CN117890563B - 矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统及方法，包括支座、试验箱、土体、触变泥浆、混凝土块、顶推器和数据采集组件，所述试验箱设置在所述支座上，所述土体铺设在所述试验箱内的底部，所述土体上方铺设所述触变泥浆，所述混凝土块置于所述触变泥浆的上表面；所述顶推器与所述支座连接，所述顶推器的顶推端与所述混凝土块接触；所述数据采集组件包括顶推压力传感器、压力盒、泥浆渗滤探测传感器、数据采集仪和计算机。利用该测试系统进行测试可确定触变泥浆对矩形顶管顶进过程中的减阻效果，准确测定矩形顶管顶进过程中管节动/静态摩阻力和触变泥浆滤失性能趋势，为后续顶管触变泥浆配比优化和施工提供重要技术支撑与研究基础。
Description
技术领域
本发明涉及顶管工程领域，特别涉及一种矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统及方法。
背景技术
顶管施工作为一种与盾构法相似的地下工程非开挖管道铺设技术，因其具有不开挖路面、施工扰动小、保护城市景观等优点，近年来被广泛应用于城市地铁出入口、综合管廊、地下商业街等工程中。然而顶管施工过程中因管土摩阻力过大导致顶管机上方土体随顶进方向发生移动或压缩变形，进而造成“背土效应”问题成为顶管施工一大难题，如何有效地减小顶管施工中的摩阻力是顶管工程一项重要基础研究课题。
为了减小管道与土体间的摩擦阻力，通常需要向管道外壁注入触变泥浆，触变泥浆是一种具备特殊矿物结构和触变性能的减阻材料，在顶管施工过程中，充满于顶管和土体之间的2～5cm的环形空间，一方面可以将顶管与土体之间的干摩擦转换为液体摩擦，从而减小顶进的摩阻力；另一方面可以填补顶管与土体之间产生的空隙，从而起到减小土体变形和支撑地层的作用。触变泥浆静止时泥浆呈胶凝状态，一经外界扰动就变成流体状态，而外界因素停止作用后，水溶液又变为胶凝状态，该性能即为触变泥浆特有的触变性，该性能使得其较好地发挥减阻作用，可以更好地控制顶管在施工过程中的地层压力、管道稳定性等问题，大大提高顶管施工的效率，降低事故发生概率。
由于顶管法施工是一种新型地下工程非开挖管道铺设技术，其管壁触变泥浆减阻性能研究与滤失评价仍存在大量不足，目前对触变泥浆减阻效果研究大部分采用单一滑块减阻测试或经改进直剪仪测试确定，难以准确获得减阻泥浆减阻效果，更无法获得减阻泥浆滤失特性及其对减阻效果的影响。
因此，为了确定顶管触变泥浆减阻，探究其动态与静态滤失性能，急需一种矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统及方法，该测试系统能够对触变泥浆动/静态摩阻力和滤失性能进行测试，根据测试结果建立的矩形顶管-土体摩阻力计算公式，并对触变泥浆滤失性能分析评价。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统，包括支座、试验箱、土体、触变泥浆、混凝土块、顶推器和数据采集组件，其中，所述试验箱设置在所述支座上，所述土体铺设在所述试验箱内的底部，所述土体上方铺设所述触变泥浆，所述混凝土块置于所述触变泥浆的上表面；所述顶推器与所述支座连接，所述顶推器的顶推端与所述混凝土块接触，在所述顶推器的作用下，所述混凝土块能够在所述试验箱内水平移动；所述数据采集组件包括顶推压力传感器、压力盒、泥浆渗滤探测传感器、数据采集仪和计算机，所述顶推压力传感器能够监测所述顶推器对所述混凝土块产生的顶推力，所述压力盒和所述泥浆渗滤探测传感器均布设于所述土体内，所述顶推压力传感器、所述压力盒和所述泥浆渗滤探测传感器均与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪和所述计算机连接。
进一步地，在上述的矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统中，所述支座包括底座、第一立板和第二立板，所述第一立板和所述第二立板相对设置在所述底座上；所述底座、所述第一立板和所述第二立板均为U型钢，所述底座的长度L 0为150cm~200cm、宽度W 0为20cm~40cm，所述第一立板的长度L 1为40cm~80cm、宽度W 1为20cm~40cm，所述第二立板的规格与所述第一立板的规格一致；所述第一立板的下端和所述第二立板的下端均通过焊接或螺栓方式与所述底座连接，所述底座的一端与所述第一立板之间的距离为10cm~20cm，所述底座的另一端与所述第二立板之间的距离为10cm~20cm。
进一步地，在上述的矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统中，所述试验箱为上表面敞开的立方体结构，所述试验箱包括底板、第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，所述第一侧板、所述第二侧板、所述第三侧板、所述第四侧板和所述第一侧板依次连接，所述第一侧板、所述第二侧板、所述第三侧板和所述第四侧板均与所述底板连接；所述试验箱内部的长度L 2为50cm~100cm、宽度W 2为20cm~40cm、高度H 1为20cm~40cm；所述第一侧板与所述第一立板接触，所述第三侧板与所述第二立板之间存在距离，所述试验箱通过卡扣与所述第一立板连接；所述试验箱还包括挡板，所述第二侧板的内表面和所述第四侧板的内表面均设置有竖向的第一限位槽，所述第一限位槽与所述第一侧板之间的距离为L 3，L 3=3/5L 2，所述第二侧板的内表面和所述第四侧板的内表面均设置有竖向的第二限位槽，所述第二限位槽与所述第一侧板之间的距离为L 4，L 4=4/5L 2，所述第一限位槽和所述第二限位槽的深度均为3mm~5mm；所述挡板的两端能够分别插入两个所述第一限位槽或两个所述第二限位槽，所述土体铺设在所述挡板、所述第二侧板、所述第一侧板和所述第三侧板围成的空间内；所述试验箱和所述挡板的材质均为透明的亚克力板；所述试验箱外部设置有固定套环，所述固定套环围绕所述试验箱设置有上下两圈，利用所述固定套环对所述第一侧板、所述第二侧板、所述第三侧板和所述第四侧板进行固定，上圈所述固定套环与所述试验箱底部的垂直距离为h 4，h 4=2*H 1/3，下圈所述固定套环与所述试验箱底部的垂直距离为h 5，h 5=H 1/3；所述土体的厚度H 2为所述试验箱的高度H 1的1/3~2/3，所述触变泥浆的厚度为0~10mm。
进一步地，在上述的矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统中，所述第二立板上设置若干螺纹孔，所述顶推器利用螺栓和所述螺纹孔与所述第二立板连接，所述第三侧板和所述挡板上均设置有顶推孔；在所述混凝土块靠近所述顶推器的一侧壁开设有橡胶垫槽，所述橡胶垫槽内设置有橡胶垫圈，所述顶推压力传感器设置在所述顶推器的顶推端，所述顶推器的顶推端依次穿过所述第三侧板的所述顶推孔和所述挡板的所述顶推孔，所述顶推器的顶推端通过所述顶推压力传感器与所述橡胶垫圈接触；所述顶推器能够对顶推力和位移进行控制，所述顶推器能够将所述混凝土块匀速推进至设定位移处；所述顶推器的顶推力随设定值变化，所述顶推器通过电机控制或者通过油压控制；所述顶推器具有位移控制装置，所述位移控制装置的量程为120cm~200cm、精度为全量程的0.02%~0.2%。
进一步地，在上述的矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统中，还包括配重块，所述配重块设置在所述混凝土块上，所述混凝土块的上端设置有向所述混凝土块的内部凹陷的配重孔；所述配重孔为圆柱形结构，所述配重孔的直径为40mm~60mm、深度为8mm~10mm；所述配重块的下端位于所述配重孔内；所述混凝土块的宽度为W 3，W 3=W 2-d，d=5mm~10mm；所述混凝土块的长度为10cm~50cm；所述混凝土块的高度为10cm；所述混凝土块设置有多块，多块所述混凝土块在所述试验箱内水平依次放置。
进一步地，在上述的矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统中，所述泥浆渗滤探测传感器用于对渗入所述土体内部的所述触变泥浆进行探测，所述数据采集仪将所述泥浆渗滤探测传感器采集的触变泥浆数据传输给所述计算机，所述计算机根据触变泥浆渗入所述土体内部的数据进行计算获得所述触变泥浆随时间渗入所述土体内部的实时状况，进而研究所述触变泥浆的滤失性能；所述压力盒用于测量所述土体内测试位置处的土压力，所述数据采集仪将所述压力盒采集的土压力数据传输给所述计算机，所述计算机根据土压力数据进行计算获得所述土体的土压力随着所述混凝土块水平位移变化的实时值；所述顶推压力传感器监测所述顶推器顶推所述混凝土块水平移动过程中的顶推力，所述数据采集仪通过所述顶推压力传感器采集所述顶推器的顶推力数据，所述数据采集仪将采集的顶推力数据传输给所述计算机，所述计算机根据所述顶推压力传感器采集的顶推力数据进行计算获得所述混凝土块滑动过程中的摩阻力实时值。
进一步地，在上述的矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统中，所述第二侧板和所述第四侧板上均开设有N列第一穿线孔和M列第二穿线孔，一个所述泥浆渗滤探测传感器的测试线通过一个所述第一穿线孔引出所述试验箱，一个所述压力盒的测试线通过一个所述第二穿线孔引出所述试验箱；所述第一穿线孔的列数N为2~4，所述第二穿线孔的列数M为2~4；每一列所述第一穿线孔包括3个所述第一穿线孔，其中，位于一列内最上方的所述第一穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 3，H 3=H 2/4，位于一列内中间的所述第一穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 4，H 4=2*H 2/4，位于一列内最下方的所述第一穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 5，H 5=3*H 2/4，3个所述第一穿线孔的孔心的连线与所述试验箱的竖向轴线平行；每一列所述第二穿线孔包括2个第二穿线孔，位于一列内上方的所述第二穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 6，H 6=H 2/3，位于一列内下方的所述第二穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 7，H 7=2*H 2/3，2个所述第二穿线孔的孔心的连线与所述试验箱的竖向轴线平行；N列所述第一穿线孔与M列所述第二穿线孔交替布置，每列所述第一穿线孔的孔心的连线与相邻列的所述第二穿线的孔心的连线之间的距离为10~20cm。
另一方面，提供了一种利用上述的矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，包括如下步骤：
步骤S1，制备混凝土块：根据矩形顶管的规格制备混凝土块；
步骤S2，铺设土体、埋设压力盒和泥浆渗滤探测传感器：在施工现场取矩形顶管顶进层位的土样，将土样分层均匀铺设在试验箱内形成土体，在铺设土体的过程中，在对应层位依次埋设压力盒和泥浆渗滤探测传感器，压力盒和泥浆渗滤探测传感器均通过测试线连接至数据采集仪，数据采集仪和计算机连接；
步骤S3，触变泥浆制备与铺设：按试验要求制备触变泥浆，将制备的触变泥浆均匀铺设于土体的上表面，将所述步骤S1中制备的混凝土块放置在触变泥浆上方，在混凝土块上放置配重块，通过放置不同质量的配重块模拟实际工程中的覆土压力；
步骤S4，安装顶推器：将顶推器的顶推端由顶推孔深入试验箱内，并将顶推器用螺栓固定于第二立板上；
步骤S5，施加水平推力：利用顶推器对混凝土块施加水平推力，使混凝土块匀速滑行至设定位置；
步骤S6，减阻和滤失性能测试：在混凝土块滑行过程中，计算机通过泥浆渗滤探测传感器记录触变泥浆渗入土体的情况与时间的关系曲线，计算机通过压力盒记录土压力与时间的关系曲线；
步骤S7，触变泥浆减阻与滤失性能分析评价：根据试验测试结果建立矩形顶管-土体摩擦力计算公式，进行触变泥浆减阻与滤失性能分析评价。
进一步地，在上述的方法中，在所述步骤S7中，矩形顶管-土体摩擦力的计算公式为：
公式（1）
在公式（1）中，为矩形顶管-土体作用面间竖向应力，t 1为触变泥浆静滤失时间，t 2为触变泥浆动滤失时间，/>为触变泥浆配比方式，T为顶推器推动混凝土块匀速滑动的顶推力，A为混凝土块与土体或触变泥浆的接触面积；
矩形顶管-土体作用面间竖向应力的计算公式为：
公式（2）
在公式（2）中，γ为矩形顶管上覆土层的重度，H 0为矩形顶管上覆土层的厚度，G 0为矩形顶管的管节的自重，M 0为混凝土块的质量，m 0为配重块的质量，g为重力加速度；
配重块的质量m 0的计算公式为：
公式（3）
在公式（3）中，γ为矩形顶管上覆土层的重度，H 0为矩形顶管上覆土层的厚度，G 0为矩形顶管的管节的自重，g为重力加速度，M 0为混凝土块的质量；
触变泥浆静滤失时间t 1为所述触变泥浆铺设后在静滤失阶段触变泥浆渗入土体的时间，触变泥浆静滤失时间t 1为0~60min；触变泥浆动滤失时间t 2为在动滤失阶段控制所述顶推器以恒定速率v0顶推所述混凝土块的实时时间； 触变泥浆配比方式以水为定含量基准，外加剂按比例加入水中配置而成所述触变泥浆，触变泥浆配比方式/>影响所述触变泥浆渗入所述土体形成泥皮的厚度，进而影响所述触变泥浆减阻效果。
进一步地，在上述的方法中，按与水的质量比，所述外加剂包括以下组分：膨润土8%-12%，碱性无机处理剂0.15%-0.3%，增稠剂0.05%-0.15%，絮凝剂0.006%-0.02%；所述膨润土为钠基膨润土，所述碱性无机处理剂为碳酸钠，所述增稠剂为羧甲基纤维素，所述絮凝剂为聚丙烯酰胺；通过所述泥浆渗滤探测传感器监测所述触变泥浆在静滤失阶段和动滤失阶段渗入所述土体的滤失深度d 0，得到渗入时间与渗入深度d 0的关系曲线；所述触变泥浆进入所述土体后会逐渐填补和支撑土体内部缝隙，在所述土体表面形成一层泥皮，所述触变泥浆静滤失时间t 1、触变泥浆动滤失时间t 2分别和所述滤失深度d 0的具体关系式通过试验结果拟合获得；通过所述滤失深度d 0和所述泥皮厚度d 1，分析评价所述触变泥浆的滤失性能。
分析可知，本发明公开一种矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统及方法，利用该测试系统进行测试可确定触变泥浆对矩形顶管顶进过程中的减阻效果，准确测定矩形顶管顶进过程中管节动/静态摩阻力和触变泥浆滤失性能趋势，探究触变泥浆的动态滤失性能与静态滤失性能，解决顶管触变泥浆减阻性能测试中急缺综合考虑触变泥浆动/静态摩阻力和滤失性能测试的问题，填补了尚无能够准确测定顶管顶进过程中管节动/静态摩阻力和触变泥浆滤失性能趋势的测试装置的空白，为后续顶管触变泥浆配比优化和施工提供重要技术支撑与研究基础。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为本发明一实施例的支座和试验箱装配的立体结构示意图。
图3为本发明一实施例的支座的立体结构示意图。
图4为本发明一实施例的试验箱的立体结构示意图。
图5为本发明一实施例的试验箱的俯视结构示意图。
图6为本发明一实施例的试验箱的前视结构示意图。
图7为本发明一实施例的试验箱的另一前视结构示意图。
图8为本发明一实施例的测试方法的步骤流程图。
附图标记说明：1试验箱；10底板；11第一侧板；12第二侧板；13第三侧板；14第四侧板；15挡板；16第一限位槽；17第二限位槽；18固定套环；19顶推孔；20第一穿线孔；21第二穿线孔；22泥浆渗滤探测传感器；23压力盒；3土体；4触变泥浆；5混凝土块；50橡胶垫槽；51配重块；6顶推器；7支座；70底座；71第一立板；72第二立板；73螺纹孔；74卡扣；8数据采集仪；9计算机。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，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的具体含义。
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
如图1至图8所示，根据本发明的实施例，提供了一种矩形顶管触变泥浆4减阻与滤失性能测试系统，如图1和图2所示，该测试系统包括支座7、试验箱1、土体3、触变泥浆4、混凝土块5、顶推器6和数据采集组件，其中，试验箱1设置在支座7上，支座7能够为试验箱1提供稳定支撑，土体3铺设在试验箱1内的底部，土体3、触变泥浆4和混凝土块5均设置在试验箱1内，土体3上方铺设触变泥浆4，混凝土块5置于触变泥浆4的上表面；顶推器6与支座7连接，顶推器6的顶推端与混凝土块5接触，在顶推器6的作用下，混凝土块5能够沿试验箱1的长度方向（x方向）上水平移动；数据采集组件包括顶推压力传感器、压力盒23、泥浆渗滤探测传感器22、数据采集仪8和计算机9，顶推压力传感器能够监测顶推器6对混凝土块5产生的顶推力，压力盒23和泥浆渗滤探测传感器22均布设于土体3内，顶推压力传感器、压力盒23和泥浆渗滤探测传感器22均与数据采集仪8连接，数据采集仪8和计算机9连接。顶推器6推动混凝土块5在土体3或触变泥浆4上水平移动模拟实际工程中矩形顶管顶进，在混凝土块5移动的过程中，利用数据采集组件对试验数据进行采集，进而测定矩形顶管顶进过程中管节动/静态摩阻力和触变泥浆滤失性能的趋势，为后续矩形顶管触变泥浆配比优化和施工提供重要技术支撑与研究基础。
进一步地，如图3所示，支座7包括底座70、第一立板71和第二立板72，第一立板71和第二立板72相对设置在底座70上；底座70、第一立板71和第二立板72均为U型钢，底座70的长度L 0为150cm~200cm、宽度W 0为20cm~40cm，第一立板71的长度L 1为40cm~80cm、宽度W 1为20cm~40cm，第二立板72的规格与第一立板71的规格一致；第一立板71的下端和第二立板72的下端均通过焊接或螺栓方式与底座70连接。底座70的一端与第一立板71之间的距离为10cm~20cm，底座70的另一端与第二立板72之间的距离为10cm~20cm，保证支座7的稳定性。
进一步地，如图4所示，试验箱1为上表面敞开的立方体结构，试验箱1包括底板10、第一侧板11、第二侧板12、第三侧板13和第四侧板14，第一侧板11、第二侧板12、第三侧板13、第四侧板14和第一侧板11依次连接，第一侧板11、第二侧板12、第三侧板13和第四侧板14均与底板10连接；试验箱1内部的长度L 2为50cm~100cm、宽度W 2为20cm~40cm、高度H 1为20cm~40cm；第一侧板11与第一立板71接触，第三侧板13与第二立板72之间存在距离，试验箱1通过卡扣74与第一立板71连接，方便对试验箱1进行组装。
进一步地，如图5所示，试验箱1还包括挡板15，第二侧板12的内表面和第四侧板14的内表面均设置有竖向的第一限位槽16，第一限位槽16与第一侧板11之间的距离为L 3，L 3=3/5L 2，第二侧板12的内表面和第四侧板14的内表面均设置有竖向的第二限位槽17，第二限位槽17与第一侧板11之间的距离为L 4，L 4=4/5L 2，第一限位槽16和第二限位槽17的深度均为3mm~5mm。挡板15的两端能够分别插入两个第一限位槽16或两个第二限位槽17，土体3铺设在挡板15、第二侧板12、第一侧板11和第三侧板13围成的空间内，挡板15通过插入第一限位槽16或第二限位槽17能够控制土体3在试验箱1内的铺设长度；试验箱1外部设置有固定套环18，固定套环18为刚性结构，固定套环18围绕试验箱1设置有上下两圈，利用固定套环18对第一侧板11、第二侧板12、第三侧板13和第四侧板14进行固定，保证试验箱1在试验过程中的稳定性。上圈的固定套环18与试验箱1底部的垂直距离为h 4，h 4=2*H 1/3，下圈的固定套环18与试验箱1底部的垂直距离为h 5，h 5=H 1/3，如此设置能够确保试验箱1受到外界压力和顶推力时的稳定性。土体3的厚度H 2为试验箱1的高度H 1的1/3~2/3，触变泥浆4的厚度为0~10mm，触变泥浆4的厚度大于0mm时，混凝土块5能够在触变泥浆4上水平移动；触变泥浆4的厚度等于0mm时，混凝土块5与土体3直接接触，混凝土块5能够在土体3上水平移动，通过监测并计算混凝土块5水平移动时与土体3之间的滑动摩擦力可评价混凝土块5的移动难易程度，进而能够探究触变泥浆4的减阻效果。试验箱1和挡板15的材质均为透明的亚克力板材，亚克力板材的厚度为8mm~15mm，亚克力板材相互嵌合以形成试验箱1，如此设置能够实现对混凝土块5水平移动过程中对触变泥浆4的滤失深度、滤失效果以及减阻效果进行实时观测。
进一步地，第二立板72上设置若干螺纹孔73，在本发明的一实施例中，第二立板72上由上至下设置三个螺纹孔73，最上方的螺纹孔73的中心与底座70之间的垂直距离为第一立板71的长度L 1的1/5~1/4，相邻的两个螺纹孔73的中心的垂直距离为5cm~8cm；螺纹孔73的直径为10mm~15mm。
顶推器6利用螺栓和螺纹孔73与第二立板72连接，第三侧板13和挡板15上均设置有顶推孔19，顶推孔19的直径为6cm~8cm；在混凝土块5靠近顶推器6的一侧壁开设有橡胶垫槽50，橡胶垫槽50内设置有橡胶垫圈，顶推压力传感器设置在顶推器6的顶推端，顶推器6的顶推端依次穿过第三侧板13的顶推孔19和挡板15的顶推孔19，顶推器6的顶推端通过顶推压力传感器与橡胶垫圈接触；顶推器6能够对顶推力和位移进行控制，顶推器6能够将混凝土块5匀速推进至设定位移处；顶推器6的顶推力随设定值变化，顶推器6通过电机控制或者通过油压控制；顶推器6具有位移控制装置，位移控制装置的量程为120cm~200cm、精度为全量程的0.02%~0.2%，顶推器6对顶推力和位移进行精准控制能够保证试验结果的准确性。
进一步地，还包括配重块51，配重块51设置在混凝土块5上，混凝土块5的上端设置有向混凝土块5的内部凹陷的配重孔；配重孔为圆柱形结构，配重孔的直径为40mm~60mm、深度为8mm~10mm，配重块51的下端位于配重孔内，在配重孔内放置不同质量的配重块51用以模拟实际矩形顶管在顶进过程中的覆土的重量。如图5所示，混凝土块5的宽度为W 3，W 3=W 2-d，d=5mm~10mm；混凝土块5的长度为10cm~50cm；混凝土块5的高度为10cm；混凝土块5设置有多块，多块混凝土块5在试验箱1内沿试验箱1长度方向水平依次放置，用以模拟矩形顶管在顶进过程中多管节顶进效果。
进一步地，泥浆渗滤探测传感器22用于对渗入土体3内部的触变泥浆4进行探测，数据采集仪8将泥浆渗滤探测传感器22采集的触变泥浆4数据传输给计算机9，计算机9根据触变泥浆4渗入土体3内部的数据进行计算能够获得触变泥浆4随时间渗入土体3内部的实时状况，进而研究触变泥浆4的滤失性能；压力盒23用于测量土体3内测试位置处的土压力，数据采集仪8将压力盒23采集的土压力数据传输给计算机9，计算机9根据土压力数据进行计算获得土体3的土压力随着混凝土块5水平位移变化的实时值。顶推压力传感器监测顶推器6顶推混凝土块5水平移动过程中的顶推力，数据采集仪8通过顶推压力传感器采集顶推器6的顶推力数据，数据采集仪8将采集的顶推力数据传输给计算机9，计算机9根据顶推压力传感器采集的顶推力数据进行计算获得混凝土块5滑动过程中的摩阻力实时值。
进一步地，如图6和图7所示，第二侧板12和第四侧板14上均开设有N列第一穿线孔20和M列第二穿线孔21，在试验箱1内，与一个第一穿线孔20对应的位置设置有一个泥浆渗滤探测传感器22，一个泥浆渗滤探测传感器22的测试线通过一个第一穿线孔20引出试验箱1，在试验箱1内，与一个第二穿线孔21对应的位置设置有一个压力盒23，一个压力盒23的测试线通过一个第二穿线孔21引出试验箱1；第一穿线孔20的列数N为2~4，第二穿线孔21的列数M为2~4；每一列第一穿线孔20包括3个第一穿线孔20，其中，位于一列内最上方的第一穿线孔20的孔心与试验箱1的下端的垂直距离为H 3，H 3=H 2/4，位于一列内中间的第一穿线孔20的孔心与试验箱1的下端的垂直距离为H 4，H 4=2*H 2/4，位于一列内最下方的第一穿线孔20的孔心与试验箱1的下端的垂直距离为H 5，H 5=3*H 2/4，3个第一穿线孔20的孔心的连线与试验箱1的竖向轴线平行；
每一列第二穿线孔21包括2个第二穿线孔21，位于一列内上方的第二穿线孔21的孔心与试验箱1的下端的垂直距离为H 6，H 6=H 2/3，位于一列内下方的第二穿线孔21的孔心与试验箱1的下端的垂直距离为H 7，H 7=2*H 2/3，2个第二穿线孔21的孔心的连线与试验箱1的竖向轴线平行；N列第一穿线孔20与M列第二穿线孔21交替布置，每列第一穿线孔20的孔心的连线与相邻列的第二穿线孔21的孔心的连线之间的距离为10~20cm。
本发明还公开了一种利用上述的矩形顶管触变泥浆4减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，如图8所示，包括如下步骤：
步骤S1，制备混凝土块5：根据实际矩形顶管的规格制备上部具有凹陷圆柱形配重孔的混凝土块5。
步骤S2，铺设土体3、埋设压力盒23和泥浆渗滤探测传感器22：在施工现场取矩形顶管顶进层位的土样，将土样分层均匀铺设在试验箱1内形成土体3，在铺设土体3的过程中，在对应层位依次埋设压力盒23和泥浆渗滤探测传感器22，压力盒23和泥浆渗滤探测传感器22均通过测试线连接至数据采集仪8，数据采集仪8和计算机9连接。
步骤S3，触变泥浆4制备与铺设：按试验要求制备触变泥浆4，将制备的触变泥浆4均匀铺设于土体3的上表面，将步骤S1中制备的混凝土块5放置在触变泥浆4上方，在混凝土块5上放置配重块51，通过放置不同质量的配重块51模拟实际工程中的覆土压力。
步骤S4，安装顶推器6：将顶推器6的顶推端由试验箱1的顶推孔19深入试验箱1内，并将顶推器6用螺栓固定于第二立板72上。
步骤S5，施加水平推力：利用顶推器6对混凝土块5施加水平推力，使混凝土块5匀速滑行至设定位置。
步骤S6，减阻和滤失性能测试：随步骤S5开始，顶推压力传感器将测得的水平推力大小通过数据采集仪8传输至计算机9，在混凝土块5滑行过程中，计算机9通过泥浆渗滤探测传感器22记录触变泥浆4渗入土体3的情况与时间的关系曲线，计算机9通过压力盒23记录土压力与时间的关系曲线。
步骤S7，触变泥浆4减阻与滤失性能分析评价：根据试验测试结果建立矩形顶管-土体摩擦力计算公式，进行触变泥浆减阻与滤失性能分析评价。
通过静滤失阶段和动滤失阶段两个阶段进行测试，首先在铺设触变泥浆4后静置一段时间，此段时间为触变泥浆静滤失时间t 1，此时触变泥浆4不受混凝土块5滑动扰动，处于静滤失阶段，根据矩形顶管施工特点，触变泥浆静滤失时间t 1设定为60min内的不同时间，静滤失阶段不需要对混凝土块5施加顶推力，待静滤失达到所设定的时间t 1后对混凝土块5施加顶推力，当顶推力增加至推动混凝土块开始滑动时，混凝土块5与土体3之间的摩擦力为最大静摩擦力，根据试验结果建立足够将混凝土块推动的顶推力T与触变泥浆静滤失时间t 1的关系。静滤失阶段设定触变泥浆不同的静滤失时间t 1，通过监测触变泥浆静滤失后混凝土块5与土体3之间的最大静摩擦力对触变泥浆4静滤失后的减阻效果进行评价（即顶推力T与触变泥浆静滤失时间t 1的关系）。
在触变泥浆4铺设t 1后开始混凝土块5的顶推试验，顶推器6以恒定速率v0顶推混凝土块5水平移动，混凝土块5的移动时间为触变泥浆4动滤失时间t 2，此时触变泥浆4受混凝土块5滑动扰动，处于动滤失阶段；设定触变泥浆动滤失时间t 2可监测获得混凝土块5滑动摩擦过程中触变泥浆4动滤失的减阻效果（即顶推力T与顶推时间的关系）。
矩形顶管-土体摩擦力的计算公式为：
公式（1）
在公式（1）中，为矩形顶管-土体作用面间竖向应力，t 1为触变泥浆静滤失时间，t 2为触变泥浆动滤失时间，/>为触变泥浆配比方式，T为顶推器6推动混凝土块5匀速滑动的顶推力（顶推力T通过顶推压力传感器实时监测），A为混凝土块5与土体3或触变泥浆4的接触面积。
管-土间摩擦力受矩形顶管-土体作用面间竖向应力/>、触变泥浆静滤失时间t 1、触变泥浆动滤失时间t 2和触变泥浆配比方式/>影响，具体表达式通过试验结果拟合获得。
矩形顶管-土体作用面间竖向应力为混凝土块5和配重块51的重量之和，用以模拟矩形顶管的管节自重和上覆土层压力。触变泥浆静滤失时间t 1为触变泥浆4铺设后在静滤失阶段触变泥浆渗入土体3的时间，触变泥浆静滤失时间t 1为0~60min（比如：0min、5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min）。触变泥浆动滤失时间t 2为在动滤失阶段控制顶推器6以恒定速率v0顶推混凝土块5的实时时间。触变泥浆配比方式ζ以水为定含量基准，外加剂按比例加入水中配置而成触变泥浆4，触变泥浆配比方式ζ影响触变泥浆4的粘度以及渗入土体3形成泥皮的厚度，而泥浆套可使得土体与顶管管节充分隔离，进而影响触变泥浆4减阻效果。
矩形顶管-土体作用面间竖向应力的计算公式为：
公式（2）
在公式（2）中，γ为矩形顶管上覆土层的重度，H 0为矩形顶管上覆土层的厚度，G 0为矩形顶管的管节的自重，M 0为混凝土块5的质量，m 0为配重块51的质量，g为重力加速度；
配重块51的质量m 0的计算公式为：
公式（3）
在公式（3）中，γ为矩形顶管上覆土层的重度，H 0为矩形顶管上覆土层的厚度，G 0为矩形顶管的管节的自重，g为重力加速度，M 0为混凝土块5的质量。
通过公式3计算获得顶进过程中矩形顶管上覆土层的厚度H 0（矩形顶管处于不同埋深）时，选择相应的配重块51质量m 0。在数据处理时，通过公式2计算矩形顶管-土体作用面间竖向应力σ。
进一步地，按与水的质量比，外加剂包括以下组分：膨润土8%-12%，碱性无机处理剂0.15%-0.3%，增稠剂0.05%-0.15%，絮凝剂0.006%-0.02%；膨润土为钠基膨润土，碱性无机处理剂为碳酸钠，增稠剂为羧甲基纤维素，絮凝剂为聚丙烯酰胺。
通过泥浆渗滤探测传感器22监测触变泥浆4在静滤失阶段和动滤失阶段渗入土体3的滤失深度d 0，得到渗入时间与渗入深度d 0的关系曲线；触变泥浆4进入土体3后会逐渐填补和支撑土体3内部缝隙，在土体3表面形成一层泥皮，触变泥浆静滤失时间t 1、触变泥浆动滤失时间t 2分别和滤失深度d 0的具体关系式通过试验结果拟合获得；通过滤失深度d 0和泥皮厚度d 1，分析评价触变泥浆4的滤失性能。滤失深度值越大表明触变泥浆4的颗粒越细，向周围土体3滤失越容易；泥皮厚度在一定程度上反映实际工程中泥浆套的形成情况，泥皮厚度越均匀表明触变泥浆所形成的滤饼质量较好。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
一种矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统及方法，利用该测试系统进行测试可确定触变泥浆对矩形顶管顶进过程中的减阻效果，准确测定矩形顶管顶进过程中管节动/静态摩阻力和触变泥浆滤失性能趋势，探究触变泥浆的动态滤失性能与静态滤失性能，解决顶管触变泥浆减阻性能测试中急缺综合考虑触变泥浆动/静态摩阻力和滤失性能测试的问题，填补了尚无能够准确测定顶管顶进过程中管节动/静态摩阻力和触变泥浆滤失性能趋势的测试装置的空白，为后续顶管触变泥浆配比优化和施工提供重要技术支撑与研究基础。该测试系统结构简单，测试方便，测试结果准确。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)
1.一种利用矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，制备混凝土块：根据矩形顶管的规格制备混凝土块；
步骤S2，铺设土体、埋设压力盒和泥浆渗滤探测传感器：在施工现场取矩形顶管顶进层位的土样，将土样分层均匀铺设在试验箱内形成土体，在铺设土体的过程中，在对应层位依次埋设压力盒和泥浆渗滤探测传感器，压力盒和泥浆渗滤探测传感器均通过测试线连接至数据采集仪，数据采集仪和计算机连接；
步骤S3，触变泥浆制备与铺设：按试验要求制备触变泥浆，将制备的触变泥浆均匀铺设于土体的上表面，将所述步骤S1中制备的混凝土块放置在触变泥浆上方，在混凝土块上放置配重块，通过放置不同质量的配重块模拟实际工程中的覆土压力；
步骤S4，安装顶推器：将顶推器的顶推端由顶推孔深入试验箱内，并将顶推器用螺栓固定于第二立板上；
步骤S5，施加水平推力：利用顶推器对混凝土块施加水平推力，使混凝土块匀速滑行至设定位置；
步骤S6，减阻和滤失性能测试：在混凝土块滑行过程中，计算机通过泥浆渗滤探测传感器记录触变泥浆渗入土体的情况与时间的关系曲线，计算机通过压力盒记录土压力与时间的关系曲线；
步骤S7，触变泥浆减阻与滤失性能分析评价：根据试验测试结果建立矩形顶管-土体摩擦力计算公式，进行触变泥浆减阻与滤失性能分析评价，在所述步骤S7中，矩形顶管-土体摩擦力/>的计算公式为：
公式（1）
在公式（1）中，为矩形顶管-土体作用面间竖向应力，t 1为触变泥浆静滤失时间，t 2为触变泥浆动滤失时间，/>为触变泥浆配比方式，T为顶推器推动混凝土块匀速滑动的顶推力，A为混凝土块与土体或触变泥浆的接触面积；
矩形顶管-土体作用面间竖向应力的计算公式为：
公式（2）
在公式（2）中，γ为矩形顶管上覆土层的重度，H 0为矩形顶管上覆土层的厚度，G 0为矩形顶管的管节的自重，M 0为混凝土块的质量，m 0为配重块的质量，g为重力加速度；
配重块的质量m 0的计算公式为：
公式（3）
在公式（3）中，γ为矩形顶管上覆土层的重度，H 0为矩形顶管上覆土层的厚度，G 0为矩形顶管的管节的自重，g为重力加速度，M 0为混凝土块的质量；
触变泥浆静滤失时间t 1为所述触变泥浆铺设后在静滤失阶段触变泥浆渗入土体的时间，触变泥浆静滤失时间t 1为0~60min；
触变泥浆动滤失时间t 2为在动滤失阶段控制所述顶推器以恒定速率v0顶推所述混凝土块的实时时间；
触变泥浆配比方式以水为定含量基准，外加剂按比例加入水中配置而成所述触变泥浆，触变泥浆配比方式/>影响所述触变泥浆渗入所述土体形成泥皮的厚度，进而影响所述触变泥浆减阻效果，
所述矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统，包括支座、试验箱、土体、触变泥浆、混凝土块、顶推器和数据采集组件，其中，
所述试验箱设置在所述支座上，所述土体铺设在所述试验箱内的底部，所述土体上方铺设所述触变泥浆，所述混凝土块置于所述触变泥浆的上表面；
所述顶推器与所述支座连接，所述顶推器的顶推端与所述混凝土块接触，在所述顶推器的作用下，所述混凝土块能够在所述试验箱内水平移动；
所述数据采集组件包括顶推压力传感器、压力盒、泥浆渗滤探测传感器、数据采集仪和计算机，所述顶推压力传感器能够监测所述顶推器对所述混凝土块产生的顶推力，所述压力盒和所述泥浆渗滤探测传感器均布设于所述土体内，所述顶推压力传感器、所述压力盒和所述泥浆渗滤探测传感器均与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪和所述计算机连接。
2.根据权利要求1所述的利用矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，其特征在于，
所述支座包括底座、第一立板和第二立板，所述第一立板和所述第二立板相对设置在所述底座上；
所述底座、所述第一立板和所述第二立板均为U型钢，所述底座的长度L 0为150cm~200cm、宽度W 0为20cm~40cm，所述第一立板的长度L 1为40cm~80cm、宽度W 1为20cm~40cm，所述第二立板的规格与所述第一立板的规格一致；
所述第一立板的下端和所述第二立板的下端均通过焊接或螺栓方式与所述底座连接，所述底座的一端与所述第一立板之间的距离为10cm~20cm，所述底座的另一端与所述第二立板之间的距离为10cm~20cm。
3.根据权利要求2所述的利用矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，其特征在于，
所述试验箱为上表面敞开的立方体结构，所述试验箱包括底板、第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，所述第一侧板、所述第二侧板、所述第三侧板、所述第四侧板和所述第一侧板依次连接，所述第一侧板、所述第二侧板、所述第三侧板和所述第四侧板均与所述底板连接；
所述试验箱内部的长度L 2为50cm~100cm、宽度W 2为20cm~40cm、高度H 1为20cm~40cm；
所述第一侧板与所述第一立板接触，所述第三侧板与所述第二立板之间存在距离，所述试验箱通过卡扣与所述第一立板连接；
所述试验箱还包括挡板，所述第二侧板的内表面和所述第四侧板的内表面均设置有竖向的第一限位槽，所述第一限位槽与所述第一侧板之间的距离为L 3，L 3=3/5L 2，所述第二侧板的内表面和所述第四侧板的内表面均设置有竖向的第二限位槽，所述第二限位槽与所述第一侧板之间的距离为L 4，L 4=4/5L 2，所述第一限位槽和所述第二限位槽的深度均为3mm~5mm；
所述挡板的两端能够分别插入两个所述第一限位槽或两个所述第二限位槽，所述土体铺设在所述挡板、所述第二侧板、所述第一侧板和所述第三侧板围成的空间内；
所述试验箱和所述挡板的材质均为透明的亚克力板；
所述试验箱外部设置有固定套环，所述固定套环围绕所述试验箱设置有上下两圈，利用所述固定套环对所述第一侧板、所述第二侧板、所述第三侧板和所述第四侧板进行固定，上圈所述固定套环与所述试验箱底部的垂直距离为h 4，h 4=2*H 1/3，下圈所述固定套环与所述试验箱底部的垂直距离为h 5，h 5=H 1/3；
所述土体的厚度H 2为所述试验箱的高度H 1的1/3~2/3，所述触变泥浆的厚度为0~10mm。
4.根据权利要求3所述的利用矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，其特征在于，
所述第二立板上设置若干螺纹孔，所述顶推器利用螺栓和所述螺纹孔与所述第二立板连接，所述第三侧板和所述挡板上均设置有顶推孔；
在所述混凝土块靠近所述顶推器的一侧壁开设有橡胶垫槽，所述橡胶垫槽内设置有橡胶垫圈，所述顶推压力传感器设置在所述顶推器的顶推端，所述顶推器的顶推端依次穿过所述第三侧板的所述顶推孔和所述挡板的所述顶推孔，所述顶推器的顶推端通过所述顶推压力传感器与所述橡胶垫圈接触；
所述顶推器能够对顶推力和位移进行控制，所述顶推器能够将所述混凝土块匀速推进至设定位移处；
所述顶推器的顶推力随设定值变化，所述顶推器通过电机控制或者通过油压控制；
所述顶推器具有位移控制装置，所述位移控制装置的量程为120cm~200cm、精度为全量程的0.02%~0.2%。
5.根据权利要求1所述的利用矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，其特征在于，
所述矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统还包括配重块，所述配重块设置在所述混凝土块上，所述混凝土块的上端设置有向所述混凝土块的内部凹陷的配重孔；
所述配重孔为圆柱形结构，所述配重孔的直径为40mm~60mm、深度为8mm~10mm；所述配重块的下端位于所述配重孔内；
所述混凝土块的宽度为W 3，W 3=W 2-d，d=5mm~10mm；所述混凝土块的长度为10cm~50cm；所述混凝土块的高度为10cm；
所述混凝土块设置有多块，多块所述混凝土块在所述试验箱内水平依次放置。
6.根据权利要求1所述的利用矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，其特征在于，
所述泥浆渗滤探测传感器用于对渗入所述土体内部的所述触变泥浆进行探测，所述数据采集仪将所述泥浆渗滤探测传感器采集的触变泥浆数据传输给所述计算机，所述计算机根据触变泥浆渗入所述土体内部的数据进行计算获得所述触变泥浆随时间渗入所述土体内部的实时状况，进而研究所述触变泥浆的滤失性能；
所述压力盒用于测量所述土体内测试位置处的土压力，所述数据采集仪将所述压力盒采集的土压力数据传输给所述计算机，所述计算机根据土压力数据进行计算获得所述土体的土压力随着所述混凝土块水平位移变化的实时值；
所述顶推压力传感器监测所述顶推器顶推所述混凝土块水平移动过程中的顶推力，所述数据采集仪通过所述顶推压力传感器采集所述顶推器的顶推力数据，所述数据采集仪将采集的顶推力数据传输给所述计算机，所述计算机根据所述顶推压力传感器采集的顶推力数据进行计算获得所述混凝土块滑动过程中的摩阻力实时值。
7.根据权利要求3所述的利用矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，其特征在于，
所述第二侧板和所述第四侧板上均开设有N列第一穿线孔和M列第二穿线孔，一个所述泥浆渗滤探测传感器的测试线通过一个所述第一穿线孔引出所述试验箱，一个所述压力盒的测试线通过一个所述第二穿线孔引出所述试验箱；
所述第一穿线孔的列数N为2~4，所述第二穿线孔的列数M为2~4；
每一列所述第一穿线孔包括3个所述第一穿线孔，其中，位于一列内最上方的所述第一穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 3，H 3=H 2/4，位于一列内中间的所述第一穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 4，H 4=2*H 2/4，位于一列内最下方的所述第一穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 5，H 5=3*H 2/4，3个所述第一穿线孔的孔心的连线与所述试验箱的竖向轴线平行；
每一列所述第二穿线孔包括2个第二穿线孔，位于一列内上方的所述第二穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 6，H 6=H 2/3，位于一列内下方的所述第二穿线孔的孔心与所述试验箱的下端的垂直距离为H 7，H 7=2*H 2/3，2个所述第二穿线孔的孔心的连线与所述试验箱的竖向轴线平行；
N列所述第一穿线孔与M列所述第二穿线孔交替布置，每列所述第一穿线孔的孔心的连线与相邻列的所述第二穿线的孔心的连线之间的距离为10~20cm。
8.根据权利要求1所述的利用矩形顶管触变泥浆减阻与滤失性能测试系统进行测试的方法，其特征在于，
按与水的质量比，所述外加剂包括以下组分：膨润土8%-12%，碱性无机处理剂0.15%-0.3%，增稠剂0.05%-0.15%，絮凝剂0.006%-0.02%；
所述膨润土为钠基膨润土，所述碱性无机处理剂为碳酸钠，所述增稠剂为羧甲基纤维素，所述絮凝剂为聚丙烯酰胺；
通过所述泥浆渗滤探测传感器监测所述触变泥浆在静滤失阶段和动滤失阶段渗入所述土体的滤失深度d 0，得到渗入时间与渗入深度d 0的关系曲线；所述触变泥浆进入所述土体后会逐渐填补和支撑土体内部缝隙，在所述土体表面形成一层泥皮，所述触变泥浆静滤失时间t 1、触变泥浆动滤失时间t 2分别和所述滤失深度d 0的具体关系式通过试验结果拟合获得；
通过所述滤失深度d 0和所述泥皮厚度d 1，分析评价所述触变泥浆的滤失性能。
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