CN113495013A - 一种用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程实验领域，涉及一种用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，提供管节模型、造波系统、水池、各种测量仪器、沉降系统等，对系统进行模拟、调试、安装、测量，通过控制变量的形式综合考虑地基沉降、回淤、波浪、海流因素，能够开展波流场的作用、沉降的作用、回淤的作用、横向剪切的作用等方面的模型试验，研究沉管隧道管节结构、接头结构、止水带应力应变状态及破坏模式等内容。

Description

一种用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法

技术领域

本发明属于土木工程实验领域，涉及一种用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法。

背景技术

面对建设环境条件越来越复杂，传统的跨江越海隧道修建工法已经难以满足要求，已经成为制约工程能否上马的核心关键技术。近年来，沉管隧道建设工法逐渐成为跨江越海交通基础设施工程建设的主要工法，相继建成了港珠澳大桥沉管隧道工程、宁波甬江沉管隧道工程、南昌红河沉管隧道工程等一批重大工程。沉管隧道建设在海床或河床底部，运营期间将受到海/河水流动荷载、波浪荷载、地基沉降、回淤层等环境荷载作用，并因此导致沉管隧道结构出现变形，直至沉管隧道结构破坏。因此，开展沉管隧道在外部环境荷载耦合作用下结构变形特征研究对于保障沉管隧道结构运营安全十分必要。

相似模型试验是研究土木工程结构稳定性的重要手段。对于沉管隧道结构的变形问题，目前只公开了针对悬浮隧道结构进行试验的装置，但沉管隧道与悬浮隧道在基础型式上存在差异，悬浮隧道结构不与海床(河床)直接接触，不用考虑海床(河床)沉降对隧道结构的影响；而沉管隧道结构安装在海床(河床)之上，海床(河床)沉降将是影响沉管隧道结构安全的关键因素，同时在波流作用下海底(河底)淤积体将回於至沉管隧道结构之上，因此造成沉管隧道将受到海/河水流动荷载、波浪荷载、地基沉降、回淤层等环境荷载耦合作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，包括以下步骤：

S1准备实验器材，提供管节模型、覆盖于管节模型上方的回填材料、置于管节模型下方的沉降系统、置于管节模型两侧的横向加载系统、以及模拟管节模型所在流域流场的造波系统；

S2波流载荷标定，确定待模拟波流形态，调整造波系统水位、波形、波高、波速、流型、流速数据，使其与待模拟波流形态一致；

S3管节安装，降低水位后吊装管节模型，校核、检查管节模型安装到位后进行水位调试；

S4使用波高仪、流速仪进行流场测定；使用位移计和电阻应变片对管节模型进行变形测定。

可选的，所述管节模型包括至少两节单管，相邻的单管通过接头相连；在接头处设置电阻应变片测量剪力。

可选的，所述管节模型横截面包括两个并列布置的空腔以及用于连接两个空腔的工字区。

可选的，所述波高仪设有5个，沿造波方向依次设置，第一个设置在管节模型前1-2米处，第二个设置在管节模型正上方；第三个设置在流场中央正上方；第四个和第五个设置在管节模型后方1米及2米处。

可选的，沿所述管节模型的横截面设置16个位移计，其上侧与下侧的外侧均匀布置3个，两侧外侧对称布置1个；两个所述空腔内的四个平面各布置一个。

可选的，所述单管包括接头段及连接段；在所述接头段上设有电阻应变片；在所述连接段靠近接头段的一侧上设有电阻应变片。

可选的，沿管节模型纵向设有位移测点击应力测点。

可选的，提供用于安装造波系统及沉降系统的水池，所述造波系统设置在所述水池一侧，所述水池的另一侧设有消波区。

本发明的有益效果在于：

本发明综合考虑地基沉降、回淤、波浪、海流因素，能够开展波流场的作用、沉降的作用、回淤的作用、横向剪切的作用等方面的模型试验，研究沉管隧道管节结构、接头结构、止水带应力应变状态及破坏模式等内容。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的实验流程示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为波高仪的设置位置示意图；

图4为位移计的布置位置示意图；

图5为剪力键应力监测点的位置示意图；

图6为关节模型结构力学性能影响范围监测断面布置图；

图7为管节模型与沉降系统的横断面示意图；

图8为管节模型与沉降系统的纵断面示意图；

图9为纵向沉降模型示意图；

图10为横向沉降模型示意图；

图11为波流场模型示意图；

图12为管节沉降模型示意图。

附图标记：行车1、沉降系统2、固定平台3、限位杆4、水池5、造波系统6、流速仪7、波高仪8、管节模型9、消波区10、空腔11、工字区12、位移计13、连接段14、接头段15。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图12，为一种用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，其核心理论是控制变量法，模型试验流程如图1所示。包括以下步骤：

1)波流荷载标定

将水位调试到规定高度，开启造波系统6，调整波形、波高、波速和流型、流速等数据，将得出的波流荷载和现有的公式比较，将两者的差值保持在可控范围内，从而完成波流荷载标定。

2)管节模型9的安装

在完成波流荷载标定工作后，进行管节模型9的安装工作，首先把平台结构水池5内的水位降低到合适的范围，以便于专业人员的安装操作；采用大型吊装仪器(如行车1)移运管节模型9在移运过程中应采用专门的吊绳，并将吊绳挂在管节结构外部专用的连接口，以防造成管节模型9的损伤。由专业的操作人员将管节结构移运至规定的位置，还需工作人员进行最后的校核，检查；在完成管节模型9的安装后，再进行水位的调试。管节模型9由固定平台3和/或沉降系统2进行支撑，其支撑模式取决于具体的实验类型，固定平台3上设有限位杆4，所述管节模型9横截面包括两个并列布置的空腔11以及用于连接两个空腔11的工字区12，所述管节模型9包括至少两个相互连接的单管，所述单管包括接头段15及连接段14。水池5的一侧安装造波系统6，另一侧安装消波区10。

3)传感器安装

(1)波高仪8

使用5个电容式波高仪8测量多点波高，波高仪8采样率大于等于50Hz，精度为0.1mm。其中水池5中部，在距离沉管隧道管节模型91-2米前(波浪方向)设置波高仪8一个；沉管隧道管节模型9正上方，跨中部位设置波高仪8一个；沉管隧道管节模型9侧方，距离沉管隧道管节模型9以及侧边界中心位置设置波高仪8一个；水池5中部，在距离沉管隧道管节模型9后方(波浪方向)1米及2米位置处设置两个波高仪8，共5个波高仪8。本实施例中沉管隧道管节模型9侧方，距离沉管隧道管节模型9以及侧边界中心位置设置的波高仪8与距离沉管隧道管节模型9后方(波浪方向)1米的波高仪8相重叠。

(2)流速仪7

采用多普勒流速仪7进行水池5内流场测定，依据试验比尺和流速参数进行量程选择。设置流速仪7便于进行未包含结构时流场的测定和验证波流耦合的准确性，以及包含结构时流场扰动的测定分析。

(3)接头三维变形计

实验过程中通过接头三维变形监测简介获得接头止水带的空间变形形态与应力应变状态，测点均匀的布置在管节接头表面的关键位置，初步拟定16个测点，如图4所示。监测传感器采用表面3向位移计13进行监测。

(4)电阻应变片和光纤光栅

通过对剪力键受力特性的研究，确定剪力键的端角及剪力键与节段衔接处的拐角位置为剪力键的重点受力区域，同时也可以对剪力作用面上的剪应力分布规律进行监测，因此在管节接头各剪力键的内部和外表面分别布设电阻应变片和光纤光栅，形成互补式测量。剪力键的测试部位如图5所示。

(5)布置位移测点与应力测点

为了解接头段15差异变形影响范围及其变化规律，实验在沿管节模型9纵向，在结构表面布置位移测点与应力测点，监测断面布置如6所示。

4)根据试验内容(工况)开启系统

下面提供3个具体的实验案例

案例1基于波流场的地基沉降作用下沉管隧道沉降变形模型试验

针对沉管隧道结构在波流场环境中，沉管隧道基槽发送沉降变形进而导致沉管隧道管节发生变形的模型试验。在开挖沉放管节的基槽底表面总有许多不规则的空隙，这些空隙会导致地基受力不匀，而产生不均匀沉降，进而使得管节结构受到较大的局部应力而开裂，在模拟实验过程中可以通过造波系统6、回填材料模拟系统、管节模型9系统、不均匀沉降系统2 等控制波浪、海浪(洋流)、回淤等其他主要影响因素。

实验过程中，将沉管隧道试验模型放置于试验平台上，根据试验需求开启造波系统6，在波流条件下调节沉降系统2，改变平台沉降量，监测沉管隧道主体结构在不同沉降量作用下的变形规律。

地基纵向沉降作用下沉管隧道沉降变形模型试验分为三种情况：管节均匀沉降模型试验、接头张开沉降模型试验以及接头沉降模型试验。具体可参考图7-图10。

案例2基于地基沉降的波流耦合荷载下沉管隧道沉降变形模型试验

针对沉管隧道结构在波流场环境中，利用造波系统6模拟不同频率的波浪作用下，沉管隧道基槽发生沉降变形进而导致沉管隧道管节发生变形的试验。实验过程中可以通过造波系统6、回填材料模拟系统、管节模型9系统、不均匀沉降系统2等控制地基沉降、回淤等其他主要影响因素。

实验过程中，将沉管隧道试验模型放置于试验平台上，根据试验需求预设平台沉降量和回淤量，开启造波系统6，改变波浪参数和洋流参数，监测沉管隧道主体结构在不同波浪海浪参数条件持续作用下应力应变状态。具体可参考图11。

案例3基于波流场及地基沉降的回淤作用下沉管隧道沉降变形模型试验

针对沉管隧道主体结构在回淤作用后，沉管隧道主体结构应力应变特征的模型试验。在沉管隧道的基槽底表面总有许多不规则的空隙，这些空隙在含泥量较大的水域极易在管节与基槽之间形成淤泥夹层，从而引起沉管管节的不均匀沉降，进而使得管节结构受到较大的局部应力而开裂。实验过程中可以通过造波系统6、回填材料模拟系统、管节模型9系统、不均匀沉降系统2等控制波浪、海浪(洋流)、地基沉降等其他主要影响因素。

实验过程中，将沉管隧道试验模型放置于试验平台上，根据试验需求预设平台沉降量及波浪海浪参数，开启造波造流系统，采用回填材料系统作用于沉管隧道主体结构，监测沉管隧道主体结构在不同回淤量下的应力应变状态。具体可参考图12。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1准备实验器材，提供管节模型、覆盖于管节模型上方的回填材料、置于管节模型下方的沉降系统、置于管节模型两侧的横向加载系统、以及模拟管节模型所在流域流场的造波系统；

S2波流载荷标定，确定待模拟波流形态，调整造波系统水位、波形、波高、波速、流型、流速数据，使其与待模拟波流形态一致；

S3管节安装，降低水位后吊装管节模型，校核、检查管节模型安装到位后进行水位调试；

S4使用波高仪、流速仪进行流场测定；使用位移计和电阻应变片对管节模型进行变形测定。

2.根据权利要求1所述的用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，其特征在于，所述管节模型包括至少两节单管，相邻的单管通过接头相连；在接头处设置电阻应变片测量剪力。

3.根据权利要求1所述的用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，其特征在于，所述管节模型横截面包括两个并列布置的空腔以及用于连接两个空腔的工字区。

4.根据权利要求1所述的用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，其特征在于，所述波高仪设有5个，沿造波方向依次设置，第一个设置在管节模型前1-2米处，第二个设置在管节模型正上方；第三个设置在流场中央正上方；第四个和第五个设置在管节模型后方1米及2米处。

5.根据权利要求3所述的用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，其特征在于，沿所述管节模型的横截面设置16个位移计，其上侧与下侧的外侧均匀布置3个，两侧外侧对称布置1个；两个所述空腔内的四个平面各布置一个。

6.根据权利要求2所述的用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，其特征在于，所述单管包括接头段及连接段；在所述接头段上设有电阻应变片；在所述连接段靠近接头段的一侧上设有电阻应变片。

7.根据权利要求1所述的用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，其特征在于，沿管节模型纵向设有位移测点击应力测点。

8.根据权利要求1所述的用于多场耦合下沉管隧道结构变形模型的实验方法，其特征在于，提供用于安装造波系统及沉降系统的水池，所述造波系统设置在所述水池一侧，所述水池的另一侧设有消波区。

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