[发明专利]一种隧道衬砌结构应力场透明显示及定量表征的系统

说明书

本申请公开了一种隧道衬砌结构应力场透明显示及定量表征的系统，包括：平面应力试验模型、平面应变试验模型、两块复合挡板、双轴同步平面加载试验机、控制器和处理器；其中：平面应力试验模型和平面应变试验模型构成试验模型，两块复合挡板用于固定试验模型，试验模型夹持于双轴同步平面加载试验机中，控制器控制双轴同步平面加载试验机工作，输出应力‑应变曲线，同时结合白光的四步相移法和单色光的六步相移法获取各个压力梯度下的条纹图片，处理器基于条纹图片得到全场主应力差分布，并使用应力分离手段获取试验模型在不同载荷条件下的全场应力分布。本申请能够准确、快速、便宜、直观的定量表征衬砌结构应力场分布规律。

技术领域

本申请涉及静态应力场测量技术领域，尤其涉及一种隧道衬砌结构应力场透明显示及定量表征的系统。

背景技术

随着我国经济水平的持续发展，地铁或轻轨成为了人们日常生活出行所必需的交通工具之一。在地铁修建过程中，确定隧道掘进方案是一项非常重要的课题。由于施工速度较快、对地面建筑的作用基本可以忽略不计，目前盾构机掘进方法在地铁隧道开挖技术中占据绝对主导的地位，在地铁盾构掘进隧道中通常需要采用衬砌结构来支护周围的围岩以防止其发生坍塌。在进行隧道围岩衬砌结构设计时，只有掌握衬砌结构的变形和破坏规律，才能确定合理的结构设计方案。而在研究衬砌结构的变形和破坏规律时，一个关键的科学和工程问题就是需要准确表征荷载作用下衬砌结构的应力场分布特征及演化规律。由于衬砌结构的复杂性和特殊性，迄今为止，人们尚未能找到一种准确表征其应力场分布特征及演化规律的研究方法。

目前，获取衬砌结构的应力场的主要研究方法包括数值模拟方法、实验室测定方法和现场监控量测方法等，这些方法均存在一系列不足之处。在数值模拟方法中，数值计算模型简化造成的几何特征与真实结构之间的偏差、网格覆盖模式、单元的接触与分离、求解算法、材料参数选取、本构关系确定、计算规模与效率等一系列问题未得到圆满解决，特别是计算结果很难得到实验或现场施工参数的验证引发了一些争议或质疑。对于实验室测定方法，模型的加工方式、材料参数、实验条件、量测仪器的精度、荷载施加方式和实验设备布置、实验模型固有的尺寸效应等都会对实验测试效果造成较大影响。现场监控量测方法具有投资大、周期长、测量精度受环境影响较大等缺点。

因此，针对上述各种表征衬砌结构应力场分布方法存在的不足，发展一种准确、快速、便宜、直观的定量表征衬砌结构应力场分布规律的新方法显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种隧道衬砌结构应力场透明显示及定量表征的系统，能够准确、快速、便宜、直观的定量表征衬砌结构应力场分布规律。

本申请提供了一种隧道衬砌结构应力场透明显示及定量表征的系统，包括：平面应力试验模型、平面应变试验模型、两块复合挡板、双轴同步平面加载试验机、控制器和处理器；其中：

所述平面应力试验模型和平面应变试验模型构成试验模型；

所述两块复合挡板用于固定试验模型；

所述试验模型夹持于双轴同步平面加载试验机中；

所述控制器控制所述双轴同步平面加载试验机工作，输出应力-应变曲线，同时结合白光的四步相移法和单色光的六步相移法获取各个压力梯度下的条纹图片；

所述处理器基于所述条纹图片得到全场主应力差分布，并使用应力分离手段获取试验模型在不同载荷条件下的全场应力分布。

优选地，所述平面应力试验模型包括：衬砌结构和围岩；其中：

衬砌结构包括：一个封顶块管片、两个邻接块管片和三个标准块管片，所述封顶块管片、邻接块管片和标准块管片之间采用带卡扣的白色尼龙扎带连接；

所述衬砌结构与围岩采用塑性较好的高强度胶粘接。

优选地，所述平面应变试验模型包括：衬砌结构和围岩；其中：