CN114953118B - 一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种研究水环境下道床‑管片界面疲劳性能的方法及模具，方法包括：提供试件，试件包括相连接的第一试块及第二试块，第一试块与第二试块间设有预制裂缝，试件设有预留孔，第一试块设有传感器孔，将杆体穿设于预留孔，将水压力传感器放入传感器孔；将试件放入水箱中，并用钢条穿过试件的预制裂缝；提供楔形盖板，包括板体及设于板体的楔形脚腿，将板体扣在试件顶面，楔形脚腿与杆体相切；对楔形盖板施加循环荷载，板体将振动传递至试件，楔形脚腿将振动通过杆体传递至试件，使钢条与预制裂缝处发生作用；收集试验数据并分析道床‑管片界面疲劳性能。本发明通过一种简易装置实现对于隧道‑道床临界面疲劳开裂状态模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，属于土木工程领域。
背景技术
混凝土复合材料的疲劳是其在荷载重复作用下产生的不可恢复的强度衰减累积所引起的现象。传统的疲劳理论方法采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质，可通过现象学法的试验室小型试件的疲劳试验进行研究。主流实验对于隧道-道床复合界面开裂模拟实验不足，未能揭示不同指标的混凝土复合条件下的开裂破坏规律与原理。现有的隧道-道床临界断面裂缝相关研究实验仪器结构复杂，难以模拟混凝土复合条件下的开裂破坏。尤其是对于研究水环境下道床-隧道界面裂缝动态扩展试验，无法直接通过现有设备完成。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法以至少解决现有实验仪器难以模拟混凝土复合条件下的开裂破坏的问题。
技术方案：本发明提供一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，包括：
提供试件，所述试件包括相连接的第一试块及第二试块，第一试块与第二试块间设有预制裂缝，试件设有贯穿第一试块及第二试块的预留孔，第一试块设有传感器孔，将杆体穿设于预留孔，将水压力传感器放入传感器孔；
将试件放入水箱中，并用固定于水箱的钢条穿过试件的预制裂缝；
提供楔形盖板，楔形盖板包括板体及设于板体的楔形脚腿，将板体扣在试件顶面且不与所述钢条接触，楔形脚腿与杆体相切；
对楔形盖板施加循环荷载，板体将振动传递至试件，楔形脚腿将振动通过杆体传递至试件，使钢条与预制裂缝处发生作用；
收集试验数据并分析道床-管片界面疲劳性能。
进一步的， 所述试件通过如下方法制备：
提供第一外模具，第一外模具设有第一成型腔及第一半圆孔，第一成型腔及第一半圆孔均由第一外模具的一表面凹陷形成，第一成型腔的表面设有突起圆柱，向第一成型腔内浇筑第一混凝土并向第一半圆孔内放置沙棒；
提供第二外模具，第二外模具设有第二成型腔、第二半圆孔及开槽；第二成型腔及第二半圆孔均由第二外模具的一表面凹陷形成，开槽设于第二外模具与第二成型腔相背的一侧并延伸至所述第二外模具的另一表面，开槽与第二成型腔连通，将第二外模具与第一外模具固定，使第一成型腔与第二成型腔连通，第一半圆孔与第二半圆孔连通，向第二成型腔浇筑第一混凝土并在开槽处放入成型片；
成型第一混凝土得到第一试块；
提供第三外模具，第三外模具设有第三成型腔及第三半圆孔，第三成型腔及第三半圆孔均由第三外模具的一表面凹陷形成，将第一试块放入第三成型腔，向第三成型腔内浇筑第二混凝土，并向第三半圆孔内放置沙棒；
提供第四外模具，第四外模具设有第四成型腔及第四半圆孔，第四成型腔及第四半圆孔均由第四外模具的一表面凹陷形成，将第四外模具与第三外模具固定，使第三成型腔与第四成型腔连通，第三半圆孔与第四半圆孔连通，向第四成型腔内浇筑第二混凝土；
成型第二混凝土得到第二试块及得到试件。
进一步的，所述第一混凝土与第二混凝土采用不同指标。
进一步的，在成型第二混凝土得到第二试块及得到试件步骤之后还包括：
将沙棒敲碎取出露出预留孔，将成型片取出以露出预制裂缝。
进一步的，成型片为400毫米长 ×40毫米宽×2毫米厚的钢板。
进一步的，收集试验数据并分析道床-管片界面疲劳性能包括：
记录循环荷载的加载频率，幅值，通过水压力传感器记录各点水压力变化曲线；
取出试件，利用夹式引伸计检测裂缝开口位移 CMOD ，利用CT***对试件进行断层扫描，用图像处理软件进行三维重构获得界面裂缝长度L，采用盒计维数法计算开裂面分形维数；
将试件装回水箱，重复施加循环荷载及测量的操作，直至试件完全破坏，并记录循环次数，通过预埋在试件中的水压力传感器，获得裂缝开裂路径上的水压力分布；
通过无量纲分析法，构建裂缝内水压力P与开裂面分形维数、裂缝开口位移CMOD、裂缝长度L的函数关系:
从而确定道床-隧道开裂面不平顺的动水压力分布模式。
进一步的，通过MTS万能试验机的电液伺服脉动疲劳试验加载***在楔形盖板施加循环荷载，每次循环加载次数为10000次。
进一步的，试件的尺寸为400毫米×400毫米×200毫米；预留孔尺寸为深400毫米×直径10毫米；传感器孔尺寸为深100毫米×5毫米直径，数量为5×5的阵列。
进一步的，水箱内水位不低于试件高度。
一种用于一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法的模具，
所述模具包括：
第一外模具，设有第一成型腔及第一半圆孔，第一成型腔及第一半圆孔均由第一外模具的一表面凹陷形成，第一成型腔的表面设有突起圆柱；
第二外模具，设有第二成型腔、第二半圆孔及开槽；第二成型腔及第二半圆孔均由第二外模具的一表面凹陷形成，开槽设于第二外模具与第二成型腔相背的一侧并延伸至所述第二外模具的另一表面，开槽与第二成型腔连通；
第三外模具，设有第三成型腔及第三半圆孔，第三成型腔及第三半圆孔均由第三外模具的一表面凹陷形成；
第四外模具，第四外模具设有第四成型腔及第四半圆孔，第四成型腔及第四半圆孔均由第四外模具的一表面凹陷形成
其中，第一外模具与第二外模具固定后，第一成型腔与第二成型腔连通，第一半圆孔与第二半圆孔连通形成圆孔；第三外模具与第四外模具固定后，第三成型腔与第四成型腔连通，第三半圆孔与第四半圆孔连通形成圆孔。
有益效果：本发明对比已有技术具有以下优点：
对于研究水环境下道床-隧道界面裂缝动态扩展试验，无法直接通过现有设备完成。因此，在疲劳试验机的基础上，本申请主要通过组合不同标号混凝土构成目标试件，模拟道床-管片临界断面。并且创造性的提出预设裂缝，引导裂缝的产生与发展，便于仪器的捕捉。
本申请创新性地利用不同标号混凝土的试块连接件模拟“道床-管片临界面”。混凝土试块的尺寸设计经过有限元分析计算及试验验证，保证在疲劳加载过程中混凝土试块不会发生斜向45°剪切裂缝。
通过板体将振动传递至试件，楔形脚腿将振动通过杆体传递至试件实现双源振动，能够较好的模拟“道床-管片临界面”在车辆作用下只在“道床-管片临界面”的一端开始受力，然后向更深处传递的状态。
附图说明：
图1为本申请实施例的试件的立体示意图。
图2为本申请实施例的试件及安装于试件上的其他实验元件的***图。
图3为本申请实施例的第一外模具与第二外模具的立体示意图。
图4为本申请实施例的第三外模具与第四外模具的立体示意图。
图5为本申请实施例的试件装入水箱后的立体示意图，其中水箱部分为半剖开状态。
附图标记：图1，1：第一试块；2：第二试块；3：传感器孔；4：预留孔；5：预留孔；6：预留裂缝。
图2，7：楔形盖板；8：钢条；9：杆体；10：杆体：11：水压力传感器。
图3，12：第一外模具；13：第一半圆孔；14：突起圆柱；15：第二半圆孔；16：开槽；17：浇筑孔；18：第二外模具。
图4，19：第三外模具；20：第三半圆孔；21：第四半圆孔；22：第四外模具；23：浇筑孔。
图5：24：水箱。
具体实施方式
请参见图1至图5，本发明提供一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，包括：
第一步，提供试件，所述试件包括相连接的第一试块1及第二试块2，第一试块1与第二试块2间设有预制裂缝6，试件设有贯穿第一试块1及第二试块2的预留孔4、5，第一试块1设有传感器孔3，将杆体9、10穿设于预留孔4、5，将水压力传感器11放入传感器孔3。
第一试块1及第二试块2为具有不同标号的混凝土。
传感器孔3贯穿第一试块1使水压力传感器11接触到第二试块2。
在本实施例中，杆体9、10为钢筋，但不限于此。
第二步，将试件放入水箱24中，并用固定于水箱24的钢条8穿过试件的预制裂缝6。
第三步，提供楔形盖板7，楔形盖板7包括板体及设于板体的楔形脚腿，将板体扣在试件顶面且不与所述钢条8接触，楔形脚腿与杆体9、10相切。
在图示实施例中，板体背离楔形脚腿的一侧还设有连接柱。连接柱为圆柱体，用于与疲劳试验机接触以传导载荷。
第四步，对楔形盖板7施加循环荷载，板体将振动传递至试件，楔形脚腿将振动通过杆体9、10传递至试件，使钢条8与预制裂缝6处发生作用；
第五步，收集试验数据并分析道床-管片界面疲劳性能。
进一步的， 所述试件通过如下方法制备：
第一步，提供第一外模具12，第一外模具12设有第一成型腔及第一半圆孔13，第一成型腔及第一半圆孔13均由第一外模具12的一表面凹陷形成，第一成型腔的表面设有突起圆柱14，向第一成型腔内浇筑第一混凝土并向第一半圆孔13内放置沙棒。
可以理解，在浇筑第一混凝土前可以进行刷油。第一混凝土标号为C50。
第二步，提供第二外模具18，第二外模具18设有第二成型腔、第二半圆孔15及开槽16；第二成型腔及第二半圆孔15均由第二外模具18的一表面凹陷形成，开槽16设于第二外模具18与第二成型腔相背的一侧并延伸至所述第二外模具的另一表面，开槽16与第二成型腔连通，将第二外模具18与第一外模具12固定，使第一成型腔与第二成型腔连通，第一半圆孔13与第二半圆孔15连通，向第二成型腔浇筑第一混凝土并在开槽16处放入成型片。
第二外模具18与第一外模具12固定可以通过钢丝箍住。
第二外模具18设有连通第二成型腔的浇筑孔17。
向第二成型腔浇筑第一混凝土通过浇筑孔17完成。
第三步，成型第一混凝土得到第一试块1。
具体的，第一试块1通过养护28天得到。
第四步，提供第三外模具19，第三外模具19设有第三成型腔及第三半圆孔20，第三成型腔及第三半圆孔20均由第三外模具19的一表面凹陷形成，将第一试块1放入第三成型腔，向第三成型腔内浇筑第二混凝土，并向第三半圆孔20内放置沙棒。
第二混凝土标号为C35。
可以理解，在其他实施例中，混凝土可以采用其他需要测试的标号，只要第一试块1及第二试块2的混凝土标号不同即可。
第五步，提供第四外模具22，第四外模具22设有第四成型腔及第四半圆孔21，第四成型腔及第四半圆孔21均由第四外模具22的一表面凹陷形成，将第四外模具22与第三外模具19固定，使第三成型腔与第四成型腔连通，第三半圆孔20与第四半圆孔21连通，向第四成型腔内浇筑第二混凝土。
第四外模具22与第三外模具19固定用钢丝箍住。
第六步，成型第二混凝土得到第二试块2及得到试件。
通过振动密实去除气泡，养护28天得到第一试块 1 和第二试块2 的连接体的试件。
进一步的，所述第一混凝土与第二混凝土采用不同标号。
进一步的，在成型第二混凝土得到第二试块2及得到试件步骤之后还包括：
将沙棒敲碎取出露出预留孔4、5，将成型片取出以露出预制裂缝6。
沙棒是为了预留孔而临时制作的模具，其形状可塑，容易取出。
进一步的，成型片为400毫米长 ×40毫米宽×2毫米厚的钢板。
成型片的尺寸决定了预留裂缝6的尺寸，并通过对试件尺寸的限定，经过有限元分析计算及试验验证，保证在疲劳加载过程中混凝土试块不会发生斜向45°剪切裂缝。
进一步的，收集试验数据并分析道床-管片界面疲劳性能包括：
记录循环荷载的加载频率，幅值，通过水压力传感器11记录各点水压力变化曲线。
取出试件，利用夹式引伸计检测裂缝开口位移 CMOD （Crack Mouth OpeningDisplacement），利用CT***对试件进行断层扫描，用图像处理软件进行三维重构获得界面裂缝长度L，采用盒计维数法计算开裂面分形维数。
具体的，CT***为Y.CT Precision工业CT***。
图像处理软件为VG Studio MAX 图像处理软件。
将试件装回水箱24，重复施加循环荷载及测量的操作，直至试件完全破坏，并记录循环次数，通过预埋在试件中的水压力传感器11，获得裂缝开裂路径上的水压力分布；
通过无量纲分析法，构建裂缝内水压力P与开裂面分形维数、裂缝开口位移CMOD、裂缝长度L的函数关系:
从而确定道床-隧道开裂面不平顺的动水压力分布模式。
进一步的，通过MTS万能试验机的电液伺服脉动疲劳试验加载***在楔形盖板7施加循环荷载，每次循环加载次数为10000次。
每次循环加载次数是经过有限元方法论证过的10000次，其次数的确定考虑到了每次加载作用下开裂变化的可获得性。
进一步的，试件的尺寸为400毫米×400毫米×200毫米；预留孔4、5尺寸为深400毫米×直径10毫米；传感器孔3尺寸为深100毫米×5毫米直径，数量为5×5的阵列。
为了便于展示，在图示中，传感器孔3数量并非为5×5的阵列，其并非对本申请的限定。
进一步的，水箱24内水位不低于试件高度。
一种用于一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法的模具，
所述模具包括：
第一外模具12，设有第一成型腔及第一半圆孔13，第一成型腔及第一半圆孔13均由第一外模具12的一表面凹陷形成，第一成型腔的表面设有突起圆柱14；
第二外模具18，设有第二成型腔、第二半圆孔15及开槽16；第二成型腔及第二半圆孔15均由第二外模具18的一表面凹陷形成，开槽16设于第二外模具18与第二成型腔相背的一侧并延伸至所述第二外模具的另一表面，开槽16与第二成型腔连通；
第三外模具19，设有第三成型腔及第三半圆孔20，第三成型腔及第三半圆孔20均由第三外模具19的一表面凹陷形成；
第四外模具22，第四外模具22设有第四成型腔及第四半圆孔21，第四成型腔及第四半圆孔21均由第四外模具22的一表面凹陷形成
其中，第一外模具12与第二外模具18固定后，第一成型腔与第二成型腔连通，第一半圆孔13与第二半圆孔15连通形成圆孔；第三外模具19与第四外模具22固定后，第三成型腔与第四成型腔连通，第三半圆孔20与第四半圆孔21连通形成圆孔。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
Claims (9)
1.一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，其特征在于，包括：
提供混凝土试件，所述试件包括相连接的第一试块及第二试块，所述第一试块与第二试块采用不同标号的混凝土，第一试块与第二试块间设有预制裂缝，试件设有贯穿第一试块及第二试块的预留孔，第一试块设有传感器孔，将杆体穿设于预留孔，将水压力传感器放入传感器孔；
将试件放入水箱中，并用固定于水箱的钢条穿过试件的预制裂缝；
提供楔形盖板，楔形盖板包括板体及设于板体的楔形脚腿，将板体扣在试件顶面且不与所述钢条接触，楔形脚腿与杆体相切；
对楔形盖板施加循环荷载，板体将振动传递至试件，楔形脚腿将振动通过杆体传递至试件，使钢条与预制裂缝处发生作用；
收集试验数据并分析道床-管片界面疲劳性能。
2.根据权利要求1所述的一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，其特征在于，
所述试件通过如下方法制备：
提供第一外模具，第一外模具设有第一成型腔及第一半圆孔，第一成型腔及第一半圆孔均由第一外模具的一表面凹陷形成，第一成型腔的表面设有突起圆柱，向第一成型腔内浇筑第一混凝土并向第一半圆孔内放置沙棒；
提供第二外模具，第二外模具设有第二成型腔、第二半圆孔及开槽；第二成型腔及第二半圆孔均由第二外模具的一表面凹陷形成，开槽设于第二外模具与第二成型腔相背的一侧并延伸至所述第二外模具的另一表面，开槽与第二成型腔连通，将第二外模具与第一外模具固定，使第一成型腔与第二成型腔连通，第一半圆孔与第二半圆孔连通，向第二成型腔浇筑第一混凝土并在开槽处放入成型片；
成型第一混凝土得到第一试块；
提供第三外模具，第三外模具设有第三成型腔及第三半圆孔，第三成型腔及第三半圆孔均由第三外模具的一表面凹陷形成，将第一试块放入第三成型腔，向第三成型腔内浇筑第二混凝土，并向第三半圆孔内放置沙棒；
提供第四外模具，第四外模具设有第四成型腔及第四半圆孔，第四成型腔及第四半圆孔均由第四外模具的一表面凹陷形成，将第四外模具与第三外模具固定，使第三成型腔与第四成型腔连通，第三半圆孔与第四半圆孔连通，向第四成型腔内浇筑第二混凝土；
成型第二混凝土得到第二试块及得到试件。
3.根据权利要求2所述的一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，其特征在于，所述第一混凝土与第二混凝土采用不同标号。
4.根据权利要求2所述的一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，其特征在于，在成型第二混凝土得到第二试块及得到试件步骤之后还包括：
将沙棒敲碎取出露出预留孔，将成型片取出以露出预制裂缝。
5.根据权利要求2所述的一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，其特征在于，成型片为400毫米长 ×40毫米宽×2毫米厚的钢板。
6.根据权利要求1所述的一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，其特征在于，收集试验数据并分析道床-管片界面疲劳性能包括：
记录循环荷载的加载频率，幅值，通过水压力传感器记录各点水压力变化曲线；
取出试件，利用夹式引伸计检测裂缝开口位移 CMOD ，利用CT***对试件进行断层扫描，用图像处理软件进行三维重构获得界面裂缝长度L，采用盒计维数法计算开裂面分形维数 ；
将试件装回水箱，重复施加循环荷载及测量的操作，直至试件完全破坏，并记录循环次数，通过预埋在试件中的水压力传感器，获得裂缝开裂路径上的水压力分布；
通过无量纲分析法，构建裂缝内水压力P与开裂面分形维数、裂缝开口位移CMOD、裂缝长度L的函数关系:
，
从而确定道床-隧道开裂面不平顺的动水压力分布模式。
7.根据权利要求6所述的一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，其特征在于，通过MTS万能试验机的电液伺服脉动疲劳试验加载***在楔形盖板施加循环荷载，每次循环加载次数为10000次。
8.根据权利要求1所述的一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，其特征在于，
试件的尺寸为400毫米×400毫米×200毫米；预留孔尺寸为深400毫米×直径10毫米；传感器孔尺寸为深100毫米×5毫米直径，数量为5×5的阵列。
9.根据权利要求1所述的一种研究水环境下道床-管片界面疲劳性能的方法，其特征在于，水箱内水位不低于试件高度。
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2022
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