盾构隧道衬砌环足尺试验加载装置以及方法与流程

本发明涉及盾构隧道技术领域，具体为一种盾构隧道衬砌环足尺试验加载装置以及方法。

背景技术：

随着盾构隧道广泛运用于工程建设领域，针对盾构隧道的研究也已经取得大量研究成果。试验研究是进行相关科研的重要手段，其重要组成之一——结构足尺试验(也称结构原型试验)是一种可以直接反应结构力学特性的试验方法，相比其他试验具有更为直观、准确的特点。但由于工程结构实际尺寸越来越大，对应的试验加载装置也必须同步匹配，而现有原型试验加载设备和试验装置由于功能有限，限制了原型试验的应用。

目前在盾构隧道原型试验中，一般采用卧式加载方式，将盾构隧道试验管片环平行于水平地面放置，对于水土压力的模拟加载方式，主要采用的方法有以下几种：

1)采用对拉方式，通过布设对拉梁和对拉锚索，采用千斤顶对安装在对拉梁上的对拉锚索施加张拉力，利用对拉梁的反力对盾构隧道结构施加径向压力，来模拟土压对隧道结构的作用；

2)采用环箍方式，通过布设环箍梁与多组环箍锚索，采用千斤顶对安装在对拉梁上的对拉锚索施加张拉力，利用环箍锚索对盾构隧道结构外表面的接触压力对结构导入轴力，来模拟水压对隧道结构的作用；

上述方案虽然可以解决足尺试验(即原型试验)荷载施加的问题，但是仍然存在以下问题：

1)不管是土压还是水压模拟，只能施加对称荷载，不能模拟偏压、局部抗力变化等工况；

2)既有试验装置对结构施加荷载均为主动荷载，不能模拟土体的被动抗力作用；

3)既有设备在荷载调整过程中只能通过多次局部调整实现荷载变化，即逐对或逐条张拉后再锚固才能增加荷载，无法实现整体的荷载同步变化，且这一过程中结构在逐步变形，与张拉加载顺序有关，这与结构实际受力状态有较大差别，不能准确反映衬砌结构实际的力学特征。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种盾构隧道衬砌环足尺试验加载装置以及方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种盾构隧道衬砌环足尺试验加载装置，包括用于施加力的千斤顶，还包括抗力弹簧以及环状的反力墙，所述反力墙内具有供环状的试验管片安置的试验区，所述千斤顶的其中一端和所述抗力弹簧的其中一端均安装在所述反力墙上，所述千斤顶的另外一端和所述抗力弹簧的另外一端均作用在所述试验管片上。

进一步，还包括可安装在所述试验管片上的分配梁，所述分配梁沿高度方向设置，所述千斤顶的另外一端和所述抗力弹簧的另外一端均安装在所述分配梁上。

进一步，所述千斤顶和所述抗力弹簧的数量均有多个，且多个所述千斤顶和多个所述抗力弹簧形成试验环，所述试验环与所述反力墙同轴布置。

进一步，所述试验环有多个，且均沿高度方向依次设置。

进一步，所述反力墙的侧壁上安装有侧板，所述侧板或所述反力墙上预埋有侧螺帽。

进一步，所述反力墙的底部上安装有底板，所述底板或所述底部预埋有底螺帽。

进一步，所述底板上安装有用于支撑所述试验管片的支撑结构。

进一步，所述支撑结构包括平行设置的上板和下板，所述支撑结构还包括垂直安装在所述上板和所述下板之间的腹板，所述下板通过所述底螺帽安装在所述底板上，所述上板支撑在所述试验管片的下方。

进一步，所述上板远离所述腹板的一侧设有四氟乙烯滑板。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种盾构隧道衬砌环足尺试验加载方法，包括如下步骤：

s1，于地面向下开挖环形基坑，并以所述基坑的侧壁作为反力墙；

s2，将待试验的环状的试验管片安置在所述基坑内；

s3，在所述反力墙和所述试验管片之间使用千斤顶和抗力弹簧，并将所述千斤顶的其中一端和所述抗力弹簧的其中一端均安装在所述反力墙上，将所述千斤顶的另外一端和所述抗力弹簧的另外一端均作用在所述试验管片上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过调整千斤顶压力可以实现不同工况间的连续变化，可以模拟试验管片在足尺试验加载全过程中的力学特性，同时通过抗力弹簧可以实现对不同地层，不同受力模式的调整，也可以实现非对称荷载的作用，具有更为广泛的适用性和准确性。

附图说明

图1为现有技术中提供的一种足尺试验设备的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种盾构隧道衬砌环足尺试验加载装置的俯视图；

图3为图2的a-a向剖视图；

图4为本发明实施例提供的一种盾构隧道衬砌环足尺试验加载装置的支撑结构的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种盾构隧道衬砌环足尺试验加载装置的局部立体图；

附图标记中：1-千斤顶；2-反力墙；20-侧板；21-侧螺帽；3-试验管片；4-抗力弹簧；5-分配梁；6-地坪；60-底板；61-底螺帽；7-支撑结构；70-上板；71-腹板；72-下板；73-四氟乙烯滑板；80-主对拉梁；81-副对拉梁；82-锚具；83-环箍钢绞线；84-环箍加力梁；85-对拉钢绞线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图2-5，本发明实施例提供一种盾构隧道衬砌环足尺试验加载装置，包括用于施加力的千斤顶1，抗力弹簧4，以及环状的反力墙2。其中，所述反力墙2内具有供环状的试验管片3安置的试验区，所述千斤顶1的其中一端和所述抗力弹簧4的其中一端均安装在所述反力墙2上，所述千斤顶1的另外一端和所述抗力弹簧4的另外一端均作用在所述试验管片3上。在现有技术中，如图1所示，在对试验管片3做加载试验时，通常将盾构隧道试验管片3环平行于水平地面放置，即多片试验管片3堆砌起来，然后在环外布设一对主对拉梁80和一对副对拉梁81，并在两个主对拉梁80之间以及两个副对拉梁81之间通过锚具82均设对拉锚索(即对拉钢绞线85)，并采用千斤顶1对安装在对拉梁上的对拉锚索施加张拉力，利用对拉梁的反力对盾构隧道结构施加径向压力，以此来模拟土压对隧道结构的作用，另外，再采用环箍方式，即在堆砌起来的多片试验管片3的圆周面上沿母线的方向布设多组环箍锚索(环箍钢绞线83)，具体的，通过竖向安装在圆周面上的环箍梁(环箍加力梁84)来牵拉环箍锚索，同样，它也是通过千斤顶1来对环箍锚索施加张拉力，利用环箍锚索对试验管片3结构外表面的接触压力对结构导入轴力，来模拟水压对隧道结构的作用，然而这两种方式虽然可以解决足尺试验荷载施加的问题，但是仍然有若干缺陷(背景技术中指出的缺陷)，因此，在本实施例中，本申请搭建反力墙2，反力墙2是浇筑钢筋混凝土承力墙，然后再将千斤顶1和抗力弹簧4作用在反力墙2和试验管片3之间，通过调整千斤顶1压力可以实现不同工况间的连续变化，可以模拟试验管片3在足尺试验加载全过程中的力学特性，同时通过弹簧可以实现对不同地层，不同受力模式的调整，也可以实现非对称荷载的作用，具有更为广泛的适用性和准确性。而至于上述装置各部件的布局以及参数调整，对于本领域技术人员来说是易于理解的，均能够通过一般性计算获得，此处就不再详述。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图2和图5，本装置还包括可安装在所述试验管片3上的分配梁5，所述分配梁5沿高度方向设置，所述千斤顶1的另外一端和所述抗力弹簧4的另外一端均安装在所述分配梁5上。在本实施例中，分配梁5的高度根据千斤顶1和抗力弹簧4的分布而定，保证每个千斤顶1和抗力弹簧4均能够着力于该分配梁5上，因此分配梁5的数量是由千斤顶1和抗力弹簧4而定的。设此分配梁5的目的是将千斤顶1和抗力弹簧4的点荷载转变为线荷载，意思是，若只有千斤顶1或抗力弹簧4，那么千斤顶1或抗力弹簧4作用到试验管片3上时，其作用点只是一处，即点荷载，而将条状的分配梁5安装在试验管片3上后，再将千斤顶1或抗力弹簧4作用到该分配梁5上，那么点荷载作用到分配梁5上后，再由分配梁5作用到试验管片3上，就将点荷载巧妙地转变为了线荷载，如此可以使力的施加更为均匀。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图2、图3和图5，所述千斤顶1和所述抗力弹簧4的数量均有多个，且多个所述千斤顶1和多个所述抗力弹簧4形成试验环，所述试验环与所述反力墙2同轴布置。在本实施例中，作用的千斤顶1和抗力弹簧4的数量可以有多个，那么就可以有更多样化的力的调整，而且一定数量和刚度的弹簧还可以实现对不同地层(如通过多个弹簧的进行并联或串联改变总的支撑刚度)，不同受力模式的调整，还可以实现非对称荷载的作用，具有更为广泛的适用性和准确性。多个千斤顶1和抗力弹簧4环绕试验管片3设置，由于试验管片3为环状，则它们也将形成一个试验环，该试验环与反力墙2同轴设置，它们共圆心，也就是试验管片3与反力墙2同轴设置。多个千斤顶1和抗力弹簧4均沿圆环的径向布置。

进一步优化上述方案，请参阅图2、图3和图5，所述试验环有多个，且均沿高度方向依次设置。在本实施例中，为了保证力均布，试验环有多个，就像现有多片试验管片3堆砌一样，优选的，多个试验环平行设置，即在高度方向上形成多层试验环，每层试验环均由多个千斤顶1和抗力弹簧4组成，优选的，如图5所示，有三层试验环。这些试验环中的千斤顶1和抗力弹簧4均作用在分配梁5上。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图2和图3，所述反力墙2的侧壁上安装有侧板20，所述侧板20或所述反力墙2上预埋有侧螺帽21。在本实施例中，为了防止反力墙2局部受压破坏，可以在其侧壁上敷设侧板20，该侧板20可以是钢板等较为坚固的材质。另外，为了便于固定加载千斤顶1和抗力弹簧4，在该侧板20上或者直接在反力墙2的墙体上预埋螺帽，为了便于描述区分，将其定义为侧螺帽21，间隔一定距离即预埋一个侧螺帽21。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图2和图3，所述反力墙2的底部上安装有底板60，所述底板60或所述底部预埋有底螺帽61。同上述实施例，设此底板60的目的也是加强结构抗性，底板60也可以采用如钢板等较为坚固的材质，同样，在底板60或直接在底部预埋螺帽，可以便于支撑结构7的安装，为了便于区别描述，将该螺帽定义为底螺帽61。该底螺帽61的位置由支撑结构7的位置而定。

进一步优化上述方案，请参阅图3和图4，所述底板60上安装有用于支撑所述试验管片3的支撑结构7。在本实施例中，为了避免试验管片3与试验场地地坪6(即反力墙2内的试验区)之间的摩擦，该地坪6也是由钢筋混凝土浇筑而成，设此底部支撑结构7来隔开试验管片3和地坪6。

进一步优化上述方案，请参阅图4，所述支撑结构7包括平行设置的上板70和下板72，所述支撑结构7还包括垂直安装在所述上板70和所述下板72之间的腹板71，所述下板72通过所述底螺帽61安装在所述底板60上，所述上板70支撑在所述试验管片3的下方。在本实施例中，支撑结构7主要由上板70、下板72以及腹板71组合而成，其中腹板71的数量可以有多片，例如两片，下板72可以通过底螺帽61安装在底板60或地坪6上，上板70支撑在试验管片3的下方。当然，除了这种支撑以外，现有技术中其他形状的支撑也是可行的，这里就不再详述。

进一步优化上述方案，请参阅图4，所述上板70远离所述腹板71的一侧设有四氟乙烯滑板73。在本实施例中，为了减少试验管片3与支撑结构7之间摩擦力对试验结果的影响，支撑结构7的上板70上粘贴有四氟乙烯滑板73来减小摩擦。

作为本发明实施例的优化方案，本试验装置可根据需要布置任意数量的千斤顶1和抗力弹簧4的组合，以模拟各种不同的荷载工况。试验中可以通过布置的应变片、位移计等精确测量工具数据进行及时调整和数据采集。

实施例二：

请参阅图2-5，本发明实施例提供一种盾构隧道衬砌环足尺试验加载方法，包括如下步骤：s1，于地面向下开挖环形基坑，并以所述基坑的侧壁作为反力墙2；s2，将待试验的环状的试验管片3安置在所述基坑内；s3，在所述反力墙2和所述试验管片3之间使用千斤顶1和抗力弹簧4，并将所述千斤顶1的其中一端和所述抗力弹簧4的其中一端均安装在所述反力墙2上，将所述千斤顶1的另外一端和所述抗力弹簧4的另外一端均作用在所述试验管片3上。在本实施例中，在地面以下开挖环形的基坑，再将基坑的侧壁通过浇筑钢筋混凝土后得到反力墙2，同时在底部浇筑钢筋混凝土做地坪6，即可得到试验区，在试验区内装设试验管片3后，再通过千斤顶1和抗力弹簧4即可对其进行试验。在地下开挖基坑，节省了反力墙2的工程数量，还充分利用了地层土体的侧向约束力，利用了地下空间，降低了对地面建筑高度的要求。另外，上述实施例的所有特征均可以用在本方法中，此处就不再赘述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。