朱瑤宏，楊振華，陳飛飛，柳獻(xiàn)

模擬土與隧道相互作用的液壓加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)應(yīng)用

朱瑤宏1，楊振華2，陳飛飛3，柳獻(xiàn)2

(1. 寧波大學(xué) 建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211；2. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；3. 寧波華液機(jī)器制造有限公司，浙江 寧波 315131)

目前，盾構(gòu)隧道整環(huán)足尺試驗(yàn)，其加載模式主要采用荷載控制。液壓系統(tǒng)施加在結(jié)構(gòu)上的荷載來(lái)源于靜止土壓力的計(jì)算值。這種加載方式采用荷載結(jié)構(gòu)法的思想，難以反映作用在盾構(gòu)隧道上的土壓力隨結(jié)構(gòu)變形而改變的特性。針對(duì)以上不足，提出荷載位移曲線控制原理并將其應(yīng)用于盾構(gòu)隧道整環(huán)足尺試驗(yàn)。首先通過(guò)數(shù)值計(jì)算和地勘資料確定地層位移和地層抗力之間的關(guān)系，將其輸入系統(tǒng)。然后觀察此曲線與以液壓缸頂力和行程為坐標(biāo)的點(diǎn)的相對(duì)位置，通過(guò)調(diào)整液壓缸頂力使得該點(diǎn)位于曲線上。此控制原理能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)所受荷載隨結(jié)構(gòu)位移變化而變化，從而真實(shí)地模擬地層對(duì)盾構(gòu)隧道的作用。在盾構(gòu)隧道足尺試驗(yàn)中具有良好的應(yīng)用前景。

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；加載系統(tǒng)；荷載位移曲線控制

目前，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中采用液壓系統(tǒng)作為加載設(shè)備時(shí)加載方式有荷載控制和位移控制2種。荷載控制，即控制液壓缸，使其施加在結(jié)構(gòu)上的荷載為預(yù)設(shè)值，而不考慮其行程變化。位移控制，即控制液壓缸，使其行程達(dá)到設(shè)定值，而不考慮其荷載變化。具體到盾構(gòu)隧道整環(huán)足尺試驗(yàn)，王如路等[1]針對(duì)雙圓盾構(gòu)進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn)，全程采用荷載控制。曹文宏等[2]針對(duì)上海長(zhǎng)江隧道襯砌環(huán)進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn)，全程采用荷載控制。何川等[3]采用荷載控制的加載思想，詳細(xì)描述了如何由實(shí)際工程中的水土壓力計(jì)算得到各液壓缸試驗(yàn)荷載。Blom[4]等針對(duì)荷蘭“綠色心臟”隧道進(jìn)行了足尺試驗(yàn)研究，其全程采用了荷載控制技術(shù)。Jort等[5]對(duì)易北河隧道襯砌環(huán)進(jìn)行了足尺試驗(yàn)，全程采用荷載控制，獲得了其承載力和變形性能。畢湘利等[6]進(jìn)行的盾構(gòu)隧道整環(huán)足尺試驗(yàn)中，在彈性階段采用荷載控制，當(dāng)結(jié)構(gòu)臨近破壞時(shí)改用位移控制。綜上所述，盾構(gòu)隧道整環(huán)足尺試驗(yàn)中最常用的加載控制方式是荷載控制，當(dāng)結(jié)構(gòu)臨近破壞，各液壓缸行程急劇增大，而荷載卻幾乎不能增加時(shí)，則采用位移控制的加載方式。這種加載模式，能夠充分展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)本身的受力性能，但難以反映出周?chē)馏w對(duì)盾構(gòu)隧道的作用。盾構(gòu)隧道所受到的荷載，受到結(jié)構(gòu)變形的影響。以土層中的盾構(gòu)隧道為例：當(dāng)結(jié)構(gòu)沒(méi)有位移時(shí)，結(jié)構(gòu)受到靜止土壓力的作用。若在水土荷載的作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生背離土層的位移，則其所受到的土壓力將會(huì)減小，直至達(dá)到主動(dòng)土壓力。若在水土荷載作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生朝向土層的位移，則其所受到的土壓力將會(huì)增大，直至達(dá)到被動(dòng)土壓力。為了模擬盾構(gòu)隧道所受荷載隨結(jié)構(gòu)位移變化這一特點(diǎn)，有必要研究出一種新的加載方式。這種加載方式滿足以下要求：液壓缸活塞的行程和荷載關(guān)系符合特定的荷載位移曲線，且這條荷載位移曲線與周邊土體的本構(gòu)關(guān)系相契合。將這種加載方式命名為荷載位移曲線控制。

1 地層位移?地層抗力關(guān)系的獲取

進(jìn)行荷載位移曲線控制的基礎(chǔ)是已知土體的地層位移?地層抗力關(guān)系。土力學(xué)已經(jīng)給出了定性的地層荷載位移曲線，不妨假設(shè)該關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式為()，如圖1所示。

圖1 土壓力變化趨勢(shì)

進(jìn)行荷載位移曲線控制需要定量的地層荷載位移曲線。目前，定量的地層位移—地層抗力關(guān)系的獲取方法，主要有試驗(yàn)，解析解法和數(shù)值計(jì)算3種方法。

1.1 試驗(yàn)法

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)，可以獲得場(chǎng)地的基床系數(shù)。原位試驗(yàn)常采用K30方法[7]，即采用直徑30 cm的圓形荷載板進(jìn)行水平加載試驗(yàn)和垂直加載試驗(yàn)，以獲得水平基床系數(shù)和豎向基床系數(shù)。室內(nèi)試驗(yàn)往往采用三軸試驗(yàn)或固結(jié)試驗(yàn)的方法測(cè)量基床系數(shù)。獲得場(chǎng)地的基床系數(shù)后，以基床系數(shù)為斜率，做出一條直線，即可作為地層抗力-地層位移關(guān)系曲線。

試驗(yàn)法中涉及到的室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)，常在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行之前已經(jīng)完成，其結(jié)果已經(jīng)寫(xiě)入地勘報(bào)告。進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)，只需查閱即可，過(guò)程簡(jiǎn)單。但是，這種方法獲得的地層位移-地層抗力關(guān)系是線性的，不能模擬土體的非線性力學(xué)特性，會(huì)造成較大的誤差。

1.2 解析解法

1.2.1 深埋隧道

當(dāng)隧道埋深足夠大時(shí)，求解地層抗力—地層位移關(guān)系曲線可以簡(jiǎn)化為求解帶圓孔無(wú)限空間內(nèi)壁受法向壓力的問(wèn)題，此問(wèn)題已有解。如圖1，設(shè)隧道半徑為，洞周徑向荷載為，隧道埋深趨向于無(wú)窮。則孔周切向位移為0，孔周徑向位移如式(1)[8]所示：

所以，周?chē)貙拥幕蚕禂?shù)可以表示為式(2)：

以基床系數(shù)為斜率，做一條直線，即地層位移?地層抗力關(guān)系。即此時(shí)其表達(dá)式如式(3)所示：

1.2.2 淺埋隧道

求解淺埋隧道的地層抗力—地層位移關(guān)系曲線，可以采用2種思路。第1種思路是從固體力學(xué)出發(fā)，求解一個(gè)開(kāi)有圓孔的半無(wú)限平面孔周受到徑向荷載的邊值問(wèn)題。

針對(duì)此問(wèn)題，Verruijt[9]采用復(fù)變函數(shù)解法，求得帶圓孔半無(wú)限空間內(nèi)壁受法向壓力作用時(shí)的位移場(chǎng)。如式(4)，該位移場(chǎng)使用()和() 2個(gè)函數(shù)表達(dá)：

用孔周荷載除以求得的徑向位移，即可得到基床系數(shù)。以基床系數(shù)為斜率，做一條直線，即地層位移?地層抗力關(guān)系。

圖2 土力學(xué)解析法計(jì)算示意

黃茂松等[10]通過(guò)求解此模型，得到切向土彈簧剛度K和徑向土彈簧剛度K的表達(dá)式如式(5)：

式中：為土層的剪切模量。對(duì)比黃茂松等[10]得到的徑向土彈簧剛度和深埋隧道相應(yīng)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)二者具有一致性。

1.3 數(shù)值解法

由上一節(jié)中的分析可知，解析解法目前僅能對(duì)線彈性土體給出顯式解，對(duì)更加復(fù)雜的土體本構(gòu)無(wú)能為力。所以，在實(shí)際工程中，常用數(shù)值解法獲得地層位移?地層抗力關(guān)系。

由彈性力學(xué)的圣維南原理推知，在靜力計(jì)算中采用5倍于開(kāi)挖寬度的計(jì)算域，邊界的影響可以基本消除[11]。對(duì)于本問(wèn)題，可以采用如下的幾何模型進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算區(qū)域?qū)挾热樗淼乐睆降?0倍，左右兩端采用水平固定，豎向自由的邊界，底部采用水平豎向均固定的支座，頂部采用自由邊界。計(jì)算域范圍上至地表，下至基巖上表面。

對(duì)計(jì)算域內(nèi)土體劃分網(wǎng)格后，采用適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型，逐級(jí)增加孔周荷載，算得徑向位移。假設(shè)第級(jí)荷載大小為P，第級(jí)荷載作用下的地層徑向位移為D，則地層的荷載位移曲線必定經(jīng)過(guò)所有的(D,P)點(diǎn)，可以采用各種插值方法算得其表 達(dá)式。

如果采用拉格朗日插值，則地層的荷載位移曲線可以表示為式(6)：

如果采用牛頓插值，則地層的荷載位移曲線可以表示為式(7)：

2 荷載位移曲線控制模式的電氣化實(shí)現(xiàn)

荷載位移曲線控制模式的電氣化實(shí)現(xiàn)，既需要考慮到液壓系統(tǒng)本身的工作原理，也需要考慮到試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)相互作用的原理。

2.1 液壓系統(tǒng)工作原理

2.1.1 液壓系統(tǒng)的控制目標(biāo)

本文所述的液壓系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下控制目標(biāo)。

假設(shè)土體固有的荷載位移曲線為()，式中：表示土壓力；表示結(jié)構(gòu)的位移。當(dāng)0時(shí)，結(jié)構(gòu)沒(méi)有變形，結(jié)構(gòu)所受到的土壓力為靜止土壓力0，所以，土層固有的荷載位移曲線必過(guò)點(diǎn)(00)，土體固有的荷載位移曲線如圖1所示。

值得指出的是，()必然單調(diào)遞增。因?yàn)楫?dāng)增大時(shí)，結(jié)構(gòu)朝向土體的位移增大，土壓力由靜止土壓力向被動(dòng)土壓力發(fā)展，土壓力增大，增大。

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，首先采用荷載控制的加載方式，將液壓缸荷載加載至靜止土壓力0，此時(shí)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變形0，即此時(shí)液壓缸的荷載和活塞行程位于圖1中空心圓點(diǎn)(00)。此時(shí)將加載系統(tǒng)調(diào)整為荷載位移曲線控制。加載系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別到現(xiàn)在液壓缸負(fù)載和活塞行程對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位于荷載位移曲線的下方，則液壓系統(tǒng)自動(dòng)地加大荷載，增大后，將會(huì)減小，液壓缸荷載和活塞行程對(duì)應(yīng)的點(diǎn)將沿著某一條路徑來(lái)到土體固有的荷載位移曲線上(11)點(diǎn)，加載完成。

2.1.2 液壓系統(tǒng)的控制裝置

本文所采用的液壓系統(tǒng)控制裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)示意

本文所采用加載系統(tǒng)，由PID控制器，比例放大器，伺服比例閥，液壓缸，和壓力/位移傳感器構(gòu)成。以下分別介紹其功能。

PID控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心元件。其工作原理如下：

首先，PID控制器接收壓力/位移傳感器傳來(lái)的反饋電壓信號(hào)u以及前置設(shè)備傳來(lái)的目標(biāo)值u，如式(8)所示，計(jì)算差值：

PID控制器輸出的電壓信號(hào)u按照式(9)計(jì)算：

其中：k為PID控制器的比例常數(shù)，其目的是控制系統(tǒng)消除u和u之間的差值；T是積分時(shí)間常數(shù)，用于消除靜態(tài)誤差；T是微分時(shí)間常數(shù)，其用途是提前預(yù)測(cè)信號(hào)變化的趨勢(shì)，從而減少調(diào)節(jié)的時(shí)間。參數(shù)k，T和T的整定方法，采用文獻(xiàn)[12]介紹的三維黃金分割自整定算法。

總而言之，PID控制器的功能是輸出電壓信號(hào)調(diào)節(jié)后續(xù)系統(tǒng)，使得反饋電壓信號(hào)與目標(biāo)電壓信號(hào)趨于一致。

比例放大器的作用是將PID控制器傳來(lái)的電壓信號(hào)，放大并轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，即如式(10)所示：

其中：k為比例放大器增益。

比例換向閥將比例放大器電流的變化轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)液壓油流量的變化。其原理是電磁鐵線圈中電流的變化將導(dǎo)致電磁鐵與銜鐵之間吸引力發(fā)生變化，導(dǎo)致電磁鐵和銜鐵間空隙發(fā)生變化，從而改變液壓油的流量。本文所采用的比例換向閥遵循如式(11)的傳遞函數(shù)：

其中：K為比例換向閥增益。

液壓缸是整個(gè)液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它將液壓系統(tǒng)中液壓油的流量轉(zhuǎn)化為作用在結(jié)構(gòu)上的力。液壓缸通過(guò)線性化流量方程，流量連續(xù)性方程，液壓缸和負(fù)載力平衡方程3個(gè)基本方程建立起流量，負(fù)載力，閥芯位移，活塞位移等物理量之間的關(guān)系。即如式(12)~(14)所示：

其中：Q表示液壓缸流量；K為流量增益；K為流量?壓力系數(shù)；x為閥芯位移；C為總泄露系數(shù)；P為負(fù)載壓力；V為液壓缸等效容積；β為體積彈性模量；A為平均活塞面積；x為活塞位移。

位移傳感器將活塞位移轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，即如式(15)所示：

其中：K為傳感器傳遞系數(shù)。

2.1.3 液壓系統(tǒng)的控制過(guò)程

設(shè)0時(shí)刻，活塞位移x(0)，經(jīng)位移傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)u(0)=Kx(0)。位移傳感器將u(0)傳遞給計(jì)算機(jī)和PID控制器。計(jì)算機(jī)中內(nèi)置有土層荷載位移曲線()，自動(dòng)計(jì)算出此時(shí)荷載(0)(x(t))，計(jì)算機(jī)將(0)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)u(0)，并傳輸至PID控制器。PID控制器此時(shí)具有2個(gè)輸入量，一是計(jì)算機(jī)傳遞的u(0)，二是位移傳感器傳遞的u(0)，按照第2.2.1節(jié)的計(jì)算方法，依次給出(0)和u(0)。比例放大器按照第2.2.2節(jié)原理將u(0)轉(zhuǎn)化為放大的電流信號(hào)(0)。伺服比例閥按照第2.2.3節(jié)原理將i(0)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)流量變化(0)。液壓缸按照第2.2.4節(jié)原理將(0)轉(zhuǎn)化為負(fù)載壓力AP(0)，此時(shí)負(fù)載壓力AP(0)應(yīng)與(0)具有一致性。

當(dāng)負(fù)載壓力AP(0)作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)，由于荷載變化，結(jié)構(gòu)的變形量發(fā)生變化，從而活塞行程隨之由x(0)變?yōu)?i>x(1)。重復(fù)上述調(diào)節(jié)過(guò)程，直至(t?1)(t)。此時(shí)液壓缸活塞行程和負(fù)載(x(t)(t))位于預(yù)設(shè)的地層荷載位移曲線上，荷載位移曲線控制完成。值得指出的是，在試驗(yàn)過(guò)程中，液壓缸加載梁與試驗(yàn)管片全程密貼，所以試驗(yàn)過(guò)程中x=s。

整個(gè)控制流程如圖4所示。

2.2 結(jié)構(gòu)?液壓系統(tǒng)相互作用過(guò)程

結(jié)構(gòu)?液壓缸相互作用的過(guò)程，既包括結(jié)構(gòu)與各液壓缸的直接相互作用(1階效應(yīng))，也包括某個(gè)液壓缸通過(guò)改變結(jié)構(gòu)變形量從而間接影響其他液壓缸荷載的間接相互作用(2階效應(yīng))。

圖4 控制流程

2.2.1 結(jié)構(gòu)?液壓系統(tǒng)直接相互作用

本文所設(shè)計(jì)加載系統(tǒng)的主要功能是模擬地層和盾構(gòu)隧道之間相互作用。以下敘述這一功能的實(shí)現(xiàn)原理。

假定第號(hào)液壓缸的負(fù)載力為F，活塞位移為x，對(duì)于結(jié)構(gòu)而言，F是其節(jié)點(diǎn)荷載，x是其節(jié)點(diǎn)位移。由于在此系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)除受到24個(gè)液壓缸所加荷載之外不再受到其他邊界條件約束，所以，一旦結(jié)構(gòu)所受荷載確定，則其各節(jié)點(diǎn)的位移將完全確定(可能相差剛體位移)，反之，一旦結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的位移確定，其所受荷載也將完全確定。所以，結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)荷載之間是一一對(duì)應(yīng)的，可以采用一矩陣進(jìn)行表達(dá)，設(shè)此矩陣為，則結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)荷載的關(guān)系可以寫(xiě)為式(16)：

其中第1個(gè)方程表征結(jié)構(gòu)的受力性能，第2個(gè)方程表征地層的荷載位移曲線。以上分析表明，加載系統(tǒng)與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果，一定是得出既滿足結(jié)構(gòu)受力性能，又滿足加載系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置地層荷載位移曲線的液壓缸負(fù)載和活塞行程，從而能夠達(dá)到模擬實(shí)際工程中地層和隧道相互作用的目的。

2.2.2 多個(gè)液壓缸的間接相互作用

當(dāng)液壓缸采用傳統(tǒng)的荷載控制和位移控制時(shí)，24個(gè)液壓缸彼此之間并無(wú)聯(lián)系，完全按照各自預(yù)定的加載曲線進(jìn)行加載，但采用荷載位移曲線控制的液壓缸則不然。由于由荷載位移曲線控制的液壓缸荷載由其行程決定，其行程等于加載點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的位移，而結(jié)構(gòu)的位移實(shí)際上由所有液壓缸的荷載決定，所以理論上每個(gè)液壓缸的荷載都與其他液壓缸有關(guān)。如下式，假設(shè)第號(hào)液壓缸的荷載發(fā)生ΔF的變化，依據(jù)結(jié)構(gòu)的剛度方程，如式(16)所示，第號(hào)液壓缸處結(jié)構(gòu)位移變化量為：

現(xiàn)在需要研究ΔF和ΔF之間的大小關(guān)系。如果由第號(hào)液壓缸荷載變化ΔF引起的第號(hào)液壓缸荷載變化ΔF＜ΔF，則可以判斷，第號(hào)液壓缸荷載變化引起的系統(tǒng)波動(dòng)將逐漸減小，系統(tǒng)最終趨于穩(wěn)定。但是，如果ΔF＞ΔF，則第號(hào)液壓缸引起的系統(tǒng)波動(dòng)將被逐次放大，系統(tǒng)最終趨于震蕩。采用泰勒級(jí)數(shù)將式(19)展開(kāi)，只保留第1項(xiàng)，可得 式(20)：

從而，考慮到結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間上的不同，系統(tǒng)也將趨于穩(wěn)定。

3 荷載位移曲線控制模式的試驗(yàn)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如圖5。

圖5 試驗(yàn)裝置及液壓缸編號(hào)

如圖5所示，液壓缸安裝在鋼環(huán)梁反力架上，每15° 1個(gè)，共24個(gè)。每個(gè)液壓缸由一個(gè)比例換向閥控制，比例換向閥安裝在反力架上不銹鋼防水箱中，比例放大器集成在比例換向閥上，如圖6所示。

圖6 比例換向閥

所有比例換向閥均能夠由控制室中的上位機(jī)(內(nèi)置PID控制程序)進(jìn)行壓力閉環(huán)，位移閉環(huán)和壓力位移閉環(huán)的控制。

2.1.2節(jié)所述位移傳感器安裝在液壓缸缸筒上，所述力傳感器安裝在液壓缸活塞桿頭部。

3.2 試驗(yàn)構(gòu)件

試驗(yàn)研究所采用的試件外直徑為6.2 m，全環(huán)由1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1和L2)和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1，B2和B3)組成。管片厚度為0.35 m，環(huán)寬為1.5 m。襯砌圓環(huán)構(gòu)造見(jiàn)圖7。

圖7 襯砌圓環(huán)構(gòu)造

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

1-24號(hào)液壓缸首先采用荷載控制，分10級(jí)加載至靜止土壓力對(duì)應(yīng)的荷載0。然后頂部和底部的7-12號(hào)液壓缸，19-24號(hào)液壓缸仍然采用荷載控制并保持荷載不變，其余液壓缸改為荷載位移曲線控制，直至穩(wěn)定。

3.4 實(shí)測(cè)液壓缸荷載?時(shí)間曲線定性分析

3.4.1 試驗(yàn)結(jié)果預(yù)期

依據(jù)試驗(yàn)的加載過(guò)程，預(yù)期各液壓缸的荷載?時(shí)間曲線將會(huì)呈現(xiàn)如下特征：在荷載控制階段，各液壓缸荷載呈現(xiàn)階梯狀增長(zhǎng)，控制模式由荷載控制轉(zhuǎn)化為荷載位移曲線控制之后，由于在前期加載過(guò)程中襯砌環(huán)呈現(xiàn)橫鴨蛋變形，腰部產(chǎn)生指向地層的位移，所以此過(guò)程中腰部液壓缸的荷載有所增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)值與地層抗力值基本相當(dāng)。

3.4.2 單個(gè)液壓缸的試驗(yàn)結(jié)果

首先考察單個(gè)液壓缸的荷載?行程曲線，以3號(hào)液壓缸為例。第3號(hào)液壓缸的荷載?行程曲線如圖8中曲線所示。

由圖8可知，單個(gè)液壓缸的行為與試驗(yàn)前預(yù)期完全相符。試驗(yàn)開(kāi)始后的第16~第20 h，所有液壓缸按照荷載控制，分級(jí)等量地加載至靜止土壓力，而在這段時(shí)間，圖示液壓缸荷載呈階梯狀增長(zhǎng)，與預(yù)期相符。

試驗(yàn)開(kāi)始后的第30~40 h，腰部液壓缸(以3號(hào)為代表)改為荷載位移曲線控制，由于腰部發(fā)生了朝向土層的位移，所受到的土壓力從靜止土壓力向被動(dòng)土壓力發(fā)展，土壓力增大。由圖可知，這一階段液壓缸荷載增大，與預(yù)期相符。

3.4.3 多個(gè)液壓缸相互作用的試驗(yàn)結(jié)果

選取第1號(hào)，第2號(hào)和第3號(hào)液壓缸進(jìn)行研究，其荷載?時(shí)間曲線如圖8所示。

圖8 多個(gè)液壓缸相互作用

由圖8可知，在試驗(yàn)未開(kāi)始前，第1號(hào)，第2號(hào)，第3號(hào)液壓缸的負(fù)載均維持在12.5 t左右。試驗(yàn)開(kāi)始后，3個(gè)液壓缸的負(fù)載呈階梯狀增長(zhǎng)。第1號(hào)液壓缸的負(fù)載分10級(jí)增加到22.9 t左右，第2號(hào)千斤頂負(fù)載分10級(jí)增加到20.4 t左右，第3號(hào)千斤頂?shù)呢?fù)載分10級(jí)增加到19 t左右。

在試驗(yàn)開(kāi)始后的第36 h左右，腰部液壓缸改為荷載位移曲線控制，由于前期腰部發(fā)生指向地層的位移，所以第1號(hào)，第2號(hào)，第3號(hào)液壓缸荷載均大幅增加、第1號(hào)千斤頂?shù)暮奢d增長(zhǎng)達(dá)3.27 t，第2號(hào)千斤頂?shù)暮奢d增長(zhǎng)達(dá)4.8 t，第3號(hào)千斤頂?shù)暮奢d增長(zhǎng)達(dá)5.81 t，但并未出現(xiàn)各液壓缸相互影響，荷載長(zhǎng)期不穩(wěn)定的情況。第1號(hào)千斤頂?shù)呢?fù)載很快穩(wěn)定在26.17 t左右，第2號(hào)千斤頂?shù)呢?fù)載很快穩(wěn)定在25.2 t左右，第3號(hào)千斤頂?shù)呢?fù)載很快穩(wěn)定在 24.81 t左右。

3.5 實(shí)測(cè)液壓缸荷載?時(shí)間曲線定量分析

由試驗(yàn)過(guò)程可知，在腰部液壓缸的控制模式由荷載控制調(diào)整為荷載位移曲線控制之后，腰部液壓缸的荷載均有明顯增加。這是由于在前期加載中隧道腰部發(fā)生了朝向土體的變形。所以，這部分增加的荷載實(shí)際上代表傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)中的地層抗力。而地層抗力可以通過(guò)基床系數(shù)乘以結(jié)構(gòu)變形來(lái)進(jìn)行估算。比較估算值和腰部液壓缸荷載增量，可以驗(yàn)證本次試驗(yàn)中荷載位移曲線控制模式是否 準(zhǔn)確。

選取腰部一側(cè)的第1號(hào)~第6號(hào)液壓缸進(jìn)行研究。從試驗(yàn)開(kāi)始到腰部液壓缸切換到荷載位移曲線控制，1~6號(hào)液壓缸的行程變化如表1所示。

表1 液壓缸行程變化

由地勘報(bào)告可知，第4~6號(hào)液壓缸對(duì)應(yīng)位置基床系數(shù)為9 576 kN/m3，第1~3號(hào)液壓缸對(duì)應(yīng)位置基床系數(shù)為7559 kN/m3，所以，盾構(gòu)隧道一側(cè)腰部地基總抗力大小為30.6 t。

各液壓缸荷載增量如表2所示。

表2 加載模式轉(zhuǎn)換荷載增量

由表2可知，液壓缸1~6在加載模式轉(zhuǎn)換的過(guò)程中荷載增量一共為29.7 t。

荷載位移曲線控制模式施加的地層抗力與計(jì)算得到的地層抗力差距為2.9%，荷載位移曲線控制模式是準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論

1) 荷載位移曲線控制模式可以精確模擬盾構(gòu)隧道所受荷載隨結(jié)構(gòu)變形而變化的特征，從而解決了傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道足尺試驗(yàn)加載模式難以模擬地層對(duì)結(jié)構(gòu)的真實(shí)作用的問(wèn)題。具有良好的應(yīng)用前景。

2) 在結(jié)構(gòu)尚具有承載能力時(shí)，采用荷載位移曲線控制的各液壓缸之間的相互作用有限，體系能較快地趨于穩(wěn)定。

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Design and application of a hydraulic loading system simulating tunnel-soil interaction

ZHU Yaohong1, YANG Zhenhua2, CHEN Feifei3, LIU Xian2

(1. Faculty of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2. Department of Geotechnical Engineer, Tongji University, Shanghai 200092, China;3. Ningbo Hoyea Machinery Manufacture Co., Ltd, Ningbo 315131, China)

The full-scale test of shield tunnels mainly adopts load control as load pattern at present. The load applied on the structure by the hydraulic system is derived from the calculated value of the static earth pressure. This loading method adopts the idea of load structure method, and it is difficult to reflect the characteristics of the earth pressure acting on the shield tunnel as the structure deforms. To solve this problem, the principle of a control mode named load-displacement control subsystem is proposed and it has been used in a full-scale test. First obtain the functional relationship between the stratum displacement and the earth pressure. Then observe the relative position of this curve and the point taking the hydraulic cylinder top force and stroke as coordinates, and adjust the jacking force and make it obey the functional relationship. This control subsystem can simulate the characteristic that the load on an underground structure will change when it deform. And there should be good prospective.

structural experiment; loading system; load-displacement control subsystem

U45

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 0915 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190526

2019?06?14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)資助計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0805004)

柳獻(xiàn)(1977 ?)，男，湖北武漢人，教授，博士，從事隧道與地下建筑結(jié)構(gòu)研究；E?mail：xian.liu@#edu.cn

(編輯 陽(yáng)麗霞)