CN115931602A - 无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法、试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法、试验装置。试验方法包括：混凝土块制作；场地平整和预处理；制备减阻泥浆；浆土混合物制备及测试；注浆条件模拟及试块放置；剪切试验，进行界面剪切试验，分别模拟无注浆条件和不同注浆条件下的剪切特性；数据整理与分析，分析界面剪切特性随浆土比、垂直压力和静置时间的变化规律。本发明提供的无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法及试验装置，进行现场大尺寸直剪试验，考虑浆土混合及施工停顿间歇的影响，相对于传统的室内直剪试验，试验条件与工程实际更为接近，顶力预测结果能够很好地满足工程需求。操作简单，科学实用，节省成本，值得相关工程借鉴和参考。

Description

无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法、试验装置

技术领域

本发明涉及土木工程施工技术领域，尤其是土工试验，具体而言，涉及一种无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法、试验装置。

背景技术

我国已经成为地下空间发展大国，城市地下空间开发利用呈现规模发展态势，对城市地下空间规划、建设的要求在不断提高。与传统的“浅埋暗挖法”和“直埋法”相比，顶管施工技术由于具有占地面积小、地面扰动小、施工进度快、不开挖道路和不封闭交通等优点而被广泛应用。其中，矩形顶管施工技术由于具有较高的空间利用率和较好的浅覆土适应能力应用前景广阔。为满足城市地下空间开发利用的需要，我国矩形顶管施工技术正朝着断面尺寸越来越大、顶进距离越来越长的方向发展，由此对顶力的要求也越来越高。顶力过高会造成管节破裂和后背墙失稳破坏等问题，顶力过低又会导致管节无法正常向前推进，必要时还需要增设中继间来提供足够的动力。因此，在矩形顶管施工之前，对顶力的准确预测就尤为重要。

顶管的顶力主要由掌子面支护反力和侧壁摩阻力两部分组成，其中侧壁摩阻力是顶力主要的组成部分。目前，对于掌子面支护反力的计算已经形成了成熟的理论方法，而对于侧壁摩阻力的计算由于管土接触状态的复杂性仍然存在着较大的分歧，有必要对注浆条件下的管土剪切特性进行更加深入的研究。迄今为止，在顶管管土接触特性方面，基本上都是通过室内直剪试验获取不同垂直荷载下管土界面的剪应力、剪切位移和垂直位移等数据来进行研究。试样尺寸一般较小，存在明显的尺寸效应，而且直剪盒会对土样的剪切变形造成限制，土样的边界条件与工程实际存在较大偏差。另外，对于砂土等结构松散、渗透性较强的地层，全管浆接触的假设条件不再成立，随着管节的向前推进，塌落到管节上的砂土会与减阻泥浆混合成为浆土混合物，在注浆的作用下在管节上会同时存在管-土接触、管-浆接触和管-浆土混合物接触三种接触形式，而且由于减阻泥浆所具有的触变性，在不同的施工停顿间歇下同一管土接触形式所表现出的剪切特性也存在差异。因此，基于室内直剪试验的顶管侧壁摩阻力计算值与工程实际存在较大偏差，由此进行的顶力预测不能很好地满足工程需求，有必要考虑浆土混合及施工停顿间歇的影响，进行现场大尺寸直剪试验对无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性进行研究。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种操作简单、切实可行、科学实用和节省成本的无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种能够实现该管土剪切特性现场试验方法的装置。

为实现上述目的，本发明具体是这样实现的：

本发明首先提供一种无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，包括以下步骤：

(1)混凝土块制作，制作与实际顶管管节表面粗糙度相近的混凝土块；

(2)场地平整和预处理，选取施工现场开挖揭露的能够代表矩形顶管穿越地层的无水砂层作为试验场地，并进行预处理；

(3)泥浆制备，制备减阻泥浆；

(4)浆土混合物制备及测试，在施工现场开挖揭露的能够代表矩形顶管穿越地层的无水砂层中进行取样，将减阻泥浆与所取土样按照不同的浆土比例系数η进行混合配制浆土混合物，并对不同比例系数下浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数进行测试；

(5)注浆条件模拟及试块放置，在试验场地上划定一试验范围，并在该试验范围内放置混凝土块，用于模拟无注浆条件和不同注浆条件下的管土剪切行为；

(6)剪切试验，进行界面剪切试验，在混凝土块顶面中心位置施加不同的垂直荷载，在混凝土块后侧端面中心位置施加水平推力，使混凝土块在不同垂直荷载作用下发生水平剪切滑动，分别模拟无注浆条件和不同注浆条件下的剪切特性；

(7)数据整理与分析，将不同注浆条件和不同静置时间下现场剪切试验监测的剪切力、剪切位移和垂直位移数据进行整理，得到各试验条件下的剪应力-剪切位移、抗剪强度-法向应力、强残比-法向应力、法向位移-剪切位移、摩擦系数-法向应力曲线，分析界面剪切特性随浆土比、垂直压力和静置时间的变化规律。

在一些实施例中，所述混凝土块的前侧底边缘棱角处为圆弧面，圆弧面与两侧相邻面相切，混凝土块的后侧底边缘与试验范围的一侧边缘重叠并位于其中间位置。

在一些实施例中，所述预处理包括对试验土层进行削填和平整，每处平整范围取2×2m作为试验场地，场地平整后进行预压，预压压力的大小取顶管中轴线位置处覆土压力大小的1.2倍；

所述划定一试验范围为在2×2m的试验场地中心勾画一个1×1m的范围。

在一些实施例中，所述制备减阻泥浆包括采用经室内正交试验优选出的适用于无水砂层中矩形顶管施工的减阻泥浆配方进行泥浆制备，其质量配比为钠基膨润土:羟甲基纤维素钠(CMC):纯碱(Na₂CO₃):水＝100:2:5:893。

在一些实施例中，所述取样后用孔径2mm的标准筛筛除土样中的杂质，将减阻泥浆与过筛后的土样按照质量比0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.75、1、1.5、2和∞的浆土比例系数η进行混合配制浆土混合物。

在一些实施例中，在模拟无注浆条件时，不考虑施工停顿间歇的影响，在模拟不同注浆条件时，先在试验场地内分别铺设一定厚度ξ的不同浆土比例系数η的浆土混合物，再将混凝土块放置在浆土混合物上。

在一些实施例中，在模拟无注浆条件时，在混凝土块顶面中心位置施加一系列垂直荷载，分别为0.06、0.08、0.1、0.12、0.14、0.16MPa，在模拟不同注浆条件时，在混凝土块顶面施加所述一系列垂直荷载后分别静置0、2、4、6、8、10、12、24、48h。

在一些实施例中，所述数据整理与分析时，首先将不同浆土比例系数η下浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数进行整理，得到密度-浆土比、粘聚力-浆土比、内摩擦角-浆土比和压缩系数-浆土比曲线，分析浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数随浆土比的变化规律。

本发明还提供一种用于所述无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法的试验装置，包括：

混凝土块，放置于试验场地的试验范围内；

法向加载系统，包括竖向加载框架和竖向分离式液压千斤顶，竖向加载框架固定于试验场地内，竖向分离式液压千斤顶安装在竖向加载框架上，正对下方的混凝土块，并在竖向分离式液压千斤顶加载端与混凝土块之间依次放置有滚珠排和传力钢板；

水平剪力加载系统，包括水平分离式液压千斤顶和反力支撑结构，反力支撑结构锚固于试验场地内的地层中，水平分离式液压千斤顶设置在所述混凝土块的后侧，一端正对混凝土块的后侧面中心，另一端抵接反力支撑结构；

监测系统，包括位移计、压力表和多功能采集仪，位移计安装在所述混凝土块的前侧，与混凝土块的前侧面接触，压力表与分离式液压千斤顶连接，位移计和压力表连接至多功能采集仪。

在一些实施例中，所述竖向加载框架由横梁、加载梁和锚杆组成，所述锚杆竖向锚固于试验场地内的地层中，横梁与加载梁组成工字形框架结构安装固定于所述锚杆上，所述竖向分离式液压千斤顶通过承载支座安装在加载梁下方。

在一些实施例中，所述反力支撑结构由反力支撑钢板和三块带梯形翼缘板的三角形钢板构成，三角形钢板楔入试验场地内的地层中。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供一种无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法及试验装置，进行现场大尺寸直剪试验，考虑浆土混合及施工停顿间歇的影响，对无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性进行研究，对浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数随浆土比的变化规律进行分析，将不同注浆条件和不同静置时间下现场剪切试验监测的剪切力、剪切位移和垂直位移数据进行整理，得到各试验条件下的剪应力-剪切位移、抗剪强度-法向应力、强残比-法向应力、法向位移-剪切位移、摩擦系数-法向应力曲线，对界面剪切特性随浆土比、垂直压力和静置时间的变化规律进行分析，并揭示其微观作用机理。相对于传统的室内直剪试验，试验条件与工程实际更接近，基于试验结果进行的顶力预测能够很好地满足工程需求。操作简单、切实可行、科学实用和节省成本，值得相关工程借鉴和参考。本发明的现场试验方法、减阻泥浆配方和试验装置尤其针对无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性的研究。

应当理解，本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1是本申请实施例公开的现场管土剪切特性试验装置侧视图；

图2是本申请实施例公开的现场管土剪切特性试验装置俯视图；

图3是本申请实施例公开的混凝土块俯视图；

图4是本申请实施例公开的混凝土块侧视图；

图5是本申请实施例公开的混凝土块内部配筋图；

图6是本申请实施例公开的混凝土块制作模具图；

图7是本申请实施例公开的分离式液压千斤顶结构构造图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是任意合适的设置方式，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”等指示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、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

对于无水砂层中矩形顶管施工，侧壁摩阻力的计算由于管土接触状态的复杂性导致无法满足实际工程应用。常规的室内直剪试验试样尺寸一般较小，存在明显的尺寸效应，土样的边界条件与工程实际存在较大偏差。对于砂土等结构松散、渗透性较强的地层，在注浆的作用下在管节上会同时存在管-土接触、管-浆接触和管-浆土混合物接触三种接触形式，而且由于减阻泥浆所具有的触变性，在不同的施工停顿间歇下同一管土接触形式所表现出的剪切特性也存在差异。对顶力的预测不能很好地满足工程需求，鉴于此，本发明考虑浆土混合及施工停顿间歇的影响，进行现场大尺寸直剪试验对无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性进行研究。

以下结合较佳的实施方式和具体示图对该分析方法的各个步骤进行详细说明。

本发明首先提供一种无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，主要包括以下步骤：第一步，混凝土块制作；第二步，场地平整和预处理；第三步，泥浆制备；第四步，浆土混合物制备及测试；第五步，注浆条件模拟及试块放置；第六步，剪切试验；第七步，数据整理与分析。

第一步，混凝土块制作，制作表面粗糙度与实际顶管管节相同或相近的混凝土块。

容易理解，实际制作时混凝土块表面粗糙度很难达到与实际顶管管节完全一致，尽可能与实际顶管管节相同或接近，满足试验要求即可。

如图3、图4，混凝土块10为C50混凝土块1块，尺寸为0.6×0.6×0.2m，底面一侧棱角处作半径2cm的圆弧面11，圆弧面11与两侧相邻面相切。通过将混凝土块10朝向前方的一侧底角作圆弧倒角，防止混凝土块在剪切过程中在棱角处发生铲土，影响试验结果的准确性。对于60cm尺寸的混凝土块而言，2cm半径在60cm中的占比很小，混凝土块底部可近似为一平面，圆弧面的存在对试验结果影响较小。

如图5，混凝土块10内部配有8号、10号和16号螺纹钢筋，顶面布有4个用于抬运的U型16号圆钢筋把手；混凝土块10内部分三层进行配筋，四个角的位置处各放置一根长0.15m的16号螺纹钢筋，外侧用8号螺纹钢筋做三层0.56×0.56m的箍筋，每层箍筋上分别横向、竖向搭接三根长0.56m的10号螺纹钢筋，最后放入四个用16号圆钢筋制作的U型把手，所有钢筋交接处均用扎丝进行固定，其中共用16号螺纹钢筋4根、8号螺纹箍筋3根、10号螺纹钢筋18根。

如图6为C50混凝土块模具，浇筑时在模具底部先布设0.02m厚的混凝土，然后居中放入绑扎好的钢筋网继续浇筑，浇筑时用细棍捣实各个钢筋死角，防止产生空洞和气泡，浇筑至与模具开口齐平时停止浇筑，用工具将混凝土面抹平，放入养护箱中养护28天，完成混凝土块的制作。

容易理解，混凝土块1设计为表面粗糙度与实际管节相近，在试验中代替实际管节来模拟管节对土层的剪切作用。

第二步，选取施工现场开挖揭露的能够代表矩形顶管穿越地层的无水砂层作为试验场地，并进行预处理。

选取试验场地后进行削填和平整，每处平整范围取2×2m作为试验场地，场地平整后在其上方放置钢板和铅块进行预压，预压力的大小取顶管中轴线位置处覆土压力大小的1.2倍。

第三步，制备减阻泥浆。

减阻泥浆质量配比为钠基膨润土:羟甲基纤维素钠(CMC):纯碱(Na₂CO₃):水＝100:2:5:893。按配比称取配料，依次向水中加入纯碱、钠基膨润土和CMC，同时用搅拌机进行搅拌，搅拌机的转速控制为550～600r/min，待全部配料添加完毕且混合均匀之后，盖好保鲜膜，持续搅拌24h，减阻泥浆制备完成。以上减阻泥浆配比采用经室内正交试验优选出来，适用于无水砂层中矩形顶管施工。

第四步，在施工现场开挖揭露的能够代表矩形顶管穿越地层的无水砂层中进行取样，取样场地可以是第一步中选取的试验场地，也可以是不同场地，只要开挖揭露土体与顶管穿越土体性质相似即可。

取样后将配置的减阻泥浆与所取土样按照不同的浆土比例系数η进行混合配制浆土混合物，并对不同比例系数下浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数进行测试。

在现场开挖揭露的能够代表矩形顶管穿越地层的无水砂层中进行取样，取样后用孔径2mm的标准筛筛除土样中的杂质，将减阻泥浆与过筛后的土样按照质量比0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.75、1、1.5、2和∞的浆土比例系数η进行混合配制浆土混合物。

第五步，在试验场地上划定一试验范围，并在该试验范围内放置表面粗糙度与实际顶管管节相近的混凝土块，用于模拟无注浆条件和不同注浆条件下的管土剪切行为。

移除试验场地上的钢板和铅块，在2×2m的场地范围中心勾画一个1×1m的试验范围进行界面剪切试验。

混凝土块规格优选为0.6×0.6×0.2m的表面粗糙度与实际管节相近的C50混凝土块，混凝土块的后侧底边缘与试验范围的一侧边缘重叠并位于其中间位置，便于定位混凝土块与装置的相对位置。

在模拟无注浆条件时，不考虑施工停顿间歇的影响，直接将0.6×0.6×0.2m规格的表面粗糙度与实际管节相近的C50混凝土块放置在试验范围内，使混凝土块的后侧底边缘与试验范围的一侧边缘重叠并位于其中间位置，在模拟不同注浆条件时，先在试验场地内分别铺设一定厚度ξ的不同浆土比例系数η的浆土混合物，再将混凝土块放置在浆土混合物上，在混凝土块顶面施加不同的垂直荷载后静置预定时间再施加水平推力。

本发明中，厚度ξ的计算如公式(1)：

式中：Δp——泥浆压力与地下水压力差，无地下水时取注浆压力；d₁₀——土体的有效粒径，即小于该粒径的土颗粒质量占总质量的10％；τ_s——泥浆的剪切阻力，取动切力值；n——土体的孔隙率；f——考虑土体渗流路径的尺寸和弯曲程度的参数，一般取0.3。

第六步，进行界面剪切试验，在混凝土块顶面中心位置施加不同的垂直荷载，在混凝土块后侧端面中心位置施加水平推力，使混凝土块在不同垂直荷载作用下发生水平剪切滑动，分别模拟无注浆条件和不同注浆条件下的剪切特性。

在混凝土块顶面中心位置分别施加0.06、0.08、0.1、0.12、0.14、0.16MPa的垂直荷载，在模拟无注浆条件时，不考虑施工停顿间歇的影响，在混凝土块后侧端面中心位置施加水平推力，使混凝土块在不同垂直荷载作用的条件下发生水平剪切滑动，最大滑动距离取10cm，同时监测并记录剪切力、剪切位移和垂直位移等数据以备后续处理和分析，可以在同一试验场地范围内重复进行试验。通过对无注浆条件下的剪切特性进行模拟，作为后续不同注浆条件的对照组，分析无水砂层中矩形顶管施工注浆对管土剪切特性的作用。

在模拟不同注浆条件时，在混凝土块顶面施加上不同的垂直荷载后分别静置0、2、4、6、8、10、12、24、48h再进行剪切试验，水平推力和监测的实施同无注浆条件，每次试验后需更换试验场地范围，对混凝土块底面进行清洗和擦拭。

第七步，数据整理与分析，将不同注浆条件和不同静置时间下现场剪切试验监测的剪切力、剪切位移和垂直位移数据进行整理，得到各试验条件下的剪应力-剪切位移、抗剪强度-法向应力、强残比-法向应力、法向位移-剪切位移、摩擦系数-法向应力曲线，分析界面剪切特性随浆土比、垂直压力和静置时间的变化规律。通过对五组曲线的分析得出管土剪切特性，如此获得的管土剪切特性可用于顶力及土体变形预测。

本发明中，数据整理与分析时还包括首先将不同浆土比例系数η下浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数进行整理，得到密度-浆土比、粘聚力-浆土比、内摩擦角-浆土比和压缩系数-浆土比曲线，分析浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数随浆土比的变化规律。通过首先了解浆土混合物物理力学性质随浆土比的变化规律，在此基础上揭示管土剪切特性随浆土比变化的内在机理。

为完成上述无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，本发明提供一种无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验装置，主要包括的结构和构件有混凝土块10、法向加载系统20、水平剪力加载系统30以及监测系统40，下面将结合图1至图7进行详细阐述。

如图1、图2所示，选取的2×2m场地范围作为试验场地S1，在试验场地S1中心选取1×1m的范围作为试验范围S2，试验范围S2内用于放置混凝土块10。

继续参见图1、图2，法向加载系统20包括竖向加载框架和竖向分离式液压千斤顶21，竖向加载框架固定于试验场地S1内，竖向分离式液压千斤顶21安装在竖向加载框架上，正对下方的混凝土块10，并在竖向分离式液压千斤顶21加载端与混凝土块10之间依次放置有滚珠排22和传力钢板23。

本发明中，竖向加载框架由横梁24、加载梁25和锚杆26组成，锚杆26竖向锚固于试验场地S1内的地层中，横梁24与加载梁25组成工字形框架结构安装固定于锚杆26上，竖向分离式液压千斤顶21通过承载支座27安装在加载梁25下方。承载支座27通过螺母及垫片安装在加载梁25上。

锚杆26有4根，为螺旋铲地锚，锚杆下部带有螺旋铲，每根能够提供2.5t锚固力。横梁24为2根，可采用工字钢，极限荷载为5t；加载梁25为1根，可采用工字钢，极限荷载为10t。竖向分离式液压千斤顶21为1套，缸底直径190mm，缸筒外径120mm，高320mm，承载能力为10t。

法向加载系统用于模拟上覆土压力，模拟顶管管节所受到的上覆土压力。

再参见图1、图2，水平剪力加载系统30包括水平分离式液压千斤顶31和反力支撑结构，反力支撑结构锚固于试验场地S1内的地层中，水平分离式液压千斤顶31设置在混凝土块10的后侧，一端正对混凝土块10的后侧面中心，另一端抵接反力支撑结构。

本发明中，反力支撑结构为反力支撑钢板32和三块带梯形翼缘板的三角形钢板33，在距离试验范围S2平行于加载梁25的一侧边缘0.3m，且以该边的中轴线为中轴线垂直凿入反力支撑钢板32，钢板出露露头保证长0.2m，在钢板后侧三等分位置处垂直凿入三块带梯形翼缘板的三角形钢板33，完成反力支撑结构的安装。必要时铺垫木垫块34使千斤顶柱塞端头中心对准混凝土块后端面中心。

水平分离式液压千斤顶31采用1套，缸底直径190mm，缸筒外径120mm，高320mm，承载能力为10t。

反力支撑钢板32一块，规格为1.0×0.5×0.02m、一端短边带刃；带梯形翼缘板的三角形钢板33三块，规格为0.5×0.5×0.01m。

水平剪力加载系统用于模拟顶管施工过程中千斤顶对管节的顶推作用。

应当理解，本发明图2中所示左侧为前侧，右侧为后侧，但所谓前侧、后侧为相对方向性指示，水平加载方向可理解为前侧，水平加载方向的反方向可理解为后侧，取决于加载装置的设置位置和加载方向。

监测系统40包括位移计41、压力表42和多功能采集仪(图中未示出)，位移计41安装在混凝土块10的前侧，与混凝土块10的前侧面接触，压力表42与两个分离式液压千斤顶连接，位移计和压力表连接至多功能采集仪。

位移计41通过表座支承板43和磁性表座44安装在混凝土块10的前侧，具体是在混凝土块前侧0.2m位置处关于混凝土块中轴线对称插入两个表座支承板43，在表座支承板43上分别吸附上一只磁性表座44，在磁性表座44上各安装一支位移计41，使位移计41探头与混凝土块10前端面接触。

位移计41为电阻应变式传感器，量程为0～100mm，分辨率为0.01mm，压力表42为电阻应变式传感器，量程为0～100MPa，分辨率为0.01MPa，多功能采集仪1台，能够采集、存储、分析和处理位移计、压力表监测数据，具有抗干扰能力强、集成度高、性能强、功耗低、灵敏度和稳定性好等特点。

现场实施时，首先采用模具完成混凝土块10的制作并养护。

参照图1、图2，将横梁24与加载梁25采用螺丝和螺母固定，二者之间互相垂直，呈“工”字形，移除预压钢板和铅块。摆放横梁24与加载梁25时，保证承载支座27位于试验范围S2中心，并且使加载梁25与试验范围S2的一边平行，在横梁24两端预留孔位对应的试验场地S1位置做好标记，移除横梁24与加载梁25；在做标记位置安装带螺旋铲的锚杆26，锚杆26出露保证长0.6m，然后将横梁24与加载梁25整体安装在四根锚杆26上，完成竖向加载框架的安装。

在距离试验范围S2平行于加载梁25的一侧边缘0.3m，且以该边的中轴线为中轴线用大锤垂直凿入反力支撑钢板32，钢板出露保证长0.2m，在钢板后侧三等分位置处垂直凿入三块带梯形翼缘板的三角形钢板33，完成水平反力支撑结构的安装。

在模拟不同注浆条件时，在试验范围S2内铺设浆土混合物，放置混凝土块10，混凝土块10与承载支座27对中后，在其上部依次放置传力钢板23、滚珠排22、竖向分离式液压千斤顶21，并将千斤顶柱塞端头部位安装至承载支座27内，千斤顶高度可通过在底部垫入垫块或柱塞伸缩进行调节。模拟无注浆条件时，直接进行试验，不铺设浆土混合物。

在混凝土块10前侧0.2m位置处关于混凝土块中轴线对称插入两个表座支承板43，在表座支承板43上分别吸附上一只磁性表座44，在磁性表座44上各安装一支位移计41，使位移计41探头与混凝土块10前端面接触。

在混凝土块10后侧中轴线上放置水平分离式液压千斤顶31，铺垫木垫块34使千斤顶柱塞端头中心对准混凝土块10后端面中心。

将位移计41和油压表42连接至多功能采集仪，如图7所示，来回压动法向加载系统的液压泵压杆进行垂直加载，至目标值后，来回压动水平加载系统的液压泵压杆进行水平加载，开展试验。试验过程中实时采集并记录数据。

本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)混凝土块制作，制作与实际顶管管节表面粗糙度相近的混凝土块；

(2)场地平整和预处理，选取施工现场开挖揭露的能够代表矩形顶管穿越地层的无水砂层作为试验场地，并进行预处理；

(3)泥浆制备，制备减阻泥浆；

(4)浆土混合物制备及测试，在施工现场开挖揭露的能够代表矩形顶管穿越地层的无水砂层中进行取样，将减阻泥浆与所取土样按照不同的浆土比例系数η进行混合配制浆土混合物，并对不同比例系数下浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数进行测试；

(5)注浆条件模拟及试块放置，在试验场地上划定一试验范围，并在该试验范围内放置混凝土块，用于模拟无注浆条件和不同注浆条件下的管土剪切行为；

(6)剪切试验，进行界面剪切试验，在混凝土块顶面中心位置施加不同的垂直荷载，在混凝土块后侧端面中心位置施加水平推力，使混凝土块在不同垂直荷载作用下发生水平剪切滑动，分别模拟无注浆条件和不同注浆条件下的剪切特性；

(7)数据整理与分析，将不同注浆条件和不同静置时间下现场剪切试验监测的剪切力、剪切位移和垂直位移数据进行整理，得到各试验条件下的剪应力-剪切位移、抗剪强度-法向应力、强残比-法向应力、法向位移-剪切位移、摩擦系数-法向应力曲线，分析界面剪切特性随浆土比、垂直压力和静置时间的变化规律。

2.根据权利要求1所述的无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，其特征在于：

所述混凝土块的前侧底边缘棱角处为圆弧面，圆弧面与两侧相邻面相切，混凝土块的后侧底边缘与试验范围的一侧边缘重叠并位于其中间位置。

3.根据权利要求1所述的无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，其特征在于：

所述预处理包括对试验土层进行削填和平整，每处平整范围取2×2m作为试验场地，场地平整后进行预压，预压压力的大小取顶管中轴线位置处覆土压力大小的1.2倍；

所述划定一试验范围为在2×2m的试验场地中心勾画一个1×1m的范围。

4.根据权利要求1所述的无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，其特征在于：

所述制备减阻泥浆包括采用经室内正交试验优选出的适用于无水砂层中矩形顶管施工的减阻泥浆配方进行泥浆制备，其质量配比为钠基膨润土:羟甲基纤维素钠(CMC):纯碱(Na₂CO₃):水＝100:2:5:893。

5.根据权利要求1所述的无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，其特征在于：

所述取样后用孔径2mm的标准筛筛除土样中的杂质，将减阻泥浆与过筛后的土样按照质量比0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.75、1、1.5、2和∞的浆土比例系数η进行混合配制浆土混合物。

6.根据权利要求1所述的无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，其特征在于：

在模拟无注浆条件时，不考虑施工停顿间歇的影响，在模拟不同注浆条件时，先在试验场地内分别铺设一定厚度ξ的不同浆土比例系数η的浆土混合物，再将混凝土块放置在浆土混合物上。

7.根据权利要求1所述的无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，其特征在于：

在模拟无注浆条件时，在混凝土块顶面中心位置施加一系列垂直荷载，分别为0.06、0.08、0.1、0.12、0.14、0.16MPa，在模拟不同注浆条件时，在混凝土块顶面施加所述一系列垂直荷载后分别静置0、2、4、6、8、10、12、24、48h。

8.根据权利要求1所述的无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法，其特征在于：

所述数据整理与分析时，首先将不同浆土比例系数η下浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数进行整理，得到密度-浆土比、粘聚力-浆土比、内摩擦角-浆土比和压缩系数-浆土比曲线，分析浆土混合物的密度、粘聚力、内摩擦角和压缩系数随浆土比的变化规律。

9.一种用于权利要求1至8任一项所述无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法的试验装置，其特征在于，包括：

混凝土块，放置于试验场地的试验范围内；

法向加载系统，包括竖向加载框架和竖向分离式液压千斤顶，竖向加载框架固定于试验场地内，竖向分离式液压千斤顶安装在竖向加载框架上，正对下方的混凝土块，并在竖向分离式液压千斤顶加载端与混凝土块之间依次放置有滚珠排和传力钢板；

水平剪力加载系统，包括水平分离式液压千斤顶和反力支撑结构，反力支撑结构锚固于试验场地内的地层中，水平分离式液压千斤顶设置在所述混凝土块的后侧，一端正对混凝土块的后侧面中心，另一端抵接反力支撑结构；

监测系统，包括位移计、压力表和多功能采集仪，位移计安装在所述混凝土块的前侧，与混凝土块的前侧面接触，压力表与分离式液压千斤顶连接，位移计和压力表连接至多功能采集仪。

10.根据权利要求9所述的试验装置，其特征在于：

所述竖向加载框架由横梁、加载梁和锚杆组成，所述锚杆竖向锚固于试验场地内的地层中，横梁与加载梁组成工字形框架结构安装固定于所述锚杆上，所述竖向分离式液压千斤顶通过承载支座安装在加载梁下方。

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