一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置论文和设计-许有俊

全文摘要

本实用新型公开了一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于所述剪切试验装置包括自上而下依次设置的竖向荷载施加装置、依次连接的三个矩形顶管构件以及支撑于三个所述矩形顶管构件下方的支撑体系；所述支撑体系包括两个型钢支撑、两个弹性支撑和两个临时支撑，其中所述型钢支撑设置于两侧的所述矩形顶管构件下方，所述弹性支撑与所述临时支撑设置于中间的所述矩形顶管构件下方。本实用新型的优点是：装置设计合理，结构简单，操作方便，通过设置弹性支撑模拟地层对接头变形的限制作用，可以较为真实地反映矩形顶管接头剪切力学行为，准确获得接头的剪切刚度模型。

主设计要求

1.一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于所述剪切试验装置包括自上而下依次设置的竖向荷载施加装置、依次连接的三个矩形顶管构件以及支撑于三个所述矩形顶管构件下方的支撑体系；所述支撑体系包括两个型钢支撑、两个弹性支撑和两个临时支撑，其中所述型钢支撑设置于两侧的所述矩形顶管构件下方，所述弹性支撑与所述临时支撑设置于中间的所述矩形顶管构件下方。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于所述剪切试验装置还包括电测位移计和压力传感器，所述电测位移计设置于任意两个所述矩形顶管构件连接处正下方，所述压力传感器设置于所述弹性支撑与所述矩形顶管构件接触部位。

3.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于所述竖向荷载施加装置包括作动器和分配梁，所述分配梁设置于位于中间的所述矩形顶管构件正上方并与其上部连接，所述作动器设置于所述分配梁的正上方。

4.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于所述临时支撑为内部填满标准砂的砂筒，所述砂筒包括上筒和下筒，所述上筒套设于所述下筒内并可沿其内壁面作竖向运动，所述上筒筒顶支撑于所述矩形顶管构件下部，所述下筒侧壁面设有开孔并通过螺栓封堵。

5.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于所述弹性支撑为弹簧支座。

6.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于所述临时支撑设置于刚性支墩上。

7.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于任意两个所述矩形顶管构件之间通过刚套环连接。

8.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于位于两侧的所述矩形顶管构件的上部分别增设有配重。

9.根据权利要求1所述的一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于三个所述矩形顶管构件的底面均位于同一水平面上。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及矩形顶管隧道技术领域，具体涉及一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置。

背景技术

矩形顶管法修建的隧道具有断面面积利用率高、埋深浅、不中断地面道路交通、避免地下管线的拆迁、无噪音等优点，可应用于暗挖地铁车站、地下综合管廊、地铁车站出入口过街通道、行人过街地下通道、下穿城市道路的隧道、城市地下空间开发以及地下空间的互联互通等工程中，代表着城市中短隧道修建技术的发展方向。

大量的已建矩形顶管隧道管节纵向连接通常采用F型承插接头，主要起到防水的功效，属于柔性接头，但在隧道上方地表荷载发生变化、下卧土层不均匀、地下水位发生变化、地下结构近接穿越工程活动等情况下，管节极易发生节间错台剪切变形。当剪切变形过大时，易导致接头局部防水失效而引起整体防水效果大大降低，从而出现渗漏、滴水甚至漏砂漏泥等病害，影响正常使用，危及结构安全，甚至引发工程灾害。

因此，如何准确预测运营期矩形顶管隧道管节剪切错台变形成为工程界与学术界关注的难点与热点。但是，考虑接变形不连续性的纵向变形预测方法首先需要确定接头的剪切刚度模型与刚度参数，然而确定接头剪切刚度模型与刚度参数的试验方法未见相关报道。

发明内容

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，该剪切试验装置通过在用刚套环依次连接的三个矩形顶管构件下方设置分别设置型钢支撑、临时支撑和弹性支撑，并在位于中间的矩形顶管构件上方设置竖向荷载施加装置，可以较为真实地模拟矩形顶管接头的剪切力学行为，准确获得接头的剪切刚度模型。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，其特征在于所述剪切试验装置包括自上而下依次设置的竖向荷载施加装置、依次连接的三个矩形顶管构件以及支撑于三个所述矩形顶管构件下方的支撑体系；所述支撑体系包括两个型钢支撑、两个弹性支撑和两个临时支撑，其中所述型钢支撑设置于两侧的所述矩形顶管构件下方，所述弹性支撑与所述临时支撑设置于中间的所述矩形顶管构件下方。

所述剪切试验装置还包括电测位移计和压力传感器，所述电测位移计设置于任意两个所述矩形顶管构件连接处正下方，所述压力传感器设置于所述弹性支撑与所述矩形顶管构件接触部位。

所述竖向荷载施加装置包括作动器和分配梁，所述分配梁设置于位于中间的所述矩形顶管构件正上方并与其上部连接，所述作动器设置于所述分配梁的正上方。

所述临时支撑为内部填满标准砂的砂筒，所述砂筒包括上筒和下筒，所述上筒套设于所述下筒内并可沿其内壁面作竖向运动，所述上筒筒顶支撑于所述矩形顶管构件下部，所述下筒侧壁面设有开孔并通过螺栓封堵。

所述弹性支撑为弹簧支座。

所述临时支撑设置于刚性支墩上。

任意两个所述矩形顶管构件之间通过刚套环连接。

位于两侧的所述矩形顶管构件的上部分别增设有配重。

三个所述矩形顶管构件的底面均位于同一水平面上。

本实用新型的优点是：装置设计合理，结构简单，操作方便，通过设置弹性支撑模拟地层对接头剪切变形的限制作用，可以较为真实地反映矩形顶管接头剪切力学行为，准确获得接头的剪切刚度模型。

附图说明

图1为本实用新型中矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置的结构示意图；

图2为本实用新型中弹簧支座的剖面结构示意图；

图3为本实用新型中弹簧的俯视示意图；

图4为本实用新型中砂筒的剖面结构示意图；

图5为本实用新型中砂筒的俯视示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5，图中标记1-19分别为：矩形顶管构件1、刚套环2、型钢支撑3、弹簧支座4、砂筒5、支墩6、配重7、刚性梁8、作动器9、电测位移计10、压力传感器11、上支座12、下支座13、弹簧14、上筒15、下筒16、标准砂17、孔18、螺栓19。

实施例：如图1-5所示，本实施例具体涉及一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置，该试验装置包括自上而下依次设置的竖向荷载施加装置，三个依次连接的矩形顶管构件1以及支撑于其下放的支撑体系，该试验装置通过作动器9向位于中间的矩形顶管构件1施加各级荷载以模拟接头剪切力学行为从而获取试验数据，对其进行分析处理即可得到矩形顶管接头的剪切刚度模型。

如图1所示，三个尺寸完全相同的矩形顶管构件1依次连为一体，相邻的两个矩形顶管构件1之间形成一个F型承插接头，在F型承插接头外设置有刚套环2；在三个矩形顶管构件1的下方设置有支撑体系，以模拟实际矩形顶管隧道管节受到的地层的限制作用，该支撑体系设置在同一高度的水平地面上，确保三个矩形顶管构件1的底面均在同一水平面上，支撑体系包括两个型钢支撑3、两个弹簧支座4、两个砂筒5和两个支墩6，其中位于两侧的矩形顶管构件1下方为型钢支撑3，两个型钢支撑3的尺寸应小于矩形顶管构件1的尺寸，并与两个接头存在一定的距离，以更好的模拟矩形顶管接头的剪切力学行为，而位于中间的矩形顶管构件1的下方为两个弹簧支座4和两个砂筒5，由于砂筒5的高度较低，在其下方设置了支墩6其能够接触支撑到中间的矩形顶管构件1；需要指出的是，两个弹簧支座4与矩形顶管构件1的两个接头的距离可以相同也可不同，若距离相同，则试验中两个接头的剪切力理论上基本一致，每级荷载施加时所获得的两个接头的试验数据也基本相同，若距离不同，则试验中两个接头的剪切力存在差异，每级荷载施加时所获得的两个接头的试验数据也相差较大。

如图2、3所示，弹簧支座4包括上支座12、下支座13和弹簧14，上支座12和下支座13均呈圆筒状，且下支座13套设于上支座12内，起到相互限位的作用，弹簧14的两端分别连接上支座12和下支座13，使得上支座12在受力时压缩弹簧14并沿下支座13的外筒壁面向下运动，直至压力与弹簧14的支持力平衡，弹簧14的刚度系数通过试验所在的地基土的性质来确定，其具体确定过程为：首先根据地基土的性质确定竖向基床系数，然后竖向荷载施加装置底面积乘以竖向基床系数得到等效弹性总刚度，等效弹性总刚度除以二即可得到单个弹性支撑刚度，通过单个弹性支撑刚度可以很容易选取弹簧15的参数，即线径、外径、自由高度和圈数；当然，本实施例中的弹簧支座4也可以是其他能够在施加荷载时发生弹性形变以模拟地层对接头剪切错台变形的限制作用的其他弹性支撑结构；由于矩形顶管构件1的接头脆弱，弹性支撑一方面可以起到固定矩形顶管构件1、防止其在自重作用导致接头提前破坏的作用，另一方面可以用于模拟地层对接头剪切错台变形的限制作用。

如图4、5所示，砂筒5包括上筒15和下筒16，上筒15套设于下筒16中，起到相互限位的作用，且砂筒5填满了标准砂17，使得砂筒5的高度保持不变，其中，标准砂17即加工后符合标准规定的石英砂，下筒16的侧壁面上对称设置有两个尺寸相同的孔18，并用螺栓19对孔18进行封堵；上筒15的筒顶与中间的矩形顶管构件1下部接触支撑，起到临时支撑的作用，此时矩形顶管构件1的支撑主要依靠砂筒5和支墩6，而弹簧支座4起辅助作用，当需要切换到利用弹簧支座4起支撑作用时，只需同步打开下筒16的两个螺栓19，使标准砂17从孔内流出，由于标准砂17的粒度单一，其流出的速度均匀可控，从而上筒15沿下筒16内壁面下沉，与矩形顶管构件1分离，不再起到支撑作用，由此完成弹性支撑与临时支撑两者之间的切换，当然砂筒5也可以用其他类型的支撑作为临时支撑，比如千斤顶等。

如图1所示，位于中间的矩形顶管构件1的正上方设置有竖向荷载施加装置，该竖向荷载施加装置包括刚性梁8和作动器9，刚性梁8设置于位于中间的矩形顶管构件1上部正中央，而作动器9则设置于刚性梁8的正上方，当作动器9下降作用于刚性梁8时，刚性梁8可将所受的力均匀传递至中间的矩形顶管构件1，使其两端的接头受剪力作用，从而模拟矩形顶管接头剪切力学行为，当然竖向荷载施加装置也可以是千斤顶等施力装置；位于两侧的矩形顶管构件1上部增加配重，平衡三个矩形顶管构件1，避免施加荷载作用于位于中间的矩形顶管构件1时产生较大的位移。位于两侧的矩形顶管构件1上部还设置有配重7，起到平衡三个矩形顶管构件1、避免施加荷载时产生过大的位移变形的作用。

如图1所示，在两个刚套环2的下部分别安装有一个电测位移计10，用于测量矩形顶管构件1在受剪力作用时接头处发生的位移量，在两个弹簧支座4的上部还分别安装一个压力传感器11，用于测量位于中间的矩形顶管构件1所受的压力。

如图1-5所示，使用本实施例的矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置进行剪切试验的具体步骤如下：

（1）用F型承插接头将三个矩形顶管构件1依次连接成一体，在F型承插接头外设置刚套环2，然后根据矩形顶管构件1的尺寸设置用于支撑这三个矩形顶管构件1的支撑体系，使得两个型钢支撑3刚好支撑于两侧的矩形顶管构件1的下部，而两个弹簧支座4和两个砂筒5则支撑于中间的矩形顶管构件1的下部，并在砂筒5下方设置支墩6。

（2）在中间的矩形顶管构件1的正上方安装竖向荷载施加装置，将刚性梁8设置于中间的矩形顶管构件1上部正中央，并将作动器9则设置于刚性梁8的正上方，同时在位于两侧的矩形顶管构件1上部增加配重7。

（3）在两个刚套环2的下部分别安装一个电测位移计10，在两个弹簧支座4的上部分别安装一个压力传感器11，使作动器9向下运动至与刚性梁8刚好接触，读取压力传感器11、电测位移计10的初始读数，然后对三个矩形顶管构件1施加小荷载以使各部分接触良好，调整好后将其卸载。

（4）作动器9通过刚性梁8施加第一级荷载于位于中间的矩形顶管构件1，拧开砂筒5的两个螺栓19使桶内的标准砂17均匀流出，上筒15沿下筒16内壁面均匀下沉与位于中间的矩形顶管构件1分离，从而使该矩形顶管构件1与弹簧支座4的上支座12充分接触，上支座12受力压缩弹簧14并沿下支座13的外壁面下沉，直至弹簧14向上的弹力与上支座12所受的压力平衡，此时矩形顶管构件1的两个接头受到剪力作用发生位移，待第一级荷载稳定后采集压力传感器11、电测位移计10的数据；然后作动器9依次施加各级荷载于位于中间的矩形顶管构件1，每次待荷载稳定后采集压力传感器11、电测位移计10的数据。

（5）利用试验过程记录的不同分级的荷载与相应的剪切位移数据绘制剪力与相对剪切位移的关系图，并通过对试验数据进行拟合处理，得到剪力与相对剪切位移的函数关系式，对此关系式求导即可得到矩形顶管接头的剪切刚度模型。

本实施例的有益效果是：（1）装置设计合理，力学概念明确，通过设置弹性支撑模拟地层对接头剪切变形的限制作用，可以较为真实地反映矩形顶管接头剪切力学行为，准确获得接头的剪切刚度模型；（2）临时支撑与弹性支撑之间的切换方便，可操作性强；（3）将砂筒作为临时支撑，制作简单、操作方便。

设计图

一种矩形顶管隧道管节接头的剪切试验装置论文和设计

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主设计要求

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