一种复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置及测试方法，其中测试装置，包括隧道衬砌模型、隧道衬砌固定系统、隧道衬砌调节系统、支撑台、防水膜、土体、加载箱、荷载加载系统、土压力测试系统；隧道衬砌模型由相互分离管片块通过定位环和定位销连接而成；隧道衬砌模型通过防水膜与加载箱内土体相接触，隧道衬砌调节系统位于支撑台之上，并和其上方的隧道衬砌模型内表面相接触。本发明专利技术通过对隧道衬砌竖向剖分、分段水平约束解除、分段竖向移动和复位方法测试衬砌分段总竖向荷载和总水平荷载，解决了复杂应力状态下隧道衬砌侧压力系数测试困难的问题。砌侧压力系数测试困难的问题。砌侧压力系数测试困难的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置及测试方法


[0001]本专利技术属于隧道及地下工程室内土工试验领域，尤其涉及一种隧道工程的测试设备和方法。

技术介绍

[0002]在城市地区的轨道交通隧道、地下道路隧道、地下铁路隧道等城市交通隧道在进行结构设计或室内缩尺模型试验时，需要准确确定隧道结构承受的荷载，土压力是需要重点考虑的永久荷载，其中某些工况的水平土压力按照静止土压力计算，而静止土压力大小主要取决于静止土压力系数，因此，静止土压力系数的准确测定是城市交通隧道结构设计或科研工作中的一项重要工作。
[0003]当前，室内静止土压力系数的确定方法主要有固结仪法、静止侧压力系数测定仪法和三轴仪法等3种方法，三轴仪法在试验中需要根据侧向变形指示器通过施加围压将试样的侧向变形予以恢复，试验步骤较为繁琐，因此应用受到限制，而静止侧压力系数固结仪法则应用较多，一些工程技术人员和学者针对该方法存在的一些问题进行了技术改进并申请了相关专利，如采用应变加载方法施加轴向荷载、增加孔隙水压力测试装置以考虑孔隙水压力消散的影响、采用薄膜传感器改进应力测试方法、增加竖向称重传感器以考虑土样与筒壁摩擦力等。
[0004]上述既有静止土压力系数室内测试装置和方法主要针对应力状态均匀、单一的土样，土试样为上下尺寸相等的圆柱形或者六面体，试验时，在竖向荷载作用下的侧向变形受到限制，试样应力状态在竖向方向是不变的，试样的主应力始终为竖直方向和水平方向，且大小沿着竖向不变。
[0005]但这种静止土压力系数确定方法难以直接应用于应力状态较为复杂的情况，如盾构隧道管片衬砌进行室内地层
‑
结构模型缩尺试验时，管片衬砌外轮廓为圆形，受隧道周边地层应力重分布效应影响，在竖直方向上，隧道管片衬砌所受的荷载以及隧道接触的土体内，竖向应力和水平方向应力的大小不再是均匀的，而是沿着隧道结构位置不同而变化的，而且土体
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隧道衬砌接触面上既有水平方向土压力，又有竖向土压力，既有静止侧压力系数测定方法难以对这种复杂应力状态下的静止土压力进行有效测定。

技术实现思路

[0006]如何较为准确的获得地层
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结构模型中隧道衬砌结构实际承受的静止土压力及其竖向分布情况是本专利技术的主要目的，本专利技术主要用于获得室内缩尺模型试验中隧道衬砌的水平土压力与竖向土压力的比值，即静止土压力系数。
[0007]本专利技术提供了一种室内精确测试竖向加载条件下隧道衬砌实际承受静止土压力的装置和方法，本专利技术测定分段隧道衬砌模型承受的竖向土压力和水平土压力总值，直接计算分段等效静止土压力系数，并进而获得静止土压力系数沿着隧道衬砌结构的竖向分布
规律。
[0008]基本技术方案为：一种复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置及测试方法，测试装置包括隧道衬砌模型、隧道衬砌固定系统、隧道衬砌调节系统、支撑台、防水膜、土体、加载箱、荷载加载系统、土压力测试系统；隧道衬砌模型通过防水膜与加载箱内土体相接触，荷载加载系统位于土体上方，隧道衬砌固定系统位于隧道衬砌模型的接缝及其两侧，隧道衬砌调节系统位于支撑台之上，并和其上方的隧道衬砌模型内表面相接触。
[0009]隧道衬砌模型由相互分离的管片块组成，管片块为钢制弧形结构，管片块间的连接界面为光滑竖向平面，管片块竖向连接界面涂有润滑油。
[0010]隧道衬砌固定系统由位于管片块两端的定位环和位于管片块接缝的定位销组成；管片块每相邻端有4个定位环，2个位于管片块前侧，2个位于管片块后侧，管片块每相邻段前侧和后侧的2个定位环呈竖向上下排列；每个管片块接缝有4个定位销，2个位于管片块的前侧，2个位于管片块的后侧，管片块前后侧定位销呈上下并列分布，每个定位销对应2个分别位于管片块接缝两侧的定位环，定位销呈水平方向布置。
[0011]隧道衬砌调节系统包括垫块、可调节高度的微型千斤顶、百分表及其支座、调节块；位于管片块前侧和位于管片块后侧的千斤顶成对布置，位于管片块前侧和位于管片块后侧的百分表及支座成对布置；单个微型千斤顶包括液压柱、液压套筒、液压油、液压管、液压泵、液压阀；管片块前侧与后侧的垫块成对布置，垫块为钢制楔形结构，垫块顶部焊接于管片块下部，垫块下表面为水平面，并涂有润滑油；微型千斤顶的液压柱顶面为水平面，并涂有润滑油，液压柱顶面顶紧垫块下表面。
[0012]隧道衬砌调节系统的微型千斤顶通过调节块调整其自身高度；百分表支座与调节块位于支撑台上，支撑台为钢制实心结构，位于底板上方。
[0013]隧道衬砌模型上方为片状防水膜，防水膜由薄层状、柔性、光滑有机材料组成，防水膜背土侧表面与隧道衬砌模型迎土侧表面涂有润滑油，确保防水膜与隧道衬砌模型之间没有表面摩擦力；防水膜迎土侧上方为试验土体；试验土体位于加载箱内部空间内。
[0014]加载箱由顶板、底板、前挡板、后挡板、侧板、4个限位条以及4个紧固件和2个连接杆组成，前挡板和后挡板为透明钢化玻璃，顶板、侧板、底板均为钢制厚板，顶板、底板呈矩形，侧板为U型结构，4个限位条焊接固定于侧板左右板的内侧，用来固定前挡板和后挡板，2个连接杆通过侧板预留孔对拉于侧板上方，并通过侧板外部的紧固件固定牢固；前挡板和后挡板的右下角呈90
°
圆弧形，其形状、大小与隧道衬砌模型形状和大小一致；侧板的右侧中部和底板中部有圆形凹槽，用于放置传感器。
[0015]加载箱内试验土体上方为加载箱的顶板，顶板几何中心上方放置有荷载加载系统，荷载加载系统包括位于顶板中心的配重块定位柱及配重块，配重块定位柱的几何中心和加载箱顶板的几何中心重合，配重块定位柱呈短圆柱体，配重块位于配重块定位柱的上方，用于对试验土体加载。
[0016]土压力测试系统包括水平传感器及其定位柱、竖向传感器及其定位柱、管片块间传感器及其定位柱、传输线、水平传感器采集仪、竖向传感器采集仪、管片块间传感器采集仪；水平传感器及其定位柱、竖向传感器及其定位柱分别位于侧板和底板的凹槽内，传感器的传输线通过凹槽底部的小孔引出，并连接到对应的传感器采集仪；管片块间传感器及其定位柱位于相邻管片块接缝的竖向界面中心位置，传感器和管片块接触处涂有润滑油，管
片块间传感器通过传输线连接到管片块间传感器采集仪；水平传感器、竖向传感器、管片块间传感器均为重力型传感器。
[0017]一种复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试方法，步骤如下：
[0018]第一步、组装加载箱的侧板、底板、前挡板和后挡板，前后挡板位于限位条内侧，两个连接杆穿过侧板上部预留孔用以对拉侧板，并在侧板外侧用紧固件将连接杆固定；
[0019]第二步、对管片块间传感器与管片块连接界面涂抹润滑油，将管片块间传感器及其定位柱固定在管片块接缝，并用定位销穿过定位环固定管片块，形成隧道衬砌模型整体，将水平传感器及其定位柱固定在隧道衬砌模型右侧，将竖向传感器及其定位柱固定在隧道衬砌模型下部，将整个隧道衬砌模型连同水平和竖向传感器放置于侧板和底板的凹槽内，将水平传感器的传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置，其特征在于：包括隧道衬砌模型、隧道衬砌固定系统、隧道衬砌调节系统、支撑台、防水膜、土体、加载箱、荷载加载系统、土压力测试系统；隧道衬砌模型通过防水膜与加载箱内土体相接触，荷载加载系统位于土体上方，隧道衬砌固定系统位于隧道衬砌模型的接缝及其两侧，隧道衬砌调节系统位于支撑台之上，并和其上方的隧道衬砌模型内表面相接触。2.根据权利要求1所述的复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置，其特征在于：所述隧道衬砌模型由相互分离的管片块组成，管片块为钢制弧形结构，管片块间的连接界面为光滑竖向平面。3.根据权利要求1所述的复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置，其特征在于：所述隧道衬砌固定系统由定位环和定位销组成，定位销呈水平方向布置。4.根据权利要求1所述的复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置，其特征在于：所述隧道衬砌调节系统包括垫块、微型千斤顶、百分表及其支座、调节块；微型千斤顶包括液压柱、液压套筒、液压油、液压管、液压泵、液压阀；垫块为钢制楔形结构，垫块顶部焊接于管片块下部，垫块下表面为水平面，并涂有润滑油，微型千斤顶的液压柱顶面为水平面，并涂有润滑油。5.根据权利要求1所述的复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置，其特征在于：所述防水膜由薄层状、柔性、光滑有机材料组成，防水膜背土侧表面涂有润滑油。6.根据权利要求1所述的复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置，其特征在于：所述土压力测试系统包括水平传感器及其定位柱、竖向传感器及其定位柱、管片块间传感器及其定位柱、传输线、水平传感器采集仪、竖向传感器采集仪、管片块间传感器采集仪；水平传感器及其定位柱、竖向传感器及其定位柱分别位于侧板和底板的凹槽内；管片块间传感器通过传输线连接到管片块间传感器采集仪；水平传感器、竖向传感器、管片块间传感器均为重力型传感器。7.根据权利要求1所述的复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置，其特征在于：所述加载箱由顶板、底板、前挡板、后挡板、侧板、限位条以及紧固件和连接杆组成，前挡板和后挡板为透明钢化玻璃，侧板为U型结构；前挡板和后挡板的右下角呈90
°
圆弧形，其形状、大小与隧道衬砌模型形状和大小一致。8.根据权利要求1所述的复杂应力状态下的静止土压力系数室内测试装置，其特征在于：所述荷载加载系统包括位于顶板中心的配重块定位柱及配重块。9.一种采用权利要求1
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8所述测试装置测试静止土压力方法，其特征在于，步骤如下：第一步、组装加载箱的侧板、底板、前挡板和后挡板，前后挡板位于限位条内侧，两个连接杆穿过侧板上部预留孔用以对拉侧板，并在侧板外侧用紧固件将连接杆固定；第二步、对管片块...

【专利技术属性】
技术研发人员：董新平，蔡迎春，毋存粮，吴靖江，马清文，陈小羊，纪红亮，晋伟，陈浩，张鹏，李精昆，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：