一种穿越非均匀土体圆形隧道模态试验方法

技术领域

本发明属于地下结构-土体相互作用试验技术领域，具体是一种穿越非均匀土体圆形隧道 模态试验方法。

背景技术

埋地管状结构是生产生活中最常用的工程结构之一，例如油气管道、地下隧道和埋地电 缆等。在埋地管状结构设计、建造和运营阶段，需要重点考虑其与土体相互作用。特别地， 埋地管状结构常常是延长型、大跨度结构，其长度方向上土体并不均匀，地下结构-土体相互 作用不再保持一致性。目前，地下结构-土相互作用试验主要在现场土场地和人工土场地中开 展，如中国专利申请2021103045131、202123083348.6和2020113208802等。现场土场地试 验能得到地下结构-土体相互作用的真实数据，工程上常认为是一种能够提供较为可靠结果的 试验方法。但是，原址土场地试验往往需要在建造阶段就布置好相关传感器，后期测量作业 容易破坏埋地管状结构的现场状态，现场测量难度较大，试验人力和物力等成本较高。人工 土场地试验有效克服了原址土场地试验的困难和缺点，而且能够在实验室环境下实现多种载 荷工况的模拟，在工程测试和科学研究广泛应用。人工土场地试验需要采用离心机等设备、 经历固结试验等步骤制备试验土体，试验工作量较大，试验流程复杂且周期较长。中国专利 申请202011382075.8中公开了一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置及确定方法，在管道两 侧布置承压件并通过柔性带卷绕的形式连接管道的外周壁，用于穿越不同断层位移的管道受 力情况和管土相互作用研究。该专利能够避免试验土体制备等复杂流程，但其试验模型和理 论模型的加载方式存在差异，而且仅能模拟断层位移下单方向的管土相互作用。因此，针对 现有技术中存在的问题，亟需提供一种理论严谨、结构简单、操作简便的埋地管状结构非均 匀土反力等效模拟装置及模拟方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在提供一种构非均匀土反力等效模拟装置的基础上，提供 一种穿越非均匀土体圆形隧道模态试验方法。利用装置模拟圆形隧道周围土体对其截面的作 用力，开展考虑非均匀土反力作用的圆形隧道结构模型试验研究。技术方案如下：

一种穿越非均匀土体圆形隧道模态试验方法，所采用的非均匀土反力等效模拟装置，包 括，由多个截面模块1组成的截面模块组5、试验件2、固定架和底座轨道4，其中：

零刚度复合弹簧6包括金属螺旋弹簧10、橡胶11、弹簧顶端盖12、弹簧固定螺丝杆13、 弹簧底端盖14、底部螺丝杆15、接触板16和位移-轴力传感器18；金属螺旋弹簧10嵌于橡 胶11中；橡胶11顶部与弹簧顶端盖12连接，底部与弹簧底端盖14连接，沿零刚度复合弹簧6轴向设置有位移-轴力传感器18；零刚度复合弹簧6的弹簧顶端盖12通过弹簧固定螺丝杆13连接到截面框架7内侧；接触板16通过底部螺丝杆15连接到弹簧底端盖14；

所述的截面模块1，包括零刚度复合弹簧6和截面框架7；截面框架7固定连接于底座轨 道4上；零刚度复合弹簧6分布在截面框架7的内侧并与截面框架7固定连接；

由多个截面模块1组成的截面模块组5，用来模拟土体性质相同的区域；当结构长度方 向上分布非均匀的土体时，通过设置不同的截面模块组5模拟非均匀土反力；

所述的试验件2包括至少一个结构模型19，各结构模型19轴向连接后形成试验件2，通 过固定架固定在底座轨道4上；

所述的穿越非均匀土体圆形隧道模态试验方法，包括下列步骤：

步骤一、设计资料整理：确定圆形隧道的几何参数、材料参数和土体参数，确定试验缩 尺比和结构模型的几何尺寸和离散长度；

步骤二、试验件加工：依据步骤一确定的几何参数加工结构模型；

步骤三、应变片定位安装：依据步骤一确定的离散长度，在结构模型上标记结构离散的 边界线，两条边界线之间的中间截面为零刚度复合弹簧的接触位置；为获取圆形隧道的前6 阶弯曲模态，在长度方向上安装至少6个应变片，并注意避开零刚度复合弹簧与结构模型的 接触位置；

步骤四、土弹簧参数计算：选用地基模型，考虑隧道与土体间的相互作用，得到结构几 何参数和土体参数对应的土弹簧参数，包括单位长度的最大土反力和相对位移屈服值；根据 试验缩尺比和离散长度计算零刚度复合弹簧的最大线弹性压力载荷为P

步骤五、零刚度复合弹簧6调试：依据步骤四的计算结果调试各个方向的零刚度复合弹 簧6；

步骤六、截面模块组装：零刚度复合弹簧通过弹簧固定螺纹杆安装于截面框架的弹簧固 定螺纹孔上；接触板通过接触板连接螺丝杆安装于底部螺丝杆上；

步骤七、截面模块组安装：根据圆形隧道长度方向上土体分布的情况，确定结构模型和 截面模块组的个数，依据模型单位长度逐个将截面模块固定在底座轨道上，；

步骤八、试验件安装；

步骤九、传感器调试：将位移-轴力传感器和应变片连接到数据采集仪，进行通信调试， 并完成调零和校准；

步骤十、加载与测试：采用激振器对结构模型进行激励，变换激励位置和激励频率，对 结构模型进行重复激励；

步骤十一、数据采集分析：记录零刚度复合弹簧的位移-轴力数据、应变数据和激振器中 激振力数据；对记录的试验数据进行分析，结构模型的频率和模态。

进一步的，根据试验件的尺寸，通过调节弹簧固定螺丝杆13和底部螺丝杆15的进给量， 改变截面模块1零刚度复合弹簧6围成的区域大小。

进一步的，截面框架7为圆角正方形截面，在一个截面框架7内侧均匀分布四个零刚度 复合弹簧6。

进一步的，所述的底座轨道4包括回字形底座23和底座固定槽24；底座固定槽24位于 回字形底座23的两侧，能够穿过双头螺丝杆，用于连接固定架和截面模块1。

本发明由于采取以上技术方案，具有下列优点：

1、采用零刚度复合弹簧等效模拟土反力，无需现场土场地和人工土场地，调整零刚 度复合弹簧的参数即可模拟不同强度的土体，能够在装置整体尺寸较小的情况下选用较大缩 尺比试验，不仅有效节约试验人力和物力，而且提高试验精度。

2、采用的截面模块遵循“埋地管状结构-弹簧”有限元模型的力学原理，其中的四个零 刚度复合弹簧对应于有限元模型中结构单元截面上、下、左、右的非线性土弹簧，各个零刚 度复合弹簧的载荷-位移曲线同权威设计规范的非线性土弹簧载荷-位移曲线满足相似理论。

3、采用截面模块组可组装任意长度的试验模型，调整各个截面模块组的零刚度复合 弹簧参数即能够模拟地下结构长度方向上不均匀的土体分布，而这在传统的人工土场地试验 中是难以实现。

4、采用的截面模块允许结构模型发生截面内任意方向的相对位移，上、下、左、右四个方向上相对位移的最大值为二分之一接触板长度和对应方向的零刚度复合弹簧最大压缩 变形二者的较小值。

5、采用模块化设计，可修改、替换零刚度复合弹簧、截面模块、截面模块组和端部固定架，机械结构简单，制造经济方便，操作简单，适用于地下结构-土体相互作用的实验研究和教学。

附图说明

图1本发明试验装置整体图

图2截面模块示意图

图3零刚度复合弹簧示意图

图4试验件示意图

图5端部固定架示意图

图6底座轨道示意图

图7零刚度复合弹簧载荷-位移曲线示意图

图8零刚度复合弹簧载荷-位移曲线示意图

图9局部悬跨埋地管道示意图

图10局部悬跨埋地管道模态试验示意图

图11穿越非均匀土体圆形隧道示意图

图12穿越非均匀土体圆形隧道模态试验示意图

图中标号说明：1-截面模块；2-试验件；3-端部固定架；4-底座轨道；5-截面模块组；6- 零刚度复合弹簧；7-截面框架；8-底座固定孔；9-弹簧固定螺纹孔；10-金属螺旋弹簧；11-橡 胶；12-弹簧顶端盖；13-弹簧固定螺丝杆；14-弹簧底端盖；15-底部螺丝杆；16-接触板；17- 接触板连接螺丝杆；18-位移-轴力传感器；19-结构模型；20-试件法兰盘；21-法兰固定孔； 22-端部法兰架；23-回字形底座；24-底座固定槽

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明 一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含， 例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那 些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其 它步骤或单元。

本发明的埋地管状结构非均匀土反力等效模拟装置，所采用的试验件，可以是各种埋地 管状结构，本发明实施例主要涉及两种结构，一种是钢制的埋地管道，另一种是圆形隧道。

埋地管状结构非均匀土反力等效模拟装置，包括：截面模块1、试验件2、端部固定架3、 底座轨道4和截面模块组5。其中：

所述的截面模块1包括零刚度复合弹簧6、截面框架7、底部固定孔8和弹簧固定螺纹孔 9。根据埋地管状结构的对称性，优选截面框架7为圆角正方形截面。弹簧固定螺纹孔9位于 截面框架7四条边的中心位置，用于安装零刚度复合弹簧6。底部固定孔8位于截面框架7 底边两侧对称位置，能够穿过双头螺丝杆，用于截面框架7与底座轨道4的固定连接。

零刚度复合弹簧6包括金属螺旋弹簧10、橡胶11、弹簧顶端盖12、弹簧固定螺丝杆13、 弹簧底端盖14、底部螺丝杆15、接触板16、接触板连接螺丝杆17和位移-轴力传感器18。优选地，零刚度复合弹簧6采用文献(零刚度复合弹簧[J].中国高校技术市场,1996(12):5-6.) 推荐的一种直筒型复合弹簧，除了具有普通复合弹簧的特点外，更显著的特点在于有零刚度 特性时对应的偏移量很大。设零刚度复合弹簧6的最大线弹性压力载荷为P

金属螺旋弹簧10嵌于橡胶11中。橡胶11截面呈圆环形状，顶部与弹簧顶端盖12连接， 底部与弹簧底端盖14连接，内部安装有位移-轴力传感器18。优选地。根据试验管件的需要， 通过调节弹簧固定螺丝杆13和底部螺丝杆15的进给量，改变截面模块1内四个零刚度复合 弹簧6围成的区域大小。弹簧固定螺丝杆13与弹簧固定螺纹孔9配合，用于连接零刚度复合 弹簧6和截面框架7。

接触板16底侧平面与试验管件2接触，顶侧平面中心焊接有接触板连接螺丝杆17。接 触板连接螺丝杆17通过底部螺丝杆15端面上的螺纹孔连接到底部螺丝杆15。优选地，接触 板16为平板，允许试验件2在其接触平面内运动，能够保证接触板16与试验件2仅发生压力作用，并且二者接触时为相切。接触板16的长度应小于试验件2，能够避免安装后和任意方向的结构-土体相对位移下截面模块1内四个接触板16不会相互干涉。在截面内上、下、左、右四个方向上，允许的地下结构-土体相对位移的最大值为二分之一的接触板16长度和对应零刚度复合弹簧6的最大压缩变形Δ

截面模块1的工作原理遵循“埋地管状结构-弹簧”有限元模型的力学原理。有限元模型 常采用非线性土弹簧模型描述周围土体对管道的作用力。截面模块1的四个零刚度复合弹簧 6对应于有限元结构单元节点上或者结构单元中点上的非线性土弹簧，方向分别为水平向右、 水平向左、垂直向上和垂直向下，用于等效模拟单位管长上的土反力。根据文献(Rofooei F R, Jalali H H,Attari N,et al.Parametric study of buried steel andhigh density polyethylene gas pipelines due to oblique-reverse faulting[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2015, 42(3):178-189.)发表的试验测量结果，结构与土体发生相对位移时，土体对结构受拉侧的作 用力可以忽略，土反力仅出现在结构的受压侧。因此，零刚度复合弹簧6仅在轴向压力载荷 下发挥作用。

所述的试验件2包括结构模型19、试件法兰盘20和法兰固定孔21。结构模型19为埋地 管状结构的全尺寸或缩尺比模型。当结构模型19的端部边界条件为完全固定时，结构模型 19的端部焊接试件法兰盘20，双头螺丝杆穿过法兰固定孔21同端部固定架3连接。优选地， 法兰固定孔21在试件法兰盘上圆周阵列至少8个，保证连接的可靠性。当结构模型19的端 部边界条件为简支时，应在其端部焊接同材质、等厚度和等外径的圆形平板，平板的中心焊 接连接杆，然后用泡沫隔振夹持。优选地，简支边界条件的实现方式可参考中国专利申请 2021103757600和2021103757757。当结构模型19的端部边界条件为完全自由时，结构模型 19的端部无需额外的连接处理。

所述的端部固定架3包括底座固定孔8、法兰固定孔21和端部法兰架22。端部法兰架 22为带底部支架的端部法兰盘。优选地，法兰固定孔21在端部法兰盘上圆周阵列至少8个， 保证连接的可靠性。底座固定孔8位于底部支架的两侧对称位置，能够穿过双头螺丝杆，用 于端部固定架3与底座轨道4的固定连接。

所述的底座轨道4包括回字形底座23和底座固定槽24。底座固定槽24位于回字形底座 23的两侧，能够穿过双头螺丝杆，用于端部固定架3和截面模块1同底座轨道4的固定连接。 优选地，底座固定槽24既能够减轻装置重量，也允许端部固定架3和截面模块1安装于底座 固定槽24任意位置。

所述的截面模块组5包括多个相同的截面模块1，用来模拟土体性质相同的区域。当结 构长度方向上分布非均匀的土体时，通过设置不同的截面模块组5模拟非均匀土反力。

圆形隧道是城市地下交通系统的主要结构形式。穿越非均匀土体圆形隧道模态试验用于 研究沿途非均匀土体对圆形隧道振动特性的影响。试验件采用圆形管道结构模型时候，穿越 非均匀土体圆形隧道模态试验方法如下：

步骤一、设计资料整理。根据项目设计资料确定圆形隧道的几何参数、材料参数和土体 参数，包括外径、壁厚、埋地段1、2和3的长度、弹性模量、材料屈服应力、埋深、土壤内聚力、上覆土有效重度、天然土有效重度、天然土总重度、静止土压力系数和内摩擦角等；确定试验缩尺比和结构模型19的几何尺寸和离散长度。

步骤二、试验件2加工。依据步骤一确定的几何尺寸加工结构模型19。结构模型19的 端部边界条件为完全自由，其端部无需额外的连接处理。

步骤三、应变片定位安装。依据步骤一确定的离散长度，在结构模型19上标记结构离散 的边界线，两条边界线之间的中间截面为零刚度复合弹簧6的接触位置；为获取圆形隧道的 前6阶弯曲模态，在长度方向上安装至少6个应变片，并注意避开零刚度复合弹簧6与结构 模型19的接触位置。

步骤四、土弹簧参数计算。选用合适的地基模型(例如目前最常用的文克尔地基模型) 考虑隧道与土体间的相互作用(SelvaduraiA P S.土与基础相互作用的弹性分析[M].范文田译. 北京:中国铁道出版社,1984,16-23.)，得到结构几何参数和土体参数对应的土弹簧参数，包 括单位长度的最大土反力和相对位移屈服值；根据试验缩尺比和离散长度计算零刚度复合弹 簧6的P

步骤五、零刚度复合弹簧6调试。依据步骤四的计算结果调试各个方向的零刚度复合弹 簧6，使其P-Δ曲线同设计规范规定的非线性土弹簧载荷位移曲线满足相似理论。

步骤六、截面模块1组装。零刚度复合弹簧6通过弹簧固定螺纹杆13安装于截面框架7 的弹簧固定螺纹孔9上；接触板16通过接触板连接螺丝杆17安装于底部螺丝杆15上。

步骤七、截面模块组5安装。双头螺丝杆穿过底座固定孔8和底座固定槽24，依据模型 单位长度逐个将截面模块1固定在底座轨道4上。根据圆形隧道长度方向上土体分布的情况， 需要依次布置三个截面模块组5。

步骤八、试验件2安装。首先，调节弹簧固定螺丝杆13和底部螺丝杆15的进给量，使得截面模块1内四个零刚度复合弹簧6围成的正方形区域边长略大于试验件2的外径。然后，将试验件2穿过各个截面模块组5。双头螺丝杆穿过底座固定孔8和底座固定槽24将端部固定架3安装在底座轨道4上。最后，微调弹簧固定螺丝杆13和底部螺丝杆15的进给量，使 得零刚度复合弹簧6的接触板16同试验件2接触。除了底部的零刚度复合弹簧6外，其他的 零刚度复合弹簧6接触轴力为零。

步骤九、传感器调试。将位移-轴力传感器18和应变片连接到数据采集仪，进行通信调 试，并完成调零和校准。

步骤十、加载与测试。采用激振器对结构模型19进行激励。变换激励位置和激励频率， 对结构模型19进行重复激励。

步骤十一、数据采集分析。通过数据采集仪记录零刚度复合弹簧6的位移-轴力数据、应 变数据和激振器中激振力数据；对记录的试验数据进行分析，结构模型19的频率和模态。优 选地，应变数据分析方法采用文献(Trim AD,Braaten H,Lie H,etal.Experimental investigation of vortex-induced vibration of long marinerisers[J].Journal of Fluids&Structures, 2005,21(3):335-361)推荐的方法。

步骤十二、装置拆卸归置。试验结束后，依次拆卸端部固定架3、试验件2、截面模块组 5、截面模块1、零刚度复合弹簧6和底座轨道4，进行整理和存放。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方 式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出 各种变化。