[发明专利]一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置及其加载方法

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，特别涉及非圆形断面隧道模型试验技术领域。

背景技术

富水山岭隧道及水下隧道的衬砌主体结构多处于高水压作用下，其承受的水压呈顶部小底部大的非均匀分布。在施工和运营期间，隧道结构承受的水压变化非常大，加之目前隧道断面呈现大型化的发展趋势，隧道结构在施工期和运营期承受的非均匀水压产生的影响不可忽略。通过模拟实际上小下大的非均匀水压对隧道结构的作用和影响，能够对高水压隧道以及水下隧道结构的设计和施工给出科学可靠的试验依据，以保证隧道的建设和营运安全。

目前，有针对圆形断面盾构隧道的水压原型试验方法，该方法采用环箍加载方式，在原型管片结构前、后环箍梁上施加环箍张拉力，从而对隧道结构产生径向接触压力，是一种根据力学等效原理较为合理的模拟实际水压的试验方法。但由于锚索与管片间设置有较大的锚具，使得锚索与管片不能紧密接触，无法准确施加全周荷载，且锚具对结构的反力也严重影响结构的力学特征精度，另外，由于原型试验体积大，施加的环箍张拉力很大，操作困难，精度不高。

采用大比尺的隧道结构模型试验可以较为方便且精确的研究结构受水压作用下的力学特征，但目前尚无有效方法对非圆形断面隧道结构施加顶部小底部大全周密闭水压，这是当前高水压隧道以及水下隧道设计与建设中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置，该装置能对非圆形断面隧道模型试验的全周密闭模拟水压加载装置，可以为非圆形隧道结构模型试验提供一种实际水压的等效模拟方法，且能对隧道结构施加顶部小底部大全周密闭的非均匀模拟水压，能较真实地模拟水压对隧道结构的作用和影响，从而对高水压隧道以及水下隧道结构的设计和施工给出更科学可靠的试验依据，以保证隧道的建设和营运安全。配合土层复合体模拟试验装置，可以研究衬砌主体结构在不同水压和埋深条件下与周围土体和水体的相互作用关系、受力特征及破坏形式。

本发明为实现其第一个发明目的，所采用的技术方案是：一种用于隧道结构试验的模拟水压加载装置，其特征在于：

整体结构呈T型布置，上部为左、中、右三个框体，下部为下框体；左、右框体的空间内布置力传感器，力传感器上方设置微调螺杆；中框体的翼板的一侧开有翼板凹槽；

左、右框体的翼板上布置定位孔，左、右框体的翼板上的定位孔下方对应前后布置成对的悬臂立柱，左、右框体下方的各对悬臂立柱在左右的横向上呈“八”字阶梯状；每对悬臂立柱之间设有横轴，横轴上套有导向滑轮，环箍钢绞线经导向滑轮、左/右框体的翼板的定位孔与力传感器连结；

下框体的底板开有底板凹槽，下框体内品字形的布置加载中轴、向上导向侧轴和向下导向侧轴，向上导向侧轴和向下导向侧轴分别由向上导向侧轴孔、向下导向侧轴孔固定，加载中轴的两端分别插入翼板凹槽和底板凹槽上的滑动槽中；各轴上均设有定位导向滑轮；下框体的两侧板上设有侧定位孔。

上述的左、右框体的翼板下方开有悬臂立柱孔，通过螺纹连结悬臂立柱。

本发明实现其第二个发明目的，所采用的技术方案是：使用上述的模拟水压加载装置，在隧道结构试验时进行模拟水压加载的方法，由以下步骤组成：

A、试验准备：隧道结构模型按照几何相似比1∶10-50的比例尺制作，模型材料按照容重相似比1∶1配制，隧道结构模型的纵向深度须超过或等于模拟水压加载装置的高度，在隧道结构模型的内、外表面上对称布设环向分布的测试元件，在隧道结构模型外侧环箍钢绞线的位置粘贴减阻贴片，并涂抹润滑油；

B、安装模拟水压加载装置：将模拟水压加载装置设置于隧道结构模型墙角两侧，水压加载装置的翼板凹槽和底板凹槽抵住隧道结构模型，隧道结构模型上部环向布置环箍钢绞线，其位置由向下导向侧轴上的定位导向滑轮确定，环箍钢绞线绕过加载中轴，并被加载中轴抵住贴紧隧道结构模型，两端头绕过向下导向侧轴从侧板上的侧定位孔穿出，然后绕过横轴上的导向滑轮从翼板的定位孔穿过，锚固于上框体上的力传感器上；环向布置模型结构下部也布置环箍钢绞线，其位置由向上导向侧轴上的定位导向滑轮确定，环箍钢绞线绕过加载中轴，与上部的环箍钢绞线错开，并被加载中轴抵住贴紧隧道结构模型，两端头绕过向上导向侧轴从下框体侧板上的侧定位孔穿出，然后绕过横轴上的导向滑轮从翼板的定位孔穿过，锚固于上框体上的力传感器上；

C、测试仪器的布置：将模拟水压加载装置和隧道结构模型的组合体固定住，在隧道结构模型内部布置其他测试元件，将力传感器、测试元件以及其他测试元件与计算机相连；