基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法及系统，所述方法包括以下步骤：1)根据实际隧道结构，以设定相似比制作衬砌模型；2)对所述衬砌模型进行加载试验，记录衬砌模型的结构变形与对应荷载；3)根据所述相似比获得相应的实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；4)测量获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，测得实际隧道结构的剩余承载力。与现有技术相比，本发明专利技术能够根据工程监测的数据，定量判断结构的剩余承载力，作为结构安全评价依据，同时通过模型试验还能够揭示结构的受力损伤特征和破坏模式。

Method and System for Determining Residual Bearing Capacity of Structures Based on Deformation Characteristics of Tunnel Lining

【技术实现步骤摘要】
基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法及系统
本专利技术涉及隧道安全监测
，尤其是涉及一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法及系统。
技术介绍
隧道结构在长期运营过程中，可能发生开裂、变形过大等结构问题，影响隧道的使用性能。特别是破碎围岩条件下，隧道容易产生大变形，可能破坏支护结构、侵入建筑界限，危害结构和交通安全，严重时甚至会导致塌方，造成严重后果。实际工程中，工程师一般结合隧道收敛变形的大致特征及隧道所在地的地质、气候、水文等信息，根据经验判断制订处治对策和方案。实践表明，仅根据经验制定方案和对策是不够的，缺乏系统和科学的隧道安全状态诊断方法，可能导致不合理甚至错误的处置，造成不必要的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法及系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，包括以下步骤：1)根据实际隧道结构，以设定相似比制作衬砌模型；2)对所述衬砌模型进行加载试验，记录衬砌模型的结构变形与对应荷载；3)根据所述相似比获得相应的实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；4)测量获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，测得实际隧道结构的剩余承载力。进一步地，所述相似比包括几何、强度、弹性模量、应变、位移、面力、体力、力、弯矩、地层抗力系数和配筋率的相似比。进一步地，所述衬砌模型中混凝土采用混合砂浆模拟，钢筋采用镀锌钢丝模拟。进一步地，所述步骤3)中的数据拟合采用分阶段拟合，具体地：第一阶段，开始加载至结构开裂前，采用线形回归分析拟合；第二阶段，结构开裂至主裂缝贯通前，采用线形回归分析拟合，且斜率小于第一阶段；第三阶段，主裂缝贯通至结构破坏，采用最小二乘法进行多项式拟合。本专利技术还提供一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定系统，包括：衬砌模型，该衬砌模型根据实际隧道结构以设定相似比制作获得；加载装置，用于对所述衬砌模型施加荷载，该加载装置包括用于测量对所述衬砌模型所施加的荷载的压力传感器；百分表，用于对衬砌模型的变形进行测量；计算机，与所述压力传感器和百分表连接，获取测量数据，并根据所述测量数据处理获得实际隧道结构的剩余承载力。进一步地，所述加载装置包括：加载单元，设有多个，均匀分布于衬砌模型的拱部和边墙外侧；反力单元，设有多个，均匀分布于衬砌模型的仰拱外侧；反力架，所述加载单元和反力单元安装于该反力架上；该加载装置采用单调静力全周分级加载方式施加荷载，模拟拱顶松动荷载、偏压荷载和侧向荷载。进一步地，所述加载单元包括由外到内依次连接的法兰盘、千斤顶、压力传感器、弹簧和加载曲板，所述法兰盘与反力架连接，所述加载曲板作用于衬砌模型。进一步地，所述反力单元包括从外到内依次连接的法兰盘、螺栓、压力传感器、弹簧和加载曲板，所述法兰盘与反力架连接，所述加载曲板作用于衬砌模型。进一步地，所述百分表包括布置于衬砌模型外表面每个曲板中间位置的第一百分表、纵向布置于左右侧起拱线位置的第二百分表以及横向布置于拱顶安装的第三百分表。进一步地，所述计算机保存有一测定程序，该测定程序运行时执行以下步骤：根据获取的测量数据及相似比获得实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，计算实际隧道结构的剩余承载力。与现有技术相比，本专利技术具有以如下有益效果：1)本专利技术通过科学、准确地评估结构当前的承载状态和剩余承载力，有助于正确地判断隧道结构的安全状况，以便及时采取有效的措施，延长隧道使用寿命并减少安全事故发生。2)本专利技术能够根据工程监测的数据，定量判断结构的剩余承载力，为结构安全评价依据，同时通过模型试验还能够揭示结构的受力损伤特征和破坏模式，对维修加固方法的选择有一定的参考意义。3)本专利技术通过设定相似比建立与实际隧道结构对应的衬砌模型，能够准确模拟实际隧道结构的变形及相应施加荷载，进而准确测定实际隧道结构的剩余承载力。4)本专利技术采用分阶段拟合方式获得变形荷载函数关系，与实际结构变形过程相匹配，拟合准确度高。5)本专利技术适用于修建于IV-VI级围岩区段的各类公路隧道断面，实现了隧道剩余承载力的定量分析，为结构安全状态的评估提供了科学的依据。附图说明图1为根据隧道衬砌变形特征确定剩余承载力的流程图；图2为测定装置的组成示意图；图3为拱部和边墙位置由千斤顶、弹簧、加载板等组成的加载单元示意图；图4为仰拱位置由弹簧、加载板等组成的反力单元示意图；图5为量测系统的测点布置示意图；图6为试验所得荷载-位移数据和拟合曲线；图中：1-衬砌模型，2-加载单元，3-反力单元，4-反力架，5-法兰盘，6-千斤顶，7-压力传感器，6-弹簧，9-加载板，10-连接螺栓，11-百分表。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本实施例提供一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，适用于修建于IV-VI级围岩区段的各类公路隧道断面，包括以下步骤：1)根据实际隧道结构，以设定相似比制作衬砌模型，所述相似比包括几何、强度、弹性模量、应变、位移、面力、体力、力、弯矩、地层抗力系数和配筋率的相似比；2)对所述衬砌模型进行加载试验，记录衬砌模型的结构变形与对应荷载；3)根据所述相似比获得相应的实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；4)测量获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，测得实际隧道结构的剩余承载力。A.模型设计本实施例中，几何相似比CL(模型/原型，其余相似比类似)依据试验室场地条件和加载的便利性选取，可取1/15-1/10；模型轴向长度可取30cm。衬砌模型1中混凝土采用混合砂浆模拟，钢筋采用镀锌钢丝模拟。混合砂浆由水泥、黄砂、石灰膏和水按照一定比例配合而成，混合砂浆的材料配比按下列要求确定：和易性好，便于在尺寸较小的模具中浇筑。采用7cm×7cm×7cm的立方体试块进行单轴压缩试验测试其抗压强度，除以原型混凝土材料的抗压强度可得强度相似比Cσ；混合砂浆的强度适宜，过大会导致模型破坏荷载过大超过试验室的加载能力，过小则会导致模型破坏太快，强度相似比可取1/10。采用10cm×10cm×30cm的棱柱体试块进行单轴压缩试验测试其弹性模量，除以原型混凝土材料的弹性模量可得弹性模量的CE，混合砂浆的弹性模量应较小，可使结构变形较明显而易于测量，弹性模量可取1/15-1/10。强度相似比和弹性模数相似比尽可能相同。应变、位移、面力、体力、力、弯矩和地层抗力系数的相似比Cε、Cδ、Cs、Cρ、CN、CM、Ck可分别按公式(1)至公式(7)的相似关系确定：Cs＝Cσ(3)进一步，模型结构的配筋率相似比根据截面抗弯强度满足强度相似比确定，根据公式(8)计算：公式中表示模型中钢丝的屈服强度和原型中抗拉钢筋的屈服强度的比值。钢丝保护层厚度按照几何相似比计算，制作模型时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据实际隧道结构，以设定相似比制作衬砌模型；2)对所述衬砌模型进行加载试验，记录衬砌模型的结构变形与对应荷载；3)根据所述相似比获得相应的实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；4)测量获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，测得实际隧道结构的剩余承载力。

【技术特征摘要】
1.一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据实际隧道结构，以设定相似比制作衬砌模型；2)对所述衬砌模型进行加载试验，记录衬砌模型的结构变形与对应荷载；3)根据所述相似比获得相应的实际隧道结构的结构变形与对应荷载，采用数据拟合方式获得实际隧道结构的变形荷载函数关系；4)测量获得实际隧道结构的当前收敛变形，基于所述变形荷载函数关系，测得实际隧道结构的剩余承载力。2.根据权利要求1所述的基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，其特征在于，所述相似比包括几何、强度、弹性模量、应变、位移、面力、体力、力、弯矩、地层抗力系数和配筋率的相似比。3.根据权利要求1所述的基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，其特征在于，所述衬砌模型中混凝土采用混合砂浆模拟，钢筋采用镀锌钢丝模拟。4.根据权利要求1所述的基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定方法，其特征在于，所述步骤3)中的数据拟合采用分阶段拟合，具体地：第一阶段，开始加载至结构开裂前，采用线形回归分析拟合；第二阶段，结构开裂至主裂缝贯通前，采用线形回归分析拟合，且斜率小于第一阶段；第三阶段，主裂缝贯通至结构破坏，采用最小二乘法进行多项式拟合。5.一种基于隧道衬砌变形特征的结构剩余承载力测定系统，其特征在于，包括：衬砌模型，该衬砌模型根据实际隧道结构以设定相似比制作获得；加载装置，用于对所述衬砌模型施加荷载，该加载装置包括用于测量对所述衬砌模型所施加的荷载的压力传感器；百分表，用于对衬砌模型的变形进行测量；计算机，与所述压力传感器和百分表连接，获取测量数据，并根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学增，丁爽，桑运龙，师刚，
申请(专利权)人：同济大学，上海同岩土木工程科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31