一种盾构隧道模型环向应变检测试验方法技术

本发明专利技术公开了一种盾构隧道模型环向应变检测试验方法，包括：先将分布式应变和温度光纤沿隧道模型内壁环向布设，再将模型放置在底座上；通过压缩加载弹簧施加荷载，使结构产生变形，而结构变形导致部分加载弹簧和地层弹簧产生的压缩变形，提供了地层抗力；在数据采集过程中，先利用解调仪采集健康状态下结构的环向应变，然后在模型外表面某一位置制造损伤使该位置截面特性发生改变，获得损伤状态下的环向应变。本方法操作简单，所需部件易于购买、加工方便、成本低廉；加载部件采用多弹簧并联的方式，通过调整弹簧刚度和压缩量，可以对不同尺寸的隧道模型进行多种工况的重复试验，解决了模型埋置于土体中试验所导致的重复性差、复杂性高等问题。杂性高等问题。杂性高等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道模型环向应变检测试验方法


[0001]本专利技术涉及工程结构模型试验
，具体涉及一种基于分布式光纤和新型加载装置的盾构隧道模型环向应变检测试验方法。

技术介绍

[0002]盾构隧道作为地下工程中的一种特殊结构，工程规模大，服役时间长，在城市轨道交通运输领域承担着极其重要的作用，如果结构发生损坏、坍塌等事故，会不可避免地造成重大的人员伤亡和财产损失。所以，如何保证盾构隧道全生命周期内的安全是目前设计、施工和结构健康监测等领域研究的重点内容之一。
[0003]考虑到地下环境的多样性和复杂性，结合盾构隧道自身构造的特殊性，该类型结构的受力情况和边界条件很难清楚准确的获得，即使大规模有限元方法极大地减小了结构计算的难度，但受限于理论研究的进展，现有的物理模型和力学机理也都是在诸多假定和简化的基础上得出的，计算结果无法准确真实反应实际结构的状态响应。而模型试验作为可以反映结构响应机理的重要途径和方法，因其自身具有的直观性和可控性，能够为解决盾构隧道力学理论研究和健康检测研究提供坚实的基础。
[0004]现有的盾构隧道试验方法多为原型试验或者是埋入土体的模型试验，存在诸如规模过大、成本过高、周期过长、操作复杂等缺陷，最重要的是可重复性差，极大的限制了研究内容的多样性，而且所采用的传感器多为土压力计、应变片、位移计等点式传感器，其操作复杂、信号易受干扰，且不能很好的探知结构响应的分布状态。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于分布式光纤和新型加载装置的盾构隧道模型环向应变检测试验方法，将作用在盾构隧道周围的荷载以及荷载作用下结构变形导致的地层抗力以弹簧模拟的方式实现，然后通过在盾构隧道模型内表面布设环向分布式光纤传感器，实现隧道环向应变数据的采集。
[0006]为实现上述目的，本申请提出一种盾构隧道模型环向应变检测试验方法，包括：
[0007]通过相似理论得到隧道模型的尺寸、外荷载和地层抗力的大小，确定所述隧道模型圆周加载点位的个数；
[0008]将等边角钢进行切割和焊接，形成两个相同的正多边形框架，然后对矩形方管进行切割和钻孔，将六角螺母A焊接到矩形方管的钻孔位置处，再将多个矩形方管均匀焊接到正多边形框架之间；
[0009]将方管切割焊接制作底座钢框架，切割加工木板，将木板胶粘固定到钢框架上，木板的尺寸能同时放下隧道模型和加载部件的端头部位；
[0010]将六角螺母B和六角螺母C沿螺杆的一端拧上，采用焊接方式把六角螺母B固定在螺杆的端部，然后将螺杆旋转穿过矩形方管上的钻孔与六角螺母A，此时六角螺母C位于六角螺母B和矩形方管之间，从而保证在荷载施加到位后，能够将螺杆拧紧固定在矩形方管
上；
[0011]在带孔钢板的中心位置钻孔，将小直径扁平头铆钉焊接到薄六角螺母上，将大直径扁平头铆钉焊接到带孔钢板和钢板的相对位置，将压力传感器通过圆形磁石吸附到钢板一侧，然后把变直径转接头安装到压力传感器上，再把橡胶连接块通过胶粘固定到钢板另一侧；
[0012]把六角螺母D从螺杆另一端拧上，把带孔钢板穿到螺杆上，然后把焊接在一起的薄六角螺母和小直径扁平头铆钉从螺杆另一端拧紧，之后在带孔钢板上粘接方形塑料棒，其粘接位置关于带孔钢板上下左右对称，最后在小直径扁平头铆钉和变直径转接头之间安装加载弹簧，在大直径扁平头铆钉之间安装地层弹簧，将带孔钢板和钢板连接起来；
[0013]将连接跳线、分布式应变光纤和分布式温度光纤通过熔接机焊接串联起来，在隧道模型内表面粘贴所述分布式应变光纤和分布式温度光纤，再将隧道模型放置在木板的中心位置；
[0014]将压力传感器通过桥盒连接至NI采集板卡，所述NI采集板卡连接至NI数据采集计算机；
[0015]将橡胶连接块与隧道模型接触，通过扭力扳手转动六角螺母B来调整螺杆、薄六角螺母和小直径扁平头铆钉的位置，根据NI数据采集计算机输出的力传感器的结果，保证加载弹簧处于初始临界状态，然后通过扳手转动六角螺母D，调整带孔钢板的位置，通过测量带孔钢板和钢板之间的距离，保证地层弹簧处于初始临界状态；
[0016]将连接跳线连接至基于布里渊散射的分布式光纤解调仪和配套的数据采集计算机，测量隧道模型在未受荷载状态下的环向应变作为初值；
[0017]施加荷载，首先用扳手控制六角螺母D不发生旋转，使其和带孔钢板的位置保持不变，然后使用扭力扳手转动六角螺母B，通过调整螺杆在六角螺母A处的旋进距离来控制加载弹簧的压缩量，达到施加荷载的目的，其施加荷载的具体数值通过力传感器的输出结果进行校核和调整；
[0018]使用光纤解调仪和配套的数据采集计算机采集隧道模型在不同荷载作用下，分别处于健康状态和损伤状态时分布式应变光纤和分布式温度光纤的数据；通过对不同工况下的数据进行温度补偿处理，减去初值后即可获得沿环向的应变数据，根据模型损伤点位对应的应变值，定性判断损伤程度的大小。
[0019]进一步的，所述六角螺母A用于限制螺杆的移动；所述六角螺母B为扭力扳手提供支点，并通过自身的旋转圈数、螺杆的螺距来量化和控制加载弹簧的压缩量；所述六角螺母C是在荷载施加到位后，将螺杆拧紧固定到矩形方管上；所述六角螺母D在加载前用于调整带孔钢板的位置，使地层弹簧处于临界状态，在加载中和加载后其位置保持不变，用于模拟土弹簧的固定端。
[0020]进一步的，所述加载弹簧和地层弹簧的刚度通过下列公式得到：
[0021]K＝k
r
×
A
[0022]K'＝K/C
[0023]K'＝K0+4K1[0024]其中，k
r
表示地层抗力系数；A表示与单个加载部件作用范围相对应的实际结构与地层的接触面积，作用范围根据模型环向布设的加载部件个数确定，根据实际盾构圆环的
半径得到作用范围对应的弦长L，再乘以盾构圆环的幅宽B，即实际结构与地层的接触面积A＝L
×
B；K表示实际结构中单个土弹簧的刚度，C表示原型和模型之间的相似比，K'表示通过相似比计算得到的模型结构单个加载部件的弹簧总刚度，K0表示单个加载部件中加载弹簧的刚度，4K1表示单个加载部件中四个地层弹簧的刚度。
[0025]进一步的，单个加载部件中六角螺母B所需转动的圈数通过下列公式得到：
[0026]F＝ΔL
×
K0[0027]ΔL＝P
×
n
[0028]其中，F表示所需施加荷载的大小，ΔL表示加载弹簧的压缩变形量，也即螺杆的位移量，P表示螺杆的螺距，n表示六角螺母B的旋转圈数，该旋转圈数根据所需施加荷载的大小除以加载弹簧的刚度，然后再除以螺距得到。
[0029]进一步的，单个土弹簧等效为五个并联弹簧，具体设置为一个加载弹簧和四个地层弹簧；所述加载弹簧的刚度和地层弹簧的刚度之和等于土弹簧的刚度，但加载弹簧的刚度和地层弹簧的刚度不一定相等；所述加载弹簧在试验中既用于施加外荷载，又提供因结构变形导致的地层抗力作用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道模型环向应变检测试验方法，其特征在于，包括：通过相似理论得到隧道模型的尺寸、外荷载和地层抗力的大小，确定所述隧道模型圆周加载点位的个数；将等边角钢(1)进行切割和焊接，形成两个相同的正多边形框架(4)，然后对矩形方管(2)进行切割和钻孔，将六角螺母(3A)焊接到矩形方管(2)的钻孔位置处，再将多个矩形方管(2)均匀焊接到正多边形框架(4)之间；将方管切割焊接制作底座钢框架(5)，切割加工木板(6)，将木板(6)胶粘固定到钢框架(5)上，木板(6)的尺寸能同时放下隧道模型和加载部件的端头部位；将六角螺母(3B)和(3C)沿螺杆(7)的一端拧上，采用焊接方式把六角螺母(3B)固定在螺杆(7)的端部，然后将螺杆(7)旋转穿过矩形方管(2)上的钻孔与六角螺母(3A)，此时六角螺母(3C)位于六角螺母(3B)和矩形方管(2)之间，从而保证在荷载施加到位后，能够将螺杆(7)拧紧固定在矩形方管(2)上；在带孔钢板(11)的中心位置钻孔，将小直径扁平头铆钉(9)焊接到薄六角螺母(8)上，将大直径扁平头铆钉(10)焊接到带孔钢板(11)和钢板(12)的相对位置，将压力传感器(18)通过圆形磁石(17)吸附到钢板(12)一侧，然后把变直径转接头(19)安装到压力传感器(18)上，再把橡胶连接块(15)通过胶粘固定到钢板(12)另一侧；把六角螺母(3D)从螺杆(7)另一端拧上，把带孔钢板(11)穿到螺杆(7)上，然后把焊接在一起的薄六角螺母(8)和小直径扁平头铆钉(9)从螺杆(7)另一端拧紧，之后在带孔钢板(11)上粘接方形塑料棒(16)，最后在小直径扁平头铆钉(9)和变直径转接头(19)之间安装加载弹簧(13)，在大直径扁平头铆钉(10)之间安装地层弹簧(14)，将带孔钢板(11)和钢板(12)连接起来；将连接跳线(21)、分布式应变光纤(26)和分布式温度光纤(27)通过熔接机焊接串联起来，在隧道模型(28)内表面粘贴所述分布式应变光纤(26)和分布式温度光纤(27)，再将隧道模型(28)放置在木板(6)的中心位置；将压力传感器(18)通过桥盒(23)连接至NI采集板卡(24)，所述NI采集板卡(24)连接至NI数据采集计算机(25)；将橡胶连接块(15)与隧道模型(28)接触，通过扭力扳手转动六角螺母(3B)来调整螺杆(7)、薄六角螺母(8)和小直径扁平头铆钉(9)的位置，根据NI数据采集计算机(25)输出的力传感器(18)的结果，保证加载弹簧(13)处于初始临界状态，然后通过扳手转动六角螺母(3D)，调整带孔钢板(11)的位置，通过测量带孔钢板(11)和钢板(12)之间的距离，保证地层弹簧(14)处于初始临界状态；将连接跳线(21)连接至基于布里渊散射的分布式光纤解调仪和配套的数据采集计算机(20)，测量隧道模型在未受荷载状态下的环向应变作为初值；施加荷载，首先用扳手控制六角螺母(3D)不发生旋转，使其和带孔钢板(11)的位置保持不变，然后使用扭力扳手转动六角螺母(3B)，通过调整螺杆(7)在螺母(3A)处的旋进距离来控制加载弹簧(13)的压缩量，达到施加荷载的目的，其施加荷载的具体数值通过力传感器(18)的输出结果进行校核和调整；使用光纤解调仪和配套的数据采集计算机(20)采集隧道模型(28)在不同荷载作用下，分别处于健康状态和损伤状态时分布式应变光纤(26)和分布式温度光纤(27)的数据；通过
对不同工况下的数据进行温度补偿处理，减去初值后即可获得沿环向的应变数据，根据模型损伤点位(22)对应的应变值，定性判断损伤程度的大小。2.根据权利要求1所述一种盾构隧道模型环向应变检测试验方法，其特征在于，所述六角螺母(3A)用于限制螺杆(7)的移动；所述六角螺母(3B)为扭力扳手提供支点，并通过自身的旋转圈数、螺杆(7)的螺距来量化和控制加载弹簧(13)的压缩量；所述六角螺母(3C)是在荷载施加到位后，将螺杆(7)拧紧固定到矩形方管(2)上；所述六角螺母(3D)在加载前用于调整带孔钢板(11)的位置，使地层弹簧(14)处于临界状态，在加载中和加载后其位置保持不变，用于模拟土弹簧的固定端。3.根据权利要求1所述一种盾构隧道模型环向应变检测试验方法，其特征在于，所述加载弹簧(13)和地层弹簧(14)的刚度通过下列公式得到：K＝k
r
×
AK'＝K/CK'＝K0+4K1其中，k
r
表示地层抗力系数；A表示与单个加载部件作用范围相对应的实际结构与地层的接触面积，作用范围根据模型环向布设的加载部件个数确定，根据实际盾构圆环的半径得到作用范围对应的弦长L，再乘以盾构圆环的幅宽B，即实际结构与地层的接触面积A＝L
×
B；K表示实际结构中单个土弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯新，杨丰源，张军，袁永博，钟国，周晶，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：