[发明专利]一种实现管片三维受载的结构力学性能的建模方法

说明书

本发明公开了一种实现管片三维受载的结构性能的建模方法，主要包含了地质条件分析与重塑，地层模型制作，缩尺管片模型制作，管片监测系统设计，管片不同受载模型实验实现，数据采集与分析等。采用该方法，可以实现不同地质环境下管片环水平与竖向不同受载、管片轴向地应力差异、管片错台与偏载等工况的管片结构力学特性实验，地层重塑实现管片受载环境的真实模拟，管片结构利用石膏加工制作，实现管片结构细部构造，实现接头螺旋连接，对整环管片布设环向与纵向应变片实现对管片内力监测，为后续盾构管片拼装、壁后注浆参数设置等提供技术支持。

技术领域

本发明涉及城市地铁、公路隧道等采用盾构施工管片结构衬砌的隧道工程，具体为一种实现管片三维受载环境下结构力学特性分析的建模方法。

背景技术

近年来随着经济的发展和技术的进步，盾构隧道在城市地铁、公路隧道、跨江海隧道等领域中得到了广泛的应用。盾构隧道管片衬砌结构是通过管片接头将管片拼接成环，再通过环间接头将单个管片环连接成管状结构而构成的隧道主体。管片处于三维受载环境，是盾构隧道的主要支护结构，但是由于管片接头的存在，隧道在施工和运营过程中容易出现错台、张开、破损、漏水等影响使用功能的问题，是工程施工中需要特别关注的环节。

目前，针对管片的受力特性研究，国内外学者从室内管片结构加载、数值计算、现场监测等方面均做了大量工作，研究成果在工程中也得到了应用。但是，即使科研成果显著，结构设计仍然难以采用，仍然以高安全系数确保结构的安全性，造成材料浪费。其中一个重要原因就是一般的管片受力室内实验只选取管片作为实验对象，地应力等效为荷载施加于管片，力学模型过于简化，造成管片受力环境过于理想化。同时，现场监测的手段只针对于特点地质条件，不能获取极限边界条件。

为了克服管片结构受力忽略地层物理力学特性而过于理想化，现场监测工程地质过于单一的特点，设计了一种实现管片三维受载环境的结构力学性能建模方法，该方法不仅考虑了地层的影响，而且通过多工况模拟实现了管片受力极值的确定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一般的管片受力室内实验只选取管片作为实验对象，地应力等效为荷载施加于管片，力学模型过于简化的缺陷，提供一种实现管片三维受载的结构力学性能的建模方法。

本发明为解决以上问题采用的技术方案为：一种实现管片三维受载的结构力学性能的建模方法，包括以下建模步骤：

1.地层重塑与制作：根据工程地质条件，查明各地层物理力学性质，根据Froude比例定律的要求设计模型的长度、应力、力和时间相似比尺，在结构加载平台内充填夯实各层填土，实现地层重塑。

2.缩尺管片模型制作：根据管片原型抗拉刚度，配置一定直径的铁丝模拟管片主筋；根据管片力学参数和相似比尺，配置一定水膏比的石膏材料模拟混凝土，预制管片模型并加工现场安装；根据管片原型的抗弯刚度，在模型接头的相应位置配置螺栓进行连接。

3.管片监测系统设计：以模型中间环管片为主要监测部位，在监测环管片中线沿环向均匀布设6-10个环向应变片，相同监测点布设管片环纵向应变片；在相同环管片两侧边沿环向分别均匀布设12-20个环向应变片，相同监测点布设管片环纵向应变片，应变片的布设应上下左右对称。

在监测管片环外侧10cm环面地层中沿管片环法线方向均匀布设8个土压力计，或者粘贴于监测管片环外层进行布设8个土压力计。

4.管片不同受载模型实验实现：根据工程地质条件，确定地应力值，预测管片可能出现的错台及偏载等情况，设计模型模拟工况；控制结构加载平台左右两侧的推进油缸、顶部推进油缸实现对重塑填土的加载，控制推进油缸的不同推进位移，实现对管片不同受载、管片的错台与偏载。

5.数据采集与分析：实时采集管片应变片及土压力计的监测数据，剔除异常值，根据监测点位比较分析土压力值与管片应力应变值。