CN113588248A - 一种模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置,主要包括安装***,加载***及监测***。安装***包括相似模拟试验箱、盾构管片模型和反力框架,所述相似模拟试验箱内填有相似土,所述盾构管片埋置于相似土正中间;加载***分为千斤顶和电动气压泵,所述加载***安装于反力框架上;监测***主要包括位移传感器、应力应变传感器及压力传感器。本发明还公开了对应的管片受力试验方法:将管片受力试验装置安装完毕;模拟围岩压力;对管片进行对称推力加载;对管片进行多组不对称推力加载,模拟不同转弯半径;处理记录的数据,分析结果。本发明在盾构管片的试验过程中,考虑围岩压力对管片受力的影响,并且通过千斤顶对不同弧度管片施加多组不对称推力,更加真实地模拟不同转弯半径盾构管片的受力情况。
Description
技术领域
本发明涉及盾构管片试验领域,特别涉及一种模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置及方法。
背景技术
随着地下轨道交通的快速发展,盾构法以其高效、经济、安全等优点得到了广泛的应用。而在盾构隧道施工过程中,往往需要采用小曲率半径的曲线隧道绕过城市中密集的建筑物和各种管道等障碍物;虽然曲线型隧道具有较强的路线适应性,但是与直线型隧道相比,曲线隧道管片设计具有明显不确定性以及典型的三维力学行为特性,且曲线型隧道姿态纠偏复杂,极易产生较大的偏心力,致使小曲率盾构区管片出现错台、渗水、管片破损等问题,极大威胁着盾构施工的安全性与后期运营的稳定性;且不同转弯半径盾构管片所受的千斤顶推力各有不同,管片受力也更加复杂,因此研究不同转弯半径盾构管片受力特性及破坏机理已成为亟待探索的关键科学问题。
目前,盾构隧道衬砌管片力学性能试验的反力装置主要有反力墙、水平对拉锚索、杆加中心圆筒以及立式加载架等;反力墙式加载装置存在占用空间大、不够灵活的缺点,无法适应多环隧道管片的试验,且会在荷载较大时产生墙体破坏;水平对拉锚索式反力装置通过锚索对拉在盾构管片表面产生压力,但这种压力较小且无法灵活改变;杆加中心圆筒式反力装置将杆穿过盾构管片,通过杆的拉力产生对盾构管片的压力,同时在圆筒处实现自平衡,但此类装置会对盾构管片产生破坏,降低的管片的承载性能;立式加载架考虑了盾构管片自身的重力,但结构无法处于稳定的平衡状态,在加载过程中会产生冲击力作用,加大对管片的破坏程度;此外,上述方法均无法较好模拟不同转弯半径盾构管片所受的不对称推力,因此,有必要研发一种新的适合模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置。
发明内容
本发明提供一种模拟盾构施工过程中不同转弯半径盾构管片受力情况的室内相似模拟试验装置及其使用方法;解决现有管片力学试验中忽略地层作用及不同转弯半径管片受不对称推力的问题,以期寻求一种转弯半径与千斤顶不对称推力之间的关系。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
本发明提供了一种模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置,包括安装***、加载***和监测***,所述安装***包括相似模拟试验箱和反力框架,所述加载***安装于所述反力框架上,所述监测***主要包括位移传感器、应力应变传感器及压力传感器。
进一步地,所述相似模拟试验箱内部填充地层相似土,所述盾构管片埋置于相似土层正中间,所述盾构管片制作成不同弧度,模拟不同转弯半径,所述模型箱背面通过角钢固定管片,所述模型箱左右两侧分别通过螺栓各固定2个千斤顶,所述千斤顶另一侧通过螺栓固定加压板。
进一步地,所述反力框架上设置6个V型架,所述V型架呈正六边形布置,确保左右对称加压。
进一步地,所述加载***包括千斤顶和电动气泵,所述千斤顶的数量采用6个且将管片均匀分为6个加载区,以确保左右受力均匀,所述千斤顶通过螺栓固定于上述反力框架上的V型架上,所述千斤顶与气压泵相连。
进一步地,监测***包括位移传感器、应力应变传感器及压力传感器,管片环向接缝内外设置应力应变传感器,在管片转弯内外侧受力集中部分密集布置应变片,同时布置位移传感器,在千斤顶与管片之间放置压力传感器。
一种利用上述装置模拟不同转弯半径盾构管片受力试验方法,包括以下步骤:
步骤一:将管片受力试验装置安装完毕;
步骤二:首先模拟土层压力;
步骤三:对管片进行对称推力加载;
步骤四:对管片进行多组不对称推力加载,模拟不同转弯半径;
步骤五:处理记录的数据,分析结果。
在步骤一中包括以下步骤:制作不同弧度管片模型、对管片环向接头部位切割凹槽模拟接头、填装相似土、固定管片于土体中、连接加载气压装置、连接位移传感器、粘贴应力应变传感器、放置压力传感器、反力框架上布设千斤顶。
在步骤二中包括以下步骤:控制模型箱两侧的千斤顶对相似土体进行加压,同时调整覆土厚度,模拟不同覆土埋深下的围岩压力。
在步骤三中包括以下步骤:在一定围岩压力条件下,对管片进行对称推力加载,按照预设的加载值对管片施加对称推力,缓慢加载至设定值后停止加载,保持压力,记录监测装置的结果,作为对比数据。
在步骤四中包括以下步骤:在一定围岩压力条件下,对不同弧度管片进行多组不对称推力加载,模拟不同转弯半径;按照预设的加载值对管片施加不对称推力,缓慢加载至设定值后停止加载,保持压力,记录监测装置的结果。
在步骤五中包括以下步骤:处理记录的数据,绘制应力应变曲线及转弯环内外侧位移曲线,对比不同围岩压力条件下,直线段和不同转弯半径情况下管片的受力情况和破坏特征。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明为一种模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置及方法,本装置通过对不同弧度管片施加多组不对称推力模拟不同转弯半径盾构管片的受力状态,可以准确模拟实际施工中不同转弯半径的管片受力情况;通过监测***所收集到的应力应变数据及管片的破坏形式,分析在不同围岩压力,不同转弯半径的前提下,管片的受力特点,从而针对于盾构调整姿态作出合理的施工参数;
2、通过相似土模拟管片所处土层,并通过对两侧土体施加千斤顶推力模拟围岩压力,使不同转弯半径管片受力试验更加贴近管片实际受力情况,结果更加准确。
附图说明
图1是本发明提供的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置的立体示意图。
图2是本发明提供的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置的侧面示意图。
图3是本发明提供的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置的剖面示意图。
图4是本发明提供的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置中的反力架正面示意图。
图5是本发明提供的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置中的位移传感器布置图。
图6是本发明提供的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置中的应力应变传感器布置图。
其中:1-相似模拟试验箱;2-反力框架;3-相似土层;4-盾构管片;5-千斤顶;6-加压板;7-V型架;8-应力应变传感器;9-位移传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
为了解决现有技术存在的问题,如图1至图6所示,本发明提供了一种模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置,包括安装***、加载***和监测***;本发明在相似模拟试验箱中填充相似土,同时通过对侧面土体加压和改变覆土厚度模拟围岩压力,更加符合管片在实际施工中的受压情况;本发明相较与现有的盾构管片受力试验,首先模拟了不同围岩压力情况下管片的受力情况,寻求受力特点,可以模拟适用于不同地层条件;其次,在模拟围岩压力的基础上,通过对管片施加多组不对称推力模拟不同转弯半径管片转弯时的受力特征,观测管片受力破坏情况,并根据监测***所记录的数据可得到管片的应力应变变化曲线以及不同转弯半径管片转弯时内外变形变化,以此研究不同转弯半径的管片结构在不同围岩压力作用下的受力情况,针对于盾构调整姿态作出合理的施工参数。
所述安装***包括相似模拟试验箱1、盾构管片4和反力框架2,所述相似模拟试验箱1内部填充地层相似土3,所述盾构管片4制作成不同弧度,模拟不同转弯半径,所述模型箱1背面通过角钢固定管片,所述模型箱1左右两侧分别通过螺栓各固定2个千斤顶,所述千斤顶另一侧通过螺栓固定加压板6,所述盾构管片4埋置于相似土层3正中间。
所述加载***包括千斤顶5和电动气泵,所述千斤顶5的数量采用6个且将管片4均匀分为6个加载区,以确保左右受力均匀,所述千斤顶5通过螺栓固定于上述反力框架2上的V型架7上,所述千斤顶5与气压泵相连。
所述监测***包括位移传感器9、应力应变传感器8及压力传感器,管片4环向接缝内外设置应力应变传感器8,在管片4转弯内外侧受力集中部分密集布置应变片8,同时布置位移传感器9,在千斤顶与管片之间放置压力传感器。
压力装置采用气垫式的气压加载***。
本发明能够模拟盾构隧道结构在多种施工条件下的受力特性,适用于如下情况:
1、模拟围岩压力作用下直线盾构隧道管片受力情况,通过对1#~4#千斤顶加载模拟围岩压力,再通过5#~10#千斤顶施加一致的推力来模拟直线段管片受力情况;
2、模拟围岩压力作用下不同转弯半径管片受力情况,通过对1#~4#千斤顶加载模拟围岩压力,对6#和7#,9#和10#分别施加不同推力模拟不同转弯半径的管片受力,千斤顶不对称推力视转弯半径而改变;
3、模拟有坡度的盾构管片受力情况,通过5#和8#千斤顶施加不同的推力模拟上下坡,6#和10#,7#和9#推力一致,但两者视坡度情况推力不同。
上述一种转弯处盾构管片受力试验装置的使用方法,包括以下步骤:
步骤一:将管片受力试验装置安装完毕;
步骤二:首先模拟土层压力;
步骤三:对管片进行对称推力加载;
步骤四:对管片进行多组不对称推力加载,模拟不同转弯半径;
步骤五:处理记录的数据,分析结果。
在步骤一中包括以下步骤:制作不同弧度管片模型、对管片环向接头部位切割凹槽模拟接头、填装相似土、固定管片于土体中、连接加载气压装置、连接位移传感器、粘贴应力应变传感器、放置压力传感器、反力框架上布设千斤顶。
在步骤二中包括以下步骤:控制模型箱两侧的千斤顶对相似土体进行加压,同时调整覆土厚度,模拟不同覆土埋深下的围岩压力。
在步骤三中包括以下步骤:在一定围岩压力条件下,对管片进行对称推力加载,按照预设的加载值对管片施加对称推力,缓慢加载至设定值后停止加载,保持压力,记录监测装置的结果,作为对比数据。
在步骤四中包括以下步骤:在一定围岩压力条件下,对不同弧度管片进行多组不对称推力加载,模拟不同转弯半径;按照预设的加载值对管片施加不对称推力,缓慢加载至设定值后停止加载,保持压力,记录监测装置的结果。
在步骤五中包括以下步骤:处理记录的数据,绘制应力应变曲线及转弯环内外侧位移曲线,对比不同围岩压力条件下,千斤顶对称推力和不对称推力情况下管片的受力情况和破坏特征。
本发明针对不同转弯半径管片受力情况的复杂性,提出了一种模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置,在施加围岩压力的基础上,通过自制反力框架对不同弧度盾构管片模型进行多组不对称推力加载,从而模拟地层作用下的不同转弯半径盾构管片受力情况;该试验装置及方法更加贴合实际施工中盾构管片的受力情况,通过试验结果能够分析不同转弯半径盾构管片的受力变形情况、应力应变变化和管片破损特征,同时找到一种千斤顶不对称推力与转弯半径之间的规律,以期在实际施工中起到指导参考作用。
Claims (7)
1.一种模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置,包括安装***、加载***和监测***,所述安装***包括相似模拟试验箱、盾构管片模型和反力框架,所述加载***安装于所述反力框架上,所述监测***主要包括位移传感器、应力应变传感器及压力传感器。
2.根据权利要求1所述的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置,其特征在于:所述相似模拟试验箱内部填充地层相似土,所述盾构管片制作成不同弧度,模拟不同转弯半径,所述盾构管片埋置于相似土层正中间,所述模型箱背面通过角钢固定管片,所述模型箱左右两侧分别通过螺栓各固定2个千斤顶,所述千斤顶另一侧通过螺栓固定加压板。
3.根据权利要求1所述的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置,其特征在于:所述反力框架上设置6个V型架,所述V型架呈正六边形布置,确保左右对称加压。
4.根据权利要求1所述的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置,其特征在于:所述加载***包括千斤顶和电动气泵,所述千斤顶的数量采用6个且将管片均匀分为6个加载区,以确保左右受力均匀,所述千斤顶通过螺栓固定于上述反力框架上的V型架上,所述千斤顶与气压泵相连。
5.根据权利要求1所述的模拟不同转弯半径盾构管片受力试验装置,其特征在于:所述监测***包括位移传感器、应力应变传感器及压力传感器,管片环向接缝内外设置应力应变传感器,在管片转弯内外侧受力集中部分密集布置应变片,同时布置位移传感器,在千斤顶与管片之间放置压力传感器。
6.一种利用上述装置模拟不同转弯半径盾构管片受力试验的试验方法,包括以下步骤:
步骤一:将转弯处管片受力试验装置安装完毕;
步骤二:首先模拟土层压力;
步骤三:对管片进行对称推力加载;
步骤四:对管片进行多组不对称推力加载,模拟不同转弯半径;
步骤五:处理记录的数据,分析结果。
7.根据权利要求6所述的一种利用上述装置模拟不同转弯半径盾构管片受力的试验方法,其特征在于:
所述步骤一包括:制作不同弧度管片模型、对管片环向接头部位切割凹槽模拟接头、填装相似土、固定管片于土体中、连接加载气压装置、连接位移传感器、粘贴应力应变传感器、放置压力传感器、反力框架上布设千斤顶;
所述步骤二包括:控制模型箱两侧的千斤顶对相似土体进行加压,同时调整覆土厚度,模拟不同覆土埋深下的围岩压力;
所述步骤三包括:在一定围岩压力条件下,对管片进行对称推力加载,按照预设的加载值对管片施加对称推力,缓慢加载至设定值后停止加载,保持压力,记录监测装置的结果,作为对比数据;
所述步骤四包括:在一定围岩压力条件下,对管片进行多组不对称推力加载,模拟不同转弯半径;
按照预设的加载值对管片施加不对称推力,缓慢加载至设定值后停止加载,保持压力,记录监测***的结果;
所述步骤五包括:处理记录的数据,绘制应力应变曲线及转弯环内外侧位移曲线,对比不同围岩压力条件下,直线段和不同曲线半径情况下管片的受力情况和破坏特征。
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