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原文传递用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型及其制作和应用

专利名称：	用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型及其制作和应用
摘要：	本发明涉及一种用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型及其制作和应用，盾构隧道模型包括多个基于真实盾构隧道按照同等比例缩小的衬砌环和螺栓。每个衬砌环由6块缩尺模型管片通过螺栓拼装而成。环缝与纵缝之间均设置有缩尺螺栓，还原真实隧道的力学特点。为了实现强度相似准则，缩尺模型隧道管片采用3D打印材料与石膏材料组合制作，能够在离心试验中复现真实隧道达到极限状态后接缝压碎的力学特性。本发明克服了离心模型试验中由于尺寸过小无法实现强度等效的问题，为后续采用离心模型试验研究不同工况下盾构隧道的破坏机理提供参考依据。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	上海;31
申请人：	同济大学
发明人：	柳献;孙齐昊;范森;洪剑宇;袁俊;张百川
专利状态：	有效
申请日期：	2023-07-25T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-10T00:00:00+0800
申请号：	CN202310916992.1
公开号：	CN117030451A
代理机构：	上海科盛知识产权代理有限公司
代理人：	褚明伟
分类号：	G01N3/08;G01N3/02;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/08;G01N3/02
申请人地址：	200092 上海市杨浦区四平路1239号
主权项：	1.一种用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型，其特征在于，包括多个衬砌环和环缝螺栓(10)，多个所述衬砌环纵向通过环缝螺栓(10)相连，所述衬砌环由多个管片本体(1)通过纵缝螺栓(9)环向拼装而成。 2.根据权利要求1所述的一种用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型，其特征在于，所述管片本体(1)上下两侧外圈设有管片预留环缝螺栓孔(6)，纵向相邻的衬砌环通过环缝螺栓(10)插入管片预留环缝螺栓孔(6)中相连接。 3.根据权利要求1所述的一种用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型，其特征在于，环向相邻的管片本体(1)之间设有石膏接头(2)，所述纵缝螺栓(9)同时与相邻的管片本体(1)和石膏接头(2)连接。 4.根据权利要求3所述的一种用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型，其特征在于，所述纵缝螺栓(9)包括环向长方体和纵向长方体，所述环向长方体两端分别与纵向长方体相连；所述环缝螺栓(10)包括两块完全对称的梯形柱，在窄边处连接，形成8字形构件。 5.根据权利要求3所述的一种用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型，其特征在于，所述管片本体(1)环向的左右两侧均设有多个咬合榫(4)，所述石膏接头(2)环向的左右两侧均设有多个咬合榫眼(7)，所述咬合榫(4)插入到咬合榫眼(7)中。 6.根据权利要求3所述的一种用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型，其特征在于，所述管片本体(1)外侧的左右两端均设有管片预留纵缝螺栓孔(5)，所述石膏接头(2)一侧设有石膏接头预留纵缝螺栓孔(8)，所述纵缝螺栓(9)通过管片预留纵缝螺栓孔(5)和石膏接头预留纵缝螺栓孔(8)连接管片本体(1)和石膏接头(2)。 7.一种如权利要求1-6中任一所述的用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型的制作方法，其特征在于，具体步骤如下： S1、采用3D打印技术制作多个管片本体(1)、环缝螺栓(10)和纵缝螺栓(9)； S2、采用3D打印技术制作可拆卸的石膏接头(2)模具； S3、采用石膏浇筑进入步骤S2中得到的石膏接头(2)模具制作多个石膏接头(2)； S4、将管片本体(1)、石膏接头(2)和纵缝螺栓(9)环向拼装形成衬砌环； S5、将多个所述衬砌环通过环缝螺栓(10)纵向拼接形成盾构隧道缩尺模型。 8.根据权利要求7所述的一种用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型的制作方法，其特征在于，步骤S1中，所述管片本体(1)、环缝螺栓(10)和纵缝螺栓(9)的3D打印材料为树脂；步骤S4中，将纵缝螺栓(9)放入管片预留纵缝螺栓孔(5)和石膏接头预留纵缝螺栓孔(8)后使用热熔胶将孔封闭；步骤S5中，将环缝螺栓(10)放入管片预留环缝螺栓孔(6)后使用热熔胶将孔封闭。 9.根据权利要求7所述的一种用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型的制作方法，其特征在于，所述管片本体(1)的厚度按照管片本体(1)抗弯刚度等效原则进行计算，相似关系为：式中，下标m表示盾构隧道缩尺模型参数，p表示原型隧道参数，h为管片厚度，n为盾构隧道缩尺模型与原型隧道的几何尺寸相似比，E为管片材料的弹性模量，μ为管片材料的泊松比，下同；所述纵缝螺栓(9)截面积计算公式为：其中，Ab1为纵缝螺栓的截面积，fb1为纵缝螺栓材料的抗拉强度；所述石膏接头(2)的材料强度如下：其中，Ac为隧道接头截面积，fc为隧道接头材料的抗压强度；所述环缝螺栓(10)截面尺寸设计公式为：其中，Ab2为环缝螺栓的截面积，fb2为环缝螺栓材料的抗拉强度。 10.一种如权利要求1-6中任一所述的用于离心模型试验的盾构隧道缩尺模型的应用，将盾构隧道缩尺模型直接应用于地层-隧道模型试验。
所属类别：	发明专利