[发明专利]模拟盾构隧道纵向抗剪性能的试验装置

说明书

本发明涉及一种模拟盾构隧道纵向抗剪性能的试验装置，包括隧道衬砌、环型钢架、U型夹具、剪切作动器、减摩滚轮；以3D打印方式预制盾构隧道衬砌模型，将其置于环型钢架中，通过对穿螺栓和U型夹具对隧道衬砌施加预紧力，能够有效模拟隧道衬砌承担的径向地层压力和轴向压力；对齿轮扭轴施加扭矩，通过齿条带动两榀钢架发生错动，进而实现两个隧道衬砌环的相互错动，模拟隧道衬砌环缝接头的剪切（或循环剪切）工况。本发明设计精巧、使用方便，可为测定衬砌环缝接头的力学性能、研究盾构隧道的纵向抗剪性能提供基础性支撑。

技术领域

本发明涉及结构力学性能测试领域，尤其涉及一种模拟盾构隧道纵向抗剪性能的试验装置。

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和管片螺栓拼装而成，形成了具有环缝接头和纵缝接头的复杂结构；但目前国内外普遍采用的“典型横断面”设计方法，难以预测复杂地层中盾构隧道的纵向力学性能。大量研究表明，环缝接头对盾构隧道纵向性能具有较大影响；因此测定环缝接头的力学性能，是盾构隧道纵向设计中的一项重要基础工作。

目前常见的盾构隧道纵向抗剪性能试验包括模型试验和原型试验。前者以相似准则为基础，建立缩尺隧道模型并开展相应的加载测试；后者以若干块（环）真实管片为对象，通过大型加载装置开展相应的力学性能测试。

专利CN112881200A对3环盾构隧道模型进行中环循环剪切加载，研究环缝接头抗剪受力性能和螺栓的抗剪劣化性能。专利CN211825464U对多环盾构隧道模型进行竖向多点加载，考虑了盾构管片环间的错台效应，研究管片接头力学性能（抗剪性能）。模型试验成本相对低廉，但由于结构粗略化及试验装置等方面的限制，常常规避隧道埋置于岩土体中实际情况，难以真实反映盾构管片的实际受力性状（如地层压力，轴向压力等）。

专利CN110763572A采用两组剪力加载机构，对试验管片接头进行正负剪力的动态交替加载，研究盾构管片接头的抗震性能；专利CN108195664B沿管片内外布置多组千斤顶组装成多功能（环缝剪切）试验装置，能够对不同厚度、内径的管片进行加载，能模拟外部水土压力，同时能研究管片接头疲劳后的力学效应。原型试验所需的加载装置体量大，技术难度高，成本高昂。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种能够真实模拟径向地层压力和衬砌轴向压力，施加循环剪力荷载工况的模拟盾构隧道纵向抗剪性能的试验装置。

本发明解决技术问题所采用的方案是，一种模拟盾构隧道纵向抗剪性能的试验装置，包括隧道衬砌、环型钢架、U型夹具、剪切作动器、减摩滚轮；

所述隧道衬砌包括依次拼接的至少两个衬砌环，衬砌环由若干不同类型管片通过管片螺栓依次连接构成；

所述隧道衬砌固定放置在多榀环型钢架内, 每榀环型钢架内放置容纳一个衬砌环；

相邻两榀环型钢架经剪切作动器相连接，所述剪切作动器包括分别安装在相邻两榀环型钢架上的齿条、设置在两齿条间的齿轮，所述齿轮与两个齿条啮合传动，齿轮中部设置有齿轮扭轴；

所述U型夹具包括U型板、U型板分别设置有固定压板、活动压板， 固定压板与U型板固定连接，活动压板安装在轴力螺栓上，轴力螺栓穿设U型板并与之螺纹配合；

U型夹具沿隧道衬砌内壁圆周均布的设置若干个，固定压板、活动压板分别压固隧道衬砌两端；

所述减摩滚轮于每榀环型钢架的底部分别设置一组。

进一步的，相邻的衬砌环之间形成环缝接头，每个衬砌环内相邻管片的拼接端形成纵缝接头。

进一步的，所述管片根据缩尺比例，采用3D打印方式预制。

进一步的，所述环型钢架包括圆周均布的四个L型钢架，四个L型钢架内侧围成容纳衬砌环的容置部，相邻的L型钢架经对穿螺栓相连接。