本發(fā)明涉及管片試驗(yàn)設(shè)備，具體涉及一種盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)溫壓加載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、地鐵作為一種高效、便捷、環(huán)保的公共交通方式，在緩解城市交通壓力方面發(fā)揮著重要作用。然而，在一些地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，傳統(tǒng)的地鐵隧道修建方法面臨諸多挑戰(zhàn)，人工凍結(jié)法正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。在一些軟土、流沙等不良地質(zhì)條件下，以及在地下水位較高的區(qū)域，常規(guī)施工方法難以保證隧道的穩(wěn)定性和安全性。人工凍結(jié)法通過將土體中的水分凍結(jié)成冰，使土體變成堅(jiān)硬的凍結(jié)體，從而為地鐵隧道或聯(lián)絡(luò)通道等地下工程的開挖提供穩(wěn)定的支撐環(huán)境。在一些需要高精度施工的場合，如地鐵車站與隧道的連接部位，人工凍結(jié)法可以發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢，確保施工質(zhì)量。

2、在地鐵隧道或聯(lián)絡(luò)通道等地下工程的凍結(jié)法施工過程中，土體中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹產(chǎn)生凍脹力，作用在盾構(gòu)管片上，極易導(dǎo)致管片出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形，影響隧道的形狀和尺寸精度。不均勻的凍脹力還可能使管片產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，增加管片開裂的風(fēng)險(xiǎn)。凍結(jié)施工過程中，溫度的急劇變化會使盾構(gòu)管片內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)管片表面溫度迅速降低時，管片內(nèi)部與表面之間會形成溫度梯度，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種熱應(yīng)力可能會導(dǎo)致管片出現(xiàn)裂縫，降低管片的強(qiáng)度和耐久性。溫度變化還會影響管片材料的力學(xué)性能。例如，混凝土在低溫下的強(qiáng)度和彈性模量會發(fā)生變化，鋼筋的屈服強(qiáng)度和延伸率也會受到影響。這些材料性能的改變會進(jìn)一步影響盾構(gòu)管片的整體力學(xué)性能。

3、在凍結(jié)法施工初期，管片周圍環(huán)境溫度迅速降低，處于低溫環(huán)境中混凝土的強(qiáng)度會在一定程度上有所提高，然而隨著凍結(jié)時間的延長，管片在凍脹力的作用下可能會出現(xiàn)裂縫和損傷導(dǎo)致強(qiáng)度降低。特別是在管片與凍結(jié)土體的交界處，凍脹力集中，極易引起管片的開裂和破壞。目前針對凍結(jié)法施工對盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響尚未開展相關(guān)試驗(yàn)研究。凍結(jié)法施工完成后，隨著土體的解凍，管片周圍的環(huán)境溫度逐漸升高。此時，混凝土的強(qiáng)度會逐漸恢復(fù)到正常水平。但是，如果在凍結(jié)過程中管片已經(jīng)受到了嚴(yán)重的損傷，那么在解凍后，管片的強(qiáng)度可能無法完全恢復(fù)，甚至?xí)^續(xù)下降。土體凍結(jié)-融解作用下管片結(jié)構(gòu)力學(xué)性能變化情況尚無相關(guān)試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。此外，在長期使用過程中，由于地下水的侵蝕、凍融循環(huán)等因素的影響，管片的強(qiáng)度也會逐漸降低，管片接頭處極易產(chǎn)生錯臺、位移增加滲漏水風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在凍結(jié)后進(jìn)行強(qiáng)制解凍控制凍土的融化沉降或者反復(fù)凍結(jié)施工導(dǎo)致凍融循環(huán)作用下盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)性能的影響也并沒有試驗(yàn)進(jìn)行說明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供了一種盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)溫壓加載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中對凍結(jié)法施工下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)凍脹作用下、凍土融化作用下及凍融循環(huán)作用下鋼筋混凝土管片或管片接頭力學(xué)性能影響機(jī)理研究尚不充分的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

3、第一方面，提供一種盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)溫壓加載試驗(yàn)裝置，其包括與管片固定連接的固定支座、對管片加載水壓和施加不同溫度的溫壓加載系統(tǒng)、監(jiān)測管片位移量的位移監(jiān)測組件、對管片施加荷載的橫向加載系統(tǒng)與豎向加載系統(tǒng)、用于管片接縫處防水的密封墊；固定支座與橫向加載系統(tǒng)連接；

4、溫壓加載系統(tǒng)包括冷熱源和若干個底面開口的試驗(yàn)盒，至少一個試驗(yàn)盒的底面通過密封條與管片的表面貼合；試驗(yàn)盒的進(jìn)水口通過管道、進(jìn)水閥與水泵連接，試驗(yàn)盒的出水口通過管道與出水閥連接；試驗(yàn)盒內(nèi)部的冷熱管路與冷熱源連接，冷熱源包括冷源和熱源；

5、橫向加載系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)、進(jìn)水閥、出水閥和水泵均與控制臺電連接。

6、本發(fā)明的有益效果為：基于此裝置，除了實(shí)現(xiàn)基本的抗彎、抗剪等管片力學(xué)性能試驗(yàn)以外，還可模擬在實(shí)際凍結(jié)施工過程中鋼筋混凝土管片接頭在不同凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生錯臺及張開量的情況，以及抵抗外水壓作用的接頭抗?jié)B性能試驗(yàn)，為凍結(jié)法盾構(gòu)隧道的施工及接頭防水設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

7、進(jìn)一步地，試驗(yàn)盒包括安裝槽和底部形狀與管片的弧形面配合的側(cè)板，側(cè)板與試驗(yàn)盒側(cè)面的安裝槽可拆卸連接；試驗(yàn)盒的側(cè)面鉸接有固定帶，固定帶套設(shè)于管片的外表面；

8、試驗(yàn)盒上設(shè)置有用于監(jiān)測試驗(yàn)盒內(nèi)介質(zhì)溫度的溫度傳感器，以及用于顯示溫度的顯示屏。

9、側(cè)板可以拆卸并更換，以匹配當(dāng)前管片弧度的板件，保證試驗(yàn)盒與管片表面的貼合度，增加密封可靠性。

10、進(jìn)一步地，試驗(yàn)盒的內(nèi)部平行設(shè)置有多個滑槽，滑槽中可拆卸連接有將試驗(yàn)盒內(nèi)部分隔為多個腔體的隔板；

11、冷熱管路呈u型，冷熱管路的兩端均與冷熱源連接，每個腔體中均設(shè)置有一根冷熱管路。隔板便于拆卸替換以適配不同彎曲弧度的管片，也可以拆卸不使用。將試驗(yàn)盒分隔為多個腔體且設(shè)置多根冷熱管路以便于研究不同溫度、不同方向管片結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及管片接頭抗?jié)B性能研究。

12、進(jìn)一步地，本發(fā)明還包括自平衡框架，自平衡框架包括底座、配重梁和多根橫向與豎向布置的導(dǎo)向柱，導(dǎo)向柱的外表面開設(shè)有螺紋，導(dǎo)向柱上套設(shè)有與導(dǎo)向柱栓接的限位件；

13、豎向?qū)蛑c配重梁固定連接；底座架設(shè)于配重梁的上表面，并與配重梁滑動連接；固定支座固定于底座的上表面，底座上垂直固定有傳力梁。

14、進(jìn)一步地，豎向加載系統(tǒng)包括驅(qū)動箱一，驅(qū)動箱一通過液壓桿與加載梁連接；驅(qū)動箱一的側(cè)面固定連接有多個滑塊一，每個滑塊一均套設(shè)于豎向?qū)蛑耐獠?，每個滑塊一的兩端均被限位件限位；

15、橫向加載系統(tǒng)包括驅(qū)動箱二，驅(qū)動箱二架設(shè)于配重梁的上表面；驅(qū)動箱二通過液壓桿與傳力梁連接；驅(qū)動箱二的側(cè)面固定連接有多個滑塊二，每個滑塊二均套設(shè)于橫向?qū)蛑耐獠?，每個滑塊二的兩端均被限位件限位；驅(qū)動箱一和驅(qū)動箱二均與控制臺電連接。

16、上述技術(shù)方案的有益效果為：可以使固定支座沿配重梁做水平直線運(yùn)動，從而微調(diào)管片固定位置。通過驅(qū)動箱一驅(qū)動液壓桿從而驅(qū)動加載梁，以對管片表面加載豎向荷載；同理，驅(qū)動箱二可通過驅(qū)動液壓桿驅(qū)動傳力梁，以對管片加載橫向荷載。

17、進(jìn)一步地，本發(fā)明還包括使用時對稱固定于管片上表面的兩個均壓組件；加載梁的底面為弧形面；均壓組件包括呈長方體形的受壓梁，受壓梁的上表面沿長度方向開設(shè)有防滑槽，防滑槽的中心固定連接有加載時與加載梁接觸的半球部件。

18、上述技術(shù)方案的有益效果為：均壓組件便于確定管片表面的具體加載位置，從而通過加載梁與均壓組件的匹配來定位管片，半球部件還可以使加載力在管片上的分布更均勻。

19、進(jìn)一步地，固定支座包括通過轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動連接的固定部和調(diào)節(jié)部，調(diào)節(jié)部的頂端固定連接有兩個對稱布置的支座墊板；兩個支座墊板之間留有間隙；

20、支座墊板靠近間隙的一側(cè)均勻開設(shè)有若干連接槽，部分連接槽中可拆卸連接有連接塊，連接塊的厚度小于連接槽的深度；連接塊上均開設(shè)有螺紋孔；兩個支座墊板的連接塊重疊放置，管片的螺栓同時穿過重疊的兩個連接塊并同時與兩個螺紋孔栓接；

21、連接塊呈直板形或者呈“l(fā)”字板形。

22、上述技術(shù)方案的有益效果為：轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)部可以調(diào)節(jié)支座墊板的支撐角度，以適配不同弧度的管片，以便于使管片保持水平，并使其與管片的接觸面盡可能平行。調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)角度后可通過緊固件固定住調(diào)節(jié)部與固定部。設(shè)置連接塊和連接槽以便于適配具有不同螺栓間距的管片。

23、進(jìn)一步地，支座墊板包括平板狀的蓋體和一端開口的長方盒體；蓋體上固定連接有呈均勻陣列排布的若干個彈簧，彈簧的自由端固定連接有螺母；

24、長方盒體的底板開設(shè)有呈均勻陣列排布的通孔；蓋體與長方盒體的開口端活動連接，螺栓穿過底板的通孔與螺母栓接；蓋體與管片接觸的表面上固定連接有采用柔性材質(zhì)制成的緩沖墊。

25、上述技術(shù)方案的有益效果為：支座墊板可保證管片的截面與固定支座的貼合度，增大與固定支座的接觸面積，減緩固定支座處的應(yīng)力集中。

26、第二方面，提供一種盾構(gòu)管片試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

27、s1、將管片與固定支座固定連接，利用橫向加載系統(tǒng)對管片加壓并穩(wěn)壓控制；

28、s2、將均壓組件固定于管片表面的預(yù)設(shè)加載位置，利用豎向加載系統(tǒng)加壓，達(dá)到預(yù)定荷載后進(jìn)行穩(wěn)壓控制；

29、s3、在管片穩(wěn)定狀態(tài)下，將試驗(yàn)盒通過防水密封條固定于管片上，并開啟位移監(jiān)測組件，實(shí)時記錄管片各個階段的接縫錯臺及張開量；

30、s4、打開進(jìn)水閥施加水壓，打開出水閥排出空氣，待出水閥中出水后關(guān)閉出水閥；

31、s5、以0.1mpa量級增加水壓，每增加0.1mpa水壓，關(guān)閉進(jìn)水閥，并穩(wěn)壓至少10分鐘，連續(xù)操作直至管片接頭處發(fā)生滲漏，關(guān)閉進(jìn)水閥，記錄下此時的水壓數(shù)值，作為常溫受載狀態(tài)下所能承受的水壓；

32、s6、撤去水壓，向試驗(yàn)盒通入常壓水，根據(jù)試驗(yàn)方案，連通冷熱管路與冷源，控制試驗(yàn)盒中的水降溫凍結(jié)，并根據(jù)預(yù)設(shè)時間保持凍結(jié)狀態(tài)，降溫過程中每五分鐘記錄一次溫度變化；

33、s7、凍結(jié)后，記錄此時管片接頭錯臺及張開量；重復(fù)s5中施加水壓的步驟，記錄發(fā)生滲漏時的水壓表讀數(shù)，并與s5中記錄的水壓數(shù)值進(jìn)行對比；

34、s8、發(fā)生滲漏時，關(guān)閉進(jìn)水閥，調(diào)整水壓恢復(fù)至常壓；連通冷熱管路與熱源，控制試驗(yàn)盒中的水升溫，記錄試驗(yàn)盒的溫度變化。

35、進(jìn)一步地，步驟s1進(jìn)一步包括以下步驟：

36、s1-1、將密封墊粘貼于管片的密封槽內(nèi)；

37、s1-2、采用吊機(jī)將管片放置于帶有支座墊板的固定支座上，當(dāng)管片水平后將管片栓接于固定支座上；

38、s1-3、通過橫向加載系統(tǒng)對管片施加推力，在兩管片接觸時將兩管片固定連接；

39、s1-4、繼續(xù)采用橫向加載系統(tǒng)施加推力，以模擬實(shí)際工程中的管片軸力，其中管片軸力根據(jù)軸壓比λ＝n/(fc*b*h)來進(jìn)行控制，

40、式中：fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，b為管片的寬度，h為管片的厚度，n為所施加的軸力；

41、s1-5、達(dá)到設(shè)定壓力后，通過控制臺控制橫向加載系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)壓。