CN102636430A - 顶管注浆减阻的室内模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，它包括试验箱，试验箱的上方开口并设有竖向加载测试系统，试验箱两相对侧面设有长圆形孔，其中一侧面设有水平向加载测试系统，试验箱内填埋有土样，待测管道通过试验箱两侧面上的长圆形孔穿过试验箱，该试验系统还包括注浆系统以及与该注浆系统相连的注浆导管，所述待测管道由相互连接的管道前段和管道后段构成，且管道前段的管径粗于管道后段的管径，待测管道的管道壁上开设有至少一个注浆孔，所述注浆导管的出浆端伸入待测管道内并与所述注浆孔相连。该试验系统能模拟管道在土层中的顶进过程，顶进同时将调配好的浆液注入管周土体中，测试在不同浆液配比、不同注浆压力下，管道顶进过程中的摩阻力和摩擦系数，从而综合准确地给出在该土层中适合顶管推进的注浆压力以及注浆配比。

Description

顶管注浆减阻的室内模拟实验系统

技术领域

本发明是一种建筑工程技术领域的测试装置，具体是一种顶管注浆减阻的室内模拟实验系统。

背景技术

顶管技术是在不开挖地表的情况下，利用液压油缸从顶管工作井将顶管机和待铺设的管节在地下逐节顶进，直到顶管接收井的非开挖地下管道敷设施工工艺。其具备以下优点：施工精度高、适用土质广、适用管径范围广、施工成本较低、对周边环境影响较小。随着我国城市化进程加速，顶管技术广泛应用于城市给排水、煤气、电力、通信等地下管网建设，以及公路、铁路隧道。在顶管工法的设计与施工中，为了减小顶进时顶管所受摩阻力及顶管施工对周边地表沉降的影响，需要对管道周边土体以一定压力注入浆液，简称注浆。顶管施工中浆液作用主要体现在两个方面：1、减阻作用，浆液与周边土体混合形成密实的泥浆套，将管道包裹在泥浆之中，从而减小顶进阻力；2、填补、支撑作用，由于后续管节一般比顶管机头要小，故在管道与土体之间存在许多孔隙，而浆液能填补管道与土体之间的空隙，同时在注浆压力下，减小土体变形，使得管道周边稳定性得到加强。因此注浆是顶管施工中的关键技术环节之一。目前针对注浆减阻的效果，管土摩擦系数的确定基本依靠经验公式和现场测试；无法在施工前在试验室内测定注浆效果。

经对现有技术文献检索发现，中国专利申请号200810037406.1，专利名称：地下管道与土体之间摩擦系数测试装置，公开号为：CN101271056，公开日：2008.09.24，该专利技术公开了一种建筑工程技术领域的地下管道与土体之间摩擦系数测试装置，该装置包括试验箱、竖向加载系统和水平方向加载系统。该专利技术可用于测试管道与土体之间的摩擦系数和摩阻力，但不能用于测试顶管工程中管道与土体的摩擦系数与摩阻力：1、实际顶管工程中，包裹在管道周边为泥浆套，而非原先的周边土体，无法模拟注浆减阻；2、实际顶管工程中，顶管机头尺寸会略大于后续管节尺寸，而非前后管完全一致，无法模拟实际顶进过程。进一步检索中尚未发现关于顶管注浆测试的报道。

发明内容

本发明目的是：本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，能模拟管道在土层中的顶进过程，顶进同时将调配好的浆液注入管周土体中，测试在不同浆液配比、不同注浆压力下，管道顶进过程中的摩阻力和摩擦系数，从而综合准确地给出在该土层中适合顶管推进的注浆压力以及注浆配比。

本发明的技术方案是：一种顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，包括试验箱，试验箱的上方开口并设有竖向加载测试系统，试验箱两相对侧面设有长圆形孔，其中一侧面设有水平向加载测试系统，试验箱内填埋有土样，待测管道通过试验箱两侧面上的长圆形孔穿过试验箱，其特征在于：还包括注浆系统以及与该注浆系统相连的注浆导管，所述待测管道由相互连接的管道前段和管道后段构成，且管道前段的管径粗于管道后段的管径，待测管道的管道壁上开设有至少一个注浆孔，所述注浆导管的出浆端伸入待测管道内并与所述注浆孔相连。

所述竖向加载测试系统包括竖向加载装置、竖向荷载加载板、竖向位移测试装置和竖向测力装置，其中：竖向荷载加载板直接与土样上表面接触，竖向加载装置与竖向荷载加载板相连，竖向位移测试装置设在竖向荷载加载板上，竖向测力装置设在竖向加载装置上。

所述水平向加载测试系统包括水平向加载装置、水平荷载加载板、水平位移测试装置和水平测力装置，其中：水平荷载加载板与所述管道后段的一端相连接，水平向加载装置与水平荷载加载板相连，水平位移测试装置安装在水平荷载加载板上，水平测力装置设在水平向加载装置上。

所述注浆系统包括储浆容器以及与该注浆容器相连的注浆泵。

所述注浆导管包括一根主流管以及与该主流管相连的多根分流管，其中主流管与注浆系统相连，分流管与注浆孔相连，且主流管上连有压力表和注浆控制阀门，分流管上连有注浆控制阀门。

所述试验箱两侧面的长圆形孔位置设有孔径调节装置，该孔径调节装置为半圆形孔片或圆形孔片。

所述孔径调节装置通过螺钉孔与试验箱的螺孔固定连接。

所述试验箱的螺孔为导位槽。

所述注浆孔开设在所述管道后段上，并位于靠近所述管道前段的那一端。

所述管道前段上装有防止所述注浆孔堵塞的套筒。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明构造简单、操作方便，可以模拟顶管在注浆减阻情况下的顶进过程，分析比较不同配比、不同注浆量以及不同注浆压力下地下管道与土体之间的摩擦系数和摩阻力。测试结果准确可靠。鉴于许多单位可以提供较好的压力机、反力架等设备，本发明对动力部分的要求容易满足。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍：

图1为本发明实施例中试验箱的结构示意图，其中：（a）为俯视图，（b）为剖面图，（c）为侧视图；

图2为本发明实施例的整体结构示意图；

图3为孔径调节装置结构示意图，其中：（a）为孔径是圆形孔的孔径调节装置，（b）为孔径是半圆形孔的孔径调节装置；

图4为本发明的待测管道及注浆系统示意图；

图5为没有注浆减阻的测试曲线；

图6为三种不同浆液配比的摩阻力曲线；

其中：1-试验箱，11-长圆形孔，12-导位槽；

2-竖向加载测试系统，21-竖向加载装置，22-竖向荷载加载板、23-竖向位移测试装置；

3-水平向加载测试系统，31-水平向加载装置，32-水平荷载加载板，33-水平位移测试装置；

4-待测管道，41-管道前端，42-管道后段，43-注浆孔；

5-孔径调节装置，51-半圆形孔片，52-圆形孔片，53-螺钉孔；

6-土样；

7-注浆导管，71-主流管，72-分流管，73-压力表，74-注浆控制阀门；

8-套筒；

9-注浆系统，91-储浆容器，92-注浆泵。

具体实施方式

如图1、图2和图4所示，本实施例的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，包括试验箱1，该试验箱1的上方开口并设有竖向加载测试系统2，该试验箱1两相对侧面设有长圆形孔11，并在其中一侧面设有水平向加载测试系统3。试验箱内填埋有土样6，待测管道4通过试验箱两侧面上的长圆形孔11穿过试验箱。

本实施例的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统还包括注浆系统9以及与该注浆系统相连的注浆导管7，所述待测管道4由相互连接的管道前段41和管道后段42构成，且管道前段41的管径稍粗于管道后段42的管径，实施时，管道前段41模拟顶进机头。待测管道4的管道壁上开设有至少一个注浆孔43，所述注浆导管7的出浆端伸入待测管道4内并与所述注浆孔43相连，实施时注浆系统9将泥浆注入待测管道4顶进过程中形成的空隙中，发挥泥浆减摩作用。

为了便于注浆，所述注浆孔43开设在所述管道后段42上，并位于靠近所述管道前段41的那一端。而且本例在所述管道前段41上装有防止所述注浆孔43堵塞的套筒8。

所述竖向加载测试系统2的详细结构参照图3所示，它包括竖向加载装置21、竖向荷载加载板22、竖向位移测试装置23和竖向测力装置（图未示），其中：竖向荷载加载板22直接与土样6上表面接触，竖向加载装置21与竖向荷载加载板22相连，竖向位移测试装置23设在竖向荷载加载板22上，竖向测力装置设在竖向加载装置21上。

所述水平向加载测试系统3的详细结构参照图4所示，它包括水平向加载装置31、水平荷载加载板32、水平位移测试装置33和水平测力装置（图未示），其中：水平荷载加载板32与所述管道后段42的一端相连接，水平向加载装置31与水平荷载加载板32相连，水平位移测试装置33安装在水平荷载加载板32上，水平测力装置设在水平向加载装置31上。

所述竖向加载装置21和水平向加载装置31，均为常用的油压千斤顶等设备。所述竖向位移测试装置23和水平位移测试装置33，均为千分表或位移传感器。所述竖向测力装置和水平测力装置，均为压力表或压力传感器。

如图5所示，所述注浆系统9包括储浆容器91以及与该注浆容器相连的注浆泵92。所述注浆导管7包括一根主流管71以及与该根主流管相连的多根分流管72，其中主流管71与注浆系统9（具体为注浆系统的注浆泵）相连，分流管72与注浆孔43相连，且主流管71上连有压力表73和注浆控制阀门74（图未示），分流管72上连有注浆控制阀门74。

所述试验箱1两侧面的长圆形孔位置设有孔径调节装置5，孔径调节装置实现对待测管道4与试验箱1的之间紧密配合。

所述孔径调节装置5为半圆形孔片51或圆形孔片52，其孔直径取值范围为10cm到100cm。

所述孔径调节装置5，其通过螺钉孔53与试验箱1的螺孔固定连接。如图1所示，本实施例中，所述试验箱1上固定孔径调节装置5的螺孔设计成导位槽形式，即试验箱1的螺孔为导位槽12，预留了竖向位移调节空间。这样在各装置安装完成后先不完全固定孔径调节装置5，使其在土样受力压缩过程中随管道同步下沉，当变形稳定后再拧紧螺钉固定，这样做是为了防止在施加竖向荷载过程中，测试管道外的土样在竖向压力下发生压缩变形，而导致管道底部与土体脱开，或者管道沿纵向发生弯曲变形。

本实施例具体使用时，操作如下：

1）安装试验管道及注浆系统：将管径较粗的管道前段41和管道教细的管道后段42通过内外螺纹连接在一起构成待测管道4，将注浆导管7从待测管道4大口径端（管道前段一端）导入，并固定在指定的注浆孔43位置处。将注浆系统各部分连接完毕。将待测管道4穿过试验箱1侧面的长圆形孔11，用孔径调节装置5（半圆形孔片51或圆形孔片52）进行调节后，通过螺钉将螺钉孔53与导位槽12相连接，但不完全固定.

2）填土：于试验箱1中分层均匀地填入土样6，土样6填入完毕后，在其上表面铺设竖向荷载加载板22，之后安装竖向加载测试系统2。

3）固定待测管道位置：在竖向荷载作用下，待土样6变形稳定后，通过孔径调节装置5以及导位槽12调整待测管道4两端的位置，适应管道和土样的变形，保证待测管道在横向方向上处于水平状态，再通过螺钉孔53将孔径调节装置5完全固定于试验箱1。

4）施加水平方向荷载：水平荷载加载板32连接于待测管道4较细一端，水平位移测试装置33安装在水平荷载加载板32上。应用水平向加载装置31通过水平荷载加载板32将水平方向顶力荷载施加于待测管道4一端，并通过安装在水平荷载加载板32上的水平位移测试装置33观测待测管道的4水平位移，通过水平测力装置测量水平向加载装置31的水平方向荷载量。

5）注浆减摩：在施加水平方向荷载的同时，启动注浆系统9，通过注浆压力表上示数打开并调节所需的注浆控制阀门，控制注浆压力及注浆量。

6）试验数据的记录与整理：根据不同配比、不同注浆压力以及注浆量的情况下的水平荷载-位移关系确定摩阻力，利用摩阻力和竖向压力计算得出摩擦系数，通过试验得到摩阻力数据，综合找到注浆减摩填补最合理的各项参数指标。

7）如需施加竖向荷载，则在固定待测管道位置之前竖向加载：将竖向荷载通过竖向加载装置21施加于竖向荷载加载板22上，应用竖向位移测试装置23观测出土样6的压缩变形量，应用竖向测力装置测量出竖向加载装置21的竖向荷载量。

本实施例中对于大管（管道前段）外径165mm、小管（管道后段）外径140mm的钢管采用以上方法进行测试，其中竖向加载测试系统2采用QF200-20压力系统和垂直反力架，并用百分表测试位移；水平向加载测试系统3采用MTS结构试验系统和反力墙，并自带位移测试装置。根据数次不同配比试验的试验结果，得到如图5、6所示的顶进距离-顶力关系曲线，水平荷载反映相应法向应力作用下的总摩阻力。图5为没有注浆减阻的测试曲线，图6为三种不同浆液配比的摩阻力曲线。对比图5和图6不难看出，注浆对顶管摩阻力的减小有明显作用，而且浆液配比不同，对减阻效果影响也较为明显。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，包括试验箱（1），试验箱的上方开口并设有竖向加载测试系统（2），试验箱两相对侧面设有长圆形孔（11），其中一侧面设有水平向加载测试系统（3），试验箱内填埋有土样（6），待测管道（4）通过试验箱两侧面上的长圆形孔（11）穿过试验箱，其特征在于：还包括注浆系统（5）以及与该注浆系统相连的注浆导管（7），所述待测管道（4）由相互连接的管道前段（41）和管道后段（42）构成，且管道前段（41）的管径粗于管道后段（42）的管径，待测管道（4）的管道壁上开设有至少一个注浆孔（43），所述注浆导管（7）的出浆端伸入待测管道（4）内并与所述注浆孔（43）相连。

2.根据权利要求1所述的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，其特征在于：所述竖向加载测试系统（2）包括竖向加载装置（21）、竖向荷载加载板（22）、竖向位移测试装置（23）和竖向测力装置，其中：竖向荷载加载板（22）直接与土样（6）上表面接触，竖向加载装置（21）与竖向荷载加载板（22）相连，竖向位移测试装置（23）设在竖向荷载加载板（22）上，竖向测力装置设在竖向加载装置（21）上。

3.根据权利要求1所述的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，其特征在于：所述水平向加载测试系统（3）包括水平向加载装置（31）、水平荷载加载板（32）、水平位移测试装置（33）和水平测力装置，其中：水平荷载加载板（32）与所述管道后段（42）的一端相连接，水平向加载装置（31）与水平荷载加载板（32）相连，水平位移测试装置（33）安装在水平荷载加载板（32）上，水平测力装置设在水平向加载装置（31）上。

4.根据权利要求1所述的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，其特征在于：所述注浆系统（9）包括储浆容器（91）以及与该注浆容器相连的注浆泵（92）。

5.根据权利要求1所述的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，其特征在于：所述注浆导管（7）包括一根主流管（71）以及与该主流管相连的多根分流管（72），其中主流管（71）与注浆系统（9）相连，分流管（72）与注浆孔（43）相连，且主流管（71）上连有压力表（73）和注浆控制阀门（74），分流管（72）上连有注浆控制阀门（74）。

6.根据权利要求1所述的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，其特征在于：所述试验箱（1）两侧面的长圆形孔位置设有孔径调节装置（5），该孔径调节装置（5）为半圆形孔片或圆形孔片。

7.根据权利要求6所述的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，其特征在于：所述孔径调节装置（5）通过螺钉孔（53）与试验箱（1）的螺孔固定连接。

8.根据权利要求3所述的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，其特征在于：所述试验箱（1）的螺孔为导位槽（12）。

9.根据权利要求1所述的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，其特征在于：所述注浆孔（43）开设在所述管道后段（42）上，并位于靠近所述管道前段（41）的那一端。

10.根据权利要求9所述的顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，其特征在于：所述管道前段（41）上装有防止所述注浆孔（43）堵塞的套筒（8）。

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