一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置及方法

1.本发明涉及隧道工程测试技术领域，尤其涉及一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置及方法。


背景技术：

2.随着我国城市轨道交通的快速发展，机车动荷载作用下引起的地铁盾构及其下地基的变形，当沉降超过阈值后，隧道的衬砌会进一步破坏，导致渗水漏水等现象的发生，危及隧道结构的安全。由于列车动荷载作用下引起的盾构和地层的变形影响因素较多，传统的理论分析无法全面准确地计算该工况下的变形。因此，急需开发一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置及方法以解决上述技术问题。
3.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置及方法，采用不同频率振动加载来模拟实际列车行车不同工况下的试验要求，同时采集混凝土隧道模型上的应变片一试验参数和黏土层内部应变片二受压反馈的应力变化，通过数据统计分析得出行车荷载对隧道变形的影响规律，实验装置安全稳定，运行情况良好，且能够定时记录各种工况下激振获得的数据，能够全面准确地计算不同工况下的变形，实用性强，具有广阔的应用前景，有利于推广应用。
5.为了实现上述目的，本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置，包括模型箱，所述模型箱为一空心立方体，箱体内铺设有多个黏土层，最上方黏土层上放置有混凝土隧道模型，所述混凝土隧道模型的截面上安装有应变片一，下方各黏土层的截面处埋设有应变片二，所述应变片一与应变片二分别通过导线与应变仪连接，所述模型箱上方设置有锚接地基的笼型钢架，所述笼型钢架呈正方体，其顶部安装有平动式滑轨，所述滑轨的底部固接有倒悬的激振器，所述激振器通过电源线与功率放大器连接，所述功率放大器通过电源线与低频信号发生器连接。
6.优选地，所述混凝土隧道模型呈半圆柱体，其底部浇筑混凝土，顶部嵌设有h型模型轨道，所述模型轨道由两条跨中连接于一体的平行钢筋构成。
7.优选地，所述滑轨的中心处设有螺栓孔位，所述激振器通过螺栓固定于滑轨上。
8.优选地，所述滑轨与笼型钢架上均设有加固措施。
9.优选地，所述笼型钢架由角钢构成，其底座采用高强度螺栓加固于地基表面。
10.优选地，所述应变片一安装在混凝土隧道模型的跨中截面和1/4截面处，所述应变片二安装在黏土层的中截面处。
11.优选地，所述模型箱的箱体内铺设有三个黏土层，所述应变片一和应变片二分别固定在四个测点处，连接应变片一、应变片二与应变仪的导线两两一组采用1/4桥接方式接线。
12.一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验方法，包括如下步骤：
13.(1)准备好试验器材，设计构建模型箱及浇筑混凝土隧道模型，准备足够的土样材料；
14.(2)用砂纸将混凝土隧道模型底部打磨光滑后，粘贴焊接好的应变片一于跨中截面和1/4截面处，并涂抹隔水密封硅胶；
15.(3)将激振器倒悬固定于滑轨底部，同时将笼型钢架锚固于地基表面，确保其稳定不松动；
16.(4)碾碎土样并分层洒水填土于模型箱中，做好高度标记，之后按高度布置黏土层中的应变片二并做好加固措施，放置粘贴好应变片一的混凝土隧道模型于模型箱箱体内；
17.(5)水平移动滑轨使激振器的振动头对准模型轨道的跨中截面和1/4截面处，调整好相对位置，使得激振器在不同位置处加载模型轨道；
18.(6)启动应变仪，检测机箱和平衡测点后测试应变片状态；正常后打开低频信号发生器与功率放大器，测试装置工作状况，正常后调节信号频率旋钮与功率放大器旋钮以改变振动频率，并通过激振器记录激振器加载工况下的数据，运用测试软件记录应变片的应力应变情况，绘制加载状态下的模型与相应黏土层应力应变曲线，并通过模型箱侧刻度观察黏土层沉降结果，完成分析任务。
19.优选地，所述步骤(4)的具体操作方法为：使用松土锤将原始土样碾至成细碎，过筛后的细粒土作为铺设的料土，在模型箱底层铺入粗粒料作为垫层，并整平夯实，然后铺设第一层土，每层土设计厚度25mm，分两次铺设，每次虚铺15mm高度料土，均匀洒水，静置60min后夯实，再虚铺15mm高度料土，均匀洒水，静置60min后夯实至25mm厚度处，再静置24h，在该层土中按设计要求布置应变片二和接线，并对该层土取样，用于含水量、容重和土粒密度物理性质指标的测定，至此第一黏土层的铺设完成；重复以上操作，完成第二黏土层和第三黏土层的铺设，再将粘贴好应变片一的混凝土隧道模型安置于铺设好的第三黏土层上，再将连接应变片的导线连接到应变仪上。
20.优选地，相关数据采集完成后，按顺序关闭测试软件，应变仪、激振器电源，再关闭低频信号发生器与功率放大器电源，关闭所有电源后，拆卸连接于笼型钢架上的激振器，收拾模型箱土样，打扫试验场地。
21.本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置及方法，具有如下有益效果。
22.1.本发明较以往隧道模型做出了改变，浇筑混凝土隧道模型替代环形轨道，并于混凝土隧道模型顶部安置h型钢筋模型轨道，可改变填土的土层厚度，并通过控制滑轨移动实现激振器振动位置改变，从而模拟不同工况，测得相应的变形参数，测试准确性高。
23.2.本发明从两方面设计布置应变片，一是粘贴焊接好的应变片一于混凝土隧道模型底部截面处，二是放置应变片二于不同深度的饱和黏土层中，并在模型箱内部作好刻度标识以便读数，这一设计使得不同频率下的激振作用可得到不同深度黏土层沉降情况与应力应变数据，能够全面准确地计算不同工况下的变形，实用性强。
附图说明
24.图1为本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置的整体结
构示意图；
25.图2为本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置的低频信号发生器结构示意图；
26.图3为本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置的功率放大器结构示意图；
27.图4为本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置的激振器结构示意图；
28.图5为本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置的笼型钢架结构示意图；
29.图6和图7为本发明提供一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置的混凝土隧道模型结构示意图；
30.图8为本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置的应变仪结构示意图；
31.图9为本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置的模型箱剖面图。
32.图中：
33.1.低频信号发生器2.功率放大器3.激振器4.滑轨5.混凝土隧道模型6.笼型钢架7.模型箱8.应变片二9.应变片一10.导线11.应变仪12.电源线13.黏土层。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
35.如图1-9所示，分别为本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置的整体结构示意图及其组件结构示意图。该地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验装置包括模型箱7，所述模型箱7为一空心立方体，箱体内铺设有多个黏土层13，最上方黏土层上放置有混凝土隧道模型5，所述混凝土隧道模型5呈半圆柱体，其底部浇筑混凝土，顶部嵌设有h型模型轨道，所述模型轨道由两条跨中连接于一体的平行钢筋构成。所述混凝土隧道模型5的截面上安装有应变片一9，所述应变片一9安装在混凝土隧道模型5的跨中截面和1/4截面处，下方各黏土层的截面处埋设有应变片二8，所述应变片二8安装在黏土层的中截面处。所述应变片一9与应变片二8分别通过导线10与应变仪11连接，所述模型箱7上方设置有锚接地基的笼型钢架6，所述笼型钢架6呈正方体，由角钢构成，其底座采用高强度螺栓加固于地基表面，以确保笼型钢架6的稳定性。其顶部安装有平动式滑轨4，所述滑轨4的底部固接有倒悬的激振器3，所述滑轨4的中心处设有螺栓孔位，所述激振器3通过螺栓固定于滑轨4上，其在此平面上滑动可以测得不同工况数据。所述激振器3通过电源线12与功率放大器2连接，所述功率放大器2通过电源线12与低频信号发生器1连接。所述滑轨4与笼型钢架6上均设有加固措施，以保证实验运行安全稳定。优选地，所述模型箱7的箱体内铺设有三个黏土层13，所述应变片一9和应变片二8分别固定在四个测点处，连接应变片一9、应变片二8与应变仪11的导线10两两一组采用1/4桥接方式接线。
36.本发明提供的一种地铁盾构区间隧道及基底变形的模型实验方法，包括如下步骤：
37.(1)准备好试验器材，设计构建模型箱7及浇筑混凝土隧道模型5，准备足够的土样材料；
38.(2)用砂纸将混凝土隧道模型5底部打磨光滑后，用强力胶水粘贴焊接好的应变片一9于跨中截面和1/4截面处，并均匀涂抹隔水密封硅胶，待其干燥；
39.(3)使用扳手等工具将激振器3倒悬固定于滑轨4底部，同时将笼型钢架6锚固于地基表面，确保其稳定不松动；
40.(4)碾碎土样并分层洒水填土于模型箱7中，做好高度标记，之后按高度布置黏土层中的应变片二8并做好加固措施，放置粘贴好应变片一9的混凝土隧道模型5于模型箱7箱体内。具体操作方法为：使用松土锤将原始土样碾至成细碎，过筛后的细粒土作为铺设的料土，在模型箱7底层铺入粗粒料作为垫层，并整平夯实，然后铺设第一层土，每层土设计厚度25mm，分两次铺设，每次虚铺15mm高度料土，均匀洒水，静置60min后夯实，再虚铺15mm高度料土，均匀洒水，静置60min后夯实至25mm厚度处，再静置24h，在该层土中按设计要求布置应变片二8和接线，并对该层土取样，用于含水量、容重和土粒密度物理性质指标的测定，至此第一黏土层的铺设完成；重复以上操作，完成第二黏土层和第三黏土层的铺设，再将粘贴好应变片一9的混凝土隧道模型5安置于铺设好的第三黏土层上，再将连接应变片的导线10连接到应变仪11上。
41.(5)水平移动滑轨4使激振器3的振动头对准模型轨道的跨中截面和1/4截面处，调整好相对位置，使得激振器3在不同位置处加载模型轨道；
42.(6)启动应变仪11，检测机箱和平衡测点后测试应变片状态；正常后打开低频信号发生器1与功率放大器2，测试装置工作状况，正常后调节信号频率旋钮与功率放大器旋钮以改变振动频率，并通过激振器3记录激振器加载工况下的数据，运用测试软件记录应变片的应力应变情况，绘制加载状态下的模型与相应黏土层13应力应变曲线，并通过模型箱7侧刻度观察黏土层13沉降结果，完成分析任务。
43.(7)相关数据采集完成后，按顺序关闭测试软件，应变仪11、激振器3电源，再关闭低频信号发生器1与功率放大器2电源，关闭所有电源后，拆卸连接于笼型钢架6上的激振器3，收拾模型箱7土样，打扫试验场地。
44.本发明较以往隧道模型做出了改变，浇筑混凝土隧道模型5替代环形轨道，并于混凝土隧道模型5顶部安置h型钢筋模型轨道，可改变填土的土层厚度，并通过控制滑轨4移动实现激振器3振动位置改变，从而模拟不同工况，测得相应的变形参数，测试准确性高。本发明从两方面设计布置应变片，一是粘贴焊接好的应变片一9于混凝土隧道模型5底部截面处，二是放置应变片二8于不同深度的饱和黏土层中，并在模型箱7内部作好刻度标识以便读数，这一设计使得不同频率下的激振作用可得到不同深度黏土层13沉降情况与应力应变数据，能够全面准确地计算不同工况下的变形，实用性强。
45.本发明采用不同频率振动加载来模拟实际列车行车不同工况下的试验要求，同时采集混凝土隧道模型5上的应变片一9试验参数和黏土层13内部应变片二8受压反馈的应力变化，通过数据统计分析得出行车荷载对隧道变形的影响规律，实验装置安全稳定，运行情况良好，且能够定时记录各种工况下激振获得的数据，能够全面准确地计算不同工况下的变形，实用性强，具有广阔的应用前景，有利于推广应用。
46.本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于
帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。