模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的方法及装置与流程

1.本发明涉及行车荷载模拟技术领域，具体地，涉及模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的方法及装置。


背景技术：

2.随着社会的进步和科技的发展，地下铁道已经成为了人们的主要出行方式。而作为地下铁道的主要组成部分的隧道，其运营期的安全性无疑是整个地铁建设运营的关键环节。我国幅员辽阔，地下隧道穿越不同的地层，相比于地面建筑工程相比，地下隧道属于隐蔽工程，工程地质条件不易揭示，加之运营期的列车动荷载的作用，对地铁隧道造成不同程度的变形影响。如东南沿海城市多分布饱和软黏土，在行车动荷载作用下，饱和软黏土地基会出现不同程度的沉降。一旦沉降超过一定范围，会使盾构隧道的衬砌破坏，导致漏水等现象的发生，危及隧道结构的安全，隧道沉降是由于隧道变形导致的，对隧道变形量又与行车荷载的不同加载方式有关，因此需要对不同加载方式和隧道变形量之间的关系进行研究。目前学者对行车荷载的研究主要有理论解析法，基于现场实测的经验方法、理论分析法和数值模拟方法等。一方面，由于地铁隧道穿越的地层复杂多变，目前有关土的本构关系尚无法描述大部分土的应力应变关系，同时鉴于行车荷载属于动力荷载范畴，其加载方式和静力荷载相比更加复杂，所以理论分析和数值模拟方法还存在很大的不确定性；另一方面限于地铁的工作环境的特殊性，现场监测试验也受到很大的制约。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的方法。
4.第一方面，本发明供一种模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的方法，包括：
5.步骤s1，将隧道模型固定于模拟环境内，然后向所述模拟环境内填埋土质材料至预定的高度并压实；
6.步骤s2，根据行车荷载的不同加载方式对所述隧道模型施加不同的作用力，施加作用力的同时对所述隧道模型的变形量进行采集记录；
7.步骤s3，根据采集的所述变形量的数据分析所述行车荷载的不同加载方式对所述隧道模型的影响。
8.可选地，所述步骤s2进一步包括：
9.步骤s201，选取一种行车荷载的加载方式，然后施加对应的作用力，采集隧道模型的变形量；
10.s202采集完成后，选取另一种行车荷载的加载方式，重复上述步骤，直至所有选定的行车荷载的不同加载方式测试完成。
11.可选地，执行所述步骤s1前，需要对填埋的所述土质材料进行预处理。
12.可选地，所述预处理包括对土壤的干湿度和抗剪切强度进行调整。
13.可选地，所述步骤s3进一步包括：
14.将所述变形量的数据和对应的所述行车荷载的加载方式拟合生成坐标曲线，根据所述坐标曲线的变化趋势分析所述行车荷载的加载方式对所述隧道模型的影响。
15.进一步地，本发明还提供一种模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置，包括模型箱、激振器和安装架、变形量检测装置和隧道模型，所述隧道模型位于模型箱内部，所述激振器和安装架连接，所述激振器位于所述隧道模型上方，所述变形量检测装置包括应变片和应变仪，所述应变片设置在所述隧道模型上，所述应变片通过导线和应变仪连接。
16.可选地，所述模型箱包括框架、底板和侧板，所述底板和框架连接，所述侧板围在所述框架四周。
17.可选地，还包括功率放大器和频率信号发生器，所述激振器和功率放大器连接，所述功率放大器和频率信号发生器连接。
18.可选地，还包括电脑，所述电脑与变形量检测装置通信连接，所述计算机内部装有曲线拟合软件和应变仪软件。
19.可选地，所述导线采用的是两线制导线，所述导线和应变仪采用1/4桥接法连接。
20.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
21.1、本发明供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的方法，相对传统的理论分析法和数值模拟方法，其研究结果更有参考价值，更能确切说明不同加载方式和隧道变形量之间的关系，而且不会受到现实地铁的工作环境的制约。
22.2、本发明供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的方法对被测地下结构体无损伤，能够模拟多种工况，为地铁行车荷载作用下隧道变形提供更为准确的试验结果。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为本发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的方法流程图；
25.图2为本发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置结构示意图；
26.图3为本发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置的应变片和隧道模型装配图；
27.图4为本发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置的激振器结构示意图；
28.图5为本发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置的导线和应变仪装配图；
29.图6为本发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置的功率放大器结构示意图；
30.图7为本发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置的频率信号发生器结构示意图；
31.图8为本发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置的安装架结构示意图。
32.图中：
[0033]1‑
模型箱；2
‑
安装架；3
‑
侧板；4
‑
底板；5
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应变仪；6
‑
频率信号发生器；7
‑
功率放大器；8
‑
高强度螺栓；9
‑
应变片；10
‑
框架；11
‑
隧道模型；12
‑
横梁；13
‑
支座；14
‑
导线；15
‑
激振器。
具体实施方式
[0034]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0035]
图1为发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的方法流程图，图2为本发明实施例提供的模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置结构示意图；参见图1，本实施例中的系统包括：一种模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的方法，包括对需要填埋的土质材料的预处理步骤，预处理包括对土壤的干湿度和抗剪切强度进行调整，预处理完成后，执行如下步骤：
[0036]
步骤s1，将隧道模型固定于模拟环境内，然后向模拟环境内填埋土质材料至预定的高度并压实；
[0037]
步骤s2，根据行车荷载的不同加载方式对隧道模型施加不同的作用力，施加作用力的同时对隧道模型的变形量进行采集记录；
[0038]
步骤s3，根据采集的变形量的数据分析行车荷载的不同加载方式对隧道模型的影响。
[0039]
在本实施例中，步骤s1中，填埋土质材料的压实方式分层压实。
[0040]
在一种可选的实施方式中，步骤s2进一步包括：
[0041]
步骤s201，选取一种行车荷载的加载方式，然后施加对应的作用力，采集隧道模型的变形量；
[0042]
s202采集完成后，选取另一种行车荷载的加载方式，重复上述步骤，直至所有选定的行车荷载的不同加载方式测试完成。
[0043]
在一种可选的实施方式中，步骤s3进一步包括：
[0044]
将变形量的数据和对应的行车荷载的加载方式拟合生成坐标曲线，根据坐标曲线的变化趋势分析行车荷载的加载方式对隧道模型的影响。
[0045]
在一种可选的实施方式中，执行步骤s1前，需要对填埋的土质材料进行预处理。
[0046]
进一步地，参见图2
‑
7，本发明还提供一种模拟地铁行车荷载作用下隧道变形的装置，包括模型箱1、激振器15和安装架2、变形量检测装置和隧道模型11，隧道模型11位于模型箱1内部，激振器15和安装架2连接，激振器15位于隧道模型11上方，激振器15的振动钻头朝下，变形量检测装置包括应变片9和应变仪5，应变片9设置在隧道模型11上，应变片9通过导线14和应变仪5连接。
[0047]
在本实施例中，可以根据需求调整安装架2的位置，从而实现对隧道模型11不同位置处进行荷载模拟。
[0048]
在本实施例中，安装架2采用用高强度槽钢制作，安装架2包括支座13和横梁12，支
座13和横梁12之间焊接连接，保证具有足够的刚度以及稳定性，能够承受激振器15的自重以及激振器15振动引起的附加荷载，在安装架2上打孔，与激振器15的底座之间用高强度螺栓8连接，在保证其稳定的前提下更加便于安装与拆卸，安装架2通过高强度螺栓8与激振器15连接，安装架2的底座与地面牢牢锚固，以便提供足够的支反力。
[0049]
在本实施例中，应变片9的数量可以为多个，可以安装在隧道模型11的测试断面处。
[0050]
在本实施例中，激振器15采用电动激振器。
[0051]
在其它实施例中，激振器15还可以采用电液式激振器。
[0052]
在一种可选的实施方式中，模型箱1包括框架10、底板4和侧板3，底板4和框架10连接，侧板3围在框架10四周，框架10为方形槽钢，底板4采用钢板，底板4和框架10采用焊接方式连接，模型箱1四周的侧板3采用钢化玻璃，钢化玻璃和框架10以及底板4采用高强度螺栓8连接。
[0053]
在一种可选的实施方式中，激振器15和功率放大器7连接，功率放大器7和频率信号发生器6连接，通过频率信号发生器6输入要模拟的行车荷载的频率，并通过功率放大器7调整激振器15振动钻头的振幅，以达到良好的模拟效果。
[0054]
在本实施例中，模型箱1的四周还设置加固条进行加固。
[0055]
在一种可选的实施方式中，还包括电脑(图中未示出)，电脑与变形量检测装置通信连接，计算机内部装有曲线拟合软件和应变仪软件。
[0056]
在一种可选的实施方式中，导线14采用的是两线制导线，导线14和应变仪5采用1/4桥接法连接。
[0057]
在本发明的实施例实施前，需要对设备进行准备和安装，设备准备和安装的具体步骤为：
[0058]
步骤一：模型箱1、隧道模型11、安装架2、激振器15、频率信号发生器6、功率放大器7及土质材料等原材料准备；
[0059]
步骤二：安装测试元件，在隧道模型11预定的各测点处用砂纸进行打磨，对应变片9等测试元件进行焊接，焊接完成后将应变片9采用502胶水固定在隧道模型11的测点上，接着用防水绝缘硅胶涂满应变片9并等其风干，再用电工绝缘胶布固定，最后整理好导线14；
[0060]
步骤三：用高强度螺栓8连接安装架2和式激振器15的底座，并保证连接处的稳定以及安装架2的支座13与地面之间牢牢锚固无晃动。
[0061]
步骤四：填筑土质材料到预定高度，安装带有测试元件的隧道模型11后，进一步填土到预定高度，从土中把导线14引出模型箱1；
[0062]
步骤五：移动安装架2，让激振器15的振动钻头朝下，正对着隧道模型11的上方，使激振器15能够在隧道模型11的不同位置上振动，并根据测试目的调整安装架2和激振器15的位置；
[0063]
步骤六：将各个测点应变片9的导线14连接到应变仪5上，应变仪5和电脑通过网线连接，打开应变仪软件，测试网络并连接机箱，调试测试元件，平衡测点，准备试验。
[0064]
当上述实施例中的步骤实施完成后，需要对个设备进行拆卸，具体的拆卸步骤如下：
[0065]
试验完毕以后，首先关闭应变仪5和激振器15的电源，然后断开功率放大器7和频
率信号发生器6，最后依次拆卸激振器15、安装架2、土质材料、隧道模型11和模型箱1。
[0066]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。