CN113252878A - 一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置及试验方法，属于土木工程试验技术领域；该试验装置包括设置在框架内的被测土体和沟槽，以及作用在被测土体上的加载系统和连接沟槽的注液装置；被测土体的一侧紧密贴合在框架的内壁上，另一侧为垂直临空面与框架的内壁之间组成沟槽；加载系统的上端通过可移动底座滑动连接在框架的顶部，并由加载千斤顶依次连接应力环和可转动传力板组成，可转动传力板的下端连接试验基础；注液装置由装有泥浆的注液设备连接注液管组成，注液管的末端位于沟槽内。本发明通过获得加载时沟槽土体的运动特征以及失稳时应力环测定的承载力，为后期现场工程人员选择合适的开挖设备及开挖工序的布局提供理论依据。

Description

一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种泥浆沟槽稳定性的试验装置及试验方法，具体涉及一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置及试验方法，属于土木工程试验技术领域。

背景技术

沟槽开挖是地下连续墙建造的第一步，开挖需要采用专业的开槽机械设备，置于沟槽一侧，设备的重量作为附加荷载作用于沟槽土体顶部，附加荷载作用下沟槽的稳定是保证地连墙建造质量的关键环节。开挖后的沟槽土体为垂直的临空面，存在极大的失稳风险，特别是附加荷载作用下增加了失稳风险。沟槽一旦出现坍塌将导致开挖设备的倾覆，不仅沟槽需要重新开挖，而且造成人员伤亡及设备损失，且对工程进度产生极大的影响。

为保证沟槽开挖稳定性，需要在开挖后的沟槽内注入一定配合比的泥浆，泥浆的注入形成泥浆压力达到维护槽壁稳定的作用，泥浆的渗入在土体内形成加固区域。泥浆沟槽试验方法是研究不同加载条件及不同泥浆注入条件下的沟槽槽壁土体稳定性的一种有效试验手段。在附加荷载作用下，被试土体产生变形，随着荷载的增大，被试土体变形逐渐增大，当荷载增大到地基中开始出现某点或小区域内各点在其某一方向平面上的剪应力达到土体抗剪强度时，就会发生剪切破坏，土中应力将发生重分布。当荷载继续增大，土体出现较大范围的塑性区时，将导致沟槽土体承载力不足而失去稳定。

现有国内外对泥浆沟槽稳定性的研究，忽视了沟槽土体顶部开挖设备荷载的影响，无法实现对沟槽稳定性的全面评价，得到的结论与实际工程相比存在很大的偏差。本试验成果将对现场工程人员选择合适的开挖设备及开挖工序的布局有一定的借鉴作用。

发明内容

本发明的目的是：克服现有对泥浆沟槽稳定性的研究中忽视了沟槽土体顶部开挖设备荷载对沟槽稳定性影响的问题，提供一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置及试验方法，该装置及试验方法能够有效获得加载时沟槽土体的运动特征以及失稳时应力环测定的沟槽土体承载力，为后期现场工程人员选择合适的开挖设备及开挖工序的布局提供理论依据。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，包括设置在框架内的被测土体和沟槽，以及作用在被测土体上的加载系统和连接沟槽的注液装置；所述被测土体的一侧紧密贴合在框架的内壁上，另一侧为垂直临空面与框架的内壁之间组成沟槽；所述加载系统的上端通过连接可移动底座滑动连接在框架的顶部，加载系统由加载千斤顶依次连接应力环和可转动传力板组成，可转动传力板的下端与被测土体之间设置试验基础；所述注液装置由装有泥浆的注液设备连接注液管组成，位于框架内的注液管通过装置固定环固定连接在框架的顶部，注液管的末端位于沟槽内。

所述试验基础为可拆卸、可更换不同尺寸不同类型的基础，并通过螺栓连接在所述可转动传力板的下端。

所述框架为长方体框架，其前后两个端面上设置加固竖撑、顶部设置加固横撑；所述可移动底座滑动连接在对应被测土体处的加固横撑上，所述装置固定环固定连接在对应沟槽处的加固横撑上。

所述框架的顶部设置有标尺，所述标尺的读数方向与所述可移动底座的滑动测量方向一致。

位于所述沟槽外侧的框架上竖直连接量尺，所述量尺的读数方向与沟槽内泥浆的液面升高方向一致。

所述注液管的末端出液口与所述框架底部之间的距离为0.2m。

所述沟槽的底部设有放液口并连接放液管，所述放液管上设置有启闭开关。

所述框架的四周端面上均通过螺栓固定连接有钢化玻璃，底部设置四对滑轮；所述钢化玻璃的下端与框架底部平齐，上端高于被测土体的高度。

所述加载千斤顶由驱动电机通过电机线缆带动。

利用上述一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置来测试被试土体承载力的试验方法，包括以下步骤：

试验准备：

S0-1、在框架内填筑被试土体，平整被试土体，使被试土体的上端面为水平面、左侧与框架上的钢化玻璃紧密贴合、右侧临空面距离框架内侧的距离为0.2m；选用被试土体的长度L ₁=1.8m，宽度D ₁=0.5m，高度H ₁=1.0m；

S0-2、安装注液装置，使注液管的一端连接在注液设备上，另一端穿过装置固定环深入到沟槽底部区域，且注液管的出液口位于沟槽底部的上方0.2m；

S0-3、选用试验基础的长度L ₂=0.2m，宽度D ₂=0.2m，高度H ₂=0.05m，并通过螺栓与可转动传力板紧固连接，由驱动电机驱动加载千斤顶，使试验基础刚好接触被试土体上端水平面，此时将应力环的读数调零；

试验进行：

S1、移动框架上的可移动底座使试验基础右侧边缘与沟槽边缘的距离L ₃=0即两边缘重合，注液设备通过注液管将泥浆注入沟槽内，注入泥浆的深度H ₃=1.0H ₁；

S2、由驱动电机驱动加载千斤顶，试验基础向下移动，直至被试土体产生明显的位移时，视为被试土体产生失稳，记录应力环上的读数，此时应力环上的读数为所需泥浆沟槽在荷载作用下的承载力；

S3、由驱动电机驱动加载千斤顶，使试验基础向上移动，脱离被试土体，重新平整被试土体，保证被试土体的上端面水平；

S4、打开沟槽底部的启闭开关通过放液管排放泥浆，使注入泥浆的深度依次为H ₃=0.8H ₁、0.6H ₁、0.4H ₁、0.2H ₁、0，重复上述S1-S3的所有步骤进行多次试验；

S5、移动框架上的可移动底座使试验基础右侧边缘与沟槽边缘的距离L ₃=0.1L ₁、0.2L ₁，重复上述S1-S4的所有步骤进行多次试验，得到模拟不同注浆深度和不同位置载荷条件下所需泥浆沟槽的承载力。

本发明的有益效果是：

1）本发明的试验装置通过控制加载系统和沟槽内注液装置两个变量，实现对载荷在不同沟槽水平距离处和不同泥浆深度条件下被试土体极限承载力的模拟量测，并通过替换试验基础来实现不同基础尺寸和类型的模拟，获得泥浆沟槽受荷加载时的运动特征及失稳时应力环测定的极限承载力，得出不同条件下所需泥浆的承载力，为后期实际作业时提供理论依据。

2）本发明的试验装置采用框架结构并添加有加固支撑，可有效保证基础加载时的稳定性，满足试验过程的连续性；框架底面还连接有滑轮，以方便移动试验装置。

3）本发明的试验装置中采用透明高强度钢化玻璃，一方面约束土体向四周的位移，另一方面可方便观察整个试验过程，钢化玻璃通过螺丝与框架紧固连接，以方便拆卸。

4）本发明的试验装置中设置有应力环和量尺，方便试验时随时读取数值，控制试验进程；加载系统上装有可移动底座并配合有标尺，在方便调节试验基础位置的同时还具有精确控制位移的目的。

5）本发明的试验方法操作步骤简单、试验数值可控、量测数据可视，且量测速度快、效率高，可进行多次试验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图。

图中，1-框架，2-被测土体，3-沟槽，4-可移动底座，5-加载千斤顶，6-应力环，7-可转动传力板，8-试验基础，9-泥浆，10-注液设备，11-注液管，12-装置固定环，13-加固竖撑，14-加固横撑，15-标尺，16-量尺，17-放液管，18-启闭开关，19-钢化玻璃，20-滑轮，21-驱动电机，22-电机线缆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明。

实施例：如图1-2所示，本发明所述的一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，包括位于框架1内的被测土体2和沟槽3，以及作用在被测土体2上的加载系统和连接沟槽3的注液装置；被测土体2的一侧紧密贴合在框架1的内壁上，另一侧为垂直临空面与框架1的内壁之间组成沟槽3；加载系统的上端通过连接可移动底座4滑动连接在框架1的顶部，加载系统由加载千斤顶5依次连接应力环6和可转动传力板7组成，可转动传力板7的下端与被测土体2之间设置试验基础8；注液装置由装有泥浆9的注液设备10连接注液管11组成，位于框架1内的注液管11通过装置固定环12固定连接在框架1的顶部，注液管11的末端位于沟槽3内。

试验基础8为可拆卸、可更换不同尺寸不同类型的基础，并通过螺栓连接在可转动传力板7的下端。

框架1为长方体框架，其前后两个端面上连接加固竖撑13、顶部连接加固横撑14；可移动底座4滑动连接在对应被测土体2处的加固横撑14上，装置固定环12固定连接在对应沟槽3处的加固横撑14上。

框架1的顶部设置有标尺15，标尺15的读数方向与可移动底座4的滑动测量方向一致。

位于沟槽3外侧的框架1上竖直连接量尺16，量尺16的读数方向与沟槽3内泥浆9的液面升高方向一致。

注液管11的末端出液口与框架1底部之间的距离为0.2m。

沟槽3的底部设有放液口并连接放液管17，放液管17上设置有启闭开关18。

框架1的四周端面上均通过螺栓固定连接有钢化玻璃19，底部设置四对滑轮20；钢化玻璃17的下端与框架1底部平齐，上端高于被测土体2的高度。

加载千斤顶7由驱动电机21通过电机线缆22带动。

利用上述一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置来测试被试土体承载力的试验方法，包括以下步骤：

试验准备：

S0-1、在框架内填筑被试土体，平整被试土体，使被试土体的上端面为水平面、左侧与框架上的钢化玻璃紧密贴合、右侧临空面距离框架内侧的距离为0.2m；选用被试土体的长度L ₁=1.8m，宽度D ₁=0.5m，高度H ₁=1.0m；选用框架的外尺寸：长L _外=2.05m，宽D _外=0.55m，高H _外=1.55m；框架的厚度W=0.05m；框架的内尺寸：长L _内=2.0m，宽D _内=0.5m，高H _内=1.5m。

S0-2、安装注液装置，使注液管的一端连接在注液设备上，另一端穿过装置固定环深入到沟槽底部区域，且注液管的出液口位于沟槽底部的上方0.2m。

S0-3、选用试验基础的长度L ₂=0.2m，宽度D ₂=0.2m，高度H ₂=0.05m，并通过螺栓与可转动传力板紧固连接，由驱动电机驱动加载千斤顶，使试验基础刚好接触被试土体上端水平面，此时将应力环的读数调零。

试验过程总共分为18个试验组，分别开展不同泥浆液面高度H ₃及试验基础与沟槽边缘不同距离L ₃影响下的泥浆沟槽承载力试验：

其中第1~6试验组设定为试验基础右侧边缘与沟槽边缘重合，即L ₃=0，分别改变不同泥浆注入深度，即H ₃=1.0H ₁、0.8H ₁、0.6H ₁、0.4H ₁、0.2H ₁、0；

第7~12试验组设定为试验基础右侧边缘距沟槽边缘L ₃=0.1L ₁，分别改变不同泥浆注入深度，即H ₃=1.0H ₁、0.8H ₁、0.6H ₁、0.4H ₁、0.2H ₁、0；

第13~18试验组设定为试验基础右侧边缘距沟槽边缘L ₃=0.2L ₁，分别改变不同泥浆注入深度，即H ₃=1.0H ₁、0.8H ₁、0.6H ₁、0.4H ₁、0.2H ₁、0。

试验进行：

S1、移动框架上的可移动底座使试验基础右侧边缘与沟槽边缘的距离L ₃=0即两边缘重合，注液设备通过注液管将泥浆注入沟槽内，注入泥浆的深度H ₃=1.0H ₁；

S2、由驱动电机驱动加载千斤顶，试验基础向下移动，直至被试土体产生明显的位移时，视为被试土体产生失稳，记录应力环上的读数，此时应力环上的读数为所需泥浆沟槽在荷载作用下的承载力；

S3、由驱动电机驱动加载千斤顶，使试验基础向上移动，脱离被试土体，重新平整被试土体，保证被试土体的上端面水平；

S4、打开沟槽底部的启闭开关通过放液管排放泥浆，使注入泥浆的深度依次为H ₃=0.8H ₁、0.6H ₁、0.4H ₁、0.2H ₁、0，重复上述S1-S3的所有步骤进行第2-6试验组的试验；

S5、移动框架上的可移动底座使试验基础右侧边缘与沟槽边缘的距离L ₃=0.1L ₁、0.2L ₁，重复上述S1-S4的所有步骤进行第7~12试验组及第13~18试验组的试验，得到模拟不同注浆深度和不同位置载荷条件下所需泥浆沟槽的承载力。

试验基础8可拆卸，以模拟不同尺寸不同类型基础；钢化玻璃19采用透明高强度钢化玻璃，可拆卸以方便被试土体2的装卸，且通过螺栓与框架1连接；被试土体2选择实际施工场地土体。

试验装置采用框架结构并添加有加固支撑，可有效保证基础加载时的稳定性，满足试验过程的连续性；框架底面还连接有滑轮，以方便移动试验装置。

试验装置中采用透明高强度钢化玻璃，一方面约束土体向四周的位移，另一方面可方便观察整个试验过程，钢化玻璃通过螺丝与框架紧固连接，以方便拆卸。

试验装置中设置有应力环和量尺，方便试验时随时读取数值，控制试验进程；加载系统上装有可移动底座并配合有标尺，在方便调节试验基础位置的同时还具有精确控制位移的目的。

本发明的试验装置通过控制加载系统和沟槽内注液装置两个变量，实现对载荷在不同沟槽水平距离处和不同泥浆深度条件下被试土体极限承载力的模拟量测，并通过替换试验基础来实现不同基础尺寸和类型的模拟，获得泥浆沟槽受荷加载时的运动特征及失稳时应力环测定的极限承载力，得出不同条件下所需泥浆的承载力，为后期实际作业时提供理论依据；试验方法操作步骤简单、试验数值可控、量测数据可视，且量测速度快、效率高，可进行多次试验。

以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，其特征在于：包括设置在框架（1）内的被测土体（2）和沟槽（3），以及作用在被测土体（2）上的加载系统和连接沟槽（3）的注液装置；所述被测土体（2）的一侧紧密贴合在框架（1）的内壁上，另一侧为垂直临空面与框架（1）的内壁之间组成沟槽（3）；所述加载系统的上端通过可移动底座（4）滑动连接在框架（1）的顶部，加载系统由加载千斤顶（5）依次连接应力环（6）和可转动传力板（7）组成，可转动传力板（7）的下端与被测土体（2）之间设置试验基础（8）；所述注液装置由装有泥浆（9）的注液设备（10）连接注液管（11）组成，位于框架（1）内的注液管（11）通过装置固定环（12）固定连接在框架（1）的顶部，注液管（11）的末端位于沟槽（3）内。

2.根据权利要求1所述的一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，其特征在于：所述试验基础（8）为可拆卸、可更换不同尺寸不同类型的基础，并通过螺栓连接在所述可转动传力板（7）的下端。

3.根据权利要求1所述的一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，其特征在于：所述框架（1）为长方体框架，其前后两个端面上设置加固竖撑（13）、顶部设置加固横撑（14）；所述可移动底座（4）滑动连接在对应被测土体（2）处的加固横撑（14）上，所述装置固定环（12）固定连接在对应沟槽（3）处的加固横撑（14）上。

4.根据权利要求1所述的一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，其特征在于：所述框架（1）的顶部设置有标尺（15），所述标尺（15）的读数方向与所述可移动底座（4）的滑动测量方向一致。

5.根据权利要求1所述的一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，其特征在于：位于所述沟槽（3）外侧的框架（1）上竖直连接量尺（16），所述量尺（16）的读数方向与沟槽（3）内泥浆（9）的液面升高方向一致。

6.根据权利要求1所述的一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，其特征在于：所述注液管（11）的末端出液口与所述框架（1）底部之间的距离为0.2m。

7.根据权利要求1所述的一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，其特征在于：所述沟槽（3）的底部设有放液口并连接放液管（17），所述放液管（17）上设置有启闭开关（18）。

8.根据权利要求1所述的一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置，其特征在于：所述框架（1）的四周端面上均通过螺栓固定连接有钢化玻璃（19），底部设置四对滑轮（20）；所述钢化玻璃（17）的下端与框架（1）底部平齐，上端高于被测土体（2）的高度。

9.利用上述任一权利要求的一种荷载作用下泥浆沟槽稳定性试验装置来测试被试土体承载力的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

试验准备：

S0-1、在框架内填筑被试土体，平整被试土体，使被试土体的上端面为水平面、左侧与框架上的钢化玻璃紧密贴合、右侧临空面距离框架内侧的距离为0.2m；选用被试土体的长度L ₁=1.8m，宽度D ₁=0.5m，高度H ₁=1.0m；

S0-2、安装注液装置，使注液管的一端连接在注液设备上，另一端穿过装置固定环深入到沟槽底部区域；

S0-3、选用试验基础的长度L ₂=0.2m，宽度D ₂=0.2m，高度H ₂=0.05m，并通过螺栓与可转动传力板紧固连接，由驱动电机驱动加载千斤顶，使试验基础刚好接触被试土体上端水平面，此时将应力环的读数调零；

试验进行：

S1、移动框架上的可移动底座使试验基础右侧边缘与沟槽边缘的距离L ₃=0即两边缘重合，注液设备通过注液管将泥浆注入沟槽内，注入泥浆的深度H ₃=1.0H ₁；

S2、由驱动电机驱动加载千斤顶，试验基础向下移动，直至被试土体产生明显的位移时，视为被试土体产生失稳，记录应力环上的读数，此时应力环上的读数为所需泥浆沟槽在荷载作用下的承载力；

S3、由驱动电机驱动加载千斤顶，使试验基础向上移动，脱离被试土体，重新平整被试土体，保证被试土体的上端面水平；

S4、打开沟槽底部的启闭开关通过放液管排放泥浆，使注入泥浆的深度依次为H ₃=0.8H ₁、0.6H ₁、0.4H ₁、0.2H ₁、0，重复上述S1-S3的所有步骤进行多次试验；

S5、移动框架上的可移动底座使试验基础右侧边缘与沟槽边缘的距离L ₃=0.1L ₁、0.2L ₁，重复上述S1-S4的所有步骤进行多次试验，得到模拟不同注浆深度和不同位置载荷条件下所需泥浆沟槽的承载力。

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