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隧道和地下空间技术
砖砌隧道稳定性的物理模型试验和数值模拟
摘要：
如今，数值模拟被越来越多地用于评估隧道及地下洞穴的稳定性。然而，由于复杂的材料成分，现有的砖砌隧道的力学行为的分析仍然具有挑战性的。为了研究砖砌隧道的力学行为，本文报道了一系列的小规模物理隧道模型试验，以反映真实隧道在极端荷载下的真实行为。先进的激光扫描和摄影测量技术用于记录隧道变形和衬砌缺陷。本次调查显示，这些技术可以替代或补充常规监测程序。此外，基于连续和非连续的数值分析方法。与物理模型试验，以评估这些隧道的整体稳定性的数值结果进行了比较。在不同条件下的数值模型的预测也被进行了显示的力学行为的砖砌隧道和量化的边界和负载条件的影响。
1.介绍
几十年前，英国最古老的隧道建成，有的甚至超过一百岁。这些基础设施的老化对基础设施的安全性和效率构成显著风险，这可能对经济有负面影响。隧道通常用砖或石头砌成，在许多年的服役之后，它可能会有材料降解和负载条件的变化。可靠的评估隧道稳定性能对维护和整修措施设计非常重要。
然而，定量安全评价是很难进行，因为很多因素都是未知的，例如建筑材料的行为像和地下条件。虽然艾莱依提出数值模型，用于研究砌体基础结构，例如老隧道砌体结构（伊德里斯等，2008，2009），砌体桥梁（贝蒂等人。，2008），与砌体结构（佐丹奴et al.，2002；娄仁ccedil;O、1996、1998；Sutcliffe，2003；valluzzi et al.，2005），与现有的砖力学行为分析的模型内衬施工ELS是由于复杂的材料构成的挑战。隧道整修工程实践在很大程度上仍然是通过基于经验的措施特设的稳定为主。隧道监控有价值地是一个手动过程，这是耗时的和主观的，引起变异的标准和质量检查。
为了发展一个了解，在砖砌隧道的性能，本研究的总体目标是开发一个数值方法的一系列小规模的物理模型在极端负载术。通过物理试验模
型和数值模拟的砖砌隧道的变形进行评估。
物理模型试验中，先进的监测激光扫描和摄影测量技术是用来记录巷道变形和衬砌缺陷，可替代或补充传统的手工程序。这是chen（2013、2014）提出的。数值模型的开发，以模拟相应的物理模型，物理的结果模型试验是用于数值模型的验证材料基地。这些数值模型和先进的监测技术，并已被应用到的领域的研究使精确的潜力真正的砌体隧道的实际行为的预测，见图1。
完全符合比例定律往往是不可能的，这些小规模的物理模型试验不需要密切的复制速度与许多不同的条件下的真正的隧道行为，但是斯达康应该提供类似的边界和载荷条件下，它可以控制和测量。
Stability of
A Real Tunnel
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Stability of |
Numerical |
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Small-Scale Tunnels |
Simulation |
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Advanced Monitoring
Technique
图1 整体研究方法。
2。物理模型的准备和测试设置
2.1。简要介绍
在室内物理模型试验是砌体研究的宝贵过程展示真正的砌体结构性能。对标准的测试通常是可取的所有规模的物理模型之前，安全和经济原因的实地研究。
本研究在正常重力的一系列大小尺度物理风洞模型（1 g）是建立在实验室繁殖的现象，并评估其稳定性的衬砖在受控条件下的通道隧道及其力学行为。为了模拟深部（如山隧道）和浅层砖砌隧道受影响的行为交通负荷，物理模型试验进行静态均匀用于覆盖土壤表面集中荷载。
2.2。试验变化
不同于当今的砌体房屋，建筑石灰，水泥和沙子通常用于混合砂浆建造的旧砖衬砌隧洞。的第一个物理模型，COM的影响比较高强度混合砂浆由水泥、1:1:6在比规定的比例分别与BS 4551:1980沙子和石灰，用1980。二、第三个物理模型，一个低强度砂浆配合比（1:2:9）使用。表1显示的三个物理模型试验研究进行了变量的不同组合。
2.3。模型构造
在这项研究中的所有三个物理模型的构建遵循相同的过程，以确保一致性和可比性。施工过程中的关键要素进行了砖线刚性箱，塑料薄膜，和周围的土壤。
表1
三种物理模型试验变量的组合。
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试验编号 |
Mortar mix proportion |
Loading style |
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Physical model test 1 |
1:1:6 (higher strength) |
Uniform load |
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Physical model test 2 |
1:2:9 (lower strength) |
Uniform load |
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Physical model test 3 |
1:2:9 (lower strength) |
Concentrated load |
几何特性的小型砖砌隧道（见图2）进行咨询数据库的典型的古隧道及其他文献来源包括伊德里斯等人。（2008）。我的尺寸的小型砖砌隧道与典型的砖砌隧道的直径7米的拱，用比例约等于1 / 10。为了重现典型的溴ICK衬砌隧洞，隧道的衬砖由三层位于拱区砖。侧壁，另一方面包括一砖半并列彼此但分层交替（见图2）。为了保持一致性，本研究利用担架债券作为一个广泛和典型的使用承载债券，沿整个屯的纵向方向内尔。
用于构建物理模型砖被称为“成熟的红色股票砖，一种传统的砖通常用于古砖衬砌隧道。一块砖的尺寸为51 107.525。32.5毫米（长宽高），这是只有一半的一个成熟的红色砖的大小，以215 102.5 65毫米的尺寸（长宽高）。5毫米迫击炮关节洽用来维持粘结强度小规模砖厂。灰缝小于5毫米可正常砂和水泥制成的具有挑战性的，因此无法模拟古代隧道砌体。
刚性支持老式的主要木材被用来支持周围的砖内 衬的土壤，像一个边界约束。支持在一个箱与世博会的形式第二，砖砌隧道第三环覆盖的有机玻璃面。经过充分的分析，潜在的负载，挠度和安全因素，一组热完成平方和矩形空心截面钢梁的设计和螺栓在前面和后面的框，增加其刚度，见图3。刚性箱的尺寸是332 1500 2017.5毫米（1小时）。
为了避免周围的泥土滑出盒子，隧道内覆盖着塑料布，所有的刚性箱。此外，塑料布在减少摩擦起到了重要的作用在土壤和箱子在装载期间。
砂被用做土壤压实。1832公斤/立方米的周围土壤密度和1075毫米的深度从隧道脚趾保持相同的所有物理模型试验。
大的小规模的物理模型是封闭在有限的范围内提供的刚性箱，产生更多或更少的边界效应。大量的沙子包围了隧道了边界边缘（见图4），边界效应尽可能少地保持。虽然靠近模型边缘的土壤行为可能会受到更多的边界，在中央部分的物理模型的砖砌隧道被认为与只有几个乙边界效应和能表现典型的砖砌隧道。
除了先进的测量技术，电位计分别对隧道的变形监测提供参考。
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rd |
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3 |
ring |
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2 |
nd |
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ring |
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1 |
st |
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ring |
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887.5 mm |
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690 mm
图2 砌体的衬前视图
。
3.第一和二次模型在均布荷载作用下的试验结果
从机械测试的第一和第二物理模型的结果进行了比较，以确定在施工中使用的不同的砂浆配合比的相对影响ICK衬里。从这些小规模的物理模型试验，确立了定性数据得到的，对于一个典型的深埋隧道要失败的和确定的行为特征具体的隧道破坏准则。此外，机械测试的输出作为一个基准的数值验证。
3.1。极限荷载能力与隧道模式
随着相对高强度砂浆配合比的第一个物理模型，未能在一个荷载995 kN时，隧道可能不再支持负载。相比较而言，第二模型的极限载荷在故障被发现，第一个模型70%，在694 kN失败。采用高强度砂浆配合比，在第一个物理模型的砖造更大的抗压强度因此，他们可以承担更大的压力，导致更大的极限承载能力的砖砌隧道如表2所示。结果也与以前霍格（1997）的研究相一致。
图4显示了从钢板到隧道顶部覆土的均匀载荷的传输路径。在这个数字中，从表面到隧道的脚趾是土壤的深度，H是土壤深度以上的隧道顶部，Q是均匀分布载荷作用在隧道拱部和E是作用在隧道的水平应力，从顶部向底部的隧道（E1，E2）。凭借其形状，均匀分布的荷载对隧道拱隧道作为一个整体从而迫使施加的负荷被发送到井壁。
在第一和第二物理模型试验中，可见裂缝开始从侧壁的顶部和侧壁之间增加负荷均匀对角蔓延，一糖尿病合并裂纹噪声。为达到不同砌体的极限抗压强度，主要结构剪切破坏在第一和第二物理模型的发生，在屯在侧壁，产生斜裂缝的侧壁和过度变形中，和最后的隧道塌方。隧道的冠上也观察到轻微的拉伸破坏。
3.2.偏转行为
在均匀荷载作用下隧道的变形规律可以表示为图5（1）。这表明，它一般与隧道拱变形向内转移强加的U性负载下的侧壁，导致附近出现破碎现象，如图5（b）。
图6（1）2模型中观察到的压力-冠-挠度关系和两个模型有相似拱结构刚度。这表明，砂浆配合强度的砖砌隧道的刚度没有显着的影响。然而，随着水平相对较强的极限L的第一个物理模型试验负荷容量与更大的变形量（62.3毫米）的失败，而在第二物理模型试验失败的拱顶位移为67.6%，前者的测试。
从图6（b）中观察到，二次物理模型的跳跃结构刚度降低到第一物理模型的4／3左右。这表明，砌体刚度的第二模型对拱结构刚度时，从周围土体的侧向负载并联在床上关节影响很大（砌体水平缝）。形状记忆合金缪勒发展弹性变形在相同荷载水平在第一物理模型试验表明，拱连拱隧道连接到侧壁开始解体的早期，在二次物理模型试验中，减慢了跳跃的移动速度。
3.3。开裂行为
初始径向阶梯开裂是在外在面对第一灰缝观察，第二和第三拱环加载过程中。这些被注意到发生在59%（594克n）和56%（392千牛）的总负荷状态的第一和第二的物理模型。当加载亲，注意宣传在隧道的拱的裂缝拱（即隧道拱的内表面）。随后quently，有径向开裂在隧道拱拱的生长增加，见图7（a）。
此外，斜裂缝贯穿两隧道侧壁发生导致迫在眉睫的剪切破坏是由图7（b）证明。
4.第三种模型在集中载荷作用下的试验结果
第三个物理模型进行集中加载上方的中心的隧道冠。在相同配合比的砂浆（1:2:9）作为第二物理模型进行施工第三个物理模型的应用。因此，它是可能的比较在两种不同荷载类型，即第二物理模型下的单向隧道结构力学行为下表载浓度和第三个物理模型方法的负荷。
4.1。极限承载力与隧道模式
图8所示的第三个物理模型，在集中荷载作用下的上覆土面积仅高于隧道顶，由钢板传送。在加载过程中，结构的形成文化必须在隧道拱部开裂是在加载方案62%注意。第三物理模型经历了突发故障在0.73
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