地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法技术

本发明专利技术公开了一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，包括二次衬砌模型内加强筋参数的计算、二次衬砌模型模具的预制和在浇筑空腔内进行混凝土等效材料的浇筑等步骤。本发明专利技术通过相似等效缩比设计方法，根据力学模型计算得到了二次衬砌原型相匹配的加强筋配筋率、加强筋截面面积等参数，并研制了隧道二次衬砌缩比模型的预制装置，实现了二次衬砌模型中加强筋的布设，制备的模型真实模拟了隧道现场的混凝土材料，确保了力学试验的准确性；该方案简易、高效的能够模拟衬砌中钢筋的作用机理，利用该方法制作钢筋相似材料的布设装置，该装置钢筋定位准确、易于拆卸且造价低廉，可广泛适用于隧道衬砌模型试验中。

【技术实现步骤摘要】
地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法
本专利技术属于地质力学模型试验领域，具体设计一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法。
技术介绍
目前，我国已是世界上隧道工程规模最大、数量最多、修建速度最快的国家。由于地质条件、气候条件、支护设计参数、建筑材料特性和运营维护条件等影响因素的不确定性，大量运营中的隧道出现衬砌开裂、脱落掉块等灾害严重影响隧道的服役性能和寿命，甚至威胁隧道内行车安全，造成交通阻断、人员伤亡等严重后果和不良社会影响。地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定地质问题进行缩尺研究的一种方法，试验的主要目的是研究各种建筑物在外荷载作用下的极限承载力、破坏形态、破坏机理和变形分布特征。对运营期隧道衬砌进行地质力学模型试验有别于施工阶段隧道的地质力学模型试验，需要预制隧道衬砌减少不必要的开挖支护工序。衬砌中的钢筋作用机理研究就显得尤为重要，现阶段对隧道衬砌中钢筋的模拟抗拉强度、抗压强度进行等效模拟，此方法分析过于简单，没有充分体现钢筋混凝土结构中钢筋的作用机理，与实际出入较大。因此，根据混凝土结构设计基本原则，把握钢筋混凝土构件层面的相似原理，以正截面承载能力控制为主，按抗弯能力等效的原则；对于斜截面承载能力的模拟，按抗剪能力等效的原则。由于隧道二次衬砌混凝土处于大体积混凝土，抗剪能力多由截面混凝土承担，故钢筋根据抗弯等效的原则进行设计。对运营期隧道衬砌进行地质力学模型试验有别于施工阶段隧道的地质力学模型试验，需要预制隧道衬砌减少不必要的开挖支护工序。现阶段对隧道衬砌的预制方法研究较少，主要采用人工支模填筑和钢模现浇等方法，人工支模填筑存在制作周期长、工序繁琐重复率低，且预制的隧道衬砌尺寸误差较大，难以实现精度高、周期短和重复率高的制作装置及方法；钢模现浇虽解决衬砌制作精度低、重复率低和周期长的缺点，但是由于浇筑的衬砌材料刚度低而钢模具刚度大拆卸时极易发生模型衬砌的开裂破坏，造成成品率低的缺点。申请号为201711352524.7的专利技术专利提出来一种地质力学模型试验中隧道衬砌预制预埋装置与方法，由拼接式外框架、中芯板、底板和螺栓连接形成的空间即为隧道衬砌的空间。该预制装置无法在模具内部埋设加强筋，故难以真实模拟现场钢筋混凝土材料，适用范围有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，计算得到了混凝土内部钢筋的等效参数，并研制了相应的隧道二次衬砌模型的预制装置，实现了模型内加强筋的布设，确保了力学实验的准确性。本专利技术技术方案如下：一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，其特征在于，包括以下步骤：【1】二次衬砌模型内加强筋参数的计算：【1.1】根据地质力学模型箱尺寸和试验要求，确定模型试验几何相似常数和容重相似常数；【1.2】钢筋混凝土正截面承载能力，计算二次衬砌结构原型与模型的弯矩；【1.3】将模型试验几何相似常数和容重相似常数代入原型与模型弯矩比值，得到弯矩的相似常数；【1.4】根据弯矩的相似常数计算得到钢筋截面面积的相似常数；【1.5】根据钢筋截面面积的相似常数和钢筋混凝土结构的配筋率计算公式，计算得到配筋率的相似常数；【1.6】根据配筋率相似常数和模型的断面尺寸，计算得到模型钢筋的直径和模型钢筋的纵向间距。【2】二次衬砌模型模具的预制：【2.1】按照等效试验缩放尺寸制备隧道二次衬砌模型的预制装置；所述的预制装置包括内模、外模和泡沫缓冲层，内模和外模之间构成二次衬砌模型浇筑空腔；【2.2】在内模的外侧卷绕泡沫缓冲层，将设定长度的定位支杆的一端插入泡沫缓冲层内；在二次衬砌模型浇筑空腔内布外侧环向加强筋和内侧环向加强筋，所述的外侧环向加强筋和内侧环向加强筋固定在定位支杆的外漏端；【3】在浇筑空腔进行混凝土等效材料的浇筑。上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【1.2】中,结构原型与模型的弯矩计算如下：式中：Mp为原型截面极限弯矩；Mm为模型截面极限弯矩；fyp为原型钢筋屈服强度；fym为原型钢筋屈服强度；Asp为原型钢筋截面面积；Asm为模型钢筋截面面积；h0p为原型截面有效高度；h0m为原型截面有效高度。上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【1.3】中模型弯矩相似常数SM的计算如下上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【1.4】中钢筋截面面积的相似常数为：式中：SAs为钢筋截面面积相似常数；SM为弯矩相似常数；Sl为长度相似常数；Sw为容重相似常数；Sfy为钢筋屈服强度相似常数。上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【1.5】中根据钢筋混凝土结构的配筋率计算公式，得到配筋率的相似常数为：上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，通过屈服强度试验确定钢筋相似材和实际工程钢筋型号可确定配筋率的相似常数；选取实际工程中单位长度隧道二次衬砌计算钢筋截面面积代入配筋率相似常数得到模型钢筋的截面面积；钢筋相似材料的直径选取应该与实际工程钢筋直径成比例尽量满足几何相似常数做到与实际工程相似，模型钢筋还应该满足纵向等间距、距离模型衬砌内外侧距离相等。上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【2】中外侧环向加强筋和内侧环向加强筋通过锡线电焊或者环氧树脂粘贴固定在定位支杆上。上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【2】中外侧环向加强筋、内侧环向加强筋和定位支杆为铁丝。上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【2】中所述的内模和外模在垂直方向均为若干只平板层叠构成，每只板材在水平方向均剖分成两半；所述的内模、外模、底板、顶板上在对应的位置处设置有若干只通孔，固定柱贯穿通孔将预制装置固定为一体。上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，所述板材为PVC板、亚克力板或木板。本专利技术的有益技术效果如下：1、本专利技术通过相似等效缩比设计方法，根据力学模型计算得到了二次衬砌原型相匹配的加强筋配筋率、加强筋截面面积等参数，并研制了隧道二次衬砌缩比模型的预制装置，实现了二次衬砌模型中加强筋的布设，制备的模型真实模拟了隧道现场的混凝土材料，确保了力学试验的准确性；该方案简易、高效地模拟衬砌中钢筋的作用机理，利用该方法制作钢筋相似材料的布设装置，钢筋定位准确、易于拆卸且造价低廉，可广泛适用于隧道衬砌模型试验中。2、本专利技术预制装置通过在内模外圈设置泡沫缓冲层，将内模和浇筑的二次衬砌模型进行隔离，一方面方便了拆模时将内模取出，确保了二次衬砌的尺寸结构完整性，另一方面泡沫缓冲层可以作为支撑件，通过插入若干只定位支杆实现内外环向加强筋的布设，实现了内部含有环向加强筋和箍筋的二次衬砌模型制备，从而满足本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，其特征在于，包括以下步骤：/n【1】二次衬砌模型内加强筋参数的计算：/n【1.1】根据地质力学模型箱尺寸和试验要求，确定模型试验几何相似常数和容重相似常数；/n【1.2】根据钢筋混凝土正截面承载能力，计算二次衬砌结构原型与模型的弯矩；/n【1.3】将模型试验几何相似常数和容重相似常数代入原型与模型弯矩比值，得到弯矩的相似常数；/n【1.4】根据弯矩的相似常数计算得到钢筋截面面积的相似常数；/n【1.5】根据钢筋截面面积的相似常数和钢筋混凝土结构的配筋率，计算得到配筋率的相似常数；/n【1.6】根据配筋率相似常数和模型的断面尺寸，计算得到模型钢筋的直径和模型钢筋的纵向间距；/n【2】二次衬砌模型模具的预制：/n【2.1】按照等效试验缩放尺寸制备隧道二次衬砌模型的预制装置；所述的预制装置包括内模(6)、外模(3)和泡沫缓冲层(5)，内模和外模之间构成二次衬砌模型浇筑空腔(11)；/n【2.2】在内模(6)的外侧卷绕泡沫缓冲层(5)，将设定长度的定位支杆(10)的一端插入泡沫缓冲层(5)内；在二次衬砌模型浇筑空腔(11)内布外侧环向加强筋(8)和内侧环向加强筋(9)，所述的外侧环向加强筋(8)和内侧环向加强筋(9)固定在定位支杆(10)的外漏端；/n【3】在浇筑空腔(11)进行混凝土等效材料的浇筑。/n...

【技术特征摘要】
1.地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，其特征在于，包括以下步骤：
【1】二次衬砌模型内加强筋参数的计算：
【1.1】根据地质力学模型箱尺寸和试验要求，确定模型试验几何相似常数和容重相似常数；
【1.2】根据钢筋混凝土正截面承载能力，计算二次衬砌结构原型与模型的弯矩；
【1.3】将模型试验几何相似常数和容重相似常数代入原型与模型弯矩比值，得到弯矩的相似常数；
【1.4】根据弯矩的相似常数计算得到钢筋截面面积的相似常数；
【1.5】根据钢筋截面面积的相似常数和钢筋混凝土结构的配筋率，计算得到配筋率的相似常数；
【1.6】根据配筋率相似常数和模型的断面尺寸，计算得到模型钢筋的直径和模型钢筋的纵向间距；
【2】二次衬砌模型模具的预制：
【2.1】按照等效试验缩放尺寸制备隧道二次衬砌模型的预制装置；所述的预制装置包括内模(6)、外模(3)和泡沫缓冲层(5)，内模和外模之间构成二次衬砌模型浇筑空腔(11)；
【2.2】在内模(6)的外侧卷绕泡沫缓冲层(5)，将设定长度的定位支杆(10)的一端插入泡沫缓冲层(5)内；在二次衬砌模型浇筑空腔(11)内布外侧环向加强筋(8)和内侧环向加强筋(9)，所述的外侧环向加强筋(8)和内侧环向加强筋(9)固定在定位支杆(10)的外漏端；
【3】在浇筑空腔(11)进行混凝土等效材料的浇筑。


2.根据权利要求1所述的地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，其特征在于：
步骤【1.2】中,结构原型与模型的弯矩计算如下：






式中：Mp为原型截面极限弯矩；Mm为模型截面极限弯矩；fyp为原型钢筋屈服强度；fym为原型钢筋屈服强度；Asp为原型钢筋截面面积；Asm为模型钢筋截面面积；h0p为原型截面有效高度；h0m为原型截面有效高度。


3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗彦斌，陈建勋，徐子龙，王传武，袁江鹏，邵汉祥，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61