CN115343447B - 一种不开槽施工土拱效应模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种不开槽施工土拱效应模拟试验装置及试验方法，不开槽施工土拱效应模拟试验装置，包括：土箱，土箱用于填充土，以模拟埋地管道所受的土压静荷载；试验管，沿水平方向设置在土箱内，用于模拟埋地管道；套管，沿水平方向设置在土箱内，且试验管穿插于套管内；套管内壁与试验管外壁间的间隙用于模拟埋地管道与不开槽施工掘进所产生的孔洞间的非均匀间隙；传感器组件，用于获取试验管的管周土压力分布以及试验管管身内外壁的应变分布；套管移出机构，用于将套管移出土箱，以模拟不开槽施工中由于管道与孔洞间不均匀间隙所诱发的土拱效应。通过实施本发明，可解决现有模拟试验装置无法准确模拟不开槽施工中的土拱效应的问题，并可准确获取管顶覆土位移场及相关土拱参数。

Description

一种不开槽施工土拱效应模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程试验装置及试验技术领域，具体涉及一种不开槽施工土拱效应模拟试验装置及试验方法。

背景技术

地下管网是我国城市基础设施建设的重要组成部分，是保障城市正常运行的重要生命线。随着环保意识的逐步提高、城市施工空间的限制以及传统开挖施工对路面交通的严重影响，不开槽施工方法日益得到国内外专家学者的青睐，并逐渐成为我国城市管网建设的首选施工技术。

采用此种施工方法敷设地下管线时，埋地管道管顶竖向土压荷载以及管周土压荷载分布是管道结构设计的重要依据。所以，研究不开槽施工土拱效应对建立科学合理的土压荷载计算方法及管周土压荷载模型至关重要，对进一步优化现有管道结构设计方法具有重要意义。故，本领域技术人员需要一种不开槽施工土拱效应模拟试验装置，从而对不开槽施工进行模拟试验。

现有土拱试验仪主要通过移动活门诱导土拱效应的产生，并通过活门上方土压力盒测量作用在活门上的土压荷载。然而，在采用不开槽施工方法敷设地下管线时，不开槽掘进所形成的孔洞和管道断面形状通常为圆形。在管道自重的影响下，管道与孔洞间的间隙并非一致，具体情况为：从管顶到管底管道与孔洞间的间隙逐渐减小。因此，现有土拱效应模拟或演示装置无法准确模拟不开槽施工中的土拱效应，难以用于研究不开槽施工土拱效应对管顶及管周土压荷载的影响。

发明内容

本发明旨在提供一种不开槽施工土拱效应模拟试验装置及试验方法，以解决现有技术中的模拟试验装置无法准确模拟不开槽施工中的土拱效应的问题。为此，本发明提供一种不开槽施工土拱效应模拟试验装置，包括：

土箱，所述土箱用于填充土，以模拟埋地管道所受的土压静荷载；

试验管，沿水平方向设置在所述土箱内，用于模拟埋地管道；

套管，沿水平方向设置在所述土箱内，且所述试验管穿插于所述套管内；所述套管内壁与所述试验管外壁间的间隙用于模拟埋地管道与不开槽施工掘进所产生的孔洞间的非均匀间隙。；

传感器组件，用于获取所述试验管管身周围的土压力分布以及所述试验管管身内外壁的应变分布；

套管移出机构，用于将所述套管移出所述土箱，以模拟不开槽施工中由于管道与孔洞间不均匀间隙所诱发的土拱效应。

可选的，不开槽施工土拱效应模拟试验装置，还包括：位移实时捕捉系统，所述位移实时捕捉系统采用数字图像相关法获取所述试验管管顶覆土位移场及相关土拱参数。

可选的，所述传感器组件包括：压力传感器和应变传感器；

所述压力传感器固定于所述试验管外壁；

所述应变传感器固定于所述试验管同一截面的内外壁。

可选的，所述套管移出机构通过盲板与所述套管可拆卸相连；

所述套管通过螺纹结构与所述盲板相连；所述盲板的一侧设置有至少两组与不同直径的所述套管相适配的螺纹连接槽，所述盲板的另一侧设置有与所述套管移出机构相连的连接部。

可选的，所述套管的端部设置有外螺纹，所述螺纹连接槽设置有与所述外螺纹相适配的内螺纹；和/或，

所述盲板为不锈钢材质；和/或，

所述盲板上设置有3组所述螺纹连接槽；和/或，

所述连接部为吊环。

可选的，不开槽施工土拱效应模拟试验装置，还包括：支撑框架，包括：立柱、固定于立柱上的横梁；

所述套管移出机构包括：设置在所述横梁上的卷扬机、设置在所述立柱底部的滑轮；所述卷扬机上的绞车钢丝穿过所述滑轮与所述盲板的连接部相连，以将所述套管缓慢匀速拔出，进而模拟不开槽施工中由于管道与孔洞间不均匀间隙所诱发的土拱效应；

所述立柱的内侧设置有线性滑轨，所述滑轮通过第一导轨滑块滑动设置于所述立柱，所述横梁通过第二导轨滑块滑动设置于所述立柱。

可选的，不开槽施工土拱效应模拟试验装置，还包括：

地表堆积荷载模拟机构，用于向所述土箱内的填土施加荷载，以模拟地表堆积荷载；

所述地表堆积荷载模拟机构包括通过第三导轨滑块滑动设置于所述横梁上的液压油缸，所述横梁设置有与所述第三导轨滑块相适配的线性滑轨；所述液压油缸通过与其转动相连的加压板对所述土箱内的填土施加载荷；

所述地表堆积荷载模拟机构包括通过第三导轨滑块滑动设置于所述横梁上的液压油缸，所述液压油缸通过与其转动相连的加压板对所述土箱内的填土施加载荷。所述加压板长1.0m、宽0.2m、厚0.05m，其材质为不锈钢。

可选的，所述土箱的正面、背面、底面以及靠近所述滑轮一侧的第一侧面为非观察面，材质为不锈钢板；所述土箱远离所述滑轮一侧的第二侧面为观察面，材质为透明亚克力板；

所述土箱的正面、背面、底面以及第一侧面不锈钢板通过焊接固定，且在所述正面和所述背面远离所述滑轮的一端设置有滑槽；

所述第二侧面通过所述滑槽与所述正面、所述背面、所述底面和所述第一侧面合围形成所述土箱。

所述土箱的长、宽、高分别为1.0m、0.5m、1.5m；

所述土箱的第一侧面为右侧面，右侧面不锈钢钢板上，在距离底面10cm处开设有直径为20cm的圆孔，以便于所述套管穿过所述土箱；

所述土箱的第二侧面为左侧面，左侧面透明亚克力板上等间距开设有74行、24列直径为3mm的圆孔，以便于采用彩色颜料对与左侧面相接触的土颗粒进行染色，进而制作测量标识点；其中，所述圆孔的行间距和列间距均为20mm；

所述套管采用不锈钢材质，其内外表面均打磨光滑，并在埋入土箱前在其内外表面均匀涂覆润滑剂，以减少套管拔出过程中其与填土和所述试验管间的摩擦阻力。

可选的，所述位移实时捕捉系统包括：

摄像机，所述摄像机用于捕捉所述试验管的管顶覆土移动过程，并采用数字图像相关法获取所述试验管的管顶覆土位移场以及土拱参数。所述摄像机为CCD高速摄像机。

可选的，所述压力传感器和所述应变传感器的测量信号发送至所述数据采集仪进行调制解码，所述数据采集仪将处理后的数据发送至电脑终端；和/或，

所述应变传感器为光纤光栅传感器，所述应变传感器通过环氧树脂分别固定于所述试验管同一截面的内壁和外壁，以获取所述试验管管身内外壁的应变分布；和/或，

所述压力传感器为分布式压力传感器，所述压力传感器通过环氧树脂固定于所述试验管的外壁，以获取所述试验管管身周围的土压力分布。

一种基于不开槽施工土拱效应模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1，将所述应变传感器分别固定于所述试验管同一截面的内外壁；将压力传感器固定于所述试验管相邻截面的外壁，并使所述应变传感器和所述压力传感器分别与所述数据采集仪通讯相连；

S2，按照试验设计要求向所述土箱内分层填土并多遍夯实，在达到试验设计标高后通过土箱第一侧面的开口埋设所述套管和所述试验管，并继续分层填土至试验设计埋深；

S3，所述土箱的第二侧面为透明材质，通过第二侧面上的圆孔对与其接触的土颗粒进行染色；

S4，调整所述土箱的位置，使所述加压板的轴线与所述套管的轴线在同一平面上；

S5，调整所述横梁的高度，使所述加压板与所述土箱内填土的表面接触，并将所述横梁固定于所述立柱上；

S6，调整所述液压油缸的水平位置，确保所述加压板完全作用于所述土箱内填土的表面，并将所述液压油缸固定于所述横梁上；

S7，将所述套管与所述盲板连接，并调整所述滑轮的高度，以确保所述滑轮与所述套管的轴线处于同一水平线上，并将所述滑轮固定于所述立柱；

S8，将所述摄像机正对所述土箱的第二侧面，并调整所述摄像机的焦距以及所述摄像机与所述土箱之间的距离，确保所述土箱的第二侧面完全出现在所述摄像机的视觉范围内；

S9，启动所述摄像机，以记录所述套管在被拔出后所述试验管的管顶覆土移动过程；

S10，启动所述液压油缸，通过所述加压板对所述土箱内的填土连续加压，直至达到试验设计压力；

S11，通过所述卷扬机对所述套管施加水平拉拔力，进而将所述套管缓慢匀速地拔出；

S12，提取步骤S9中所述摄像机记录的管顶覆土移动过程图片信息，通过数字图像相关法处理图片信息，以获取管顶覆土移动过程中不同时刻所述试验管的管顶覆土位移场；

S13，依据步骤S12中所获取的管顶覆土位移场，获取所述试验管管顶剪切带发展高度和覆土移动范围；

S14，通过所述数据采集仪获取所述试验管管身周围的土压力分布和管身内外壁的应变分布；

S15，对所述土箱内的填土进行卸载，并对所述土箱进行清理；

S16，改变所述套管和所述试验管的直径以及所述套管的填埋深度、填土类型等试验参数，并重复步骤S1至步骤S15，以研究不同工况下不开槽施工土拱效应对所述试验管管身周围土压力分布和管身内外壁应变分布的影响。

在本发明中的应变是物体的相对变形，应变分布是指物体各点的相对变形。本文件中通过在试验管管身内外壁粘贴传感器，进而测量试验管管身内外壁的应变，进而获得试验管管身内外壁的应变分布。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，包括：土箱，所述土箱用于填充土，以模拟埋地管道所受的土压静荷载；试验管，沿水平方向设置在所述土箱内，用于模拟埋地管道；套管，沿水平方向设置在所述土箱内，且所述试验管穿插于所述套管内；所述套管内壁与所述试验管外壁间的间隙用于模拟埋地管道与不开槽施工掘进所产生的孔洞间的非均匀间隙；传感器组件，用于获取所述试验管管身周围的土压力分布和管身内外壁的应变分布；

套管移出机构，用于将所述套管移出所述土箱，以模拟不开槽施工中由于管道与孔洞间不均匀间隙所诱发的土拱效应。

本发明通过套管模拟不开槽掘进所产生的孔洞并通过套管内的试验管模拟埋地管道，上述设置于土箱内且相互配合的套管和试验管在套管移出机构的作用下，可以真实地模拟不开槽施工中由于管道与孔洞间不均匀间隙所诱发的土拱效应。而且，本发明还可以通过更换不同直径的套管模拟不同超挖量对埋地管道管身周围土压力分布的影响。

2.本发明提供的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，还包括：位移实时捕捉系统，所述位移实时捕捉系统采用数字图像相关法获取管顶覆土位移场及相关土拱参数。

本发明通过上述位移实时捕捉系统可以实时记录管顶覆土移动过程，并采用数字图像相关法获取管顶覆土位移场及相关土拱参数，不仅可对不开槽施工中的土拱效应进行定量研究，还可简化试验流程、降低试验操作难度。

3.本发明提供的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，所述传感器组件包括：压力传感器和应变传感器；所述压力传感器固定于所述试验管外壁；所述应变传感器固定于所述试验管同一横截面的内外壁。

本发明通过压力传感器和应变传感器分别对试验管管身周围的土压力分布和管身内外壁的应变分布进行测量，进而对现有埋地管道管身周围的土压力分布模型加以验证和优化，从而建立更加符合实际的管周土压力分布模型。

4.本发明提供的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，所述套管移出机构通过盲板与所述套管可拆卸相连；所述套管通过螺纹结构与所述盲板相连；所述盲板的一侧设置有至少两组与不同直径的所述套管相适配的螺纹连接槽，所述盲板的另一侧设置有与所述套管移出机构相连的连接部。

本发明通过螺纹结构将套管和盲板可拆卸地连接在一起，从而通过套管移出机构将套管从土箱内移出。上述方式不仅可以有效地保证套管和盲板的连接可靠性，而且还具有拆卸、安装方便的优点。

5.本发明提供的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，所述位移实时捕捉系统包括：摄像机，所述摄像机用于捕捉所述试验管的管顶覆土移动过程，并采用数字图像相关法获取所述试验管的管顶覆土位移场以及土拱参数。

现有土拱效应模拟或演示装置主要通过对填土进行交替分层染色，以定性观察由于活门移动所引起的覆土移动过程，其不仅难以量化土体移动过程并获取相关土拱参数(如剪切带发展高度和宽度等)，而且试验过程中填土及填土清理也十分的繁琐。本发明通过基于数字图像相关法的位移实时捕捉系统有效地解决了上述问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的不开槽施工土拱效应模拟试验装置结构示意图；

图2为本发明提供的液压油缸通过加压板向土箱内填土施加荷载的结构示意图；

图3为本发明提供的盲板上的螺纹连接槽设置位置示意图；

图4为本发明提供的盲板上的连接部设置位置示意图。

附图标记说明：

1-土箱；2-试验管；3-套管；4-环空间隙；5-压力传感器；6-应变传感器；7-盲板；8-螺纹连接槽；9-连接部；10-立柱；11-横梁；12-卷扬机；13-滑轮；14-第一导轨滑块；15-第二导轨滑块；16-第三导轨滑块；17-液压油缸；18-加压板；19-摄像机；20-数据采集仪；21-电脑终端。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

记载了一种不开槽施工土拱效应模拟试验装置，如图1所示，其包括：

土箱1，所述土箱1用于填充土，以模拟埋地管道所受的土压静荷载；

试验管2，沿水平方向设置在所述土箱1内，用于模拟埋地管道；

套管3，沿水平方向设置在所述土箱1内，且所述试验管2穿插于所述套管3内；如图2所示，所述套管3内壁与所述试验管2外壁形成环空间隙4。在本实施例中，所述套管3采用不锈钢材质，其内外表面均打磨光滑，并在埋入土箱1前在其内外表面均匀涂覆润滑剂，以减少套管3拔出过程中其与填土和试验管2间的摩擦阻力；

传感器组件，用于获取所述试验管2管身周围的土压力分布以及所述试验管2管身内外壁的应变分布。

在本实施例中，所述传感器组件包括：压力传感器5和应变传感器6；所述压力传感器5固定于所述试验管2外壁；所述应变传感器6分别固定于所述试验管同一截面的内外壁。上述传感器可分别对试验管2管身周围的土压力以及管身内外壁的应变进行测量，进而对现有埋地管道管身周围的土压力分布模型加以验证和优化，从而建立更加符合实际的管周土压力分布模型；所述压力传感器5和所述应变传感器6的测量信号发送至数据采集仪20进行调制解码，所述数据采集仪20将处理后的数据发送至电脑终端21；所述应变传感器6为光纤光栅传感器，所述应变传感器6通过环氧树脂分别固定于所述试验管2同一截面的内壁和外壁上，以获取所述试验管2管身内外壁的应变分布；所述压力传感器5为分布式压力传感器，通过环氧树脂固定于所述试验管2的外壁，以获取所述试验管2管身周围的土压力分布；支撑框架，包括：立柱10、固定于所述立柱10上的横梁11；套管移出机构，用于将所述套管3移出所述土箱1，以模拟不开槽施工中由于管道与孔洞间不均匀间隙所诱发的土拱效应；在本实施例中，所述套管移出机构包括：设置在所述横梁11上的卷扬机12、设置在所述立柱10底部的滑轮13。所述套管移出机构通过盲板7与所述套管3可拆卸相连；所述卷扬机12上的绞车钢丝穿过所述滑轮13与所述盲板7的连接部9相连，以将所述套管3缓慢匀速拔出，进而模拟不开槽施工中由于管道与孔洞间不均匀间隙所诱发的土拱效应；所述连接部9为吊环。所述立柱10的内侧设置有线性滑轨，所述滑轮13通过第一导轨滑块14滑动设置于所述立柱10；所述横梁11通过第二导轨滑块15滑动设置于所述立柱10。

地表堆积动荷载模拟机构，用于向所述土箱1内的填土施加荷载，以模拟地表堆积荷载。如图2所示，所述地表堆积荷载模拟机构包括通过第三导轨滑块16滑动设置在所述横梁11上的液压油缸17，所述横梁11设置有与所述第三导轨滑块16相适配的线性滑轨；所述液压油缸17通过与其转动相连的加压板18对所述土箱1内的填土施加载荷；所述地表堆积荷载模拟机构包括通过第三导轨滑块16滑动设置在所述横梁11上的液压油缸17，所述液压油缸17通过与其转动相连的加压板18对所述土箱1内的填土施加载荷。所述加压板长1.0m、宽0.2m、厚0.05m，其材质为不锈钢；

位移实时捕捉系统，所述位移实时捕捉系统采用数字图像相关法获取管顶覆土位移场及相关土拱参数。所述位移实时捕捉系统包括：摄像机19，所述摄像机19用于捕捉所述试验管2的管顶覆土移动过程，并采用数字图像相关法获取所述试验管2的管顶覆土位移场以及土拱参数。而且，所述摄像机19为CCD高速摄像机。在本实施例中，如图3和图4所示，所述套管3通过螺纹结构与所述盲板7相连；所述盲板7的一侧设置有至少两组与不同直径的所述套管3相适配的螺纹连接槽8，所述盲板7的另一侧设置有与所述套管移出机构相连的连接部9。上述套管3的端部设置有外螺纹，所述螺纹连接槽8设置有与所述外螺纹相适配的内螺纹；所述盲板7为不锈钢材质；所述盲板7上设置有3组所述螺纹连接槽8。

在本实施例中，如图1所示，所述土箱的正面、背面、底面以及靠近所述滑轮一侧的第一侧面为非观察面，材质为不锈钢板；所述土箱远离所述滑轮一侧的第二侧面为观察面，材质为透明亚克力板；所述土箱的正面、背面、底面以及第一侧面不锈钢板通过焊接固定，且在所述正面和所述背面远离所述滑轮的一端设置有滑槽；所述第二侧面通过所述滑槽与所述正面、所述背面、所述底面和所述第一侧面合围形成所述土箱。所述土箱的长、宽、高分别为1.0m、0.5m、1.5m；所述土箱的第一侧面为右侧面，右侧面不锈钢钢板上，在距离底面10cm处开设有直径为20cm的圆孔，以便于所述套管穿过所述土箱；所述土箱的第二侧面为左侧面，左侧面透明亚克力板上等间距开设有74行、24列直径为3mm的圆孔，以便于采用彩色颜料对与左侧面相接触的土颗粒进行染色，进而制作测量标识点；其中，所述圆孔的行间距和列间距均为20mm。

不开槽施工土拱效应模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1，将所述应变传感器6分别固定于所述试验管2同一截面的内外壁；将压力传感器5固定于所述试验管2相邻截面的外壁，并使所述应变传感器6和所述压力传感器5分别与所述数据采集仪20通讯相连；

S2，按照试验设计要求向所述土箱1内分层填土并多遍夯实，在达到试验设计标高后通过土箱1的第一侧面的开口埋设所述套管3和所述试验管2，并继续分层填土至试验设计埋深；

S3，所述土箱1的第二侧面为透明材质，通过第二侧面上的圆孔对与其接触的土颗粒进行染色；

S4，调整所述土箱1的位置，使加压板18的轴线与所述套管3的轴线在同一平面上；

S5，调整横梁11的高度，使所述加压板18与所述土箱1内填土的表面接触，并将所述横梁11固定于所述立柱10；

S6，调整液压油缸17的水平位置，确保所述加压板18完全作用于所述土箱1内填土的表面，并将所述液压油缸17固定于所述横梁11；

S7，将所述套管3与所述盲板7连接，并调整滑轮13的高度，以确保所述滑轮13与所述套管3的轴线处于同一水平线上，并将所述滑轮13固定于所述立柱10；

S8，将摄像机19正对所述土箱1的第二侧面，并调整所述摄像机19的焦距以及所述摄像机19与所述土箱1之间的距离，确保所述土箱1的第二侧面完全出现在所述摄像机19的视觉范围内；

S9，启动所述摄像机19，以记录所述套管3在被拔出后所述试验管2的管顶覆土移动过程；

S10，启动所述液压油缸17，通过所述加压板18对所述土箱1内的填土连续加压，直至达到试验设计压力；

S11，通过卷扬机12对所述套管3施加水平拉拔力，进而将所述套管3缓慢匀速地拔出；

S12，提取步骤S9中所述摄像机19记录的管顶覆土移动过程图片信息，通过数字图像相关法处理图片信息，以获取管顶覆土移动过程中不同时刻下，所述试验管2的管顶覆土位移场；

S13，根据步骤S12中所获取的管顶覆土位移场，获取所述试验管2管顶剪切带发展高度和覆土移动范围；

S14，通过所述数据采集仪20获取所述试验管2管身周围的土压力分布和管身内外壁的应变分布；

S15，对所述土箱1内的填土进行卸载，并对所述土箱1进行清理；

S16，改变所述套管3和所述试验管2的直径以及所述套管3的填埋深度、填土类型试验参数，并重复步骤S1至步骤S15，以研究不同工况下不开槽施工土拱效应对所述试验管2管身周围土压力分布和管身内外壁应变分布的影响。

当然，在本实施例中，对套管移出机构的结构不做具体限定。在其它实施例中，还可通过牵引机将套管3沿水平方向从土箱1内移出。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，包括：

土箱(1)，所述土箱(1)用于填充土，以模拟埋地管道所受的土压静荷载；

试验管(2)，沿水平方向设置在所述土箱(1)内，用于模拟埋地管道；

套管(3)，沿水平方向设置在所述土箱(1)内，且所述试验管(2)穿插于所述套管(3)内；所述套管(3)内壁与所述试验管(2)外壁间的间隙用于模拟埋地管道与不开槽施工掘进所产生的孔洞间的非均匀间隙；

传感器组件，用于获取所述试验管(2)管身周围的土压力分布以及所述试验管(2)管身内外壁的应变分布；

套管移出机构，用于将所述套管(3)移出所述土箱(1)，以模拟不开槽施工中由于管道与孔洞间不均匀间隙所诱发的土拱效应；

地表堆积荷载模拟机构，用于向所述土箱(1)内的填土施加荷载，以模拟地表堆积荷载；

不开槽施工土拱效应模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1，将应变传感器(6)分别固定于所述试验管(2)同一截面的内外壁；将压力传感器(5)固定于所述试验管(2)相邻截面的外壁，并使所述应变传感器(6)和所述压力传感器(5)分别与数据采集仪(20)通讯相连；

S2，按照试验设计要求向所述土箱(1)内分层填土并多遍夯实，在达到试验设计标高后通过土箱(1)的第一侧面的开口埋设所述套管(3)和所述试验管(2)，并继续分层填土至试验设计埋深；

S3，所述土箱(1)的第二侧面为透明材质，通过第二侧面上的圆孔对与其接触的土颗粒进行染色；

S4，调整所述土箱(1)的位置，使加压板(18)的轴线与所述套管(3)的轴线在同一平面上；

S5，调整横梁(11)的高度，使加压板(18)与所述土箱(1)内填土的表面接触，并将横梁(11)固定于立柱(10)上；

S6，调整液压油缸(17)的水平位置，确保所述加压板(18)完全作用于所述土箱(1)内填土的表面，并将所述液压油缸(17)固定于所述横梁(11)；

S7，将所述套管(3)与盲板(7)连接，并调整滑轮(13)的高度，以确保所述滑轮(13)与所述套管(3)的轴线处于同一水平线上，并将所述滑轮(13)固定于所述立柱(10)；

S8，将摄像机(19)正对所述土箱(1)的第二侧面，并调整所述摄像机(19)的焦距以及所述摄像机(19)与所述土箱(1)之间的距离，确保所述土箱(1)的第二侧面完全出现在所述摄像机(19)的视觉范围内；

S9，启动摄像机(19)，以记录所述套管(3)在被拔出后所述试验管(2)的管顶覆土移动过程；

S10，启动液压油缸(17)，通过所述加压板(18)对所述土箱(1)内的填土连续加压，直至达到试验设计压力；

S11，通过卷扬机(12)对所述套管(3)施加水平拉拔力，进而将所述套管(3)缓慢匀速地拔出；

S12，提取步骤S9中所述摄像机(19)记录的管顶覆土移动过程图片信息，通过数字图像相关法处理图片信息，以获取管顶覆土移动过程中不同时刻下，所述试验管(2)的管顶覆土位移场；

S13，根据步骤S12中所获取的管顶覆土位移场，获取所述试验管(2)管顶剪切带发展高度和覆土移动范围；

S14，通过数据采集仪(20)获取所述试验管(2)管身周围的土压力分布和管身内外壁的应变分布；

S15，对所述土箱(1)内的填土进行卸载，并对所述土箱(1)进行清理；

S16，改变所述套管(3)和所述试验管(2)的直径以及所述套管(3)的填埋深度和填土类型，并重复步骤S1至步骤S15，以研究不同工况下不开槽施工土拱效应对所述试验管(2)管身周围土压力分布及管身内外壁应变分布的影响。

2.根据权利要求1所述的用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，还包括：位移实时捕捉系统，所述位移实时捕捉系统采用数字图像相关法获取管顶覆土位移场及相关土拱参数。

3.根据权利要求1所述的用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，所述传感器组件包括：压力传感器(5)和应变传感器(6)；

所述压力传感器(5)固定于所述试验管(2)外壁；

所述应变传感器(6)固定于所述试验管同一截面的内外壁。

4.根据权利要求1所述的用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，所述套管移出机构通过盲板(7)与所述套管(3)可拆卸相连；

所述套管(3)通过螺纹结构与所述盲板(7)相连；所述盲板(7)的一侧设置有至少两组与不同直径的所述套管(3)相适配的螺纹连接槽(8)，所述盲板(7)的另一侧设置有与所述套管移出机构相连的连接部(9)。

5.根据权利要求4所述的用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，所述套管(3)的端部设置有外螺纹，所述螺纹连接槽(8)设置有与所述外螺纹相适配的内螺纹；和/或，

所述盲板(7)为不锈钢材质；和/或，

所述盲板(7)上设置有3组所述螺纹连接槽(8)；和/或，

所述连接部(9)为吊环。

6.根据权利要求4所述的用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，还包括：支撑框架，包括：立柱(10)、固定于所述立柱(10)上的横梁(11)；

所述套管移出机构包括：设置在所述横梁(11)上的卷扬机(12)、设置在所述立柱(10)底部的滑轮(13)；所述卷扬机(12)上的绞车钢丝穿过所述滑轮(13)与所述盲板(7)的连接部(9)相连，以将所述套管(3)缓慢匀速拔出，进而模拟不开槽施工中由于管道与孔洞间不均匀间隙所诱发的土拱效应；

所述立柱(10)的内侧设置有线性滑轨，所述滑轮(13)通过第一导轨滑块(14)滑动设置于所述立柱(10)上；所述横梁(11)通过第二导轨滑块(15)滑动设置于所述立柱(10)上。

7.根据权利要求6所述的用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，

所述地表堆积荷载模拟机构包括：通过第三导轨滑块(16)滑动设置于所述横梁(11)上的液压油缸(17)，所述横梁(11)设置有与所述第三导轨滑块(16)相适配的线性滑轨；所述液压油缸(17)通过与其转动相连的加压板(18)对所述土箱(1)内的填土施加载荷。

8.根据权利要求6所述的用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，所述土箱(1)的正面、背面、底面以及靠近所述滑轮(13)一侧的第一侧面为非观察面，材质为不锈钢板；所述土箱(1)远离所述滑轮(13)一侧的第二侧面为观察面，材质为透明亚克力板；

所述土箱(1)的正面、背面、底面以及第一侧面不锈钢板通过焊接固定；在所述正面和所述背面远离所述滑轮(13)的一端设置有滑槽；

所述第二侧面通过所述滑槽与所述正面、所述背面、所述底面和所述第一侧面合围形成所述土箱(1)。

9.根据权利要求2所述的用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，所述位移实时捕捉系统包括：

摄像机(19)，所述摄像机(19)用于捕捉所述试验管(2)的管顶覆土移动过程，并采用数字图像相关法获取所述试验管(2)的管顶覆土位移场以及土拱参数。

10.根据权利要求3所述的用于埋地管道的不开槽施工土拱效应模拟试验装置，其特征在于，

所述压力传感器(5)和所述应变传感器(6)的测量信号发送至数据采集仪(20)进行调制解码，所述数据采集仪(20)将处理后的数据发送至电脑终端(21)；和/或，

所述应变传感器(6)为光纤光栅传感器，所述应变传感器(6)通过环氧树脂分别固定于所述试验管(2)同一截面的内壁和外壁，以获取所述试验管(2)管身内外壁的应变分布；

所述压力传感器(5)为分布式压力传感器，所述压力传感器(5)通过环氧树脂固定于所述试验管(2)的外壁，以获取所述试验管(2)管身周围的土压力分布。