CN205263090U - 一种钢管混凝土拱架灌注模拟系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种钢管混凝土拱架灌注模拟系统。该模拟系统由拱架模具、支撑装置、灌浆系统和灌浆监测系统构成。基于该试验系统的混凝土灌注效果测评方法：灌浆过程中通过观测条带和重量数据采集系统，从侧面分析和评价灌浆密实度；灌注完成经养护、拆模、切割、取样和编号后，测试编号试样的密度值和力学指标，依此对拱架模具内不同部位混凝土灌注效果进行对比评价，同时对不同灌注方案的灌注效果进行对比评价。本实用新型的有益效果是：利用本实用新型可研究各灌浆因素对钢管混凝土拱架灌注效果的影响规律，优化灌注方法、工艺和参数。

Description

一种钢管混凝土拱架灌注模拟系统

技术领域

本实用新型涉及地下工程支护材料试验领域，特别是一种地下工程中常用的钢管混凝土拱架灌注效果模拟系统。

背景技术

随着我国基础设施建设的快速发展，公路铁路隧道、煤矿巷道、地铁、水电硐室等修建越来越广泛，很多工程所处的地质条件愈发恶劣，如大埋深、软岩、断层构造等都带来了严重的支护失效问题。针对此，钢管混凝土拱架由于其高强特性，在地下工程支护领域中扮演着越发重要的角色，取得较好的社会经济效益。

然而，目前的钢管混凝土拱架支护参数的设计施工仍然以经验为主，钢管混凝土的灌注工艺和参数选取缺少依据，如浆液流动性、灌浆速度、灌浆孔位置等的设计都没有明确依据，从而会影响核心混凝土的灌注密实度、强度等一系列重要指标。而混凝土的灌注效果对钢管混凝土拱架的实际承载能力影响巨大，并最终决定其支护效果。众所周知，研究钢管混凝土灌注效果的最直观方法是开展模拟试验，通过不断提高试验方法的科学性和试验系统的仿真度，逐步得到较为精确的试验结果。但是，目前尚没有相关模拟系统或模拟系统能够实现该目的。

因此，当前亟待开发一种具有针对性的钢管混凝土拱架灌注模拟系统和效果测评方法，依此开展一系列钢管混凝土拱架灌注模拟试验。通过对比分析，掌握钢管混凝土拱架灌注参数、工艺、工序等对拱架混凝土灌注效果的影响规律，进而优化设计和施工参数，改善灌注效果，完善钢管混凝土拱架支护设计理论并促进该项技术的进步。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的技术缺陷，本实用新型公开了一种钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其通过该模拟系统模拟矿山巷道、隧道、地铁等工程常用钢管混凝土拱架的混凝土灌注场景，进而开展相关试验，研究不同的灌浆工艺、参数、方法以及其他因素对灌浆效果的影响规律。深入、直观、准确的分析各种影响因素下灌浆效果的差异，进而总结出钢管混凝土灌浆的最优方案。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种钢管混凝土拱架灌注模拟系统，包括一个由空心钢管拼装而成的拱架模具，在所述的拱架模具上设有与灌浆系统相连的灌浆孔和用于在灌注混凝土时排出拱架模具内多余气体的排气孔，且在所述的拱架模具上还设有沿拱架模具轴线一前一后交错布置在拱架模具的正面和背面的观测条带以及设置在拱架模具的底端的重力传感器；所述的重力传感器与数据采集系统相连。

所述的拱架模具为由钢管拼装而成的拱架形状的组合结构，其整体形状为圆形、直腿半圆拱形或三心拱形，其净横截面为圆形、方形或矩形；所述的拱架模具由数节构件通过套管连接而成，每一节构件的各段由横向法兰连接而成，每一段是由从中轴线纵剖的钢管通过纵向法兰连接而成；所述的拱架模具在各套管和法兰处均可自由拆装，便于灌浆养护结束后拆模。

所述的观测条带是在试验拱架侧壁设定位置切出条状孔后用高强透明树脂材料填充而成的，既能填充条状孔防止混凝土外泄又能实现透明观测试验拱架内部情况的目的。

所述的拱架模具还通过一个支撑装置进行支撑，所述的支撑装置由立柱、横梁、固定铰支座、卷扬机、斜撑和支撑台组成；所述的横梁固定在立柱上，在立柱的相同高度，前后各设置一根，前后两根横梁间形成放置和固定拱架模具的间隔；所述的固定铰支座设置在立柱底端，所述的卷扬机通过钢丝绳连接横梁，用于牵拉所述的支撑装置，使支撑装置和拱架模具可以以固定铰为中心转动。

所述的斜撑连接在立柱上，用于在固定支撑装置，以保证灌注过程中支撑装置的稳定。

所述的灌浆系统包括混凝土输送泵、灌浆管、灌浆接头、灌浆孔和排气孔。所述的混凝土输送泵通过所述的灌浆管和所述的灌浆接头连接所述的拱架模具，混凝土输送泵向拱架模具中灌注不同配合比的混凝土；所述的灌浆接头内设置单向阀，使混凝土浆液只可单向流入装置而不可逆向流出，确保拆除灌浆管时浆液不会由灌浆孔流出。当混凝土从所述排气孔流出时，灌浆达到结束标准，停止混凝土输送泵。

所述的灌浆系统还包括一个振动器，所述的振动器固定在拱架模具上，根据试验需要选择是否开启并选择合适的震动参数，在灌浆过程中对拱架模具提供振动作用。

所述的观测条带均匀的布置在试验拱架上，试验员可通过观测条带，实时观测记录混凝土浆液灌注的位置，从而推算灌浆体积和速度。

所述的重力传感器放置在拱架模具的底端，固定在支撑平台上；所述的重量传感器与重量数据采集系统连接，对灌浆过程中拱架模具的重量变化进行实时监测和采集，结合灌浆速度从侧面分析和评价灌浆密实度。

对上述装置的灌注效果进行测评的方法，根据研究需要，开展系列试验，每个试验选用不同的灌浆工艺或参数，主要包括：混凝土配比、灌浆速度、振动与否及参数、灌浆孔位置及尺寸等，通过对照，测评不同因素对灌浆效果的影响规律，包括以下：

(1)灌浆过程中的密实度测评。

通过灌注过程的实时重量监测和观测条带记录，直观的获取拱架模具重量变化数据和混凝土灌注界面位置；基于此可以得到混凝土的灌注速度、已灌入混凝土的总体密度的变化规律，进而从侧面分析混凝土的灌注密实度。

(2)灌注效果的综合测评。

灌注完成后养护至规定期限，拆模，然后对拱架模具不同部位的混凝土进行切割、取样和编号，量测编号试样的混凝土密度值，测试编号试样的力学强度指标，通过所述的密度量测和力学指标测试，一方面获取了拱架模具内不同部位的混凝土物理力学指标，依此对拱架模具内不同部位的混凝土灌注效果进行对比评价；另一方面通过加权平均可得到拱架模具内混凝土的总体密度值和总体强度指标，依此对不同灌注方案的灌注效果进行对比评价；评价的标准为：密度值越高，灌注效果越好；力学指标如轴心抗压强度、黏聚力等越高，灌注效果越好。

本实用新型达到的有益效果是：可根据研究需要，考虑不同的灌浆工艺或参数，主要包括混凝土配比、灌浆速度、振动与否及参数、灌浆孔位置及尺寸等。可采用本实用新型模拟系统开展单个试验或系列试验，也可采用本实用新型灌注效果测评方法研究各影响因素对钢管混凝土拱架灌注效果的影响规律，优化灌注方法、工艺和参数。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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为钢管混凝土拱架灌注模拟系统主视图；

图2为钢管混凝土拱架灌注模拟系统侧视图；

图3为拱架模具横截面示意图；

图4为横向法兰示意图。

图中：1-拱架模具；2-套管；3-横向法兰；4-纵向法兰；5-灌浆孔；6-排气孔；7-观测条带；8-立柱；9-横梁；10-U型卡；11-铰支坐；12-钢丝绳；13-卷扬机；14-斜撑；15-支撑平台；16-混凝土输送泵；17-灌浆管；18-灌浆接头；19-振动器；20-重力传感器；21-重力数据监测系统。

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步阐述：

该模拟系统由以下4个部分构成：拱架模具1、支撑装置、灌浆系统和灌浆监测系统。下面对其进行一一阐述：

所述的拱架模具1为由钢管拼装而成的拱架形状的组合结构，其整体形状可以为圆形、直腿半圆拱形、三心拱形等多种常用的拱架形状，其净横截面可以为圆形、方形、矩形或其他形状；所述的拱架模具由数节构件通过套管连接而成，每一节构件的各段由横向法兰3连接而成，每一段是由从中轴线纵剖的钢管通过纵向法兰4连接而成；所述的拱架模具1在各套管2和法兰处均可自由拆装，便于灌浆养护结束后拆模。所述的试验拱架上设置有灌浆孔、排气孔、观测条带。

灌浆孔5用来向拱架模具内灌注混凝土，设置在拱架模具的底端；所述的排气孔6用来在灌注混凝土时排出拱架模具内多余气体，设置在拱架模具的最顶端；也可根据试验需要改变灌浆孔和排气孔的位置。

观测条带7沿拱架模具轴线一前一后交错布置在拱架模具的正面和背面，目的是保证拱架模具结构的完整性的同时，实现对灌浆时混凝土界面的准确观测。所述的观测条带是在试验拱架侧壁指定位置切出条状孔后用高强透明树脂材料填充而成的，既能填充条状孔防止混凝土外泄又能实现透明观测试验拱架内部情况的目的。

支撑装置由立柱8、横梁9、固定铰支座11、钢丝绳12、卷扬机13、斜撑14和支撑台15组成。所述的横梁8通过螺栓和U型卡10固定在立柱8上，在立柱8的相同高度，前后各设置一根。前后两根钢梁间形成间隔，该间隔尺寸略大于拱架模具的厚度，以用于放置和固定拱架模具。可根据需要调节横梁的高度、数量及水平间距，确保拱架模具的稳定。所述的固定铰支座设置在立柱底端，所述的卷扬机通过所述的钢丝绳连接横梁，用于牵拉所述的支撑装置，可使支撑装置和拱架模具可以以铰为中心转动，一方面可以模拟在不同的倾斜角度下的灌浆，另一方面可以使支撑装置和拱架模具完全平放，便于拱架模具的拼装和拆模。所述的斜撑连接在立柱上，用于在固定支撑装置，以保证灌注过程中支撑装置的稳定。

所述的灌浆系统由混凝土输送泵16、灌浆管17、灌浆接头18、灌浆孔5、排气孔6和振动器19组成。所述的混凝土输送泵通过所述的灌浆管和所述的灌浆接头连接所述的拱架模具，混凝土输送泵可以向拱架模具中灌注不同配合比的混凝土。所述的灌浆接头内设置单向阀，使混凝土浆液只可单向流入装置而不可逆向流出，确保拆除灌浆管时浆液不会由灌浆孔流出。当混凝土从所述排气孔流出时，灌浆达到结束标准，停止混凝土输送泵。所述的振动器可以固定在拱架模具上，根据试验需要选择是否开启并选择合适的震动参数，在灌浆过程中对拱架模具提供振动作用。

所述的灌浆监测系统包括观测条带7、重量传感器20和重量数据采集系统21组成。所述的观测条带均匀的布置在试验拱架上，试验员可通过观测条带7，实时观测记录混凝土浆液灌注的位置，从而推算灌浆体积和速度。

所述的重力传感器202放置在拱架模具1的底端，固定在支撑台上；所述的重量传感器20与重量数据采集系统21连接，对灌浆过程中拱架模具的重量变化进行实时监测和采集，结合灌浆速度从侧面分析和评价灌浆密实度。

具体的实施方法如下：

(1)拱架模具的拼装及就位。

如图1、图2所示，在平放状态下将立柱8与横梁9通过U型卡10进行连接，并安装在固定铰支座11上，将重力传感器20安装在支撑平台15上；在支撑装置内通过套管1、纵向法兰4(图3)和横向法兰5(图4)将拱架模具1组装成型，拱架模具1上设置有灌浆孔5、排气孔6观测条带8，观测条带8是在拱架模具1的前、后壁上开出条状孔后填充高强透明树脂材料构成的，如图3所示，前后壁的观测条带交错布置以利于观测；将卷扬机13的钢丝绳12一端固定在最上端的横梁9上；启动卷扬机13将支撑装置调整到不同倾斜角度以模拟现场的拱架灌注情况，并利用斜撑14将支撑装置固定。

(2)混凝土灌注及监测。

如图1、图2所示，通过灌浆管17和灌浆接头18将拱架模具的灌浆孔5与混凝土输送泵16相连；用导线将重量传感器15与重量数据监测系统21相连，开启重量数据监测系统21，实时监测并记录拱架模具1的重量；启动混凝土输送泵16，通过其对混凝土浆液加压，向拱架模具1内灌注混凝土，灌浆过程中实时测量并记录拱架模具1的重量变化；同时通过观测条带7实时观测并记录不同时刻的混凝土灌注位置，由于观察条带7为一前一后交错布置，灌浆的界面情况可以连续的观测。灌浆过程中，根据需要选择是否开启振动器19并可以选择不同的振动模式。为保证拱架模具1重量监测准确性，将灌浆孔5附近的灌浆管17进行托举或悬吊处理，减小其重量对拱架模具1重量结果的影响。当排气孔6有混凝土流出且已流出规定量后，关闭混凝土输送泵16，从灌浆接头18中拔出灌浆管17，灌浆结束。灌浆接头18中设置有单向阀，防止灌浆管17拔除后混凝土倒流。灌浆结束后，保持拱架模具1原位不动，静止放置，按规定条件养护至规定时间。

(3)混凝土拆模及取样测试。

如图1、图2所示，养护完毕后，移除振动器19及斜撑14，并用卷扬机13牵拉钢丝绳12，将拱架模具1调整至水平姿态。通过拆卸拱架模具1上的横向法兰3、纵向法兰4和套管2，将拱架模具1内的混凝土取出，然后对混凝土进行切割、取样和编号；量测每个编号试样的密度及强度指标(单轴压缩强度、黏聚力等)。

(4)灌注效果测评

①灌浆过程中的密实度测评。

通过灌注过程的实时重量数据采集系统21的监测数据和观测条带7的观测记录，直观的获取拱架模具1的重量变化和混凝土灌注界面位置。基于此可以得到混凝土的灌注速度、已灌入混凝土的总体密度的变化规律，进而可以从侧面分析混凝土的灌注密实度。

②灌注效果的综合测评。

通过密度量测和力学指标测试，一方面获取了拱架模具1内不同部位的混凝土物理力学指标，依此对拱架模具1内不同部位混凝土灌注效果进行对比评价；同时通过加权平均可得到拱架模具1内混凝土的总体密度值和总体强度指标，依此对不同灌注方案的灌注效果进行对比评价。采用如下评价指标：密度值越高，灌注效果越好；力学指标如轴心抗压强度、黏聚力等越高，灌注效果越好。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其特征在于：包括一个由空心钢管拼装而成的拱架模具，在所述的拱架模具上设有与灌浆系统相连的灌浆孔和用于在灌注混凝土时排出拱架模具内多余气体的排气孔，且在所述的拱架模具上还设有沿拱架模具轴线一前一后交错布置在拱架模具的正面和背面的观测条带以及设置在拱架模具的底端的重力传感器；所述的重力传感器与数据采集系统相连。

2.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其特征在于：所述的拱架模具为由钢管拼装而成的拱架形状的组合结构，其整体形状为圆形、直腿半圆拱形或三心拱形；其净横截面为圆形、方形或矩形。

3.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其特征在于：所述的拱架模具由数节构件通过套管连接而成，每一节构件的各段由横向法兰连接而成，每一段是由从中轴线纵剖的钢管通过纵向法兰连接而成；所述的拱架模具在各套管和法兰处均可拆装。

4.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其特征在于：所述的观测条带是在试验拱架侧壁设定位置切出条状孔后用透明树脂材料填充而成的。

5.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其特征在于：所述的拱架模具还通过一个支撑装置进行支撑，所述的支撑装置由立柱、横梁、固定铰支座和卷扬机组成；所述的横梁固定在立柱上，在立柱的相同高度，前后各设置一根横梁，前后两根横梁间形成放置和固定拱架模具的间隔；所述的固定铰支座设置在立柱底端，所述的卷扬机通过钢丝绳连接横梁，使支撑装置和拱架模具以固定铰为中心转动。

6.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其特征在于：所述的灌浆系统包括混凝土输送泵、灌浆管和灌浆接头；所述的混凝土输送泵通过所述的灌浆管和所述的灌浆接头连接所述的灌浆孔，混凝土输送泵向拱架模具中灌注不同配合比的混凝土。

7.如权利要求6所述的钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其特征在于：所述的灌浆接头内设置有使混凝土浆液只可单向流入装置而不可逆向流出的单向阀。

8.如权利要求6所述的钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其特征在于：所述的灌浆系统还包括一个振动器，所述的振动器固定在拱架模具上。