由於原型試驗體積大，施加的環箍張拉力很大，操作困難，精度不高。採用大比尺的隧道結構模型試驗可以較為方便且精確的研究結構受水壓作用下的力學特徵，但目前尚無有效方法對非圓形斷面隧道結構施加頂部小底部大全周密閉水壓，這是當前高水壓隧道以及水下隧道設計與建設中亟待解決的問題。

發明內容
本發明的目的就是提供一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載裝置，該裝置能對非圓形斷面隧道模型試驗的全周密閉模擬水壓加載裝置，可以為非圓形隧道結構模型試驗提供一種實際水壓的等效模擬方法，且能對隧道結構施加頂部小底部大全周密閉的非均勻模擬水壓，能較真實地模擬水壓對隧道結構的作用和影響，從而對高水壓隧道以及水下隧道結構的設計和施工給出更科學可靠的試驗依據，以保證隧道的建設和營運安全。配合土層複合體模擬試驗裝置，可以研究襯砌主體結構在不同水壓和埋深條件下與周圍土體和水體的相互作用關係、受力特徵及破壞形式。本發明為實現其第一個發明目的，所採用的技術方案是一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載裝置，其特徵在於整體結構呈T型布置，上部為左、中、右三個框體，下部為下框體；左、右框體的空間內布置力傳感器，力傳感器上方設置微調螺杆；中框體的翼板的一側開有翼板凹槽；左、右框體的翼板上布置定位孔，左、右框體的翼板上的定位孔下方對應前後布置成對的懸臂立柱，左、右框體下方的各對懸臂立柱在左右的橫向上呈「八」字階梯狀；每對懸臂立柱之間設有橫軸，橫軸上套有導向滑輪，環箍鋼絞線經導向滑輪、左/右框體的翼板的定位孔與力傳感器連結；
下框體的底板開有底板凹槽，下框體內品字形的布置加載中軸、向上導向側軸和向下導向側軸，向上導向側軸和向下導向側軸分別由向上導向側軸孔、向下導向側軸孔固定，加載中軸的兩端分別插入翼板凹槽和底板凹槽上的滑動槽中；各軸上均設有定位導向滑輪；下框體的兩側板上設有側定位孔。上述的左、右框體的翼板下方開有懸臂立柱孔，通過螺紋連結懸臂立柱。本發明實現其第二個發明目的，所採用的技術方案是使用上述的模擬水壓加載裝置，在隧道結構試驗時進行模擬水壓加載的方法，由以下步驟組成A、試驗準備隧道結構模型按照幾何相似比1 10-50的比例尺製作，模型材料按照容重相似比1 1配製，隧道結構模型的縱向深度須超過或等於模擬水壓加載裝置的高度，在隧道結構模型的內、外表面上對稱布設環向分布的測試元件，在隧道結構模型外側環箍鋼絞線的位置粘貼減阻貼片，並塗抹潤滑油；B、安裝模擬水壓加載裝置將模擬水壓加載裝置設置於隧道結構模型牆角兩側， 水壓加載裝置的翼板凹槽和底板凹槽抵住隧道結構模型，隧道結構模型上部環向布置環箍鋼絞線，其位置由向下導向側軸上的定位導向滑輪確定，環箍鋼絞線繞過加載中軸，並被加載中軸抵住貼緊隧道結構模型，兩端頭繞過向下導向側軸從側板上的側定位孔穿出，然後繞過橫軸上的導向滑輪從翼板的定位孔穿過，錨固於上框體上的力傳感器上；環向布置模型結構下部也布置環箍鋼絞線，其位置由向上導向側軸上的定位導向滑輪確定，環箍鋼絞線繞過加載中軸，與上部的環箍鋼絞線錯開，並被加載中軸抵住貼緊隧道結構模型，兩端頭繞過向上導向側軸從下框體側板上的側定位孔穿出，然後繞過橫軸上的導向滑輪從翼板的定位孔穿過，錨固於上框體上的力傳感器上；C、測試儀器的布置將模擬水壓加載裝置和隧道結構模型的組合體固定住，在隧道結構模型內部布置其他測試元件，將力傳感器、測試元件以及其他測試元件與計算機相連；D、測試使用力傳感器微調螺杆精確調節環箍力的大小，將環箍鋼絞線拉緊，對隧道結構模型施以徑向壓力，同時利用測試元件對加載的載荷量引起隧道結構的力學響應進行測試，並將測試結果輸入計算機進行分析。上述的加載中軸的位置可以通過加載中軸的滑動槽前後調節，適用於不同的結構模型試驗，通過合理調節加載中軸的位置，使環箍鋼絞線能夠緊密的貼近隧道結構模型，確保隧道結構模型全周都能受到準確可控的徑向壓力；向上導向側軸、向下導向側軸和橫軸將環箍鋼絞線引到模擬水壓加載裝置的上方，與力傳感器相連接，便於力的施加與控制。上述的上部圓弧環箍鋼絞線根數與下部圓弧環箍鋼絞線根數不同，通過匹配與之數目相同的定位導向滑輪和定位孔，合理分配頂部小底部大的水壓力，且使環箍鋼絞線布置的時候相互錯開，避免相交產生的誤差。本發明的隧道結構試驗用模擬水壓加載裝置及其加載方法的原理是採用大比尺相似模型試驗手段，操作方便且結果精確，適合用於規律性試驗研究。 當隧道處於高水壓作用下，水頭高度越大，隧道高度與水頭高度的比值越小，隧道不同位置承受的水壓受隧道高度的影響就越小，因此隧道結構全周承受的非均勻水壓的差值很小。 考慮到非圓形結構斷面的上部(拱頂+邊牆)、下部(仰拱)兩段圓弧佔整個斷面的絕大部分，可以把此非均勻水壓分成上小下大的兩部分均勻荷載，分別作用於上下兩段圓弧上。通過合理確定上下兩部均勻荷載的大小，等效模擬頂部小底部大的非均勻實際水壓作用，使得結構的受力和變形與在實際水壓作用下相同。 採用環箍加載方式，在隧道結構上下圓弧段設置環箍鋼絞線施加張拉力，可以在隧道結構上產生徑向均勻接觸壓力。模擬水壓加載裝置中設置加載中軸，能抵住牆角位置的環箍鋼絞線使其緊貼於隧道結構，保證環箍鋼絞線與隧道結構緊密全周接觸，實現全周密閉加載。本發明能夠模擬非圓形斷面隧道結構受上小下大的水壓，能對非圓形斷面隧道結構施加全周密閉的上下兩部均勻荷載，準確得出襯砌結構全周的力學響應、受力特徵、破壞形式。 與現有技術相比，本發明的有益效果是1、本發明能實現對非圓形隧道結構頂部小底部大的非均勻水壓的等效模擬，較真實地測出環境水壓對隧道結構的作用和影響，且採用大比尺相似模型試驗的手段，可以較為方便且準確的研究隧道結構的力學參數和性能，從而對高水壓隧道以及水下隧道結構的設計和施工給出更科學可靠的試驗依據，以保證隧道的建設和營運安全。2、本發明對隧道結構上下部環箍時，不採用傳統的錨具固定環箍鋼絞線，避免因為錨具的厚度使環箍鋼絞線與結構模型之間產生距離，從而不能施加全周密閉荷載。本發明在模擬水壓加載裝置中設置加載中軸，該結構能抵住環箍鋼絞線使其緊貼於隧道結構模型，保證環箍鋼絞線與隧道結構模型緊密全周接觸，實現全周密閉加載，可以準確的得到隧道結構在水壓條件下全周的力學特徵。3、本發明可以配合土層複合體模擬試驗裝置，可以同時研究襯砌主體結構在不同水壓和埋深條件下與周圍土體和水體的相互作用關係、受力特徵及破壞形式。而且環箍鋼絞線通過向上導向側軸、向下導向側軸和橫軸引至裝置上方，便於力的加載與控制。上述的加載中軸的位置可以通過加載中軸滑動槽前後調節，適用於不同的結構模型試驗，通過合理調節加載中軸的位置，使環箍鋼絞線能夠緊密的貼近隧道結構模型，確保結構模型全周都能受到準確可控的徑向壓力。下面結合附圖和具體的實施方式對本發明作進一步詳細的說明。


圖1是本發明實施例裝置的立體結構示意圖；圖2是本發明實施例裝置的正視結構示意圖；圖3是圖1的A-A剖視圖；圖4是本發明實施例裝置的翼板仰視圖；圖5是圖4的B-B剖視圖；圖6是用本發明實施例的裝置進行試驗時的示意圖(圖中以箭頭表示力傳感器)。圖7是環箍鋼絞線箍拉力與隧道結構模型受均勻荷載的關係圖。
具體實施例方式實施例圖1-5示出，本發明的一種具體實施方式
為一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載裝置，其特徵在於
整體結構呈T型布置，上部為左、中、右三個框體，下部為下框體；左、右框體的空間內布置力傳感器9，力傳感器9上方設置微調螺杆；中框體的翼板的一側開有翼板凹槽 10 ；左、右框體的翼板上布置定位孔7，左、右框體的翼板上的定位孔7下方對應前後布置成對的懸臂立柱8，左、右框體下方的各對懸臂立柱8在左右的橫向上呈「八」字階梯狀；每對懸臂立柱8之間設有橫軸4，橫軸4上套有導向滑輪5，環箍鋼絞線12經導向滑輪 5、左/右框體的翼板的定位孔7與力傳感器9連結；下框體的底板開有底板凹槽11，下框體內品字形的布置加載中軸1、向上導向側軸2和向下導向側軸3，向上導向側軸2和向下導向側軸3分別由向上導向側軸孔14、向下導向側軸孔15固定，加載中軸1的兩端分別插入翼板凹槽10和底板凹槽11上的滑動槽 13AU3B中；各軸上均設有定位導向滑輪6 ；下框體的兩側板上設有側定位孔7A、7B。本例的左、右框體的翼板下方開有懸臂立柱孔16，通過螺紋連結懸臂立柱8。圖6-7及圖1-5示出，使用上述的模擬水壓加載裝置，在隧道結構試驗時進行模擬水壓加載的方法，由以下步驟組成A、試驗準備隧道結構模型17按照幾何相似比1 10-50的比例尺製作，模型材料按照容重相似比1 1配製，隧道結構模型17的縱向深度須超過或等於模擬水壓加載裝置的高度，在隧道結構模型17的內、外表面上對稱布設環向分布的測試元件18，在隧道結構模型外側環箍鋼絞線12的位置粘貼減阻貼片，並塗抹潤滑油；B、安裝模擬水壓加載裝置將模擬水壓加載裝置設置於隧道結構模型17牆角兩側，水壓加載裝置的翼板凹槽10和底板凹槽11抵住隧道結構模型17，隧道結構模型17上部環向布置環箍鋼絞線12，其位置由向下導向側軸3上的定位導向滑輪6確定，環箍鋼絞線 12繞過加載中軸1，並被加載中軸1抵住貼緊隧道結構模型17，兩端頭繞過向下導向側軸3 從側板上的側定位孔7A穿出，然後繞過橫軸4上的導向滑輪5從翼板的定位孔7穿過，錨固於上框體上的力傳感器9上；環向布置模型結構下部也布置環箍鋼絞線12，其位置由向上導向側軸2上的定位導向滑輪6確定，環箍鋼絞線繞過加載中軸1，與上部的環箍鋼絞線錯開，並被加載中軸1抵住貼緊隧道結構模型17，兩端頭繞過向上導向側軸2從下框體側板上的側定位孔7B穿出，然後繞過橫軸4上的導向滑輪5從翼板的定位孔7穿過，錨固於上框體上的力傳感器9上；C、測試儀器的布置將模擬水壓加載裝置和隧道結構模型17的組合體固定住，在隧道結構模型17內部布置其他測試元件，將力傳感器9、測試元件18以及其他測試元件與計算機相連；D、測試使用力傳感器微調螺杆精確調節環箍力的大小，將環箍鋼絞線12拉緊， 對隧道結構模型17施以徑向壓力，同時利用測試元件18對加載的載荷量引起隧道結構的力學響應進行測試，並將測試結果輸入計算機進行分析。本例中，加載中軸1的位置可以通過加載中軸1的滑動槽13A、i;3B前後調節，適用於不同的結構模型試驗，通過合理調節加載中軸1的位置，使環箍鋼絞線12能夠緊密的貼近隧道結構模型17，確保隧道結構模型17全周都能受到準確可控的徑向壓力；向上導向側軸2、向下導向側軸3和橫軸4將環箍鋼絞線12引到模擬水壓加載裝置的上方，與力傳感器 9相連接，便於力的施加與控制。
本例中，上部圓弧環箍鋼絞線12根數與下部圓弧環箍鋼絞線12根數不同，通過匹配與之數目相同的定位導向滑輪6和定位孔7A、7B，合理分配頂部小底部大的水壓力，且使環箍鋼絞線12布置的時候相互錯開，避免相交產生的誤差。試驗時環箍力的確定根據結構力學分析計算得出，環箍鋼絞線12與隧道結構外表面的徑向接觸壓力關係。取需要施加均勻徑向水壓的圓弧段，幾何關係如圖7所示，設襯砌外半徑為R，縱向寬度為B，作用在結構表面上的平均壓應力為q，張拉的鋼絞線數目為n，沿縱向平均分配到襯砌上，單根鋼絞線箍力為F，根據力的平衡關係有
1 2
(4)
積分後，推導得 Fy 亡SqR cosff I二又有q = YwH(3)得到環箍力與水頭高度的關係式Fj = -f:Sv,.-HR ccs 8 j 蘭得F = Fy/cosal(5)因為對非均勻斷面採取上下部環箍的方式，計算上下部鋼絞線環箍力時取值不同，上部環箍力計算半徑為上段圓弧半徑，下部環箍力計算半徑為下段圓弧半徑，而因為上部弧度較大，其平均壓應力q取值按照邊牆水位高度計算為宜，下部弧度很小，其平均壓應力q取值按照仰拱水位高度計算。經數值模擬驗證，可以滿足誤差條件，精確的模擬上小下大的實際非均勻水壓的作用。
8
權利要求
1.一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載裝置，其特徵在於整體結構呈T型布置，上部為左、中、右三個框體，下部為下框體；左、右框體的空間內布置力傳感器(9)，力傳感器(9)上方設置微調螺杆；中框體的翼板的一側開有翼板凹槽 (10)；左、右框體的翼板上布置定位孔(7)，左、右框體的翼板上的定位孔(7)下方對應前後布置成對的懸臂立柱(8)，左、右框體下方的各對懸臂立柱(8)在左右的橫向上呈「八」字階梯狀；每對懸臂立柱⑶之間設有橫軸，橫軸⑷上套有導向滑輪(5)，環箍鋼絞線(12) 經導向滑輪(5)、左/右框體的翼板的定位孔(7)與力傳感器(9)連結；下框體的底板開有底板凹槽(11)，下框體內品字形的布置加載中軸(1)、向上導向側軸⑵和向下導向側軸(3)，向上導向側軸(2)和向下導向側軸(3)分別由向上導向側軸孔 (14)、向下導向側軸孔(15)固定，加載中軸(1)的兩端分別插入翼板凹槽(10)和底板凹槽 (11)上的滑動槽(13A、13B)中；各軸上均設有定位導向滑輪(6)；下框體的兩側板上設有側定位孔(7A、7B)。
2.根據權利要求1所述的一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載裝置，其特徵在於 左、右框體的翼板下方開有懸臂立柱孔(16)，通過螺紋連結懸臂立柱(8)。
3.一種使用權利要求1所述的模擬水壓加載裝置，在隧道結構試驗時進行模擬水壓加載的方法，其特徵在於A、試驗準備隧道結構模型(17)按照幾何相似比1 10-50的比例尺製作，模型材料按照容重相似比1 1配製，隧道結構模型(17)的縱向深度須超過或等於模擬水壓加載裝置的高度，在隧道結構模型(17)的內、外表面上對稱布設環向分布的測試元件(18)，在隧道結構模型外側環箍鋼絞線(12)的位置粘貼減阻貼片，並塗抹潤滑油；B、安裝模擬水壓加載裝置將模擬水壓加載裝置設置於隧道結構模型(17)牆角兩側， 水壓加載裝置的翼板凹槽(10)和底板凹槽(11)抵住隧道結構模型(17)，隧道結構模型 (17)上部環向布置環箍鋼絞線(12)，其位置由向下導向側軸(3)上的定位導向滑輪(6)確定，環箍鋼絞線(12)繞過加載中軸(1)，並被加載中軸(1)抵住貼緊隧道結構模型(17)，兩端頭繞過向下導向側軸C3)從側板上的側定位孔(7A)穿出，然後繞過橫軸(4)上的導向滑輪(5)從翼板的定位孔(7)穿過，錨固於上框體上的力傳感器(9)上；環向布置模型結構下部也布置環箍鋼絞線(12)，其位置由向上導向側軸(2)上的定位導向滑輪(6)確定，環箍鋼絞線繞過加載中軸(1)，與上部的環箍鋼絞線錯開，並被加載中軸(1)抵住貼緊隧道結構模型(17)，兩端頭繞過向上導向側軸( 從下框體側板上的側定位孔(7B)穿出，然後繞過橫軸(4)上的導向滑輪(5)從翼板的定位孔(7)穿過，錨固於上框體上的力傳感器(9)上；C、測試儀器的布置將模擬水壓加載裝置和隧道結構模型(17)的組合體固定住，在隧道結構模型(17)內部布置其他測試元件，將力傳感器(9)、測試元件(18)以及其他測試元件與計算機相連；D、測試使用力傳感器微調螺杆精確調節環箍力的大小，將環箍鋼絞線(1 拉緊，對隧道結構模型(17)施以徑向壓力，同時利用測試元件(18)對加載的載荷量引起隧道結構的力學響應進行測試，並將測試結果輸入計算機進行分析。
4.根據權利要求3所述的一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載方法，其特徵在於 加載中軸(1)的位置可以通過加載中軸(1)的滑動槽(13A、13B)前後調節，適用於不同的結構模型試驗，通過合理調節加載中軸(1)的位置，使環箍鋼絞線(12)能夠緊密的貼近隧道結構模型(17)，確保隧道結構模型(17)全周都能受到準確可控的徑向壓力；向上導向側軸O)、向下導向側軸C3)和橫軸(4)將環箍鋼絞線(1 引到模擬水壓加載裝置的上方，與力傳感器(9)相連接，便於力的施加與控制。
5.根據權利要求3所述的一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載方法，其特徵在於 上部圓弧環箍鋼絞線(12)根數與下部圓弧環箍鋼絞線(12)根數不同，通過匹配與之數目相同的定位導向滑輪(6)和側定位孔(7A、7B)，合理分配頂部小底部大的水壓力，且使環箍鋼絞線(12)布置的時候相互錯開，避免相交產生的誤差。
全文摘要
本發明提供了一種用於隧道結構試驗的模擬水壓加載裝置及其加載方法。本發明對非圓形斷面隧道結構水壓試驗提供方便且精確的研究並解決結構受水壓作用下的力學特徵問題。整體結構呈T型布置，上部為左、中、右三個框體，下部為下框體，左、右框體的空間內布置力傳感器，力傳感器上方設置微調螺杆。環箍鋼絞線經橫軸上導向滑輪和左/右框體翼板的定位孔與力傳感器連結；下框體的底板開有底板凹槽，下框體內品字形布置加載中軸、向上導向側軸和向下導向側軸，加載中軸設置在中框體翼板凹槽和下框體底板凹槽的滑動槽中，各軸上均設有定位導向滑輪其位置可以前後調節。主要用於隧道結構試驗。
文檔編號G01M99/00GK102435458SQ20111043159
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者何本國, 師曉權, 張志強, 李化雲, 馬騰飛 申請人:西南交通大學