一種用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法

一種用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，用于建立盾構隧道模型，包括下列步驟：根據模型相似比設計原則，得到第一管環模型；在第一管環模型上設置縱向削減槽，縱向削減槽在第一管環模型上的位置與管環縱縫在盾構隧道上的位置相對應，得到第二管環模型；在第二管環模型上設置卡扣式凹凸連接鍵，卡扣式凹凸連接鍵在第二管環模型上的位置與縱向螺栓在盾構隧道上的位置相對應，得到第三管環模型；重復上述步驟得到多個第三管環模型，將第三管環模型進行拼裝，得到盾構隧道模型。與現有技術相比，本發明具有真實性高、保證土?結構相對剛度與實際保持一致以及有效模擬隧道結構的不連續性等優點。
【專利說明】
一種用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法
技術領域
[0001] 本發明涉及土木工程領域，尤其是涉及一種用于盾構隧道模型試驗的管環模型設 計方法。
【背景技術】
[0002] 盾構隧道作為重要的地下結構形式之一，目前已經廣泛應用于各種公路隧道和軌 道交通隧道。對于某些隧道試驗，如果采用原尺寸的隧道結構，不僅費用昂貴，甚至是不可 能實現的，比如考慮盾構隧道整體的不均勻沉降，或是探究盾構隧道整體抗震性能的振動 臺試驗，這時必須要采用模型試驗的方式對以上課題進行研究。盾構隧道結構的主要特點 在于其結構的不連續性，隧道本身由襯砌管片拼裝而成，管片之間通過縱向螺栓和橫向螺 栓連接，因此隧道結構存在大量的縱縫和環縫。以往的模型試驗中，一般采用剛度等效的方 式，用均質圓管代替隧道結構，這樣的設計方法在一定程度上能夠模擬隧道整體的結構特 性，但在結構細部卻無法做到真實還原，尤其盾構隧道的接縫是其結構的薄弱點，采用均質 圓管的模型設計方案，其實是忽略了盾構隧道本身最重要的結構不連續性。因此需要提出 一種全新的盾構隧道模型設計方案，既能有效模擬原隧道結構的不連續性，還能滿足模型 的大批量制作和拼裝，在涉及模型土的試驗中，還要保證土-結構相對剛度的一致性。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的是針對上述問題提供一種真實性高、保證土-結構相對剛度與實際 保持一致以及有效模擬隧道結構的不連續性的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方 法。
[0004] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0005] -種用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，用于建立盾構隧道模型，該方 法包括下列步驟：
[0006] 1)根據模型相似比設計原則，得到第一管環模型；
[0007] 2)在第一管環模型上設置縱向削減槽，所述縱向削減槽在第一管環模型上的位置 與管環縱縫在盾構隧道上的實際位置相對應，得到第二管環模型；
[0008] 3)在第二管環模型上設置卡扣式凹凸連接鍵，所述卡扣式凹凸連接鍵在第二管環 模型上的位置與縱向螺栓在盾構隧道上的實際位置相對應，得到第三管環模型；
[0009] 4)重復步驟1)至步驟3)得到多個第三管環模型，將第三管環模型進行拼裝，得到 盾構隧道模型。
[0010] 所述模型相似比設計原則為模型土與盾構隧道模型的相對剛度和原狀土與盾構 隧道的相對剛度保持一致，即：
[0012]其中，SF為相對剛度相似比，SeA土彈性模量相似比，SR為外徑相似比，S E為彈性模 量相似比，st為管片厚度相似比。
[0013] 所述縱向削減槽沿第二管環模型的徑向深度，以第二管環模型與盾構隧道具有相 同的橫向抗彎剛度折減系數為條件，采用有限元建模方法確定。
[0014] 采用有限元建模方法確定縱向削減槽沿第二管環模型的徑向深度的具體步驟：
[0015] 21)建立第一有限元管環模型，所述第一有限元管環模型為無縱向削減槽的均質 圓環，內外徑與步驟1)中得到的第一管環模型相同；
[0016] 22)建立第二有限元管環模型，所述第二有限元管環模型為有縱向削減槽的圓環， 內外徑與步驟1)中得到的第一管環模型相同；
[0017] 23)在第一有限元管環模型的直徑方向上施加兩個方向相反的單位荷載P;
[0018] 24)選取盾構隧道的橫向抗彎剛度折減系數a;
[0019] 25)在第二有限元管環模型的直徑方向上施加兩個方向相反的荷載ap;
[0020] 26)調整第二有限元管環模型中縱向削減槽的徑向深度，使第一有限元管環模型 和第二有限元管環模型荷載作用點之間的相對位移相同，則調整得到的徑向深度即為縱向 削減槽沿第二管環模型的徑向深度。
[0021 ]所述縱向削減槽對應的圓心角為2°。
[0022] 所述縱向削減槽在第二管環模型的內側或外側。
[0023] 所述卡扣式凹凸連接鍵上設有環形的半圓截面的凹槽。
[0024]所述凹槽上套有橡膠圈。
[0025]所述卡扣式凹凸連接鍵的尺寸，以第三管環模型與盾構隧道具有相同的縱向抗彎 剛度折減系數為條件，采用有限元建模方法確定。
[0026]采用有限元建模方法確定卡扣式凹凸連接鍵的尺寸的具體步驟為：
[0027] 31)建立第一有限元隧道模型，所述第一有限元隧道模型由步驟3)中得到的第二 管環模型組成，通過將相鄰第二管環模型接觸面約束為具有相同空間位移實現，第一有限 元隧道模型長度取為第二管環模型外徑的5~10倍；
[0028] 32)建立第三有限元管環模型，所述第三有限元管環模型由步驟3)中得到的第二 管環模型添加卡扣式凹凸連接鍵形成，所述卡扣式凹凸連接鍵的位置與縱向螺栓在盾構隧 道上的實際位置相對應；
[0029] 33)建立第二有限元隧道模型，所述第二有限元隧道模型由第三管環模型組成，通 過將相鄰卡扣式凹凸連接鍵接觸面約束為具有相同空間位移實現，第二有限元隧道模型長 度與第一有限元隧道模型長度相同；
[0030] 34)約束第一有限元隧道模型兩個端面的所有自由度，在第一有限元隧道模型的 中點處沿隧道徑向施加單位荷載P;
[0031 ] 35)選取盾構隧道的縱向抗彎剛度折減系數比
[0032] 36)約束第二有限元隧道模型兩個端面的所有自由度，在第二有限元隧道模型的 中點處沿隧道徑向施加荷載即；
[0033] 37)調整第三有限元管環模型中卡扣式凹凸連接鍵的高度和直徑，使第一有限元 隧道模型和第二有限元隧道模型的荷載作用點處位移相同，則調整得到的卡扣式凹凸連接 鍵尺寸為第三管環模型的卡扣式凹凸連接鍵尺寸。
[0034]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0035] (1)整個方案依據土-結構相對剛度比為控制指標的設計原則完成模型的相似比 設計，保證了模型試驗的土-結構相對剛度與實際保持一致。
[0036] (2)盾構隧道模型包含了多個管環模型，便于大批量制作。
[0037] (3)每個管環模型上設計了削減槽和凹凸連接鍵，真實模擬了原隧道結構上的縱 縫、環向螺栓和縱向螺栓的受力傳遞機制。
[0038] (4)每個管環模型上設計了搭扣式凹凸連接鍵，便于拼裝。
[0039] (5)采用有限元建模的方法確立了削減槽和凹凸連接鍵的具體尺寸，保證了模型 相對于隧道的真實性和準確性。
【附圖說明】
[0040] 圖1為實施例中設計的管環模型的正面示意圖；
[0041 ]圖2為實施例中設計的管環模型的1-1剖面圖；
[0042]圖3為實施例中設計的有限元模型示意圖，其中，（a)為帶削減槽的有限元管環模 型，（b)為無削減槽的有限元管環模型。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0044] 本實施例提供一種用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，該方法用于建立 盾構隧道模型，包括下列步驟：
[0045] 1)根據模型相似比設計原則，得到盾構隧道的第一管環模型；
[0046] 2)在第一管環模型上設置縱向削減槽，所述縱向削減槽在第一管環模型上的位置 與管環縱縫在盾構隧道上的實際位置相對應，得到盾構隧道的第二管環模型；
[0047] 3)在第二管環模型上設置卡扣式凹凸連接鍵，所述卡扣式凹凸連接鍵在第二管環 模型上的位置與縱向螺栓在盾構隧道上的實際位置相對應，得到盾構隧道的第三管環模 型；
[0048] 4)重復步驟1)至步驟3)得到多個第三管環模型，將第三管環模型進行拼裝，得到 盾構隧道模型，如圖1-2所示。
[0049]其中，模型相似比設計原則為模型土與盾構隧道模型的相對剛度和原狀土與盾構 隧道的相對剛度保持一致，即：
[0051 ]其中，SF為相對剛度相似比，SE^土彈性模量相似比，Sr為外徑相似比，SE為彈性模 量相似比，St為管片厚度相似比。
[0052]而縱向削減槽沿第二管環模型的徑向深度和卡扣式凹凸連接鍵的尺寸，分別根據 第二管環模型與盾構隧道具有相同的橫向和縱向抗彎剛度折減系數，采用有限元建模的方 法確定，具體步驟為：
[0053] 21)建立第一有限元模型，即無縱向削減槽的均質圓環，內外徑與步驟1)中得到的 第一管環模型相同；
[0054] 22)建立第二有限元模型，即有縱向削減槽的均質圓環，內外徑與步驟1)中得到的 第一管環模型相同；
[0055] 23)在第一有限元模型的直徑方向上施加兩個方向相反的單位荷載P;
[0056] 24)得到盾構隧道的橫向抗彎剛度折減系數a;
[0057] 25)在第二有限元模型的直徑方向上施加兩個方向相反的荷載aP;
[0058] 26)調整第二有限元中縱向削減槽的徑向深度，使第一有限元和第二有限元的荷 載作用點之間的相對位移相同，則調整得到的徑向深度即為縱向削減槽沿第二管環模型的 徑向深度。
[0059] 縱向削減槽的深度確定后，其余的參數為：圓心角為2°，設置于第二管環模型的內 側或外側;卡扣式凹凸連接鍵的尺寸確定后，其余的參數為:卡扣式凹凸連接鍵上設有環形 的半圓截面的凹槽，凹槽上套有橡膠圈。
[0060] 卡扣式凹凸連接鍵的尺寸，以第三管環模型與盾構隧道具有相同的縱向抗彎剛度 折減系數為條件，采用有限元建模方法確定，具體步驟為：
[0061] 31)建立第一有限元隧道模型，所述第一有限元隧道模型由步驟3)中得到的第二 管環模型組成，通過將相鄰第二管環模型接觸面約束為具有相同空間位移實現，第一有限 元隧道模型長度取為第二管環模型外徑的5~10倍；
[0062] 32)建立第三有限元管環模型，所述第三有限元管環模型由步驟3)中得到的第二 管環模型添加卡扣式凹凸連接鍵形成，所述卡扣式凹凸連接鍵的位置與縱向螺栓在盾構隧 道上的實際位置相對應；
[0063] 33)建立第二有限元隧道模型，所述第二有限元隧道模型由第三管環模型組成，通 過將相鄰卡扣式凹凸連接鍵接觸面約束為具有相同空間位移實現，第二有限元隧道模型長 度與第一有限元隧道模型長度相同；
[0064] 34)約束第一有限元隧道模型兩個端面的所有自由度，在第一有限元隧道模型的 中點處沿隧道徑向施加單位荷載P;
[0065] 35)選取盾構隧道的縱向抗彎剛度折減系數0;
[0066] 36)約束第二有限元隧道模型兩個端面的所有自由度，在第二有限元隧道模型的 中點處沿隧道徑向施加荷載即；
[0067] 37)調整第三有限元管環模型中卡扣式凹凸連接鍵的高度和直徑，使第一有限元 隧道模型和第二有限元隧道模型的荷載作用點處位移相同，則調整得到的卡扣式凹凸連接 鍵尺寸為第三管環模型的卡扣式凹凸連接鍵尺寸。
[0068] 利用上述模型設計方法對實際隧道結構進行建模。隧道原結構為上海某公路隧 道，隧道外徑15m，管片厚度650mm，錯縫拼裝，鋼筋混凝土管片的彈性模量取36000MPa，簡化 后的均一化原狀土層動剪切剛度為114.3MPa;模型材料為聚乙烯(PE)，彈性模量172MPa，模 型土由鋸末和砂按1:2.5質量配比混合而成，模型土動剪切模量為2.84MPa。
[0069] 根據試驗臺條件，取定試驗模型的整體長度相似比為1/60。
[0070] 根據以上條件，可以算得土彈性模量相似比.
，隧道彈性 模量相似比Se = 0.004778,隧道外徑相似比取SR= 1/60,將以上數據代入下式：

[0072] 算得 St = 0.028863。
[0073] 隧道模型的外徑為 ，管環模型厚度為650 X 0.028863 = 18.76mm，取模型厚度為20mm，則管環模型的外徑為250mm，內徑為210_。
[0074]原隧道結構每個管環由10個管片組成，依據管片拼接處縱縫的位置，在管環模型 上設置削減槽，削減槽的徑向深度采用數值模擬的方式確定，判別方式如下：原盾構隧道管 環相對于等內外徑的均質圓環的橫向抗彎剛度折減系數為0.7,因此管環模型相對于等內 外徑的均質圓環的橫向抗彎剛度折減系數也應為0.7。建立兩個有限元模型，一個為外徑 250mm，內徑210mm，無削減槽的均質圓環，在圓環同一直徑方向加兩個方向相反的單位荷載 P，如圖3(b)所示；另一模型為外徑250mm，內徑210mm，帶削減槽的管環模型，在同一直徑方 向加兩個方向相反的荷載0.7P，如圖3(a)所示。通過調整管環削減槽的徑向深度，使兩個模 型的荷載作用點之間的相對位移相同。根據上述判別方法得到的管環模型圖如圖1所示，從 圖中可以看到，管環模型的外半徑為12.5cm，管環模型的內半徑為10.5cm，削減槽對應2°圓 心角，有削減槽處的半徑為11 ? 5cm，說明削減槽的深度為1 cm 〇
[0075]原隧道管環之間由縱向螺栓連接，管環模型應在對應的位置設置凹凸連接鍵，如 圖2所示，從圖中可以看到，凹凸連接鍵的高度為18cm，連接鍵的截面直徑為20cm，圖中R2為 連接鍵的截面半徑，即為l〇cm，連接鍵上有環形凹槽，凹槽為半圓截面，內徑4mm，凹槽上套 有橡膠圈，主要目的是使拼裝在一起的管環模型之間相互固定。凹凸連接鍵的尺寸可在本 實例設計尺寸的基礎上進行調整，方法與削減槽徑向深度的確定方法一致，通過有限元建 模的方法，使拼裝而成的隧道模型與原隧道結構有相同的縱向抗彎剛度折減系數。
【主權項】
1. 一種用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，用于建立盾構隧道模型，其特征 在于，該方法包括下列步驟： 1) 根據模型相似比設計原則，得到第一管環模型； 2) 在第一管環模型上設置縱向削減槽，所述縱向削減槽在第一管環模型上的位置與管 環縱縫在盾構隧道上的實際位置相對應，得到第二管環模型； 3) 在第二管環模型上設置卡扣式凹凸連接鍵，所述卡扣式凹凸連接鍵在第二管環模型 上的位置與縱向螺栓在盾構隧道上的實際位置相對應，得到第三管環模型； 4) 重復步驟1)至步驟3)得到多個第三管環模型，將第三管環模型進行拼裝，得到盾構 隧道模型。2. 根據權利要求1所述的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，其特征在于，所 述模型相似比設計原則為模型土與盾構隧道模型的相對剛度和原狀土與盾構隧道的相對 剛度保持一致，即：其中，SF為相對剛度相似比，SEm*土彈性模量相似比，Sr為外徑相似比，SE為彈性模量相 似比，St為管片厚度相似比。3. 根據權利要求1所述的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，其特征在于，所 述縱向削減槽沿第二管環模型的徑向深度，以第二管環模型與盾構隧道具有相同的橫向抗 彎剛度折減系數為條件，采用有限元建模方法確定。4. 根據權利要求3所述的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，其特征在于，采 用有限元建模方法確定縱向削減槽沿第二管環模型的徑向深度的具體步驟： 21) 建立第一有限元管環模型，所述第一有限元管環模型為無縱向削減槽的均質圓環， 內外徑與步驟1)中得到的第一管環模型相同； 22) 建立第二有限元管環模型，所述第二有限元管環模型為有縱向削減槽的圓環，內外 徑與步驟1)中得到的第一管環模型相同； 23) 在第一有限元管環模型的直徑方向上施加兩個方向相反的單位荷載P; 24) 選取盾構隧道的橫向抗彎剛度折減系數a; 25) 在第二有限元管環模型的直徑方向上施加兩個方向相反的荷載aP; 26) 調整第二有限元管環模型中縱向削減槽的徑向深度，使第一有限元管環模型和第 二有限元管環模型荷載作用點之間的相對位移相同，則調整得到的徑向深度即為縱向削減 槽沿第二管環模型的徑向深度。5. 根據權利要求1所述的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，其特征在于，所 述縱向削減槽對應的圓心角為2°。6. 根據權利要求1所述的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，其特征在于，所 述縱向削減槽在第二管環模型的內側或外側。7. 根據權利要求1所述的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，其特征在于，所 述卡扣式凹凸連接鍵上設有環形的半圓截面的凹槽。8. 根據權利要求7所述的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，其特征在于，所 述凹槽上套有橡膠圈。9. 根據權利要求1所述的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，其特征在于，所 述卡扣式凹凸連接鍵的尺寸，以第三管環模型與盾構隧道具有相同的縱向抗彎剛度折減系 數為條件，采用有限元建模方法確定。10. 根據權利要求9所述的用于盾構隧道模型試驗的管環模型設計方法，其特征在于， 采用有限元建模方法確定卡扣式凹凸連接鍵的尺寸的具體步驟為： 31) 建立第一有限元隧道模型，所述第一有限元隧道模型由步驟3)中得到的第二管環 模型組成，通過將相鄰第二管環模型接觸面約束為具有相同空間位移實現，第一有限元隧 道模型長度取為第二管環模型外徑的5~10倍； 32) 建立第三有限元管環模型，所述第三有限元管環模型由步驟3)中得到的第二管環 模型添加卡扣式凹凸連接鍵形成，所述卡扣式凹凸連接鍵的位置與縱向螺栓在盾構隧道上 的實際位置相對應； 33) 建立第二有限元隧道模型，所述第二有限元隧道模型由第三管環模型組成，通過將 相鄰卡扣式凹凸連接鍵接觸面約束為具有相同空間位移實現，第二有限元隧道模型長度與 第一有限元隧道模型長度相同； 34) 約束第一有限元隧道模型兩個端面的所有自由度，在第一有限元隧道模型的中點 處沿隧道徑向施加單位荷載P; 35) 選取盾構隧道的縱向抗彎剛度折減系數0; 36) 約束第二有限元隧道模型兩個端面的所有自由度，在第二有限元隧道模型的中點 處沿隧道徑向施加荷載即； 37) 調整第三有限元管環模型中卡扣式凹凸連接鍵的高度和直徑，使第一有限元隧道 模型和第二有限元隧道模型的荷載作用點處位移相同，則調整得到的卡扣式凹凸連接鍵尺 寸為第三管環模型的卡扣式凹凸連接鍵尺寸。
【文檔編號】G01M99/00GK106053110SQ201610380054
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】禹海濤, 張敬華, 包蓁, 袁勇
【申請人】同濟大學