[发明专利]一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及隧道结构模型试验装置，尤其涉及的是一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置和方法。

背景技术

隧道工程的建设过程中，水的问题屡见不鲜，尤其对于高压富水山岭隧道以及穿江过海等水下隧道，无论是圆形还是非圆形断面的隧道衬砌结构，分离式还是连拱隧道衬砌结构，都承受着巨大的水压力，而我国日益增长的交通量使得隧道断面的尺寸越来越大，与之俱来的就是越发复杂的隧道结构受力形态。隧道结构在高水压环境下，断面高度与水头高度的比值越小，隧道断面不同位置处的水压差就越小，隧道结构受水压差影响就越小，此时可以近似把非均匀水压视为均匀水压。通过模拟高水压作用下均匀水压对隧道结构的影响，能够对圆形和非圆形断面的衬砌结构的设计和施工给出科学合理的依据。

目前，有针对圆形断面盾构隧道以及非圆形断面山岭隧道结构的水压加载试验方法，但上述两种方法都是采用若干根钢绞线环箍加载的方式来施加水压力，针对圆形断面的加载方法不能保证锚索与管片密贴，无法准确施加全周荷载，即便是针对非圆形断面的可以实现紧密接触的加载方法，也仅仅是一种简单的力学等效，其加载理论本身就具有错误。目前水压加载试验方法不足之处在于：

1、无法实现隧道结构外表面的均匀应力加载，容易造成钢绞线处局部应力集中，使得试验过程中钢绞线附近应变片的数据与实际产生差异；

2、无法考虑水不能抵抗剪切力的特性，钢绞线与隧道结构密贴后，环箍力越大对隧道结构变形的约束越大；

3、隧道结构变形会引起严重的钢绞线应力损失，引起等效水压大幅度降低，若要维持一定的水压，需要反复调整每根钢绞线应力，其操作非常繁琐，在实际操作中往往无法实现。

4、该方法无法适应非圆形断面隧道衬砌结构的外水压加载模拟，因为同一根钢绞线上拉力F是不变的，由于钢绞线与隧道结构密贴，隧道断面形状的改变会导致钢绞线之间的夹角θ改变，其提供的径向力2Fcos(θ/2)也在随隧道断面改变而改变，隧道断面半径越小其提供的径向力越大，根本无法施加均匀水压力，更不要说上小下大的非均匀水压力了，应为一般山岭隧道结构断面都是上断面的半径小于仰拱的。

因此，急需一种更为符合水压特性的有效加载方法来模拟高水压作用下隧道结构承受的均匀水压，研究隧道结构的受力特征以及破坏过程，对圆形和非圆形断面的衬砌结构的设计和施工给出科学合理的依据。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置和方法。

本发明为实现其目的，所采用方案是：

一种用于隧道结构模型试验的均匀水压模拟加载装置，其包括：顶板(1)、底板(10)、立柱(12)、柔性密封条(3)、抽气装置(4)、高精度绝对气压计(5)、隧道结构模型(9)、电阻应变片(13)，在隧道结构模型(9)的内、外表面对称环向粘贴电阻应变片(13)，同时将内表面应变片(13)的导线(11)焊接好，外表面应变片的导线直接引出，与内表面应变片的导线分组焊接在应变箱上用于读取数据，顶板(1)上设有接线柱(2)、抽气孔(6)、气压检测孔(7)，抽气孔(6)连接抽气装置(4)，气压检测孔(7)连接高精度绝对气压计(5)，通过抽气装置(4)和高精度绝对气压计(5)的协调工作来控制隧道结构模型(9)内部气压。

所述的装置，顶板(1)、底板(10)、立柱(12)组成整个装置的承载主体，立柱(12)位于隧道结构模型(9)内部与底板(10)粘结固定，将底板(10)、隧道结构模型(9)、顶板(1)依次堆叠起来，底板(10)与隧道结构模型(9)密贴，立柱(12)比隧道结构模型(9)高2～3mm，使得顶板(1)与模型(9)分离，避免隧道结构模型(9)承受由顶板(1)传来的荷载并传递到立柱(12)和底板(10)；顶板(1)、底板(10)与隧道结构模型(9)之间的缝隙用柔性密封条(3)进行封堵，以保证整个装置的气密性，同时可以跟随隧道结构模型(9)一起形变，不因隧道结构模型(9)形变而使气密性受损。

所述的装置，接线柱(2)在顶板(1)的上、下面对称布置，用来将隧道结构模型(9)内部电阻应变片(13)的导线(11)引出到隧道结构模型(9)外部。

所述的装置，制作隧道结构模型(9)的几何相似比为1∶20～1∶50，模型纵向长度为20～30cm。

所述的装置，顶板(1)、底板(10)、立柱(12)均采用有机玻璃制作。

利用上述任一所述的装置进行隧道结构模型试验的加载方法，具体实施步骤包括以下步骤：