盾构隧道侧穿高铁桥桩动力响应模型及其试验方法

1.本发明属于隧道环境模拟技术领域，具体涉及一种盾构隧道侧穿高铁桥桩动力响应模型及其试验方法。


背景技术：

2.通常而言，列车运营时振动效应不会立即引起隧道及桥梁结构的破坏，但在动力荷载的长期反复作用条件下，持续的列车振动效应可能会使结构本身以及周围邻近的结构发生较大的强度衰减，尤其是在地铁区间隧道近距离穿越高铁桥梁桩基础时，长期的高铁和地铁的振动荷载相互影响，从而危及结构和列车的运营安全。因此，研究运营期高铁列车振动荷载作用下地铁区间隧道近距离穿越高速铁路桥梁桩基时，不同桩-隧空间位置情况下振动荷载在不同地基中的传播规律，并对高铁列车振动的影响及盾构隧道衬砌的动力响应特性进行分析，为以后对于今后类似工程结构的稳定性和长期安全性分析具有十分重要的意义。
3.基于现有技术存在如上述技术问题，本发明提供一种盾构隧道侧穿高铁桥桩动力响应模型及其试验方法。


技术实现要素：

4.本发明提出一种盾构隧道侧穿高铁桥桩动力响应模型及其试验方法。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种盾构隧道侧穿高铁桥桩动力响应模型，包括：
7.试验模型箱，用于模拟隧道和高铁桥桩周围的围岩环境，所述试验模型箱内填充有砂、黏土和重晶石粉的混合物；
8.盾构隧道管片模型，埋设在所述试验模型箱内，用于模拟隧道；
9.桥梁桩基模型，埋设在所述试验模型箱内，用于模拟桥梁桩基；
10.荷载加载系统，连接于所述桥梁桩基模型以向所述桥梁桩基模型施加列车载荷；
11.动力响应测试系统，设置在所述桥梁桩基模型上，用于测定实际加载在所述桥梁桩基模型上的振动力幅值以及所设置加速度监测点的加速度时程变化；
12.数据采集系统，连接于所述荷载加载系统和所述动力响应测试系统以实时收集数据。
13.进一步地，所述试验模型箱为立方体状开口箱体，所述试验模型箱的内部底壁和内部侧壁上设有吸振材料层。
14.进一步地，所述荷载加载系统包括波形发生器、功率放大器、激振器，所述波形发生器连接于所述功率放大器，所述功率放大器连接于所述激振器，所述激振器通过动态压力传感器将力传递到所述桥梁桩基模型上。
15.进一步地，所述动力响应测试系统包括动态压力传感器、加速度传感器及动态信号测试分析装置构成，所述动态压力传感器设置在所述激振器和所述桥梁桩基模型之间以
测定加载在结构上的振动力幅值，所述加速度传感器设置在所述试验模型箱对振动响应进行监测，所述动态信号测试分析装置连接于所述动态压力传感器和所述加速度传感器以采集电压信号。
16.进一步地，所述盾构隧道管片模型的外侧套设有若干减振胶圈。
17.进一步地，所述试验模型箱包括激振器固定梁，所述激振器固定梁固定设置在所述试验模型箱的顶端，所述激振器固定梁的下部固定设置有若干激振器固定片，所述激振器固定安装在所述激振器固定片上。
18.一种响应模型的试验方法，包括，
19.步骤1，制作试验模型箱、组装荷载加载系统和动力响应测试系统，在激振器下方安装传力杆与动态压力传感器；
20.步骤2，通过荷载加载系统激振器施加模拟列车的振动荷载至试验模型箱内的桥梁桩基模型；
21.步骤3，动力响应测试系统的动态压力传感器和加速度传感器收集施加了振动荷载后的监测数据；
22.步骤4，数据采集系统采集动态压力传感器和加速度传感器的数据；
23.步骤5，完成一组试验后，调整激振器的位置到其余的桩基顶部，重复试验过程。
24.进一步地，步骤2中包括：
25.步骤2.1，通过试验电脑导入试验所需的激振荷载曲线到测试软件中；
26.步骤2.2，测试软件控制波形发生器产生信号曲线；
27.步骤2.3，试验电脑将信号曲线发送功率放大器将信号放大；
28.步骤2.4，功率放大器发送信号至激振器，激振器的激振载荷作用于桥梁桩基模型顶部；
29.步骤2.5，动态压力传感器接收作用于桥梁桩基模型的激振载荷。
30.进一步地，步骤4中，根据相似原理，通过动态压力传感器的数据与理论推导的实际列车行进过程中由于振动产生的振动力进行对比复核。
31.与现有技术相比，本发明的优越效果在于：
32.本发明所述的盾构隧道侧穿高铁桥桩动力响应模型及其试验方法，根据相似关系对盾构隧道侧穿高铁桥桩的状况进行模拟，能够获得振动荷载的相互影响数据，更好的为类似工程结构的设计和施工提供理论根据。
附图说明
33.图1为本发明实施例中盾构隧道侧穿高铁桥桩动力响应模型的俯视图；
34.图2为本发明实施例中激振器固定梁的结构示意图；
35.图3为本发明实施例中列车在速度350km/h下产生的振动力的激振力曲线。
36.图中，1-试验模型箱、11-吸振材料层、12-激振器固定梁、13-定位孔、2-盾构隧道管片模型、21-减振胶圈、3-桥梁桩基模型。
具体实施方式
37.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实
施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.实施例
39.所述盾构隧道侧穿高铁桥桩动力响应模型，根据方程分析法和量纲分析法可得到模型试验所需要的各种相似关系，如表1所示：
40.表1模型相似关系
[0041][0042]
对多个模型试验方案进行综合对比，结合试验目的，在本实施例中，所述模型试验几何相似比＝20，密度相似比＝1，则根据表1可求得本模型试验相关相似比统计如表2所示：
[0043]
表2模型试验相似关系
[0044][0045]
以某地地铁工程现场实际围岩参数统计为例，如表3所示，综合考虑现场实际情况和取材难易程度等因素，本实施例中，试验围岩材料以砂及部分黏土和重晶石粉为主，具体试验围岩参数统计如表4所示：
[0046]
表3现场实际围岩物理力学参数
[0047][0048]
表4模型试验围岩物理力学参数
[0049][0050][0051]
现场实际盾构管片直径6.0m，厚度0.3m，桩基直径1.25m，长度46m，相关材料参数
统计如表5所示：
[0052]
表5现场实际结构参数
[0053][0054]
本实施例主要对高铁列车振动的传播规律进行研究，因此对结构进行考虑时，对相关结构进行简化并统一采用有机玻璃模拟桥梁桩基及盾构管片，有机玻璃板物理性质稳定、易于成型，相比传统石膏模型省去脱模过程并且模型强度较高，其模型的实验参数如表6所示：
[0055]
表6模型试验结构参数
[0056][0057]
具体的，所述盾构隧道侧穿高铁桥桩动力响应模型包括：
[0058]
试验模型箱1，用于模拟隧道和高铁桥桩周围的围岩环境，所述试验模型箱1内填充有砂、黏土和重晶石粉的混合物；
[0059]
盾构隧道管片模型2，埋设在所述试验模型箱1内，用于模拟隧道；
[0060]
桥梁桩基模型3，埋设在所述试验模型箱1内，用于模拟桥梁桩基；
[0061]
荷载加载系统，连接于所述桥梁桩基模型3以向所述桥梁桩基模型3施加列车载荷；
[0062]
动力响应测试系统，设置在所述桥梁桩基模型3上，用于测定实际加载在所述桥梁桩基模型3上的振动力幅值以及所设置加速度监测点的加速度时程变化；
[0063]
数据采集系统，连接于所述荷载加载系统和所述动力响应测试系统以实时收集数据。
[0064]
在上述实施例中，如图1所示，所述试验模型箱1为立方体状开口箱体，所述试验模型箱1的内部底壁和内部侧壁上设有吸振材料层11，由于模型试验的局限性，无法模拟实际工程中的半无限空间，振动波传递至所述试验模型箱1时不可避免的会发生反射或折射现象，对试验结果的可靠性造成影响，为提高试验准确性，在所述试验模型箱1内部底面与四周粘结了一种吸振材料duxseal，该材料对p波与s波均有良好的吸收效果；
[0065]
具体的，所述试验模型箱1采用长、宽、高分别为1.5m、1.5m、1.6m的长方体钢板箱，所述长方体钢板箱采用5mm厚度的钢板制成，进一步地，为了使所述试验模型箱具有足够的
刚度，所述长方体钢板箱的外侧采用10号槽钢加固；
[0066]
所述吸振材料duxseal粘贴厚度为30mm；
[0067]
所述桥梁桩基模型3采用直径0.0625m的有机玻璃棒；
[0068]
所述盾构隧道管片模型2采用外径为0.3m，壁厚为0.015m的有机玻璃管。
[0069]
所述荷载加载系统包括波形发生器、功率放大器、激振器，所述波形发生器连接于所述功率放大器，所述功率放大器连接于所述激振器，所述激振器通过动态压力传感器将力传递到所述桥梁桩基模型3上。
[0070]
在上述实施例中，所述波形发生器、所述功率放大器、所述激振器分别为jm1230波形发生器、jm5801功率放大器、jm-20小型激振器；
[0071]
具体实验中，信号发生器经由笔记本电脑控制波形发生器产生振动信号，经由所述功率放大器放大后传递至所述激振器，所述激振器最后将荷载施加在相关的所述桥梁桩基模型3上。
[0072]
所述动力响应测试系统包括动态压力传感器、加速度传感器及动态信号测试分析装置构成，所述动态压力传感器设置在所述激振器和所述桥梁桩基模型之间以测定加载在结构上的振动力幅值，所述加速度传感器设置在所述试验模型箱对振动响应进行监测，所述动态信号测试分析装置连接于所述动态压力传感器和所述加速度传感器以采集电压信号。
[0073]
在上述实施例中，所述动态压力传感器、所述加速度传感器及所述动态信号测试分析装置分别为jm0710动态压力传感器、jm0213加速度传感器及jm5938动态信号测试分析系统；
[0074]
所述压力传感器布置在所述激振器下方，与所述桥梁桩基模型紧密相连，目的为测定实际加载在结构上的振动力幅值，所述加速度传感器设置在相关监测点对振动响应进行监测，最后通过分析系统对测得的电压信号进行采集，转换和处理；
[0075]
所述盾构隧道管片模型2的外侧套设有若干减振胶圈21。
[0076]
如图2所示，所述试验模型箱1包括激振器固定梁12，所述激振器固定梁12固定设置在所述试验模型箱1的顶端，所述激振器固定梁12的下部固定设置有若干激振器固定片，所述激振器固定安装在所述激振器固定片上；
[0077]
所述试验模型箱1的两侧侧壁上开设有若干用于固定激振器固定梁12的定位孔13。
[0078]
所述响应模型的试验方法，包括，
[0079]
步骤1，制作试验模型箱1、组装荷载加载系统和动力响应测试系统，在激振器下方安装传力杆与动态压力传感器；
[0080]
步骤2，通过荷载加载系统激振器施加模拟列车的振动荷载至试验模型箱1内的桥梁桩基模型3；
[0081]
步骤2.1，通过试验电脑导入试验所需的激振荷载曲线到测试软件中；
[0082]
步骤2.2，测试软件控制波形发生器产生信号曲线；
[0083]
步骤2.3，试验电脑将信号曲线发送功率放大器将信号放大；
[0084]
步骤2.4，功率放大器发送信号至激振器，激振器的激振载荷作用于桥梁桩基模型3顶部；
[0085]
步骤2.5，动态压力传感器接收作用于桥梁桩基模型3的激振载荷；
[0086]
步骤3，动力响应测试系统的动态压力传感器和加速度传感器收集施加了振动荷载后的监测数据；
[0087]
步骤4，数据采集系统采集动态压力传感器和加速度传感器的数据，根据相似原理，通过动态压力传感器的数据与理论推导的实际列车行进过程中由于振动产生的振动力进行对比复核；
[0088]
步骤5，完成一组试验后，调整激振器的位置到其余的桩基顶部，重复试验过程。
[0089]
在上述实施例中，所述试验方法的相似比为1:20，根据相似原理，激振力*20^3为实际列车行进过程中由于振动产生的振动力，列车激振力按下式计算：
[0090][0091]
式(1)中，p0为车轮静载，取单边静轮重为85kn；p1、p2、p3为典型振动荷载值，单位为kn；t为列车行驶时间；弹簧下质量为m0＝750kg；ai和li分别为典型波长和典型矢高，查询《英国轨道不平顺管理值》确定，a1＝3.5mm，a2＝0.4mm，a3＝0.08mm，l1＝10m，l2＝2m，l3＝0.5m；ωi为振动圆频率；v为列车行驶速度，单位为m/；
[0092]
以高铁列车长度为400m、列车速度350km/h为例，计算得到激振力曲线，如图3所示，按照相似理论计算得到高铁列车在v＝350km/h速度下试验最大的激振力应为52n。
[0093]
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。