CN111157269A - 一种顶管模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶管模型试验装置，包括试验台、拼接式试验箱、顶管模型、横向加载装置、注浆系统和数据采集系统，拼接式试验箱装配于水平设置的试验台上端，其上端敞口，内部装有模型土体，拼接式试验箱一侧侧壁上设有供顶管模型进出的出入口，顶管模型为由多节管体依次对接拼装组成，且相邻两节管体拼接处设有注浆口，顶管模型水平设置，其一端由出入口进入模型土体内，横向加载装置与顶管模型的另一端传动连接，用于向模型土体内水平顶推顶管模型，注浆系统的注浆管由顶管模型的另一端伸入其内部，并在每个注浆口处连通设有注浆支管。优点：模拟程度高，能够准确测试顶管顶进过程中土体的沉降及内部压力变化，试验数据比较准确。

Description

一种顶管模型试验装置

技术领域

本发明涉及地下岩土工程试验领域，特别涉及一种顶管模型试验装置。

背景技术

顶管施工采用顶管机切削土体，利用主顶油缸或管道间中继站的推力，将顶管机和管道一节节向前顶进，实现管道铺设的绿色、安全、环保的非开挖施工技术。顶管施工技术作为非开挖施工的主要技术之一，开始广泛应用于地下停车场、地下共同沟、下穿城市道路的隧道、地铁出入口、过街地下通道、城市地下商业空间开发等。

顶管施工打破了土体原有的应力平衡，使得土体的应力应变状态发生改变，使土体产生加载、卸载等复杂的力学行为，引起土体的变形和移动。受顶管施工扰动影响，一般会引起地表沉降，当地表沉降过大时会对顶管上方路面、临近建(构)筑物以及地下管线产生较大安全隐患，甚至可能引发工程安全事故，实际工程中会对施工过程进行监测并建立防护措施，来避免工程事故。因此研究顶管施工的管土间作用是十分必要的。

当前对顶管施工的研究主要采用现场监测、理论推导、数值模拟三种手段。顶管模型试验因其成本低，数据可靠，代表性强等优点，越来越受到重视。但当前，顶管模型试验的模型箱尺寸大多是定制，且尺寸固定，一般单一尺寸的模型箱只能模拟一种工况，重复利用率不高，造成不必要的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种顶管模型试验装置，有效的克服了现有技术的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

提供一种顶管模型试验装置，包括试验台、拼接式试验箱、顶管模型、横向加载装置、注浆系统和数据采集系统，上述拼接式试验箱装配于水平设置的上述试验台上端，其上端敞口，内部装有模型土体，上述拼接式试验箱一侧侧壁上设有供上述顶管模型进出的出入口，上述顶管模型为由多节管体依次对接拼装组成，且相邻两节管体拼接处设有注浆口，上述顶管模型水平设置，其一端由上述出入口进入上述模型土体内，上述横向加载装置与上述顶管模型的另一端传动连接，用于向模型土体内水平顶推上述顶管模型，上述注浆系统的注浆管由上述顶管模型的另一端伸入其内部，并在每个上述注浆口处连通设有注浆支管，上述数据采集系统包括数据采集器以及分别与数据采集器连接的位移检测器、压力检测器、位移计和应变片，上述位移计设有多个并上下间隔的埋设于上述顶管模型上方的模型土体内，上述压力检测器设置于顶管模型的上下方，用于采集模型土体随顶管模型顶进时上下方模型土体的压力变化信息，上述位移检测器用于检测模型土体表面的纵向和/或横向位移，上述应变片均布在每个上述管节的内壁上。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，上述数据采集器为静态应变仪，上述位移检测器为设置于上述拼接式试验箱上端的百分表，上述百分表横向或竖直设置，其探测端与模型土体接触，上述压力检测器为土压力盒。

进一步，上述拼接式试验箱为长方体形箱体，其包括四条角钢支架和多个规格一致的长方形的拼接板，四条上述角钢支架竖直分布于上述拼接式试验箱的四条纵向棱边处，且下端与上述试验台可拆卸连接，相邻两个上述角钢支架之间设有多层上下间隔对接拼装的拼接板，上述拼接板的两端分别与相邻两个上述角钢支架的侧边内侧可拆卸连接，任意一侧的其中一个上述拼接板上设有上述出入口。

进一步，上述横向加载装置为千斤顶，其通过支座安装于上述试验台上端对应上述出入口的位置，其伸缩杆与上述顶管模型的另一端传动连接，其本体与设置于上述试验台上端的反力架相抵。

进一步，上述注浆系统还包括泥浆池和泥浆泵，上述泥浆泵的泵入口连接有伸入上述泥浆池内的进浆管，上述泥浆泵的输出口连接上述注浆管。

进一步，上述相邻两个上述关节连接处的四周间隔环设有多个上述注浆口。

进一步，上述试验台下端设有行走轮组。

进一步，上述试验台上端边缘处设有多个用于吊置其的吊耳。

本发明的有益效果是：设计合理，易操作、模拟程度高，能够准确测试顶管顶进过程中土体的沉降及内部压力变化，试验数据比较准确。

附图说明

图1为本发明的顶管模型试验装置的立体结构示意图；

图2为本发明的顶管模型试验装置的侧面结构示意图；

图3为本发明的顶管模型试验装置中顶管模型内部布置应变片的结构示意图；

图4为本发明的顶管模型试验装置中顶管模型的结构示意图；

图5为本发明的顶管模型试验装置中顶管模型内部布置注浆管的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、试验台，2、拼接式试验箱，3、顶管模型，4、横向加载装置，11、行走轮组，12、吊耳，21、角钢支架，22、拼接板，23、出入口，24、安装支架，31、注浆口，41、支座，42、反力架，51、注浆管，52、泥浆池，53、泥浆泵，61、位移检测器，62、压力检测器，63、位移计，64、应变片，65、数据采集器。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例：如图1和2所示，本实施例的顶管模型试验装置包括试验台1、拼接式试验箱2、顶管模型3、横向加载装置4、注浆系统和数据采集系统，上述拼接式试验箱2装配于水平设置的上述试验台1上端，其上端敞口，内部装有模型土体，上述拼接式试验箱2一侧侧壁上设有供上述顶管模型3进出的出入口23，上述顶管模型3为由多节管体依次对接拼装组成，且相邻两节管体拼接处设有注浆口31，上述顶管模型3水平设置，其一端由上述出入口23进入上述模型土体内，上述横向加载装置与上述顶管模型3的另一端传动连接，用于向模型土体内水平顶推上述顶管模型3，上述注浆系统的注浆管51由上述顶管模型3的另一端伸入其内部，并在每个上述注浆口31处连通设有注浆支管(如图5所示)，上述数据采集系统包括数据采集器65以及分别与数据采集器65连接的位移检测器61、压力检测器62、位移计63和应变片64(如图3所示)，上述位移计63设有多个并上下间隔的埋设于上述顶管模型3上方的模型土体内，上述压力检测器62设置于顶管模型3的上下方，用于采集模型土体随顶管模型3顶进时上下方模型土体的压力变化信息，上述位移检测器61用于检测模型土体表面的纵向和/或横向位移，上述应变片64均布在每个上述管节的内壁上。

在顶管模型3由横向加载装置顶进模型土体中的这一过程中，通过位移检测器61能够采集模型土体表面的位移(沉降)变化，通过压力检测器62能够检测顶管模型3上下方土体的压力变化，通过位移计63能够检测顶管模型3上方的模型土体内的土体纵向位移变化，通过应变片64能够检测每个管节在顶进时的应力变化。

如图4所示，顶管模型3一般为方形管体，相邻两个管节的内侧棱边处通过角铁焊接连为一体。

上述实施方式与实际工程较为接近，将注浆管51布置在管节内部，在管节的前端四条边上各开一小孔使其刚好能够通过注浆管，然后用A、B胶将注浆管51管口固定住，通过注浆管51管口将泥浆注入到开挖隧道中。这样的模拟避免了在土体中预埋注浆管，与实际工程中顶管顶进注浆的过程较为吻合，测量数据较为贴近现实施工。

作为一种优选的实施方式，上述数据采集器65为静态应变仪，上述位移检测器61为设置于上述拼接式试验箱2上端的百分表，上述百分表横向或竖直设置，其探测端与模型土体接触，上述压力检测器62为土压力盒。

该实施方式中，百分表通过安装支架24安装于试验箱2上端(如图1和2所示，以百分标竖直放置为例)，安装支架材质为钢板，厚度8mm,宽度与磁性表座相同为5cm。长度(内尺寸)跟所能拼接的模型箱尺寸相对应分为0.5m、1m、1.5m、2m四种，可根据试验要求进行选用。试验时将其用螺栓拧紧固定在模型箱上，在上面放置磁性表座使其吸附在支架上，再将百分表固定在磁性表座上，测量土体表面的竖向位移。百分表可以根据试验的需要确定固定的位置和放置的个数；当然，百分标也可以横向放置时，可以测量矩形顶管顶进过程中土体表面的横向位移。

作为一种优选的实施方式，上述拼接式试验箱2为长方体形箱体，其包括四条角钢支架21和多个规格一致的长方形的拼接板22，四条上述角钢支架21竖直分布于上述拼接式试验箱2的四条纵向棱边处，且下端与上述试验台1可拆卸连接，相邻两个上述角钢支架21之间设有多层上下间隔对接拼装的拼接板22，上述拼接板22的两端分别与相邻两个上述角钢支架21的侧边内侧可拆卸连接，任意一侧的其中一个上述拼接板22上设有上述出入口23。

该实施方式中，装配时，试验台1上表面开有螺栓孔,螺栓孔的间距为0.5m，在试验台上呈4×4分布。根据开孔的位置，可拼接的长度为0.5m、1m、1.5m、2m四种类型的钢板，总共可拼接16种长宽尺寸不同的模型箱，最大可拼接长宽为2m×2m的模型箱，最小可拼接长宽为0.5m×0.5m的模型箱。在相应位置开有安装固定反力支架的螺栓孔，使其正对可拼接模型箱的中线位置。根据试验的要求拼接需要的模型箱尺寸及反力支架的位置；角钢支架21上对应每个拼接板22两端的位置分别开有螺栓孔，可以将其固定在试验台上，拼接模型箱时，将每块拼接板22(钢板)用多个螺栓固定在角钢支架21上，每块拼接板22的厚度为0.8mm,宽度为20cm，长度分为0.5m、1m、1.5m、2m四种，可根据试验所需管节的尺寸和位置，对矩形钢板进行切割,角钢支架21上最多拼接十块钢板，模型箱最大拼接高度为2m。

作为一种优选的实施方式，如图2所示，上述横向加载装置4为千斤顶，其通过支座41安装于上述试验台1上端对应上述出入口23的位置，其伸缩杆与上述顶管模型3的另一端传动连接，其本体与设置于上述试验台1上端的反力架42相抵。

该实施方式中，千斤顶装配比较稳定、牢固，反力架42置于千斤顶背离其伸缩杆的一端，并与该端相抵。

作为一种优选的实施方式，上述注浆系统还包括泥浆池52和泥浆泵53，上述泥浆泵53的泵入口连接有伸入上述泥浆池52内的进浆管，上述泥浆泵53的输出口连接上述注浆管51。

该实施方式中，通过泥浆泵53将泥浆池52内的泥浆泵入顶管模型四周(即就是模拟的隧道内)，操作比较方便。

作为一种优选的实施方式，上述相邻两个上述关节连接处的四周间隔环设有多个上述注浆口31。

该实施方式中，能够使得注浆均匀。

作为一种优选的实施方式，上述试验台1下端设有行走轮组11。

该实施方式中，通过行走轮组11方便整个试验台1的移动，行走轮组11为均匀间隔分布于试验台1下端的福马轮，可以调节行走及固定两组状态，使用比较方便。

作为一种优选的实施方式，上述试验台1上端边缘处设有多个用于吊置其的吊耳12。

该实施方式中，吊耳12的设计能够方便用起吊机吊起试验台1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种顶管模型试验装置，其特征在于：包括试验台(1)、拼接式试验箱(2)、顶管模型(3)、横向加载装置(4)、注浆系统和数据采集系统，所述拼接式试验箱(2)装配于水平设置的所述试验台(1)上端，其上端敞口，内部装有模型土体，所述拼接式试验箱(2)一侧侧壁上设有供所述顶管模型(3)进出的出入口(23)，所述顶管模型(3)为由多节管体依次对接拼装组成，且相邻两节管体拼接处设有注浆口(31)，所述顶管模型(3)水平设置，其一端由所述出入口(23)进入所述模型土体内，所述横向加载装置与所述顶管模型(3)的另一端传动连接，用于向模型土体内水平顶推所述顶管模型(3)，所述注浆系统的注浆管(51)由所述顶管模型(3)的另一端伸入其内部，并在每个所述注浆口(31)处连通设有注浆支管，所述数据采集系统包括数据采集器(65)以及分别与数据采集器(65)连接的位移检测器(61)、压力检测器(62)、位移计(63)和应变片(64)，所述位移计(63)设有多个并上下间隔的埋设于所述顶管模型(3)上方的模型土体内，所述压力检测器(62)设置于顶管模型(3)的上下方，用于采集模型土体随顶管模型(3)顶进时上下方模型土体的压力变化信息，所述位移检测器(61)用于检测模型土体表面的纵向和/或横向位移，所述应变片(64)均布在每个所述管节的内壁上。

2.根据权利要求1所述的一种顶管模型试验装置，其特征在于：所述数据采集器(65)为静态应变仪，所述位移检测器(61)为设置于所述拼接式试验箱(2)上端的百分表，所述百分表横向或竖直设置，其探测端与模型土体接触，所述压力检测器(62)为土压力盒。

3.根据权利要求1所述的一种顶管模型试验装置，其特征在于：所述拼接式试验箱(2)为长方体形箱体，其包括四条角钢支架(21)和多个规格一致的长方形的拼接板(22)，四条所述角钢支架(21)竖直分布于所述拼接式试验箱(2)的四条纵向棱边处，且下端与所述试验台(1)可拆卸连接，相邻两个所述角钢支架(21)之间设有多层上下间隔对接拼装的拼接板(22)，所述拼接板(22)的两端分别与相邻两个所述角钢支架(21)的侧边内侧可拆卸连接，任意一侧的其中一个所述拼接板(22)上设有所述出入口(23)。

4.根据权利要求1所述的一种顶管模型试验装置，其特征在于：所述横向加载装置(4)为千斤顶，其通过支座(41)安装于所述试验台(1)上端对应所述出入口(23)的位置，其伸缩杆与所述顶管模型(3)的另一端传动连接，其本体与设置于所述试验台(1)上端的反力架(42)相抵。

5.根据权利要求1所述的一种顶管模型试验装置，其特征在于：所述注浆系统还包括泥浆池(52)和泥浆泵(53)，所述泥浆泵(53)的泵入口连接有伸入所述泥浆池(52)内的进浆管，所述泥浆泵(53)的输出口连接所述注浆管(51)。

6.根据权利要求1所述的一种顶管模型试验装置，其特征在于：所述相邻两个所述关节连接处的四周间隔环设有多个所述注浆口(31)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种顶管模型试验装置，其特征在于：所述试验台(1)下端设有行走轮组(11)。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种顶管模型试验装置，其特征在于：所述试验台(1)上端边缘处设有多个用于吊置其的吊耳(12)。

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