【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及盾构隧道防水密封垫，具体涉及一种盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法及应用。
技术介绍
1、随着我国经济的飞速发展和施工技术的进步，盾构法因其施工安全、掘进速度快、自动化程度高等优点被广泛应用于城市地下铁路和跨海越江隧道修建。橡胶弹性密封垫是盾构隧道接缝防水体系的主体，其工作原理是通过盾构千斤顶将弹性密封垫压紧闭合，产生接触应力来抵抗外部水压侵入。然而，随着服役时间的增长，橡胶密封垫不可避免会的产生应力松弛，如此会增大隧道渗漏水的风险。此外，实际工程中使用的盾构密封垫是一个多孔复杂结构，对于某个预压缩量，其应变不是均一的，在整个横截面上，有些部位的应变大，有些部位的应变小。密封垫这种应变分布不均匀的老化情况给橡胶密封垫的研究带来极大的困难。因此，准确模拟橡胶密封垫长期应力松弛效应，对于盾构隧道防水设计至关重要。
2、对于橡胶密封垫的防水能力模拟，通常采用有限元软件进行模拟，用模拟得到的密封垫压缩力或表面接触应力作为衡量其防水能力的指标。薛光桥等人(薛光桥，虞雄兵，肖明清，张超勇，何应道.考虑压缩-错缝-外部水压的密封垫防水性能数值模拟研究[j].现代隧道技术,2023,60(03):139-145+174)采用mooney-rivlin本构模型对橡胶密封垫的压缩性能进行了数值模拟，研究了多种工况下橡胶密封垫的接触应力分布。但是该研究存在以下特点或局限：其橡胶本构模型参数是根据经验公式选取的，因此不能对老化后橡胶密封垫的性能进行模拟。
3、人工加速老化试验是研究橡胶材料长期服役性能的一种
4、对于橡胶的应力松弛本构模型，专利文献cn112199823b(申请日期2020年9月17日，公开日期2021年1月8日)提供了一种橡胶材料应力松弛效应的数值预测方法，首先进行橡胶材料的超弹性力学试验和应力松弛试验，再使用fortran语言编写的uhyper子程序，将所提出的时变松弛-损伤本构模型嵌入商业有限元软件中，采用多岛遗传算法识别材料本构参数，最终实现橡胶材料时变松弛效应的模拟。该研究存在以下特点或局限：1)所提出的本构模型需要对商业有限元软件进行二次开发，需要具有相关的编程知识，应用困难；2)模型参数获取需要借助多岛遗传算法，不断将新的参数写入本构模型中，直至仿真结果满足精度条件，导致其本构参数获取较为困难。
5、综上所述，目前的盾构隧道密封垫老化应力松弛模拟技术存在以下局限性：
6、1)现有的研究通常根据经验公式或试验曲线拟合得到橡胶本构模型参数，输入有限元软件进行分析。然而，这两种方法仅能用于表征未老化的橡胶材料性能，不能对橡胶材料的长期服役性能进行预测。
7、2)加速老化试验大多设置单一的预压缩应变，而真实服役的盾构隧道密封垫往往处于一种复杂的预压缩应变状态，试验所得到的橡胶应力松弛规律不适用于密封垫服役工况。
8、3)一些复杂的应力松弛本构模型，其模型参数获取困难，需要借助算法和仿真迭代获得，其模型应用需要编码子程序对有限元软件二次开发，不具备广泛适用性。
9、因此，有必要提出一种复杂应变状态下盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法及应用，实现橡胶密封垫长期服役性能的预测，为盾构隧道长期防水能力设计提供依据。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是，提供一种预压缩状态下盾构隧道橡胶老化密封垫应力松弛模型参数确定方法及应用，以解决上述技术问题。
2、本专利技术的基本原理为：首先对预压缩的橡胶材料圆柱试样进行加速老化试验，得到表征预压缩状态应力松弛特性的橡胶本构模型参数；基于阿伦尼乌斯方程，得到橡胶试样的试验工况和实际服役状态的时温转换关系，进而得到橡胶应力松弛本构模型参数的时变规律；应用时，将得到的本构模型参数输入有限元模型，实现对预压缩状态下老化密封垫长期服役应力松弛特性的模拟。
3、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
4、本专利技术提供一种盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，包括如下步骤：
5、步骤一、设置不同的试验条件，对材质、加工工艺与盾构隧道橡胶密封垫相同的橡胶试样进行预压缩状态下的加速老化试验，得到不同试验条件的老化橡胶试样；所述试验条件包括预压缩应变、老化温度和老化时间；
6、需要说明的是，步骤一所述加速老化试验中，橡胶试样为圆柱形试样，橡胶试样的预压缩应变范围为0～ε，ε为最大预压缩应变，ε为-0.4～-0.6，优选为-0.4，至少设置5种不同的预压缩应变，且不同预压缩应变的间隔小于等于-0.1，以保证应力松弛本构模型的拟合精度；每个预压缩应变下至少设置3种不同的老化温度，老化温度的选择范围为55℃～100℃，老化温度的间隔优选为10～20℃；每种老化温度下设置至少5种不同的老化时间，老化时间一般选取24h的倍数。
7、步骤二、采用电子万能试验机对未老化橡胶试样以及步骤一所述不同试验条件的老化橡胶试样分别进行单轴压缩试验，得到未老化橡胶试样与每个老化橡胶试样的压缩应力-应变曲线；
8、步骤三、将老化橡胶试样在预压缩应变时的应力与未老化橡胶试样在相同应变时的应力之比作为应力松弛系数，根据步骤二得到的未老化橡胶试样与每个老化橡胶试样的压缩应力-应变曲线，计算得到老化橡胶试样在不同预压缩应变时的平均应力松弛系数，根据时温等效理论建立以平均应力松弛系数为性能指标的加速老化模型并拟合得到反应常数，根据加速老化模型中的反应常数采用阿伦尼乌斯方程建立老化橡胶试样的时温转换关系，根据时温转换关系将老化橡胶试样在加速老化试验时的老化温度和老化时间转换为实际服役状态时的服役时间；
9、需要说明的是，步骤三中，所述不同预压缩应变时的平均应力松弛系数按式(3.1)确定：
10、
11、式中，为平均应力松弛系数；kri为第i个预压缩应变时老化橡胶试样的应力松弛系数；σ0i为第i个预压缩应变时未老化橡胶试样的应力，σ1i为第i个预压缩应变时老化橡胶试样的应力；i＝1、2、...、n，n为加速老化试验中所选预压缩应变的数量。
12、需要说明的是，步骤三中，根据时温等效理论，所述以平均应力松弛系数作为性能指标的加速老化模型按式(3.2)建立：
13、
14、式中，b，k，α为反应常数；t为橡胶老化时间或服役时间，(h)；e为自然对数常数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤一所述加速老化试验中，橡胶试样为圆柱形试样，橡胶试样的预压缩应变范围为0～Ε，Ε为最大预压缩应变，Ε为-0.4～-0.6，至少设置5种不同的预压缩应变，且不同预压缩应变的间隔小于等于-0.1；每种预压缩应变下至少设置3种不同的老化温度，老化温度的选择范围为55℃～100℃；每种老化温度下设置至少5种不同的老化时间。
3.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤三中，老化橡胶试样在不同预压缩应变时的平均应力松弛系数按式(3.1)确定：
4.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤三中，根据时温等效理论，所述以平均应力松弛系数作为性能指标的加速老化模型按式(3.2)建立：
5.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：根据加速老化模型中的反应常数，采用阿伦尼乌斯方程建立老化橡
6.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤四中，所述内插法采用线性内插法。
7.如权利要求6所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：对圧缩应力-应变曲线组中相邻两条不同预压缩应变的圧缩应力-应变曲线，采用线性内插法按预压缩应变分别进行插值，得到已有预压缩应变范围内任意预压缩应变的圧缩应力-应变曲线如式(4.1)：
8.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤四中，所述橡胶试样在单轴压缩状态时基于Mooney-Rivlin模型的应力松弛模型按式(4.5)建立：
9.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤四中，根据不同服役时间的模型参数，所述模型参数在实际服役状态下的时变关系按式(4.6)建立：
10.如权利要求1-9任一项所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：在应用时，利用有限元软件建立密封垫轴向压缩模型，在有限元软件中采用Mooney-Rivlin模型模拟预压缩状态下的老化密封垫，根据老化密封垫在实际服役状态下的当前服役时间，根据模型参数在实际服役状态下的时变关系得到对应的应力松弛模型参数，将模型参数输入至有限元模型中，模拟计算后得到预压缩状态下老化密封垫实际服役状态下的应力松弛指标，根据应力松弛指标确定该老化密封垫在当前服役时间的防水能力；所述应力松弛指标包括老化密封垫的压缩力、平均接触应力。
...【技术特征摘要】
1.盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤一所述加速老化试验中，橡胶试样为圆柱形试样，橡胶试样的预压缩应变范围为0～ε，ε为最大预压缩应变，ε为-0.4～-0.6，至少设置5种不同的预压缩应变，且不同预压缩应变的间隔小于等于-0.1；每种预压缩应变下至少设置3种不同的老化温度，老化温度的选择范围为55℃～100℃；每种老化温度下设置至少5种不同的老化时间。
3.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤三中，老化橡胶试样在不同预压缩应变时的平均应力松弛系数按式(3.1)确定：
4.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤三中，根据时温等效理论，所述以平均应力松弛系数作为性能指标的加速老化模型按式(3.2)建立：
5.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：根据加速老化模型中的反应常数，采用阿伦尼乌斯方程建立老化橡胶试样的时温转换关系如式(3.3)：
6.如权利要求1所述的盾构隧道老化密封垫应力松弛模型参数确定方法，其特征在于：步骤四中，所述内插法采用线性内插法。
7.如权利要...
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