[发明专利]地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法

说明书

本发明公开了一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，包括二次衬砌模型内加强筋参数的计算、二次衬砌模型模具的预制和在浇筑空腔内进行混凝土等效材料的浇筑等步骤。本发明通过相似等效缩比设计方法，根据力学模型计算得到了二次衬砌原型相匹配的加强筋配筋率、加强筋截面面积等参数，并研制了隧道二次衬砌缩比模型的预制装置，实现了二次衬砌模型中加强筋的布设，制备的模型真实模拟了隧道现场的混凝土材料，确保了力学试验的准确性；该方案简易、高效的能够模拟衬砌中钢筋的作用机理，利用该方法制作钢筋相似材料的布设装置，该装置钢筋定位准确、易于拆卸且造价低廉，可广泛适用于隧道衬砌模型试验中。

技术领域

本发明属于地质力学模型试验领域，具体设计一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法。

背景技术

目前，我国已是世界上隧道工程规模最大、数量最多、修建速度最快的国家。由于地质条件、气候条件、支护设计参数、建筑材料特性和运营维护条件等影响因素的不确定性，大量运营中的隧道出现衬砌开裂、脱落掉块等灾害严重影响隧道的服役性能和寿命，甚至威胁隧道内行车安全，造成交通阻断、人员伤亡等严重后果和不良社会影响。

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定地质问题进行缩尺研究的一种方法，试验的主要目的是研究各种建筑物在外荷载作用下的极限承载力、破坏形态、破坏机理和变形分布特征。对运营期隧道衬砌进行地质力学模型试验有别于施工阶段隧道的地质力学模型试验，需要预制隧道衬砌减少不必要的开挖支护工序。衬砌中的钢筋作用机理研究就显得尤为重要，现阶段对隧道衬砌中钢筋的模拟抗拉强度、抗压强度进行等效模拟，此方法分析过于简单，没有充分体现钢筋混凝土结构中钢筋的作用机理，与实际出入较大。

因此，根据混凝土结构设计基本原则，把握钢筋混凝土构件层面的相似原理，以正截面承载能力控制为主，按抗弯能力等效的原则；对于斜截面承载能力的模拟，按抗剪能力等效的原则。由于隧道二次衬砌混凝土处于大体积混凝土，抗剪能力多由截面混凝土承担，故钢筋根据抗弯等效的原则进行设计。

对运营期隧道衬砌进行地质力学模型试验有别于施工阶段隧道的地质力学模型试验，需要预制隧道衬砌减少不必要的开挖支护工序。现阶段对隧道衬砌的预制方法研究较少，主要采用人工支模填筑和钢模现浇等方法，人工支模填筑存在制作周期长、工序繁琐重复率低，且预制的隧道衬砌尺寸误差较大，难以实现精度高、周期短和重复率高的制作装置及方法；钢模现浇虽解决衬砌制作精度低、重复率低和周期长的缺点，但是由于浇筑的衬砌材料刚度低而钢模具刚度大拆卸时极易发生模型衬砌的开裂破坏，造成成品率低的缺点。

申请号为201711352524.7的发明专利提出来一种地质力学模型试验中隧道衬砌预制预埋装置与方法，由拼接式外框架、中芯板、底板和螺栓连接形成的空间即为隧道衬砌的空间。该预制装置无法在模具内部埋设加强筋，故难以真实模拟现场钢筋混凝土材料，适用范围有限。

发明内容

本发明的目的是提出一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，计算得到了混凝土内部钢筋的等效参数，并研制了相应的隧道二次衬砌模型的预制装置，实现了模型内加强筋的布设，确保了力学实验的准确性。

本发明技术方案如下：

一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】二次衬砌模型内加强筋参数的计算：

【1.1】根据地质力学模型箱尺寸和试验要求，确定模型试验几何相似常数和容重相似常数；

【1.2】钢筋混凝土正截面承载能力，计算二次衬砌结构原型与模型的弯矩；

【1.3】将模型试验几何相似常数和容重相似常数代入原型与模型弯矩比值，得到弯矩的相似常数；

【1.4】根据弯矩的相似常数计算得到钢筋截面面积的相似常数；