CN109811807B - 等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置及试验方法，包括垂直切削搅拌装置、水平移动平台、注浆装置、箱体、机器台架和土压力加载装置；水平移动平台安装在机器台架的水平导轨上，机器台架和箱体通过焊接在一起，形成整体；垂直切削搅拌装置安装在所述的水平移动平台上，水平移动平台带动所述的垂直切削搅拌装置水平移动；土压力加载装置固定在箱体的背面中部，用于对试件进行应力加载；注浆装置安装在垂直切削搅拌装置内，通过注浆装置向试件内加注切削液和固化液。

Description

等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于基坑工程、地下工程中支护结构与截水帷幕等领域，具体涉及一种等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置及试验方法。

背景技术

等厚水泥土地下连续墙(TRD)工法是一种在成熟的围护工法的基础上优化发展出的新型隔水帷幕工法，其原理是利用锯链式的刀架切割土体并注入水泥浆液混合搅拌，利用工艺的先进性完成均匀连续的水泥土搅拌墙成墙。该工法于1993年由日本神户制钢所首次研制成功，并在第二年应用于工程实践。我国于2005年首次引进该工法并应用于工程实践，目前已经在上海、天津、杭州、南昌、长沙、青岛等大部分沿海、沿江、沿河城市应用。

该工法具有自行掘削和混合搅拌固化液的功能，其具体操作如图1所示：首先，将链锯型切削刀具插入地基，掘削至墙体设计深度；其次，注入固化剂，与原位土体混合；然后，持续横向掘削、搅拌，水平推进，构筑成高品质的水泥土搅拌连续墙。

TRD隔水帷幕工法具有施工深度大、适应地层广、成墙质量好、抗渗性能好、强度离散性小、安全性高和连续性高等显著优点。尽管TRD工法的研究在近几年来已经成为国内外研究的热点，并在工法施工工艺上取得了很大的进展，但在模型试验方面仍处于空白。

发明内容

本发明为了实现TRD工法的室内模拟，本发明公开了一种等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置及试验方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置，包括垂直切削搅拌装置、水平移动平台、注浆装置、箱体、机器台架和土压力加载装置；

所述水平移动平台安装在机器台架的水平导轨上，所述的机器台架安装在箱体上，机器台架和箱体连接在一起，形成整体；

所述的垂直切削搅拌装置安装在所述的水平移动平台上，所述的水平移动平台带动所述的垂直切削搅拌装置水平移动；

所述土压力加载装置固定在箱体的背面中部，用于对试件进行应力加载；

所述注浆装置安装在垂直切削搅拌装置内，通过注浆装置向试件内加注切削液和固化液。

本发明通过模拟不同地层条件，在试验过程中，利用垂直和水平设置的两个扭矩传感器分别测量不同速度对应的切削阻力和水平阻力，通过注浆装置加注切削液和固化液，并记录注浆数据，基于土压力加载装置，研究成墙后的力学规律。

进一步的，所述的垂直切削搅拌装置包括第一电机、第一扭矩传感器、切削支架和切削主轴，所述第一电机通过第一联轴器与第一扭矩传感器连接，所述第一扭矩传感器通过第一联轴器与所述的切削主轴相连，且为保证切削主轴的稳定性通过两个支撑轴承进行支撑；在所述的切削主轴上安装有切削支架。

更近一步的，所述切削支架包括连接在一起的上支架和下支架，所述的上支架通过轴承安装在切削主轴上，下支架连接在上支架的底部；在所述的上支架内部设有安装在切削主轴上的上链轮，在所述的下支架内部安装有与切削主轴平行的切削副轴上；所述的上、下链轮通过链条连接，所述链条上水平的固定所述的切割刀具。

进一步的，所述第一电机、第一扭矩传感器、上链轮应在一个水平线上，所述上、下链轮应在一条铅垂线上。

进一步的，所述的水平移动平台通过所述的水平驱动装置驱动；所述的水平驱动装置包括第二电机、第二扭矩传感器、第二联轴器、齿轮和齿轨，所述第二电机、第二扭矩传感器和齿轮应在一条铅垂线上，所述第二电机通过第二联轴器与第二扭矩传感器连接，所述齿轮安装在第二扭矩传感器另一端，所述齿轮和齿轨配合，所述的齿轨固定在机器支架上，所述水平驱动装置安装在水平移动平台上，在齿轮旋转的过程中，沿着齿轨做水平移动，进而带着所述的水平移动平台进行移动。

进一步的，所述的注浆装置包括注浆管、注浆记录设备和注浆泵，所述的注浆管的注浆口位于到垂直切削搅拌装置的外部，注浆管的出浆口位于垂直切削搅拌装置下部；所述注浆记录设备、注浆泵通过高压软管与注浆管连接，记录试验过程中注浆参数。

进一步的，在所述的箱体包括三个透明面、一个钢板背面和底座，所述三个透明面通过高强搭扣锁相互连接，并与钢板背面连接，所述透明板和背面的相互连接处应平整，便于密封，所述透明面将玻璃通过玻璃胶粘接在钢支架上，所述钢板背面焊接在底座上，并与机器台架焊接，所述底座应在透明板安装位置外沿留设一定高度边沿，用于透明板固定和密封。

进一步的，所述的机器台架上方安装垂直切削搅拌装置和水平移动平台，通过高强螺栓连接，下方与机器台架水平轨道相连。

进一步的，所述的土压力加载装置包括油压千斤顶和加载钢板，所述油压千斤顶固定在背板外侧，所述加载钢板在背板内侧，固定在油压千斤顶末端。

利用前面所述的装置进行试验的方法，包括以下步骤：

(1)测试试验装置是否正常运转，并打开监测软件，记录各传感器初始值；

(2)依据不同试验目的，配制不同砂土材料，填料过程中，应分层振捣密实，满足相似试验要求，同时埋设相应传感器，垂直切削搅拌装置应移动至箱体的一端后，进行填料；

(3)计算切削液和固化剂用量，并根据配比，配制完成切削液，切削液应搅拌均匀，不应长久静置，使用前应测量切削液参数是否满足试验要求；

(4)打开各类监测设备，开启垂直切削搅拌装置的电机，待机器平稳运转后，根据试验目的，调整垂直切削速度；

(5)开启水平驱动装置的电机，并根据试验目的，调整水平移动平台的水平移动速度，同时，根据计算结果，注入相应的切削液，记录切削液注入过程中注浆参数；

(6)根据不同试验目的配制不同配比固化剂，砂土体切削完毕后，将垂直切削搅拌装置移动到箱体一端，根据前期计算结果，注入相应的固化剂，同时记录固化剂注入过程中的注浆参数；

(7)固化剂注入完成后，根据试验设计要求，插入型钢，插入过程应满足垂直度等要求；

(8)吊住垂直切削搅拌装置的上链轮，拆除垂直切削搅拌装置与水平移动平台连接螺栓，将垂直切削搅拌装置整体吊起并移出，利用高压水枪冲洗干净，水平放置；

(9)根据不同试验条件，对试件养护；

(10)养护结束后，使用取芯设备取芯，留作强度和渗透系数测试；

(11)拆除三面透明板，使用土压力加载装置对试件进行应力加载，并打开应力监测系统，记录相应的力学行为。

本发明涉及一种等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置及试验方法，实现了不同切削速度和水平移动速度对地下连续墙的均匀性影响，建立切削速度、水平移动速度以及搅拌时间与搅拌均匀性之间的数值表征方法；不同切削液对砂土体搅拌均匀性影响机理，分析切削液浓度与砂层颗粒级配之间定量关系，得到适应不同砂层的切屑液配比；基于浆液监测装置，研究固化剂在切削刀具扰动下的扩散规律；通过研究型钢水泥土一体结构的力学机理及破坏特征，模拟基坑开挖时型钢与连续墙体的受力及协调变形规律；本发明可以实现如下功能：

(1)测试不同切削速度和水平移动速度对地下连续墙的均匀性影响，建立切削速度、水平移动速度以及搅拌时间与搅拌均匀性之间的数值表征方法；

(2)不同切削液对砂土体搅拌均匀性影响机理，分析切削液浓度与砂层颗粒级配之间定量关系，得到适应不同砂层的切屑液配比；

(3)基于浆液监测装置，研究固化剂在切削刀具扰动下的扩散规律；

(4)通过研究型钢水泥土一体结构的力学机理及破坏特征，模拟基坑开挖时型钢与连续墙体的受力及协调变形规律。

该设备具有可视化、密封性好、可重复使用、操作方便等优点。

本发明实现一种等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置及使用方法，具有以下优点：

1、通过模拟不同地层条件，在试验过程中，利用垂直和水平扭矩传感器分别测量不同速度对应的切削阻力和水平阻力，通过注浆装置加注切削液和固化液，并记录注浆数据，基于土压力加载装置，研究成墙后的力学规律，对试验过程控制有效；

2、该装置能够实现单因素模拟试验，试验结果可靠；如颗粒级配单因素模拟试验、砂层厚度单因素模拟试验、砂层埋深单因素模拟试验等。

3、结构简单，安装操作方便，可反复使用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为等厚水泥土地下连续墙(TRD)工法的操作过程图；

图2为本发明装置前视图；

图3为本发明装置侧视图；

图4为本发明装置俯视图图；

图5、图6为本发明垂直切削搅拌图；

图7为本发明切割刀具前视图；

图8为本发明切割刀具侧视图；

图9为本发明切割刀具俯视图；

图中：1.水平移动变频调速电机；2.水平移动扭矩传感器；3.联轴器Ⅰ；4.行走齿轮；5.水平固定齿轨；6.垂直切削搅拌变频调速电机；7.联轴器Ⅱ；8.垂直切削扭矩传感器；9.联轴器Ⅲ；10.支撑轴承Ⅰ；11.支撑轴承Ⅱ；12.上链轮；13.切削主轴；14.支撑轴承Ⅲ；15.链条；16.切割刀具；17.切割齿；18.切削副轴；19.下支架；20.上支架；21.下链轮；22.机器支架；23.搭扣锁；24.土压力加载千斤顶；25.土压力加载钢板；26.水平移动轨道；27.侧透明板；28.正透明板；29.底板；30.钢板背板；31.水平移动平台；32.注浆管；33.出浆口；34.连接螺栓。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明中，术语如“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本申请的一种等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置中，如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，包括垂直切削搅拌装置、水平驱动装置、水平移动平台、注浆装置、箱体、机器台架和土压力加载装置；所述的垂直切削搅拌装置通过高强螺栓安装在水平移动平台上，所述水平移动平台安装在机器台架的水平导轨上，所述的机器台架安装在箱体上，机器台架和箱体连接在一起，形成整体；水平移动平台通过水平驱动装置驱动其在水平方向上移动；所述土压力加载装置通过螺栓固定在箱体的背面中部，所述注浆装置安装在垂直切削搅拌装置内；通过模拟不同地层条件，在试验过程中，利用垂直和水平扭矩传感器分别测量不同速度对应的切削阻力和水平阻力，通过注浆装置加注切削液和固化液，并记录注浆数据，基于土压力加载装置，研究成墙后的力学规律。每个部分的具体的结构解释如下：

如图2、图3、图4所示，水平驱动装置包括水平移动变频调速电机1、水平移动扭矩传感器2、联轴器Ⅰ3、行走齿轮4和水平固定齿轨5。水平移动变频调速电机1固定在水平移动平台31，并通过联轴器Ⅰ3与水平移动扭矩传感器2相连，水平移动扭矩传感器2另一端安装有行走齿轮4，行走齿轮4与水平行走齿轨5啮合，水平移动扭矩传感器2通过线缆连接监测主机；所述水平驱动装置安装在水平移动平台上，在行走齿轮4旋转的过程中，沿着水平固定齿轨15做水平移动，进而带着所述的水平移动平台进行移动。

整体装置通过模拟不同地层条件，在试验过程中，利用垂直和水平扭矩传感器分别测量不同速度对应的切削阻力和水平阻力，通过注浆装置加注切削液和固化液，并记录注浆数据，基于土压力加载装置，研究成墙后的力学规律，对试验过程控制有效；

如图5、图6所示，垂直切削搅拌装置包括垂直切削搅拌变频调速电机6、联轴器Ⅱ7、垂直切削扭矩传感器8、联轴器Ⅲ9、支撑轴承Ⅰ10、支撑轴承Ⅱ11、上链轮12、切削主轴13、支撑轴承Ⅲ14、链条15、切割刀具16、切割齿17、切削副轴18、下支架19、上支架20、下链轮21和连接螺栓34。垂直切削搅拌变频调速电机6通过联轴器Ⅱ7与垂直切削扭矩传感器8相连，且垂直切削搅拌变频调速电机6和垂直切削扭矩传感器8利用高强螺栓固定在水平移动平台31上，垂直切削扭矩传感器8另一端通过联轴器Ⅲ9与切削主轴13相连，切削主轴13通过支撑轴承Ⅰ10和支撑轴承Ⅱ11支撑，并将支撑轴承Ⅰ10和支撑轴承Ⅱ11固定在水平移动平台31上，切削主轴13另一端安装上链轮12和上支架20，下链轮21通过切削副轴18安装在下支架19上，下支架19与上支架20通过连接螺栓34相连，在上链轮12和下链轮21之间安装链条15，并利用连接螺栓34调节链条15张紧度，链条15均匀布置切割刀具16，切割刀具16带有切割齿17。切削副轴18与切削主轴13上下设置，且相互平行。

如图7、图8和图9所示，为切割刀具16的三视图；切割刀具16带有切割齿17；切割齿17包括多个，多个切割齿分布在切割刀具上。

如图3所示，注浆装置包括注浆管32；注浆管在下支架19与上支架20内穿过，注浆管32的出浆口33安装在下链轮21上部，水平向外，注浆管32的注浆口从上支架的一侧延伸出来，与注浆泵和注浆记录仪相连。

如图2、图3、图4所示，箱体包括侧透明板27、正透明板28、底板29、钢板背板30和搭扣锁23。将两块侧透明板27和一块正透明板28，利用八个搭扣锁23固定在底板29和钢板背板30上。

如图2、图3和图4所示，土压力加载装置包括土压力加载千斤顶24和土压力加载钢板25。土压力加载千斤顶24固定在钢板背板30，土压力加载千斤顶24末端连接土压力加载钢板25，并利用液压伺服控制系统控制土压力加载千斤顶24。

如图2、图3和图4所示，水平移动平台31安装在机器支架22上端的水平移动轨道26，机器支架22与底板29和钢板背板30连接。

本发明还提供了一种等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验方法，包括：

步骤一：试机。测试试验机是否正常运转，并打开监测软件，记录各传感器初始值；

步骤二：填料。切削装置应移动至箱体的一端后，进行填料，依据不同试验目的，配制不同砂土材料，填料过程中，应分层振捣密实，满足相似试验要求，同时埋设相应传感器；

步骤三：切削搅拌。打开各类监测设备，开启垂直切削电机，待机器平稳运转后，根据试验目的，调整垂直切削速度；开启水平移动电机，并根据试验目的，调整水平移动速度，同时注入相应的切削液，记录切削液注入过程中注浆参数；

步骤四：注入固化剂。据不同试验目的配制不同配比固化剂，砂土体切削完毕后，将垂直切削搅拌装置移动到箱体一端，根据前期计算结果，注入相应的固化剂，同时记录固化剂注入过程中的注浆参数；

步骤五：插入型钢。固化剂注入完成后，移出垂直切削搅拌装置，根据试验设计要求，插入型钢，插入过程应满足垂直度等要求；

步骤六：养护。根据不同试验条件，对试件养护；

步骤七：土压力加载。拆除三面透明板，使用土压力加载装置对试件进行应力加载，并打开应力监测系统，记录相应的力学行为；

步骤八：装置复位。试件破除，并运出，清洗干净底座和背板，安装垂直切削搅拌装置，并调试该装置至正常运行状态，然后安装三块透明板。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置，其特征在于，包括垂直切削搅拌装置、水平移动平台、注浆装置、箱体、机器台架和土压力加载装置；

所述水平移动平台安装在机器台架的水平导轨上，所述的机器台架安装在箱体上，机器台架和箱体连接在一起，形成整体；

所述的垂直切削搅拌装置安装在所述的水平移动平台上，所述的水平移动平台带动所述的垂直切削搅拌装置水平移动；

所述土压力加载装置固定在箱体的背面中部，用于对试件进行应力加载；

所述注浆装置安装在垂直切削搅拌装置内，通过注浆装置向试件内加注切削液和固化液。

2.如权利要求1所述的等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置，其特征在于，所述的垂直切削搅拌装置包括第一电机、第一扭矩传感器、切削支架和切削主轴，所述第一电机通过联轴器与第一扭矩传感器连接，所述第一扭矩传感器通过第一联轴器与所述的切削主轴相连，且所述切削主轴通过两个支撑轴承进行支撑；在所述的切削主轴上安装有切削支架。

3.如权利要求2所述的等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置，其特征在于，所述切削支架包括连接在一起的上支架和下支架，所述的上支架通过轴承安装在所述的切削主轴上，下支架连接在上支架的底部；在所述的上支架内部设有安装在切削主轴上的上链轮，在所述的下支架内部安装有与切削主轴平行的切削副轴，在切削副轴上安装下链轮；所述的上、下链轮通过链条连接，所述链条上水平的固定切割刀具。

4.如权利要求1所述的等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置，其特征在于，所述的水平移动平台通过所述的水平驱动装置驱动，水平驱动装置包括第二电机、第二扭矩传感器、第二联轴器、齿轮和齿轨，所述第二电机、第二扭矩传感器和齿轮应在一条铅垂线上，所述第二电机通过第二联轴器与第二扭矩传感器连接，所述齿轮安装在第二扭矩传感器另一端，所述齿轮和齿轨配合，所述的齿轨固定在机器台架上，所述水平驱动装置安装在水平移动平台上，在齿轮旋转的过程中，沿着齿轨做水平移动，进而带着所述的水平移动平台进行移动。

5.如权利要求1所述的等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置，其特征在于，所述的注浆装置包括注浆管、注浆记录设备和注浆泵，所述的注浆管的注浆口位于到垂直切削搅拌装置的外部，注浆管的出浆口位于垂直切削搅拌装置下部；所述注浆记录设备、注浆泵通过高压软管与注浆管连接，记录试验过程中注浆参数。

6.如权利要求1所述的等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置，其特征在于，所述的箱体包括三个透明面、一个钢板背面和底座，所述三个透明面通过高强搭扣锁相互连接，并与钢板背面连接，所述透明面将玻璃通过玻璃胶粘接在钢支架上，所述钢板背面焊接在底座上，并与机器台架焊接，所述底座应在透明板安装位置外沿留设一定高度边沿，用于透明板固定和密封。

7.如权利要求1所述的等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置，其特征在于，所述的机器台架底部设置在水平轨道，沿着水平轨道移动。

8.如权利要求1所述的等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置，其特征在于，所述的土压力加载装置包括油压千斤顶和加载钢板，所述油压千斤顶固定在背板外侧，所述加载钢板在背板内侧，固定在油压千斤顶末端。

9.利用权利要求1-8任一所述的等厚水泥土地下连续墙工法模拟试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测试试验装置是否正常运转，并打开监测软件，记录各传感器初始值；

(2)依据不同试验目的，配制不同砂土材料，填料过程中，应分层振捣密实，满足相似试验要求，同时埋设相应传感器，垂直切削搅拌装置应移动至箱体的一端后，进行填料；

(3)计算切削液和固化剂用量，并根据配比，配制完成切削液，切削液应搅拌均匀，不应长久静置，使用前应测量切削液参数是否满足试验要求；

(4)打开各类监测设备，开启垂直切削搅拌装置的电机，待机器平稳运转后，根据试验目的，调整垂直切削速度；

(5)开启水平驱动装置的电机，并根据试验目的，调整水平移动平台的水平移动速度，同时，根据计算结果，注入相应的切削液，记录切削液注入过程中注浆参数；

(6)根据不同试验目的配制不同配比固化剂，砂土体切削完毕后，将垂直切削搅拌装置移动到箱体一端，根据前期计算结果，注入相应的固化剂，同时记录固化剂注入过程中的注浆参数；

(7)固化剂注入完成后，根据试验设计要求，插入型钢，插入过程应满足垂直度要求；

(8)吊住垂直切削搅拌装置的上链轮，拆除垂直切削搅拌装置与水平移动平台连接螺栓，将垂直切削搅拌装置整体吊起并移出，利用高压水枪冲洗干净，水平放置；

(9)根据不同试验条件，对试件养护；

(10)养护结束后，使用取芯设备取芯，留作强度和渗透系数测试；

(11)拆除三面透明板，使用土压力加载装置对试件进行应力加载，并打开应力监测系统，记录相应的力学行为。

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