【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道相似模型试验装置，具体涉及一种盾构或顶管隧道纵向结构抗弯及抗扭性能的相似模型试验装置及试验方法。
技术介绍
1、随着我国城市化的快速提高，越来越多的盾构和顶管隧道应用于城市地下工程的建设中。由于盾构隧道和顶管隧道均是由管片拼接而成的筒体结构，在施工和运营过程中都极易受到不均匀沉降等因素的影响，进而产生管片张开、错台、渗透式、管片损伤等病害的影响。因此，作为表征其结构抵抗地层变形的能力，隧道的纵向抗弯刚度和抗扭刚度已成为隧道工程建设中需研究的重要参数。
2、基于相似定律的隧道缩尺模型试验是岩土工程中常用的研究方法。基于实际的隧道尺寸，制作等比例缩小的模型，并施加各种工况，测试模型的一系列力学参数，为工程建设和运营提供技术支撑。以往的隧道相似模型试验多针对隧道的掘进过程，针对纵向力学参数的试验较少，且试验结构单一，无法灵活的对各种型式的盾构或顶管隧道的纵向抗弯及抗扭性能进行试验测试。
3、因此，需要提供一种可针对各种型式的盾构或顶管隧道纵向抗弯及抗扭性能的相似模型试验装置及试验方法。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提供一种盾构或顶管隧道纵向结构抗弯及抗扭性能的相似模型试验装置及试验方法，以解决现在针对各种型式的盾构或顶管隧道的纵向抗弯及抗扭性能进行试验测试的问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了如下的试验装置及方法：
3、一种盾构或顶管隧道纵向结构抗弯及抗扭性能的相似模型试验装置，包括盾构或顶管隧道模型、反
4、所述的盾构或顶管隧道模型由若干环管片及纵向连接接头组成，确定缩尺比例，根据实际隧道断面尺寸按照缩尺比例制作；
5、所述的反力框架由主框架、隧道模型固定支座、活动支座、模型两侧封板组成；
6、所述的加载系统由轴力加载装置、电子称重仪、配重块、荷载传递装置组成；
7、所述的隧道变形测试系统由位移基准片和位移计组成。
8、进一步的，所述盾构或顶管隧道模型为圆形、矩形或类矩形，具体由实际隧道型式确定，相应的，所述模型两侧封板也与隧道模型对应。
9、进一步的，所述隧道模型中的盾构隧道纵向连接接头为螺栓，所述隧道模型中的顶管隧道纵向连接接头为钢套环或螺栓加钢套环，纵向连接型式及尺寸由实际隧道型式及尺寸按照缩尺比例及相似关系制作。
10、进一步的，所述钢套环在隧道两环间围绕一圈，并留出接头由螺丝拧紧。
11、进一步的，所述主框架由横撑、竖撑、斜撑、固定底板、可活动底板、底板千斤顶连接而成；
12、所述固定支座设置在主框架的一侧，当用于抗弯刚度试验时，固定支座与隧道封板用螺栓连接，当用于抗扭刚度试验时，固定支座与隧道封板间加入可转动的圆盘，与圆盘中心由螺栓连接；
13、所述活动支座设置在主框架的另一侧，隧道模型置于两个支座中间，模型与两侧的封板用螺栓连接，活动支座的位置可调，以适用于不同长度的隧道模型；
14、所述可活动底板在于固定底板的上方，在个角处与固定底板用千斤顶连接，两侧与主框架连接限制其水平位移。
15、进一步的，所述的轴力加载装置与电子称重仪位于活动支座一侧，轴力加载装置由小型千斤顶连接活动支座的内板与外板，交接处连接有电子称重仪用于读数。
16、进一步的，所述配重块由一系列同等重量的扁平砝码组成，用于抗弯刚度及抗扭刚度试验的加载；各砝码的重量由具体试验内容确定，所述配重块用于圆形隧道的抗弯试验时，用于一级荷载的配重块下方加工成可放置于圆形隧道上方的圆弧状。
17、进一步的，所述荷载传递装置用于抗扭刚度测量中传递扭矩，由拉环、钢索和传力滑轮组成，在固定支座处的隧道封板一侧安装拉环，在固定支座的另一侧装有滑轮，封板的侧边中心开槽，钢索的一头在拉环处固定，钢索处于封板侧边的槽中，通过另一侧的滑轮，另一头下方连接有圆盘用于方式配重块加载。
18、进一步的，位移基准片为角钢形状，由螺栓与同一隧道环两侧的侧面中心连接，下方放置位移计，当隧道模型发生竖向位移时，取管片两侧位移计的平均值即可得到该管片的竖向位移。
19、相对应的，本专利技术还提供了一种盾构或顶管隧道纵向结构抗弯及抗扭性能的相似模型试验方法，所述试验方法包括以下步骤：
20、步骤1，根据实际盾构或顶管隧道的尺寸和材料强度，依据相似原理换算对应的模型尺寸和相似材料强度，以支座相应的隧道模型；
21、当模型纵向连接完成后，将模型置于试验台的活动底板上，并使用千斤顶将活动底板抬升至合理位置，并移动活动支座使其适应隧道长度；
22、将隧道模型封板与试验台的固定支座与活动支座连接，当进行抗扭刚度试验时，封板与固定支座间加入可转动的圆盘，以释放其转动自由度；
23、步骤2，当进行抗弯刚度试验时，施加对应工况的轴力并记录，释放活动底板的支撑，并预加载一部分配重块，使隧道环间错台变形充分释放，之后卸载配重块，并将位移计的数值归零；
24、当进行抗扭刚度试验时，施加对应工况的轴力，释放活动底板的支撑，并将位移计的数值归零；
25、步骤3，根据工况逐级加载，并记录位移计的数值；
26、步骤4，一个试验工况完成后，卸载并使用千斤顶将活动底板抬升至合理位置，使隧道模型的状态复原，以便进行下一个试验工况。
27、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益技术效果：
28、该装置可以适用于圆形、矩形或类矩形的盾构或顶管隧道模型。通过根据实际隧道型式确定模型尺寸和连接接头类型，以及按照缩尺比例制作模型，确保了试验装置对各种型式的隧道结构都具有适用性，而不受特定形式的限制。
29、通过活动支座的设置，可以调整模型的位置以适应不同长度的隧道模型，从而增加了试验的灵活性。同时，加载系统设计合理，能够施加对应工况的轴力，并通过配重块进行预加载，确保试验时模型受力符合实际工程情况。
30、装置同时考虑了抗弯和抗扭性能的试验需求，通过固定支座的设计，可以用于抗弯刚度试验和抗扭刚度试验，并且在进行抗扭刚度试验时，允许封板与固定支座间的圆盘可转动，以释放其转动自由度，确保试验的准确性。配备了位移基准片和位移计，用于记录模型在试验过程中的变形情况，从而对试验结果进行准确评估。
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1.一种相似模型试验装置，其特征在于，包括盾构或顶管隧道模型(1)、反力框架、加载系统和隧道变形测试系统；
2.根据权利要求1所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述盾构或顶管隧道模型(1)为圆形、矩形或类矩形，具体由实际隧道型式确定，相应的，所述模型两侧封板(2)也与隧道模型(1)对应。
3.根据权利要求1所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述隧道模型(1)中的盾构隧道纵向连接接头为螺栓，所述隧道模型(1)中的顶管隧道纵向连接接头为钢套环(3)或螺栓加钢套环(3)，纵向连接型式及尺寸由实际隧道型式及尺寸按照缩尺比例及相似关系制作。
4.根据权利要求3所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述钢套环(3)在隧道两环间围绕一圈，并留出接头由螺丝拧紧。
5.根据权利要求4所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述主框架由横撑(10)、竖撑(26)、斜撑(11)、固定底板(7)、可活动底板(8)、底板千斤顶(9)连接而成；
6.根据权利要求5所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述的轴力加载装置(14)与电子称重仪(15)位于活
7.根据权利要求6所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述配重块(16)由一系列同等重量的扁平砝码组成，各砝码的重量由具体试验内容确定，所述配重块(16)用于圆形隧道的抗弯试验时，用于一级荷载的配重块(16)下方加工成可放置于圆形隧道上方的圆弧状。
8.根据权利要求7所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述荷载传递装置用于抗扭刚度测量中传递扭矩，在固定支座(13)处的隧道封板(2)一侧安装拉环(17)，在固定支座(13)的另一侧装有滑轮(20)，封板(2)的侧边中心开槽，钢索(18)的一头在拉环(17)处固定，钢索(18)处于封板(2)侧边的槽中，通过另一侧的滑轮(20)，另一头下方连接有圆盘(22)用于方式配重块(16)加载。
9.根据权利要求8所述的相似模型试验装置，其特征在于，位移基准片(23)为角钢形状，由螺栓与同一隧道环两侧的侧面中心连接，下方放置位移计(24)。
10.一种相似模型试验方法，其特征在于，所述试验方法使用如权利要求1-9任一项所述的相似模型试验装置，所述试验方法包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种相似模型试验装置，其特征在于，包括盾构或顶管隧道模型(1)、反力框架、加载系统和隧道变形测试系统；
2.根据权利要求1所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述盾构或顶管隧道模型(1)为圆形、矩形或类矩形，具体由实际隧道型式确定，相应的，所述模型两侧封板(2)也与隧道模型(1)对应。
3.根据权利要求1所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述隧道模型(1)中的盾构隧道纵向连接接头为螺栓，所述隧道模型(1)中的顶管隧道纵向连接接头为钢套环(3)或螺栓加钢套环(3)，纵向连接型式及尺寸由实际隧道型式及尺寸按照缩尺比例及相似关系制作。
4.根据权利要求3所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述钢套环(3)在隧道两环间围绕一圈，并留出接头由螺丝拧紧。
5.根据权利要求4所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述主框架由横撑(10)、竖撑(26)、斜撑(11)、固定底板(7)、可活动底板(8)、底板千斤顶(9)连接而成；
6.根据权利要求5所述的相似模型试验装置，其特征在于，所述的轴力加载装置(14)与电子称重仪(15)位于活动支座一侧，轴力加载装置(14)由小型千斤顶(9)...
【专利技术属性】
技术研发人员：周晓舟，李志刚，林秀桂，袁森林，王维朋，杜斌，胡文，潘青，张平阳，
申请(专利权)人：上海市政工程设计研究总院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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