模拟盾构隧道环缝力学性能的试验装置及试验方法

技术领域：

本发明涉及结构力学性能测试领域，特指一种模拟拉压弯剪组合作用下，测试盾构隧道环缝力学性能的试验装置与试验方法。

背景技术：

随着我国城市轨道交通的迅猛发展，盾构隧道在地铁工程中得到广泛应用。盾构隧道由预制管片通过螺栓拼接而成，存在大量纵向接缝与环向接缝，其力学性能对盾构隧道衬砌结构承载特性有重要影响。纵向接缝主要影响盾构隧道横向力学性能，而盾构隧道纵向力学性能（包括纵向抗弯性能及纵向抗剪性能）主要由环向环缝控制。因此测定环向接缝的力学性能，是盾构隧道衬砌结构设计中的一项重要基础工作。

环缝力学性能测试包括原型试验和缩尺模型试验。前者能较为真实地反映管片形状和接缝连接方式对其力学性能的影响，但加载体量大，操作难度大，试验成本高。更多学者采用缩尺模型试验，但受限于相似条件，难以模拟隧道在地层中的真实受力情况，难以实现隧道纵向受弯或纵向受拉加载。

专利CN201811565506.1考虑了隧道自重对纵向性能的影响，但是忽略了径向应力对纵向应力的影响，并且只能考虑剪切应力作用下的环缝纵向性能。专利CN201911183967.7通过两组剪力加载机构上下交替地对试验管片加载剪力，研究衬砌接头的抗剪特性，但是没有考虑了径向地层应力，且只能考虑剪切应力作用下的环缝纵向性能。专利CN202111239786.9用环型钢架、U型夹具等固定衬砌，通过剪切作动器和千斤顶等模拟衬砌环缝的剪切工况。专利CN202111239495.X用环型钢架、U型夹具等固定衬砌，通过千斤顶施加顶推力使得各环型钢架之间相互张开从而带动各衬砌环张开，模拟隧道衬砌的纵向受弯工况。

发明内容：

针对以上不足之处，本发明提供了一种能够真实模拟径向地层应力，并施加纵向轴力、纵向弯矩、横向剪力的装置与方法，能够测试拉压弯剪组合作用下的环缝力学性能。

本发明模拟盾构隧道环缝力学性能的试验装置，其特征在于：包括试验台座、设在试验台座上的衬砌环和纵向加载装置，所述试验台座包括台座底板和间隔竖直设在台座底板上的两平行台座反力板，所述衬砌环包括若干组并排贴近的同轴等径的环圈，在各个环圈的外周箍设有环向抱箍索，所述纵向加载装置具有两组，分别包括呈锥斗形的刚性加载环和布设在刚性加载环大端端面上的分布式弹簧，两组纵向加载装置的分布式弹簧的自由端分别顶置在衬砌环的端面上，所述刚性加载环小端端面与台座反力板之间设有千斤顶；两相邻环圈之间形成环缝，每个环圈由多片呈弧形的衬砌管片拼接形成圆圈状，相邻衬砌管片之间形成纵缝。

进一步的，上述分布式弹簧的自由端与衬砌环的端面之间设有连接板，所述连接板与分布式弹簧的自由端粘接，分布式弹簧的固定端与刚性加载环大端端面粘接。

进一步的，上述环圈上设有抱箍支承座，所述抱箍支承座包括弧形板片和径向间隔固定在弧形板片上的两个支撑板片，所述环向抱箍索为预应力箍绳，预应力箍绳的两端分别固定在两个支撑板片上。

进一步的，多组环圈中的中间一组环圈的抱箍支承座上连接有一重物，在台座底板上设有避让重物的台座预留槽。

本发明模拟盾构隧道环缝力学性能的试验装置的试验方法，其特征在于：

步骤1、根据缩尺比例，采用3D打印方式预制不同尺寸的呈弧形状的衬砌管片，衬砌管片的宽度相同，弧形所对应的圆心角不同，多个衬砌管片拼接形成圆圈状环圈，拼装过程中在相邻衬砌管片之间形成纵缝接头，相邻环圈形成环缝接头；

步骤2、定制环向抱箍装置，环向抱箍装置包括抱箍索和抱箍支承座，抱箍索端头通过螺栓固定于抱箍支撑座，沿抱箍索布设若干应变片以测量其拉应变和张力，进而计算施加在模型外环面的径向围压，通过螺栓调节抱箍索张力以实现不同径向围压，以模拟浅埋、中埋和深埋条件，进而有效模拟隧道衬砌承担的径向地层压力；

步骤3、通过在多组环圈中的中间一组环圈的抱箍支承座下方悬挂重物，实现模型的横向剪力加载与量测，模拟环缝接头的剪切工况；

步骤4、通过千斤顶施加顶推力或拉力，由分布式弹簧转换为作用在衬砌上的不均匀压拉力，实现对衬砌施加压弯、拉弯荷载；将两组纵向加载装置对称布置在衬砌模型左右两端，完成隧道衬砌模型及其加载装置的组装；

步骤5、通过纵向加载装置对隧道衬砌逐级加载，采用数字照相与测量（DIC）技术精确测量加载环与模型环的间隙变化（即各分布式弹簧的压缩或拉伸量），进而计算施加在模型环端面的轴力与弯矩。

进一步的，在开展拉压弯剪组合作用下的三环衬砌模型试验，研究环端宏观内力（N+M+Q）对环缝张开量φ、环缝错动量δ的影响，测定环缝接头力学性能，探讨盾构隧道的纵向力学性能。

本发明所述盾构隧道环缝力学性能的试验装置与试验方法中：通过环向抱箍模拟隧道所承受的径向地层围压；在中间一组环圈的抱箍支承座下端悬挂重物，能够简便的完成横向剪力加载与量测；通过千斤顶施加顶推（拉）力，由分布式弹簧转换为作用在衬砌上的不均匀压（拉）力，实现盾构隧道纵向压（拉）弯加载；以上三者共同作用，可方便地实现拉压弯剪组合作用下的环缝力学性能测试。

附图说明：

图1为隧道纵向抗弯性能及纵向抗剪性能的试验装置构造示意图；

图2为衬砌环构造示意图；

图3为环向抱箍装置与环圈的构造示意图；

图4为纵向加载装置构造示意图；

图5为试验台座构造示意图；

图6为抱箍支承座的主视构造示意图；

图中：1-衬砌环；11-衬砌管片；12-螺栓；13-纵缝；14-环缝；15-环圈；2-环向抱箍装置；21-环向抱箍索；22-抱箍支承座；23-重物；24-弧形板片；25-支撑板片； 3-纵向加载装置；31-千斤顶；32-刚性加载环：33-分布式弹簧；34-连接板；4-试验台座；41-台座反力板；42-台座底板；43-台座预留槽。

具体实施方式：

本发明模拟盾构隧道环缝力学性能的试验装置包括试验台座4、设在试验台座上的衬砌环1和纵向加载装置3。

试验台座4包括台座底板42和间隔竖直设在台座底板上的两平行台座反力板41，座底板42和台座反力板41可以采用金属板或木板等材料制成；所述衬砌环1包括若干组并排贴近的同轴等径的环圈15，各环圈端面依次贴近设置，在各个环圈的外周箍设有环向抱箍索21，该环向抱箍索21的作用在于将环圈箍紧。

所述纵向加载装置3具有两组，分别包括呈锥斗形的刚性加载环32和布设在刚性加载环大端端面上的分布式弹簧33，分布式弹簧33圆周阵列在刚性加载环大端端面上，相邻弹簧具有间距，两组纵向加载装置的分布式弹簧的自由端分别顶置在衬砌环的两侧端面上，所述刚性加载环32小端端面与台座反力板41之间设有千斤顶31，通过千斤顶31的顶推，实现对各环圈轴向的压紧；两相邻环圈之间形成环缝14，每个环圈由多片呈弧形的衬砌管片11拼接形成圆圈状，相邻衬砌管片11之间形成纵缝13。

上述衬砌管片11为弧形片，同一环圈的各衬砌管片11宽度相同，长度（也即其所对应的圆心角）不同，一个环圈可以由多片衬砌管片11拼接形成圆环，一个环圈由一层或两层或三层圆环构成，相邻层圆环之间通过螺钉进行锁紧，相邻层圆环的纵缝13在圆周方向错位或不错位，环圈外围通过环向抱箍索21箍紧，避免出现松散。

上述分布式弹簧33的自由端与衬砌环的端面之间设有连接板34，所述连接板34的两表面与刚性加载环大端端面、分布式弹簧33的自由端粘接固定，分布式弹簧33的固定端与刚性加载环32大端端面粘接固定；当然上述的粘接固定方式还可以采用卡扣、螺钉等锁定，固定后通过千斤顶31推升或收缩，可实现对衬砌环的压缩或拉伸。

为了实现环圈较好的箍紧，上述环圈15上设有抱箍支承座22，所述抱箍支承座22包括弧形板片24和径向间隔固定在弧形板片上的两个支撑板片25，所述环向抱箍索为预应力箍绳，预应力箍绳的两端分别穿过支撑板片上的穿孔，并通过螺母锁紧固定在两个支撑板片上。

进一步的，为了设计合理，多组环圈中的中间一组环圈的抱箍支承座上连接有一重物23，在台座底板上设有避让重物的台座预留槽43。

本发明模拟盾构隧道环缝力学性能的试验装置的试验方法，其特征在于：

步骤1、根据缩尺比例，采用3D打印方式预制不同尺寸的呈弧形状的衬砌管片，衬砌管片的宽度相同，弧形所对应的圆心角不同，多个衬砌管片拼接形成圆圈状环圈，拼装过程中在相邻衬砌管片之间形成纵缝接头，相邻环圈形成环缝接头；

步骤2、定制环向抱箍装置，环向抱箍装置包括抱箍索和抱箍支承座，抱箍索端头通过螺母固定于抱箍支撑座，沿抱箍索布设若干应变片以测量其拉应变和张力，进而计算施加在模型外环面的径向围压，通过螺母调节抱箍索张力以实现不同径向围压，以模拟浅埋、中埋和深埋条件，进而有效模拟隧道衬砌承担的径向地层压力；

步骤3、通过在多组环圈中的中间一组环圈的抱箍支承座下方悬挂重物，实现模型的横向剪力加载与量测，模拟环缝接头的剪切工况；

步骤4、通过千斤顶施加顶推力或拉力，由分布式弹簧转换为作用在衬砌上的不均匀压拉力，实现对衬砌施加压弯、拉弯荷载；将两组纵向加载装置对称布置在衬砌模型左右两端，完成隧道衬砌模型及其加载装置的组装；

步骤5、通过纵向加载装置对隧道衬砌逐级加载，采用数字照相与测量（DIC）技术精确测量加载环与模型环的间隙变化（即各分布式弹簧的压缩或拉伸量），进而计算施加在模型环端面的轴力与弯矩。

进一步的，在开展拉压弯剪组合作用下的三环衬砌模型试验，研究环端宏观内力（N+M+Q）对环缝张开量φ、环缝错动量δ的影响，测定环缝接头力学性能，探讨盾构隧道的纵向力学性能。

本发明所述盾构隧道环缝力学性能的试验装置与试验方法中：通过环向抱箍模拟隧道所承受的径向地层围压；在中间一组环圈的抱箍支承座下端悬挂重物，能够简便的完成横向剪力加载与量测；通过千斤顶施加顶推（拉）力，由分布式弹簧转换为作用在衬砌上的不均匀压（拉）力，实现盾构隧道纵向压（拉）弯加载；以上三者共同作用，可方便地实现拉压弯剪组合作用下的环缝力学性能测试。

具体实施例：

如图1-6所示，

1、常规6.2m级盾构隧道，依据相似设计试验方案，按1：8的比例进行缩尺；

2、以光敏树脂为材料，采用3D打印机预制三组高精度管片模型（环圈），每组包括3个标准块、2个邻接块和1个封顶块，根据实际强度参数选取相应的材料（铝材等）模拟连接管片（衬砌管片）的螺栓，每组环圈通过管片、螺栓拼装成1个环圈，进一步的，3个环圈组成隧道衬砌模型，如图2所示；

3、定制3条与预制环圈相匹配的环向抱箍钢索，并将其通过螺母等锚固在抱箍支承座上，如图3所示；

4、将隧道衬砌置于环向抱箍索内，根据实际地层压力对抱箍索施加张力，从而有效模拟隧道衬砌承担的径向地层压力；

5、在台座底板上设有预留槽，通过在中间一组环圈的抱箍支承座下方悬挂不同重量的重物，完成模型的横向剪力加载与量测；

6、采用纵向加载装置，如图4所示，刚性加载环正面布设刚度系数上小下大的分布式弹簧，将弹簧端部稳定胶结于衬砌环端面，

7、通过千斤顶施加顶推力作用于刚性加载环使其位移，根据实际情况采用不同刚度的分布式弹簧从而对衬砌环施加不均匀轴力；

8、测量加载环与模型环的间隙变化（即各分布式弹簧的压缩或拉伸量），进而计算施加在模型环端面的轴力与弯矩，实现隧道衬砌环的相互张开模拟盾构隧道的纵向受弯工况；

9、通过高清数字照相与数字图像相关技术测量缝张开量φ、错动量δ进而探讨在纵向受弯、纵向受压及横向剪切组合作用下衬砌环缝的力学性能。