CN103995097A - 一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法及装置，步骤：1）安装侧向柔性加载囊；2）填土；3）安装模拟顶管；4）安装加载系统；5）加载；6）监测初始值；7）模拟开挖地层损失过程；8）试验数据的整理与分析。将侧向柔性加载囊黏贴在模型箱内壁上，左端连接侧向柔性加载囊，右端连接侧向加载压力表，侧向加载压力表通过侧向加压注水管与侧向加载加压泵连接，侧向柔性加载囊顶部设排气阀，在模型箱前侧壁距模型箱底开圆孔，圆形顶管预留孔周边焊接螺柱，模拟顶管右端放置在模型箱前侧壁圆形顶管预留孔处，模拟顶管左端紧贴模型箱后壁放置，结构合理、操作方便，用于模拟顶管隧道施工引发的地层变形模型试验。

Description

一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法及装置

技术领域

本发明涉及岩土力学试验技术领域，更具体涉及一种可模拟顶管施工引发地层变形的试验方法，同时还涉及一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，适用于模拟现场条件的顶管施工引发地层变形模型试验。

背景技术

顶管施工技术是在不开挖地表的情况下，以液压为动力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。作为一种地下开挖方法，顶管施工也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，扰动的结果是使周围的土体出现卸载或加载等复杂的力学行为并使土层的物理、力学指标产生变化，引起管道周围土体产生变形，产生地面和地下土体的移动，即地层变形。当地层变形超过一定范围时，会严重危及邻近建(构)筑物基础、邻近建(构)筑物、和地下管网的安全，引起一系列岩土工程问题。因此，测定顶管开挖而引起的地层变形，弄清顶管施工引发地层变形，进而提出有针对性的处理对策，对保证顶管施工安全具有重要意义。

目前针对地层变形，其物理、力学指标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。因此，为了更好地模拟现场顶管开挖施工环境，研究顶管开挖引起的地层变形对施工和周边建筑物安全的影响规律，有必要研制一种可模拟顶管施工引发地层变形的试验装置及试验方法。

经对现有技术文献检索发现，专利-顶管注浆减阻的室内模拟实验系统(申请号：201210137982.X)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、水平加载系统、竖向加载系统等，该试验系统能模拟管道在土层中的顶进过程，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，但没有考虑顶管施工过程中的地层损失的影响。专利-平行顶管顶进施工模拟装置(申请号：201110109981.X)公开了一种建筑工程技术领域的平行顶管顶进施工模拟装置，包括：模拟箱体、连接管节、支撑机构等。该发明可以对大直径、长距离、复杂地层、江中江中浅覆土等条件下各种不同参数的平行顶管施工进行模拟试验，但同样没有考虑顶管施工过程中的地层损失的影响。进一步检索尚未发现关于顶管施工引起地层沉降的模拟试验系统。可见，目前尚无能模拟顶管施工引发地层变形的试验装置及试验方法。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法，方法易行，能很好地模拟现场顶管隧道开挖引发的地层变形效应。在模拟顶管隧道开挖模型试验过程中，可通过调节上覆压力和侧向压力来模拟不同的覆盖层厚度，以研究荷载水平对地层变形的影响规律；柔性加载囊可在保持均衡压力的情况下较好地适应地层变形，充分反映地层变形；通过调节顶管外壁包裹的环形水囊的压力和水量可研究顶管隧道不同的超挖厚度对地层损失的影响。

本发明的另一个目的是在于提供了一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，该试验装置结构合理、操作方便，主要用于模拟顶管隧道施工引发的地层变形模型试验研究。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法，其步骤是：

1)安装侧向柔性加载囊：开启侧向注水阀和侧向柔性加载囊上的第一排气阀，启动侧向加载加压泵，给侧向柔性加载囊注水，直到侧向柔性加载囊注满水，停止注水，并关闭侧向注水阀和第一排气阀，然后将侧向柔性加载囊安装在模型箱右侧壁的预设位置。

2)填土与埋深监测元件：在模型箱中分层均匀地填入试验土体，并在预设位置埋设土压力盒和位移传感器，土压力盒和位移传感器外接数据采集仪，实时采集试验土体土压力和位移数据。试验土体填至模型箱前侧壁上的圆形顶管预留孔时停止填土。

3)安装模拟顶管：将模拟顶管安装在模型箱预设位置，开启进水总管阀门、排气总管、进水支管阀门和排气支管阀门，启动进水总管加压泵，给环形水囊注水，待排气支管阀门和排气总管均出水时，关闭排气支管阀门、排气总管、进水总管加压泵、进水总管阀门和进水支管阀门，继续填土至预定高度2.2-2.8m(2.2m或2.4m或2.6m或2.8m)。

4)安装加载系统：开启竖向注水阀和竖向柔性加载囊上的第二排气阀，启动竖向加载加压泵，给竖向柔性加载囊注水，直到竖向柔性加载囊注满水，停止注水，并关闭竖向注水阀和第二排气阀。然后，将充满水的竖向柔性加载囊平放在试验土体上表面。之后将刚性加载板、传力柱、液压千斤顶安装在预设位置。

5)加载：加载系统安装完成后通过液压千斤顶对试验土体加载到预定压力100kPa－600kPa(100kPa或200kPa或300kPa或400kPa或500kPa或600kPa)，模拟实际施工过程中顶管所受的上覆压力。开启侧向注水阀，启动侧向加载加压泵，给侧向柔性加载囊加压到预设压力50kPa－300kPa(50kPa或100kPa或200kPa或300kPa)，加压完毕后静置1～2天。

6)监测初始值：在模拟开挖之前，记录各监测物理量(位移和土压力)的初始值。

7)模拟顶管施工地层损失过程：首先开启模拟顶管左端环形水囊相连的进水支管上的进水支管阀门和进水总管上的进水总管阀门，将钢管外周包裹的环形水囊中的水缓慢排出，通过流量计和进水总管压力表分别记录排水量和环形水囊中水压力，当排水量和压力达到预设值时，关闭进水支管阀门和进水总管阀门停止排水，静置1～2天，在整个过程中记录各监测物理量变化。然后，按从左至右的顺序，按上述方法逐个排放模拟顶管中环形水囊中的水，以模拟地层损失，同时记录各监测物理量变化。

8)试验数据的整理与分析：对试验中位移和压力等物理量的监测成果进行整理，分析开挖前后试验土体位移和土压力的变化规律，阐明顶管开挖引起的地层损失规律及其影响因素。

一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，它由侧向柔性加载囊、竖向柔性加载囊、刚性加载板、反力架立柱、反力架横梁、传力柱、液压千斤顶、侧向加载压力表、侧向加载加压泵、第一侧向加压注水管、第二侧向加压注水管、第一排气阀、竖向加载压力表、竖向加载加压泵、第一竖向加压注水管、第二竖向加压注水管、第二排气阀，模拟顶管、模型箱、土压力盒、位移传感器、环形水囊、进水总管、进水总管压力表、进水总管阀门、进水总管加压泵、排气总管、流量计、排气总管阀门、进水支管、排气支管、进水支管阀门、排气支管阀门、螺柱、螺帽、橡胶垫圈、千斤顶压力传感器、侧向注水阀、竖向注水阀、侧向注水孔接口、竖向注水孔接口、水管接口、气管接口组成。其连接关系是：采用结构胶将侧向柔性加载囊黏贴在模型箱右侧内壁上，所述的结构胶为YJS-501建筑结构胶。在模型箱右侧壁下部距模型箱底板约98－102mm、距前侧壁1.4－1.6m处开第一注水管预留孔，第一注水管预留孔为一圆柱形小孔，孔径比第二侧向加压注水管外径大5～6mm，第二侧向加压注水管穿过第一注水管预留孔，左端与侧向柔性加载囊上的侧向注水孔接口连接，右端顺序连接侧向加载压力表、侧向注水阀、第一侧向加压注水管和侧向加载加压泵，第二侧向加压注水管与模型箱上的第一注水管预留孔之间的间隙采用结构胶封填。在模型箱前侧壁中部距模型箱底板约1/3箱体高度处开一直径为0.4－0.7m(0.4或0.5或0.6或0.7m)的圆形顶管预留孔，圆形顶管预留孔直径比环形水囊外径大20mm，环圆形顶管预留孔周边均匀焊接六个螺柱。模拟顶管穿过模型箱前侧壁上的圆形顶管预留孔平放在模型箱中，模拟顶管右端的环形端板紧贴模型箱前侧壁，橡胶垫圈套在钢管上夹在环形端板与模型箱前侧壁之间，模型箱上的螺柱穿过橡胶垫圈和环形端板上的螺孔，螺帽拧在螺柱上，将环形端板与模型箱前侧壁牢固连接在起来。将各进水支管和排气支管的一端分别连接到相对应的环形水囊上的水管接口和气管接口上，各进水支管和排气支管的另一端穿过钢管管壁上预留的圆柱形小孔，分别与进水总管和排气总管连接，并用结构胶封填进水支管和排气支管与钢管管壁上的圆柱形小孔之间的空隙。进水总管右端顺序连接进水总管压力表、进水总管阀门和进水总管加压泵，排气总管右端顺序连接流量计和排气总管阀门。

模型箱中填满试验土体，填土过程中将土压力盒和位移传感器安装在预设位置上。

竖向柔性加载囊水平放置在试验土体上表面，在模型箱右侧壁下部距模型箱底板约2.2～2.8m、距前侧壁1.4－1.6m处开第二注水管预留孔，第二注水管预留孔为一圆柱形小孔，其孔径比第一竖向加压注水管外径大5～6mm，第一竖向加压注水管穿过第二注水管预留孔，左端与竖向柔性加载囊2上的竖向注水孔接口连接，右端顺序连接竖向加载压力表、竖向注水阀、第二竖向加压注水管和竖向加载加压泵，第一竖向加压注水管与模型箱上的第二注水管预留孔之间的间隙采用结构胶封填。刚性加载板放置在竖向柔性加载囊上表面，刚性加载板上表面中心位置焊接传力柱，传力柱上放置液压千斤顶，液压千斤顶连接千斤顶压力传感器,液压千斤顶的活塞杆顶在反力架横梁底面中央。模型箱左右两侧外壁中央位置各焊接一根反力架立柱，反力架横梁两端分别与两反力架立柱顶端焊接。

所述的模型箱是采用厚度约为28－32mm的钢板焊接而成的长方形箱体，内空尺寸大致为长4.8－5.2m、宽2.8－3.2m、高2.8－3.2m，模型箱上部开口。

所述的侧向柔性加载囊和竖向柔性加载囊均是用橡胶制作的扁平状水袋，侧向柔性加载囊长约4.95m，较模型箱内空长度小50～60mm，高度与试验土体高度一致2.2－2.8m(2.2m或2.4m或2.6m或2.8m)，厚度约50～60mm，侧向柔性加载囊顶部中央设第一排气阀，第一排气阀采用嵌入式排气阀，在侧向柔性加载囊1右侧壁上距下边缘98－102mm、前边缘1.4－1.6m处设侧向注水孔接口，侧向注水孔接口与第一侧向加压注水管采用螺纹连接。

所述的竖向柔性加载囊长约4.95m，宽约2.95m，厚度约50～60mm，其长和宽均较模型箱内空长和宽小50～60mm，竖向柔性加载囊在左端部侧壁中央设第二排气阀，第二排气阀采用嵌入式排气阀，在竖向柔性加载囊右端部侧壁中央设竖向注水孔接口，竖向注水孔接口与第一竖向加压注水管采用螺纹连接。

所述的刚性加载板采用厚度约为50mm的钢板制作，刚性加载板长约4.95m，宽约2.95m，其长、宽较模型箱内空的长和宽均小于30～50mm。

所述的模拟顶管由钢管、环形端板、左端板和环形水囊等部件组成。钢管是外径为0.3～0.5m、壁厚为10mm、长约5m的普通碳素钢管；左端板外径与钢管外径一致，位于钢管左端，左端板与钢管焊接，环形端板焊接在钢管右端端口处；8～10个环形水囊套在钢管外壁上，环形水囊沿钢管纵向依次紧密排列，彼此无空隙。在钢管管壁与各环形水囊上水管接口和气管接口对应的位置钻圆柱形小孔，所述圆柱形小孔直径比进水支管和排气支管外径大于5～6mm。

所述的环形端板是内径与钢管外径一致、外径比内径大100～150mm、厚度约为10mm的圆环形钢板。在环形端板上与模型箱上的螺柱相对应的位置制作螺孔，螺孔孔径略大于螺柱的外径。

所述的环形水囊是用橡胶制作的环形扁平状水袋，每个环形水囊长为0.5～0.6m，环形水囊内径与钢管外径一致，壁厚为80～100mm。在环形水囊内环环壁底部和顶部中央分别设置水管接口和气管接口。

所述的橡胶垫圈是用橡胶制作的内径比模拟顶管外径大5～6mm、外径与环形端板外径一致的环形橡胶垫片，在橡胶垫圈上和模型箱螺柱相对应的位置制作螺孔，螺孔孔径略大于螺柱外径。

第一侧向加压注水管、第二侧向加压注水管、第一竖向加压注水管、第二竖向加压注水管、进水总管、水支管、排气总管和排气支管均采用同型号外径15～18mm的金属软管。

所述的反力架横梁和反力架立柱均采用工字钢制作，反力架横梁长约3.2m，反力架立柱高约2m，反力架立柱底端距模型箱上表面约1m，反力架横梁中心点和液压千斤顶中心轴相正对。

所述的土压力盒采用普通土压力盒，在距竖向柔性加载囊底面以下100mm的水平断面上埋设24个土压力盒，具体布置为：在模型箱宽度方向上等间距布置4排，每排等间距布置6个；在距侧向柔性加载囊内侧面100mm的竖直断面上埋设15个土压力盒：在模型箱长度方向上等间距布置5排，每排等间距布置3个。

所述的位移传感器采用磁致伸缩线性位移传感器，它由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环组成。填土前，将50根位移传感器测杆竖直立在模型箱底板上：在模型箱底板宽度方向等间距布置五排，每排等间距布置根。之后随着填土的进行，在测杆上套上磁环：模拟顶管正下方的四根位移传感器测杆每根套2个磁环；其余16根位移传感器测杆每根等间距套5个套环。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1)配合使用刚性加载板和柔性加载囊进行加载可更好地适应地层变形，充分反应地层变形发展状态。

2)试验过程中通过调节液压千斤顶，可调整土体上覆荷载水平，以反应实际工程中不同的土层厚度或上覆荷载的影响，便于研究顶管埋深、上覆荷载大小对地层变形的影响规律。

3)通过调节顶管外壁包裹的环形水囊的压力和水量可研究顶管隧道不同的超挖厚度对地层损失的影响。

4)将模拟顶管外壁包裹的环形水囊分层8～10段便于分时段对环形水囊进行卸压，可以模拟顶管推进过程中逐步引发的地层损失。

申请者利用本模拟顶管施工引发地层变形的试验方法及装置开展了试验，发现模拟顶管开挖引发的地层应力、变形特征均与工程实际保持了较高的吻合度，较好地反映出顶管隧道开挖引起的地层变形状态的特点与演化规律，满足了模拟现场顶管隧道开挖引发的地层变形效应的需求，对于推动顶管施工技术发展具有重要意义。

附图说明

图1为一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置示意图。

图2为一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置正视图。

图3为一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置中模拟顶管与模型箱连接大样图。

图4为一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置中模型箱纵剖面图。

图中：

1.侧向柔性加载囊，2.竖向柔性加载囊，3.刚性加载板，4.反力架立柱，5.反力架横梁，6.传力柱，7.液压千斤顶(如TWO520D型、TWO550F型等)，8.侧向加载压力表(如YN-150ZQ型、Y-153B型等)，9.侧向加载加压泵(如YN-150ZQ型、Y-153B型等)，10.第一侧向加压注水管，11.第二侧向加压注水管，12第一排气阀(如ZP88型、KDL-8121型等)，13.竖向加载压力表(如YN-150ZQ型、Y-153B型等)，14.竖向加载加压泵(如25GDL2型、YN-150ZQ型)，15.第一竖向加压注水管，16.第二竖向加压注水管，17.第二排气阀(如ZP88型、KDL-8121型等)，18.模拟顶管，19.模型箱，20.土压力盒(符合量程100～2000kPa、直径15～30mm的各种静土压力盒)，21.位移传感器(如KYDM-L型、MRU-3000-012型等)，22.环形水囊，23.进水总管，24.进水总管压力表(如S40DF-101I、RSCH/RCH等)，25.进水总管阀门(如B11BN-304型、SYQ3T型等)，26.进水总管加压泵(如TYP-2000型、113A035F型等)，27.排气总管，28.流量计(如LXS-40E型、LXLC-50-300型等)，29.排气总管阀门(如B11BN-304型、SYQ3T型等)，31.进水支管，32.排气支管，33.进水支管阀门(如SYQ3T型、YJZQ-J6W型)，34.排气支管阀门(如SYQ3T型、YJZQ-J6W型)，35.螺柱，36.螺帽，37.橡胶垫圈，38.环形端板，39.左端板，40.钢管，42.试验土体，43.圆形顶管预留孔，44.千斤顶压力传感器(如PCB型、SML-H-8型等)，45.侧向注水阀，46.竖向注水阀，47.侧向注水孔接口，48.竖向注水孔接口，49.第一注水管预留孔，50.第二注水管预留孔，51.水管接口，52.气管接口。

具体实施方式

实施例1：

一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法，其步骤是：

1)安装侧向柔性加载囊：开启侧向注水阀45和侧向柔性加载囊1上的第一排气阀12，启动侧向加载加压泵9，给侧向柔性加载囊1注水，直到侧向柔性加载囊1注满水，停止注水，并关闭侧向注水阀45和第一排气阀12，然后将侧向柔性加载囊1安装在模型箱19右侧壁的预设位置。

2)填土与埋深监测元件：在模型箱19中分层均匀地填入试验土体42，并在预设位置埋设土压力盒20和位移传感器21，土压力盒20和位移传感器21外接数据采集仪，实时采集试验土体土压力和位移数据。试验土体42填至模型箱19前侧壁上的圆形顶管预留孔43时停止填土。

3)安装模拟顶管：将模拟顶管18安装在模型箱19预设位置，开启进水总管阀门25、排气总管27、进水支管阀门33和排气支管阀门34，启动进水总管加压泵26，给环形水囊22注水，待排气支管阀门34和排气总管27均出水时，关闭排气支管阀门34、排气总管27、进水总管加压泵26、进水总管阀门25和进水支管阀门33，继续填土至预定高度(2.2m或2.4m或2.6m或2.8m)。

4)安装加载系统：开启竖向注水阀46和竖向柔性加载囊2上的第二排气阀17，启动竖向加载加压泵14，给竖向柔性加载囊2注水，直到竖向柔性加载囊2注满水，停止注水，并关闭竖向注水阀46和第二排气阀17。然后，将充满水的竖向柔性加载囊2平放在试验土体42上表面。之后将刚性加载板3、传力柱6、液压千斤顶7安装在预设位置。

5)加载：加载系统安装完成后通过液压千斤顶7对试验土体42加载到预定压力为100kPa或200kPa或300kPa或400kPa或500kPa或600kPa，模拟实际施工过程中顶管所受的上覆压力。开启侧向注水阀45，启动侧向加载加压泵9，给侧向柔性加载囊1加压到预设压力为50kPa或100kPa或200kPa或300kPa，加压完毕后静置1～2天。

6)监测初始值：在模拟开挖之前，记录各监测物理量(位移和土压力)的初始值。

7)模拟顶管施工地层损失过程：首先开启模拟顶管18左端环形水囊22相连的进水支管31上的进水支管阀门33和进水总管23上的进水总管阀门25，将钢管40外周包裹的环形水囊22中的水缓慢排出，通过流量计28和进水总管压力表24分别记录排水量和环形水囊22中水压力，当排水量和压力达到预设值时，关闭进水支管阀门33和进水总管阀门25停止排水，静置1～2天，在整个过程中记录各监测物理量变化。然后，按从左至右的顺序，按上述方法逐个排放模拟顶管18中环形水囊22中的水，以模拟地层损失，同时记录各监测物理量变化。

8)试验数据的整理与分析：对试验中位移和压力等物理量的监测成果进行整理，分析开挖前后试验土体42位移和土压力的变化规律，阐明顶管开挖引起的地层损失规律及其影响因素。

申请者利用本模拟顶管施工引发地层变形的试验方法及装置开展了试验，发现模拟顶管开挖引发的地层应力、变形特征均与工程实际保持了较高的吻合度，较好地反映出顶管隧道开挖引起的地层变形状态的特点与演化规律，满足了模拟现场顶管隧道开挖引发的地层变形效应的需求，对于推动顶管施工技术发展具有重要意义。

实施例2：

根据图1、图2、图3、图4可知，一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，由侧向柔性加载囊1、竖向柔性加载囊2、刚性加载板3、反力架立柱4、反力架横梁5、传力柱6、液压千斤顶7、侧向加载压力表8、侧向加载加压泵9、第一侧向加压注水管10、第二侧向加压注水管11、第一排气阀12、竖向加载压力表13、竖向加载加压泵14、第一竖向加压注水管15、第二竖向加压注水管16、第二排气阀17，模拟顶管18、模型箱19、土压力盒20、位移传感器21、环形水囊22、进水总管23、进水总管压力表24、进水总管阀门25、进水总管加压泵26、排气总管27、流量计28、排气总管阀门29、进水支管31、排气支管32、进水支管阀门33、排气支管阀门34、螺柱35、螺帽36、橡胶垫圈37、千斤顶压力传感器44、侧向注水阀45、竖向注水阀46、侧向注水孔接口47、竖向注水孔接口48、水管接口51、气管接口52组成。其连接关系是：采用结构胶将侧向柔性加载囊1黏贴在模型箱19右侧内壁上，所述的结构胶为YJS-501建筑结构胶。在模型箱19右侧壁下部距模型箱19底板约100mm、距前侧壁1.5m处开第一注水管预留孔49，第一注水管预留孔49为一圆柱形小孔，孔径比第二侧向加压注水管11外径大5～6mm，第二侧向加压注水管11穿过第一注水管预留孔49，左端与侧向柔性加载囊1上的侧向注水孔接口47连接，右端顺序连接侧向加载压力表8、侧向注水阀45、第一侧向加压注水管10和侧向加载加压泵9，第二侧向加压注水管11与模型箱19上的第一注水管预留孔49之间的间隙采用结构胶封填。在模型箱19前侧壁中部距模型箱19底板约1/3箱体高度处开一直径为0.4或0.5或0.6或0.7m的圆形顶管预留孔43，圆形顶管预留孔43直径比环形水囊22外径大20mm，环圆形顶管预留孔43周边均匀焊接六个螺柱35。模拟顶管18穿过模型箱19前侧壁上的圆形顶管预留孔43平放在模型箱19中，模拟顶管18右端的环形端板38紧贴模型箱19前侧壁，橡胶垫圈37套在钢管40上夹在环形端板38与模型箱19前侧壁之间，模型箱19上的螺柱35穿过橡胶垫圈37和环形端板38上的螺孔，螺帽36拧在螺柱35上，将环形端板38与模型箱19前侧壁牢固连接在起来。将各进水支管31和排气支管32的一端分别连接到相对应的环形水囊22上的水管接口51和气管接口52上，各进水支管31和排气支管32的另一端穿过钢管40管壁上预留的圆柱形小孔，分别与进水总管23和排气总管27连接，并用结构胶封填进水支管31和排气支管32与钢管40管壁上的圆柱形小孔之间的空隙。进水总管23右端顺序连接进水总管压力表24、进水总管阀门25和进水总管加压泵26，排气总管27右端顺序连接流量计28和排气总管阀门29。

模型箱19中填满试验土体42，填土过程中将土压力盒20和位移传感器21安装在预设位置上。

竖向柔性加载囊2水平放置在试验土体42上表面，在模型箱19右侧壁下部距模型箱19底板约2.2～2.8m、距前侧壁1.5m处开第二注水管预留孔50，第二注水管预留孔50为一圆柱形小孔，其孔径比第一竖向加压注水管15外径大5～6mm，第一竖向加压注水管15穿过第二注水管预留孔50，左端与竖向柔性加载囊2上的竖向注水孔接口48连接，右端顺序连接竖向加载压力表13、竖向注水阀46、第二竖向加压注水管16和竖向加载加压泵14，第一竖向加压注水管15与模型箱19上的第二注水管预留孔50之间的间隙采用结构胶封填。刚性加载板3放置在竖向柔性加载囊2上表面，刚性加载板3上表面中心位置焊接传力柱6，传力柱6上放置液压千斤顶7，液压千斤顶7连接千斤顶压力传感器44,液压千斤顶7的活塞杆顶在反力架横梁5底面中央。模型箱19左右两侧外壁中央位置各焊接一根反力架立柱4，反力架横梁5两端分别与两反力架立柱4顶端焊接。

所述的模型箱19是采用厚度约为30mm的钢板焊接而成的长方形箱体，内空尺寸大致为长5m、宽3m、高3m，模型箱19上部开口。

所述的侧向柔性加载囊1和竖向柔性加载囊2均是用橡胶制作的扁平状水袋，侧向柔性加载囊1长约4.95m，较模型箱19内空长度小50～60mm，高度与试验土体42高度一致(2.2m或2.4m或2.6m或2.8m)，厚度约50～60mm，侧向柔性加载囊1顶部中央设第一排气阀12，第一排气阀12采用嵌入式排气阀，在侧向柔性加载囊1右侧壁上距下边缘100mm、前边缘1.5m处设侧向注水孔接口47，侧向注水孔接口47与第一侧向加压注水管10采用螺纹连接。

所述的竖向柔性加载囊2长约4.95m，宽约2.95m，厚度约50～60mm，其长和宽均较模型箱19内空长和宽小50～60mm，竖向柔性加载囊2在左端部侧壁中央设第二排气阀17，第二排气阀17采用嵌入式排气阀，在竖向柔性加载囊2右端部侧壁中央设竖向注水孔接口48，竖向注水孔接口48与第一竖向加压注水管15采用螺纹连接。

所述的刚性加载板3采用厚度约为50mm的钢板制作，刚性加载板3长约4.95m，宽约2.95m，其长、宽较模型箱19内空的长和宽均小30～50mm。

所述的模拟顶管18由钢管40、环形端板38、左端板39和环形水囊22等部件组成。钢管40是外径为0.3～0.5m、壁厚为10mm、长约5m的普通碳素钢管；左端板39外径与钢管40外径一致，位于钢管40左端，左端板39与钢管40焊接，环形端板38焊接在钢管40右端端口处；8～10个环形水囊22套在钢管40外壁上，环形水囊22沿钢管40纵向依次紧密排列，彼此无空隙。在钢管40管壁与各环形水囊22上水管接口51和气管接口52对应的位置钻圆柱形小孔，所述圆柱形小孔直径比进水支管31和排气支管32外径大5～6mm。

所述的环形端板38是内径与钢管40外径一致、外径比内径大100～150mm、厚度约为10mm的圆环形钢板。在环形端板38上与模型箱19上的螺柱35相对应的位置制作螺孔，螺孔孔径略大于螺柱35的外径。

所述的环形水囊22是用橡胶制作的环形扁平状水袋，每个环形水囊22长为0.5～0.6m，环形水囊22内径与钢管40外径一致，壁厚为80～100mm。在环形水囊22内环环壁底部和顶部中央分别设置水管接口51和气管接口52。

所述的橡胶垫圈37是用橡胶制作的内径比模拟顶管外径大5～6mm、外径与环形端板38外径一致的环形橡胶垫片，在橡胶垫圈37上和模型箱19上螺柱35相对应的位置制作螺孔，螺孔孔径略大于螺柱35外径。

第一侧向加压注水管10、第二侧向加压注水管11、第一竖向加压注水管15、第二竖向加压注水管16、进水总管23、水支管31、排气总管27和排气支管32均采用同型号外径15～18mm的金属软管。

所述的反力架横梁5和反力架立柱4均采用工字钢制作，反力架横梁5长约3.2m，反力架立柱4高约2m，反力架立柱4底端距模型箱19上表面约1m，反力架横梁5中心点和液压千斤顶7中心轴相正对。

所述的土压力盒20采用普通土压力盒，在距竖向柔性加载囊2底面以下100mm的水平断面上埋设24个土压力盒20，具体布置为：在模型箱19宽度方向上等间距布置4排，每排等间距布置6个；在距侧向柔性加载囊1内侧面100mm的竖直断面上埋设15个土压力盒20：在模型箱19长度方向上等间距布置5排，每排等间距布置3个。

所述的位移传感器21采用磁致伸缩线性位移传感器，它由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环组成。填土前，将50根位移传感器21测杆竖直立在模型箱19底板上：在模型箱19底板宽度方向等间距布置五排，每排等间距布置6根。之后随着填土的进行，在测杆上套上磁环：模拟顶管18正下方的四根位移传感器测杆每根套2个磁环；其余16根位移传感器测杆每根等间距套5个套环。

装置适用范围：

本发明提供了一种可模拟顶管施工引发地层变形的试验方法及装置，适用于模拟现场条件的顶管施工引发地层变形模型试验。

Claims (9)

1.一种模拟顶管施工引发地层变形的试验方法，其步骤是：

1）安装侧向柔性加载囊：开启侧向注水阀（45）和侧向柔性加载囊（1）上的第一排气阀（12），启动侧向加载加压泵（9），给侧向柔性加载囊（1）注水，直到侧向柔性加载囊（1）注满水，停止注水，并关闭侧向注水阀（45）和第一排气阀（12），将侧向柔性加载囊（1）安装在模型箱（19）右侧壁的预设位置；

2）填土与埋深监测元件：在模型箱（19）中分层均匀地填入试验土体（42），并在预设位置埋设土压力盒（20）和位移传感器（21），土压力盒（20）和位移传感器（21）外接数据采集仪，实时采集试验土体土压力和位移数据，试验土体（42）填至模型箱（19）前侧壁上的圆形顶管预留孔（43）时停止填土；

3）安装模拟顶管：将模拟顶管（18）安装在模型箱（19）预设位置，开启进水总管阀门（25）、排气总管（27）、进水支管阀门（33）和排气支管阀门（34），启动进水总管加压泵（26），给环形水囊（22）注水，排气支管阀门（34）和排气总管（27）出水时，关闭排气支管阀门（34）、排气总管（27）、进水总管加压泵（26）、进水总管阀门（25）和进水支管阀门（33），继续填土至高度2.2m-2.8m；

4）安装加载系统：开启竖向注水阀（46）和竖向柔性加载囊（2）上的第二排气阀（17），启动竖向加载加压泵（14），给竖向柔性加载囊（2）注水，直到竖向柔性加载囊（2）注满水，停止注水，并关闭竖向注水阀（46）和第二排气阀（17），将充满水的竖向柔性加载囊（2）平放在试验土体（42）上表面，之后将刚性加载板（3）、传力柱（6）、液压千斤顶（7）安装在预设位置；

5）加载：加载系统安装完成后通过液压千斤顶（7）对试验土体（42）加载到压力为100kPa-600kPa，模拟实际施工过程中顶管所受的上覆压力，开启侧向注水阀（45），启动侧向加载加压泵（9），给侧向柔性加载囊（1）加压到预设压力为50kPa-300kPa，加压完毕后静置1~2天；

6）监测初始值：在模拟开挖之前，记录各监测物理量的初始值；

7）模拟顶管施工地层损失过程：首先开启模拟顶管（18）左端环形水囊（22）相连的进水支管（31）上的进水支管阀门（33）和进水总管（23）上的进水总管阀门（25），将钢管（40）外周包裹的环形水囊（22）中的水排出，通过流量计（28）和进水总管压力表（24）分别记录排水量和环形水囊（22）中水压力，排水量和压力达到预设值时，关闭进水支管阀门（33）和进水总管阀门（25）停止排水，静置1~2天，在整个过程中记录各监测物理量变化，然后，按从左至右的顺序，逐个排放模拟顶管（18）中环形水囊（22）中的水，同时记录各监测物理量变化；

8）试验数据的整理与分析：对试验中位移和压力物理量的监测进行整理，分析开挖前后试验土体（42）位移和土压力的变化规律，阐明顶管开挖引起的地层损失规律及其影响因素。

2.权利要求1所述的一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，它包括侧向柔性加载囊（1）、刚性加载板（3）、液压千斤顶（7）、模拟顶管（18）、模型箱（19）、环形水囊（22）、进水总管（23）、排气总管（27）、橡胶垫圈（37），其特征在于：将侧向柔性加载囊（1）黏贴在模型箱（19）右侧内壁上，在模型箱（19）右侧壁下部距模型箱（19）底板98－102mm、距前侧壁1.4－1.6m处开第一注水管预留孔（49），第一注水管预留孔（49）为一圆柱形孔，孔径比第二侧向加压注水管11外径大5~6mm，第二侧向加压注水管（11）穿过第一注水管预留孔（49），左端与侧向柔性加载囊（1）上的侧向注水孔接口（47）连接，右端顺序连接侧向加载压力表（8）、侧向注水阀（45）、第一侧向加压注水管（10）和侧向加载加压泵（9），第二侧向加压注水管（11）与模型箱（19）上的第一注水管预留孔（49）之间的间隙采用结构胶封填，在模型箱（19）前侧壁中部距模型箱（19）底板1/3箱体高度处开一直径为0.4－0.7m的圆形顶管预留孔（43），圆形顶管预留孔（43）直径比环形水囊（22）外径大20mm，环圆形顶管预留孔（43）周边均匀焊接六个螺柱（35），模拟顶管（18）穿过模型箱（19）前侧壁上的圆形顶管预留孔（43）平放在模型箱（19）中，模拟顶管（18）右端的环形端板（38）紧贴模型箱（19）前侧壁，橡胶垫圈（37）套在钢管（40）上夹在环形端板（38）与模型箱（19）前侧壁之间，模型箱（19）上的螺柱（35）穿过橡胶垫圈（37）和环形端板（38）上的螺孔，螺帽（36）拧在螺柱（35）上，将环形端板（38）与模型箱（19）前侧壁连接，将各进水支管（31）和排气支管（32）的一端分别连接到环形水囊（22）上的水管接口（51）和气管接口（52）上，各进水支管（31）和排气支管（32）的另一端穿过钢管（40）管壁上预留的圆柱形孔，分别与进水总管（23）和排气总管（27）连接，用结构胶封填进水支管（31）和排气支管（32）与钢管（40）管壁上的圆柱形孔之间的空隙，进水总管（23）右端顺序连接进水总管压力表（24）、进水总管阀门（25）和进水总管加压泵（26），排气总管（27）右端顺序连接流量计（28）和排气总管阀门（29），竖向柔性加载囊（2）水平放置在试验土体（42）上，在模型箱（19）右侧壁下部距模型箱（19）底板2.2~2.8m、距前侧壁1.4-1.6m处开第二注水管预留孔（50），第二注水管预留孔（50）为一圆柱形孔，其孔径比第一竖向加压注水管（15）外径大5~6mm，第一竖向加压注水管（15）穿过第二注水管预留孔（50），左端与竖向柔性加载囊（2）上的竖向注水孔接口（48）连接，右端顺序连接竖向加载压力表（13）、竖向注水阀（46）、第二竖向加压注水管（16）和竖向加载加压泵（14），第一竖向加压注水管（15）与模型箱（19）上的第二注水管预留孔（50）之间的间隙采用结构胶封填，刚性加载板（3）放置在竖向柔性加载囊（2）上，刚性加载板（3）上表面中心位置焊接传力柱（6），传力柱（6）上放置液压千斤顶（7），液压千斤顶（7）连接千斤顶压力传感器（44）, 液压千斤顶（7）的活塞杆顶在反力架横梁（5）底面，模型箱（19）左右两侧外壁各焊接反力架立柱（4），反力架横梁（5）两端分别与两反力架立柱（4）顶端焊接。

3.根据权利要求2所述的一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，其特征在于：所述的模型箱（19）是采用厚度为28－32mm的钢板焊接的长方形箱体，内空尺寸大致为长5m、宽3m、高3m，模型箱（19）上部开口。

4.根据权利要求2所述的一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，其特征在于：所述的侧向柔性加载囊（1）和竖向柔性加载囊（2）是用橡胶制作的扁平状水袋，侧向柔性加载囊（1）长4.95m，较模型箱（19）内空长度小50~60mm，高度与试验土体（42）高度一致2.2－2.8m，厚度50~60mm，侧向柔性加载囊（1）顶部设第一排气阀（12），第一排气阀（12）采用嵌入式排气阀，在侧向柔性加载囊（1）右侧壁上距下边缘98－102mm、前边缘1.4－1.6m处设侧向注水孔接口（47），侧向注水孔接口（47）与第一侧向加压注水管（10）连接，所述的竖向柔性加载囊（2）长4.95m，宽2.95m，厚度50~60mm，其长和宽均较模型箱（19）内空长和宽小50~60mm，竖向柔性加载囊（2）在左端部侧壁中央设第二排气阀（17），第二排气阀（17）采用嵌入式排气阀，在竖向柔性加载囊（2）右端部侧壁设竖向注水孔接口（48），竖向注水孔接口（48）与第一竖向加压注水管（15）连接。

5.根据权利要求1所述的一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，其特征在于：所述的刚性加载板（3）采用厚度为48－52mm的钢板制作，刚性加载板（3）长4.95m，宽2.95m，其长、宽较模型箱（19）内空的长和宽均小于30~50mm。

6.根据权利要求2所述的一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，其特征在于：所述的模拟顶管（18）由钢管（40）、环形端板（38）、左端板（39）和环形水囊（22）部件组成，钢管（40）是外径为0.3~0.5m、壁厚为10 mm、长5m的碳素钢管；左端板（39）外径与钢管（40）外径一致，位于钢管（40）左端，左端板（39）与钢管（40）焊接，环形端板（38）焊接在钢管（40）右端端口处；8~10个环形水囊（22）套在钢管（40）外壁上，环形水囊（22）沿钢管（40）纵向依次排列，在钢管（40）管壁与各环形水囊（22）上水管接口（51）和气管接口（52）对应的位置钻圆柱形孔，所述圆柱形孔直径比进水支管（31）和排气支管（32）外径大于5~6mm。

7.根据权利要求2所述的一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，其特征在于：所述的环形端板（38）是内径与钢管（40）外径一致、外径比内径大100~150mm、厚度为10mm的圆环形钢板，在环形端板（38）上与模型箱（19）上的螺柱（35）相对应的位置制作螺孔，螺孔孔径略大于螺柱（35）的外径。

8.根据权利要求2所述的一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，其特征在于：所述的环形水囊（22）是用橡胶制作的环形扁平状水袋，每个环形水囊（22）长为0.5~0.6m，环形水囊（22）内径与钢管（40）外径一致，壁厚为80~100mm，在环形水囊（22）内环环壁底部和顶部分别设置水管接口（51）和气管接口（52）。

9.根据权利要求2所述的一种模拟顶管施工引发地层变形的试验装置，其特征在于：所述的橡胶垫圈（37）是用橡胶制作的内径比模拟顶管外径大5~6mm、外径与环形端板（38）外径一致的环形橡胶垫片，在橡胶垫圈（37）上和模型箱（19）上螺柱（35）对应的位置制作螺孔。