地铁道床与管片剥离病害模型试验设计研究

摘要

近几年，成都地铁盾构区间隧道普遍出现了道床与管片剥离病害且较为严重，直接威胁到列车的运行安全。本文依托“盾构隧道道床剥离病害机理及治理研究”课题，以成都地铁9号线为工程背景，重点对地铁道床与管片剥离病害的模型试验设计展开研究。本研究是课题拟定的三种研究手段之一，这三种研究手段为：理论(数值)计算分析、实验室物理模型试验和现场实时监控量测。通过模型试验研究列车动荷载作用下道床与管片粘结面的受力状况、剥离过程和病害机理，获得不发生剥离病害的最小粘结力，进而提出病害治理的技术方案和指标，同时与数值计算和现场实测结果相互验证。　　目前国内外还没有学者利用模型试验研究地铁道床和管片剥离病害，本文在参考以往隧道动力试验的基础上，主要开展以下研究工作：　　(1)综合考虑试验条件，确定本次模型试验以几何相似比1∶10、加速度相似比1∶1和密度相似比1∶1为基础，同时推导了其它试验相关物理量的相似关系。　　(2)选取河砂、石英砂、粉煤灰和机油为地层模拟材料，采用四因素三水平的正交试验设计方法对地层相似材料的配合比进行试验，通过直剪试验和松散测试得到了不同配合比试样的粘聚力、摩擦角、密度等参数。通过试验分析河砂、石英砂、粉煤灰和机油等试验因素对相似材料物理力学参数的影响顺序，并采用多元回归分析建立各参数与试验因素的经验公式。基于试验确定了地层相似材料的配合比。　　(3)选取石膏掺合料为混凝土的模拟材料，通过抗压强度试验和抗拉强度试验得到不同配合比下相似材料的弹性模量、抗压强度和抗拉强度。以石膏粉、硅藻土为试验因素，以抗拉强度和弹性模量为试验指标进行正交分析，研究石膏和硅藻土对相似材料物理力学性能的影响。基于试验确定了盾构管片和道床相似材料的配合比。　　(4)参考前人研究，得到时速80km/h的地铁列车荷载的初始激振力函数，根据列车结构尺寸和速度确定列车通过时前后荷载波的时间间隔、荷载波的持续时间和峰值持续时间。基于以上条件提出了时速80km/h的列车通过时的荷载时程曲线，呈M波形状。结合数值模拟，将M波简化为正弦波，得到固定位置加载时能模拟列车荷载大小和位置都在变化且便于试验加载的荷载函数。同时数值模拟结果表明：列车振动荷载下道床与管片粘结面的最大拉应力主要与荷载幅值有关，而荷载频率对其影响极小。　　(5)设计了一种新型道床-管片粘结面拉力测量装置。完成了拉力传感器和数据采集设备的选型，确定数据采集频率为110Hz，提出了粘结面拉力的测点布置方案。　　(6)分别采用土压力盒和应变片测量管片下方的土压力变化和管片的应力应变，选用DM-YB1840动静态应变采集仪采集数据并确定试验数据的采集频率为110Hz；确定了土压力盒与管片表面应变片的测点布置方案并最终完成了整个试验测量系统的设计。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地铁道床剥离病害研究现状

1.2.2 隧道模型试验相似材料研究现状

1.2.3 地铁列车荷载研究现状

1.2.4 新旧混凝土粘结面强度及测试方法研究现状

1.3 依托工程背景

1.4 主要研究内容及技术路线

1、研究内容

2、技术路线

第2 章 模型尺寸确定与相似关系推导

2.1 模型尺寸的确定

2.2 相似关系推导

2.3 模型箱边界条件处理

2.4 本章小结

第3 章 模型相似材料的比选与配比试验

3.1 引言

3.2 地层相似材料的选取与配比试验

3.2.1 试验步骤

3.2.2 试验数据处理

3.2.3 试验正交分析

3.2.4 试验数据拟合分析

3.2.5 地层相似材料配合比确定

3.3 管片相似材料的选取与配比试验

3.3.1试验步骤

3.3.2 试验数据处理与分析

3.3.3 管片相似材料配合比确定

3.3.4管片模型配筋方案

3.4 道床相似材料配合比确定

3.5 本章小结

第4 章 地铁荷载研究及试验加载方案

4.1 引言

4.2 地铁列车荷载研究

4.3 试验加载函数的简化

4.3.1 数值模拟模型建立

4.3.2 数值模拟结果分析

4.4 试验加载系统设计

4.5 本章小结

第5 章试验测量方案

5.1 引言

5.2 道床与管片粘结面拉力测量方案

5.2.1 道床-管片粘结面拉力测量装置设计说明

5.2.2 传感器及信号变送器选型

5.2.3 数据采集具体实施过程

5.2.4 道床与管片粘结面拉力的测点布置

5.3 土压力测量方案

5.4 管片表面应变测量方案

5.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果