CN117074154A - 管幕法顶管顶推力试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管幕法顶管顶推力试验系统及方法，所述系统包括模型箱，在模型箱一对侧壁上设置若干供顶管模型进出的出入口，PVC硬管的外侧形成有气囊，PVC硬管和气囊共同构成顶管模型，顶管模型穿过所述出入口且两端延伸到所述模型箱外，所述模型箱内填装有土体，并将所述顶管模型覆盖，所述PVC硬管上侧的土体内设置有土压力传感器，所述土压力传感器上侧的土体内设置有LVDT地表变形传感器，与所述PVC硬管相对应的一端设置有加载装置，所述加载装置用于驱动所述PVC硬管移动，并对所述PVC硬管进行监测。所述系统能够准确测试管幕法不同钢管顶进过程中土压力、土体沉降以及顶推力的变化且试验结果准确。
Description
技术领域
本发明涉及岩土力学技术领域，尤其涉及一种管幕法顶管顶推力试验系统及试验方法。
背景技术
随着城市地下空间的持续开发，加剧了地下结构的密集程度，近年来地下近接工程逐年增加。近接工程往往具有设计施工难度大、安全风险高、建设周期长、变形控制难度大、工程造价高等特点。如果在建设过程中，由于某方面的疏忽，极易发生安全事故，并且造成无法挽回的巨大经济损失和社会影响，直接决定着地下工程建设的成败。在这类工程中，其核心是如何保证施工过程中工程自身安全和邻近建构筑物的安全两个方面。在上述强劲的建设需求和严苛的环境要求下，为保证建设过程中对周围环境的影响降到最小，往往采用管幕法对周围岩土体的变形进行控制，从而保护周围既有结构。
管幕法是在结构体外围预先进行大量钢管的顶进，并在钢管侧面利用锁扣进行连接，在锁扣空隙内填充止水材料，形成一个能抵御上部荷载的超前支护体系，并起到隔断周围水土的帷幕结构作用，从而减小对上部土体、既有建构筑物和周围环境的扰动。管幕钢管常用顶管法进行施工。顶管属于一种非开挖技术，由于其施工速度快、对周围环境干扰小、施工质量高等优点，已被广泛应用于供水管道、污水管道、油气等压力管道、通信电力管道、交通隧道及管幕工程。根据不同的工程需求，顶管管径可在250mm～3m范围内变化，近几年甚至还出现了适用于交通和行人的大跨箱型顶管结构。顶管施工过程中的土—结相互作用及其复杂，收到土层性质、超挖、注浆以及停机等因素的影响。设计人员最关注的是顶管顶推力，顶推力的预测与顶管系统的设计和选型密切相关。目前针对顶管顶推力的研究仍局限于单管顶推力，未考虑不同地层损失下管幕小间距钢管顶进时顶推力的相互影响。因此，为了更好地模拟现场管幕钢管顶进的施工环境，有必要研制一种模拟考虑不同地层损失下管幕法顶管顶推力的试验装置及试验方法。
经过对现有技术文献检索发现，专利—平行顶管顶进施工模拟装置(申请号：201110109981.X)公开了一种建筑工程技术领域的平行顶管顶进施工模拟装置，专利—顶管注浆减阻的室内模拟实验系统(申请号：201210137982.X)公开了一种顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，专利—一种顶管模型试验装置(申请号：202010030721.2)公开了一种可拼接式试验箱及其试验方法。上述这三个专利均没有研究地层损失对顶管顶推力的影响。另外，专利—一种用于模型试验的模拟顶管(申请号：201410249645.9)公开了一种可同时考虑地层损失和注浆因素影响的用于模型试验的模拟顶管。然而，在上述四个专利中均针对于单管顶进施工的模型试验，而并未涉及到管幕法群管顶进施工。可见，目前尚无能用于考虑地层损失效应的管幕法顶管顶推力的试验装置及试验方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够准确测试管幕法不同钢管顶进过程中土压力、土体沉降以及顶推力的变化，试验结果准确，能真实的反映考虑不同地层损失率下不同顶管顶推力之间的相互影响的试验系统及试验方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：包括模型箱，在模型箱一对侧壁上设置若干供顶管模型进出的出入口，PVC硬管的外侧形成有气囊，PVC硬管和气囊共同构成顶管模型，顶管模型穿过所述出入口且两端延伸到所述模型箱外，所述模型箱内填装有土体，并将所述顶管模型覆盖，所述PVC硬管上侧的土体内设置有土压力传感器，所述土压力传感器上侧的土体内设置有LVDT地表变形传感器，与所述PVC硬管相对应的一端设置有加载装置，所述加载装置用于驱动所述PVC硬管移动，并对所述PVC硬管进行监测。
进一步的技术方案在于：所述加载装置包括大L型铝合金板，所述大L型铝合金板的上侧滑动设置有小L型铝合金板，所述小L型铝合金板上固定有拉压力计数仪，所述拉压力计数仪靠近所述PVC硬管的一侧与套筒的一端固定连接，所述套筒的另一端与加载板固定连接，所述加载板与所述PVC硬管的端部接触，转轮的一端穿过所述大L型铝合金板上的竖直板后与所述小L型铝合金板的竖直板接触，且所述转轮与所述大L型铝合金板上的竖直板螺纹连接，转动所述转轮能够驱动所述小L型铝合金板沿所述大L型铝合金板滑动。
进一步的技术方案在于：所述加载装置还包括U形支架，所述拉压力计数仪通过所述U形支架固定到所述小L型铝合金板的水平部上。
进一步的技术方案在于：所述大L型铝合金板的竖直部与所述小L型铝合金板的竖直部之间设置有弹簧。
进一步的技术方案在于：所述模型箱由亚克力板制作而成，且设有出入口的侧壁为承插式，可根据不同试验工况对该承插式侧壁进行更换。
进一步的技术方案在于：地层损失可通过PVC硬管和气囊进行模拟，根据地层损失率和模型相似比确定PVC硬管和气囊的直径后，将PVC硬管内置于气囊中，对气囊充满气体模拟初始状态，试验过程中对气囊放气模拟地层损失。
进一步的技术方案在于：所述的PVC硬管和气囊的长度一致，且要比出入口之间的距离长60cm～100cm。
进一步的技术方案在于：所述的小L型铝合金板的水平部通过相互配合的滑块与大L型铝合金板水平部上的滑槽相连，小L型铝合金板可通过滑块在大L型铝合金板上自由平移。
进一步的技术方案在于：所述加载板为正方形，且正方形的边长大于PVC硬管的直径，加载板中心一侧固定有带螺纹的铝合金棒，该铝合金棒可与拉压力计数仪之间采用套筒相连。
本发明还公开了一种管幕法顶管顶推力试验方法，所述方法使用所述的系统，其特征在于：包括以下步骤:
S1：分层在模型箱内进行填土，待填到设置的出入口底部时停止填土；
S2：在所述出入口内安装PVC硬管和气囊，并将气囊充满气；
S3：继续填土，填至设定高度，在填土的过程中，同时安装土压力传感器和LVDT地表变形传感器；
S4：填土完成后，对气囊进行二次充气，保证气囊形状为圆形；
S5：静置一段时间，待土压力传感器示数稳定后，对气囊进行放气，模拟顶管的地层损失；
S6：记录气囊放气后土压力传感器和LVDT地表变形传感器的示数，待示数稳定后，采用加载装置通过加载板对顶管模型进行均匀加载，使顶管模型缓慢匀速向前移动，并记录拉压力计数仪的示数；
S7：重复步骤S5和S6，对管幕法其他顶管依次进行试验，并记录不同顶管试验的传感器示数。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述系统构造简单、操作方便、模拟程度高，能够准确测试管幕法不同钢管顶进过程中土压力、土体沉降以及顶推力的变化，试验结果准确，能真实的反映考虑不同地层损失率下不同顶管顶推力之间的相互影响。可以通过调整气囊与PVC硬管的直径精细化模拟不同地层损失率对管幕法顶管顶推力的影响。模型箱中设有出入口的侧壁为承插式亚克力板，可根据管幕不同布置形式进行出入口侧壁的更换，可灵活的研究不同的试验工况。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述系统的主视结构示意图；
图2是本发明实施例所述系统的侧视结构示意图；
图3是本发明实施例所述系统中加载装置的主视图；
图4是本发明实施例所述系统中同管幕钢管布置形式的出入口侧壁类型；
其中：1、模型箱；2、PVC硬管；3、气囊；4、加载装置；5、加载板6、套筒；7、土压力传感器；8、拉压力计数仪；9、LVDT地表变形传感器；10、小L型铝合金板；11、大L型铝合金板；12、转轮；13、弹簧；14、U形支架。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图3所示，本发明实施例公开了一种管幕法顶管顶推力试验系统，包括模型箱1，在模型箱1的一对侧壁上设置若干供顶管模型进出的出入口，所述模型箱1由亚克力板制作而成，且设有出入口的侧壁为承插式，可根据不同试验工况对该承插式侧壁进行更换，管幕的不同布置形式如图4所示。PVC硬管2的外侧形成有气囊3，PVC硬管2和气囊3共同构成顶管模型，顶管模型穿过所述出入口且两端延伸到所述模型箱1外，所述模型箱1内填装有土体，并将所述顶管模型覆盖，所述PVC硬管2上侧的土体内设置有土压力传感器7，所述土压力传感器7上侧的土体内设置有LVDT地表变形传感器9，与所述PVC硬管2相对应的一端设置有加载装置4，所述加载装置4用于驱动所述PVC硬管2移动，并对所述PVC硬管2进行监测。
进一步的，如图3所示，所述加载装置4包括大L型铝合金板11，所述大L型铝合金板11的上侧滑动设置有小L型铝合金板10，所述小L型铝合金板10上固定有拉压力计数仪8，所述拉压力计数仪8靠近所述PVC硬管2的一侧与套筒6的一端固定连接，所述套筒6的另一端与加载板5固定连接，所述加载板5与所述PVC硬管2的端部接触，转轮12的一端穿过所述大L型铝合金板11上的竖直板后与所述小L型铝合金板10的竖直板接触，且所述转轮12与所述大L型铝合金板11上的竖直板螺纹连接，转动所述转轮12能够驱动所述小L型铝合金板10沿所述大L型铝合金板11滑动。
通过手动匀速缓慢转动转轮12对顶管模型进行加载，从而实现顶管的模拟；用于采集顶推力的拉压力计数仪8可以通过U形支架14固定在加载装置4上，进一步的，所述拉压力计数仪8通过所述U形支架14固定到所述小L型铝合金板10的水平部上。拉压力计数仪8可以通过加载板5对顶管模型施加顶推力；在试验过程中，可通过提前埋设的土压力传感器7和LVDT地表变形传感器9得到不同地层损失下土压力和地表变形的变化规律，传感器的布置方案如图1所示。
进一步的，地层损失可通过PVC硬管2和气囊3进行模拟，根据地层损失率和模型相似比确定PVC硬管2和气囊3的直径后，将PVC硬管2内置于气囊3中，对气囊3充满气体模拟初始状态，试验过程中对气囊3放气模拟地层损失。如图2所示，所述PVC硬管2和气囊3的长度一致，且要比出入口之间的距离长60cm～100cm。所述的PVC硬管2应该与气囊3底部粘贴固定，防止在加载过程中发生相对滑动。
待土体填至模型箱1内设定高度后，对气囊3进行二次充气，保证气囊3的形状为圆形。所述的小L型铝合金板10长边上通过滑槽(或滑块)与大L型铝合金板11相连，小L型铝合金板10可通过滑槽(或滑块)在大L型铝合金板11上自由平移。所述的大L型铝合金板11可通过台虎钳固定在桌面上。所述的小L型铝合金板10通过弹簧13和转轮12与大L型铝合金板11相连，转动转轮12可使小L型铝合金板10前进或后退。
进一步的，所述的加载板为正方形，且正方形的边长大于PVC硬管2的直径，加载板5中心一侧固定有带螺纹的铝合金棒，该铝合金棒可与拉压力计数仪8之间采用套筒6相连。
相应的，本发明还公开了一种管幕法顶管顶推力试验方法，所述方法使用所述的系统，包括以下步骤:
S1：分层在模型箱1内进行填土，待填到设置的出入口底部时停止填土；
S2：在所述出入口内安装PVC硬管2和气囊3，并将气囊3充满气；
S3：继续填土，填至设定高度，在填土的过程中，同时安装土压力传感器7和LVDT地表变形传感器9；
S4：填土完成后，对气囊3进行二次充气，保证气囊3形状为圆形；
S5：静置一段时间，待土压力传感器7示数稳定后，对气囊3进行放气，模拟顶管的地层损失；
S6：记录气囊3放气后土压力传感器7和LVDT地表变形传感器9的示数，待示数稳定后，采用加载装置4通过加载板5对顶管模型进行均匀加载，使顶管模型缓慢匀速向前移动，并记录拉压力计数仪8的示数；
S7：重复步骤S5和S6，对管幕法其他顶管依次进行试验，并记录不同顶管试验的传感器示数。
本发明所述系统构造简单、操作方便、模拟程度高，能够准确测试管幕法不同钢管顶进过程中土压力、土体沉降以及顶推力的变化，试验结果准确，能真实的反映考虑不同地层损失率下不同顶管顶推力之间的相互影响。可以通过调整气囊与PVC硬管的直径精细化模拟不同地层损失率对管幕法顶管顶推力的影响。模型箱中设有出入口的侧壁为承插式亚克力板，可根据管幕不同布置形式进行出入口侧壁的更换，可灵活的研究不同的试验工况。
Claims (10)
1.一种管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：包括模型箱(1)，在模型箱(1)的一对侧壁上设置若干供顶管模型进出的出入口，PVC硬管(2)的外侧形成有气囊(3)，PVC硬管(2)和气囊(3)共同构成顶管模型，顶管模型穿过所述出入口且两端延伸到所述模型箱(1)外，所述模型箱(1)内填装有土体，并将所述顶管模型覆盖，所述PVC硬管(2)上侧的土体内设置有土压力传感器(7)，所述土压力传感器(7)上侧的土体内设置有LVDT地表变形传感器(9)，与所述PVC硬管(2)相对应的一端设置有加载装置(4)，所述加载装置(4)用于驱动所述PVC硬管(2)移动，并对所述PVC硬管(2)进行监测。
2.如权利要求1所述的管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：所述加载装置(4)包括大L型铝合金板(11)，所述大L型铝合金板(11)的上侧滑动设置有小L型铝合金板(10)，所述小L型铝合金板(10)上固定有拉压力计数仪(8)，所述拉压力计数仪(8)靠近所述PVC硬管(2)的一侧与套筒(6)的一端固定连接，所述套筒(6)的另一端与加载板(5)固定连接，所述加载板(5)与所述PVC硬管(2)的端部接触，转轮(12)的一端穿过所述大L型铝合金板(11)上的竖直板后与所述小L型铝合金板(10)的竖直板接触，且所述转轮(12)与所述大L型铝合金板(11)上的竖直板螺纹连接，转动所述转轮(12)能够驱动所述小L型铝合金板(10)沿所述大L型铝合金板(11)滑动。
3.如权利要求2所述的管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：所述加载装置(4)还包括U形支架(14)，所述拉压力计数仪(8)通过所述U形支架(14)固定到所述小L型铝合金板(10)的水平部上。
4.如权利要求2所述的管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：所述大L型铝合金板(11)的竖直部与所述小L型铝合金板(10)的竖直部之间设置有弹簧(13)。
5.如权利要求1所述的管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：所述模型箱(1)由亚克力板制作而成，且设有出入口的侧壁为承插式，可根据不同试验工况对该承插式侧壁进行更换。
6.如权利要求1所述的管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：地层损失可通过PVC硬管(2)和气囊(3)进行模拟，根据地层损失率和模型相似比确定PVC硬管(2)和气囊(3)的直径后，将PVC硬管(2)内置于气囊(3)中，对气囊(3)充满气体模拟初始状态，试验过程中对气囊(3)放气模拟地层损失。
7.如权利要求1所述的管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：所述的PVC硬管(2)和气囊(3)的长度一致，且要比出入口之间的距离长60cm～100cm。
8.如权利要求1所述的管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：所述小L型铝合金板(10)的水平部通过滑块与大L型铝合金板(11)水平部上的滑槽相连，小L型铝合金板(10)可通过滑块在大L型铝合金板(11)上自由平移。
9.如权利要求1所述的管幕法顶管顶推力试验系统，其特征在于：所述加载板(5)为正方形，且正方形的边长大于PVC硬管(2)的直径，加载板(5)中心一侧固定有带螺纹的铝合金棒，该铝合金棒可与拉压力计数仪(8)之间采用套筒(6)相连。
10.一种管幕法顶管顶推力试验方法，所述方法使用如权利要求1-9中任意一项所述的系统，其特征在于：包括以下步骤:
S1：分层在模型箱(1)内进行填土，待填到设置的出入口底部时停止填土；
S2：在所述出入口内安装PVC硬管(2)和气囊(3)，并将气囊(3)充满气；
S3：继续填土，填至设定高度，在填土的过程中，同时安装土压力传感器(7)和LVDT地表变形传感器(9)；
S4：填土完成后，对气囊(3)进行二次充气，保证气囊(3)形状为圆形；
S5：静置一段时间，待土压力传感器(7)示数稳定后，对气囊(3)进行放气，模拟顶管的地层损失；
S6：记录气囊(3)放气后土压力传感器(7)和LVDT地表变形传感器(9)的示数，待示数稳定后，采用加载装置(4)通过加载板(5)对顶管模型进行均匀加载，使顶管模型缓慢匀速向前移动，并记录拉压力计数仪(8)的示数；
S7：重复步骤S5和S6，对管幕法其他顶管依次进行试验，并记录不同顶管试验的传感器示数。
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