CN214668291U - 一种管土界面剪切试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种管土界面剪切试验装置，包括加压垫板、上剪切盒、下剪切盒、用于制备标准试件的模具盒和混凝土试件。模具盒包括上、下模具盒，一个开有半圆柱体的模具腔体，另一个开有长方体模具腔体；下剪切盒的中间开有一个与上模具盒长方体模具腔体一致的试件槽，上剪切盒下部的中间开有与试件上部半圆柱体形状一致的凹槽滑动槽，滑动槽轴向贯通，上剪切盒的上部中间开有一个方形的与滑动槽贯通的凹槽土样槽。试验装置采用加长的马鞍状混凝土试块，保证剪切面为圆弧，贴近实际工程模拟混凝土管在顶进过程中管体与土体之间的剪切状态，且构造简单，成本低廉，安装方便。

Description

一种管土界面剪切试验装置

技术领域

本实用新型涉及顶管工程及土工试验领域，特别涉及一种用于测量顶管外表面与土体间摩擦系数的管土界面剪切模拟装置。

背景技术

顶管法是一种非开挖的管道埋设施工技术，在工作坑内借助顶进设备产生的顶力，克服顶管与周围土体之间的摩擦力，一节一节的顶入土层之中。在长距离、大直径的顶进过程中，管壁外表面与土体之间的摩阻力能够达到上百甚至上千吨，故为了有效的减少顶进阻力，常对管体和土体间注入触变泥浆进行减阻，使管体在触变泥浆的包裹中顶进，从而起到减小阻力的作用。

顶力预测是顶管法施工的核心之一，而顶力计算的关键在于确定无触变泥浆和有触变泥浆时管土之间的摩擦系数，故如何找到一种合理有效的方式确定管土之间的摩擦系数显得尤为关键。目前常用直剪仪测量接触面间的摩擦系数，而采用常规直剪仪配备的剪切盒对管土界面进行测量时存在以下问题：一是由于剪切盒采用金属制作，剪切过程中无法观测试样中土颗粒的扰动变化；二是剪切过程中接触面发生剪切破坏时，剪切面积逐渐减小，与实际顶管过程中混凝土管的外表面始终在土体包裹中顶进的情况不符；三是传统直剪盒的剪切界面为平面，而实际顶管工程中，混凝土管为曲面，故剪切面与实际情况不符。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种贴近实际工程模拟混凝土管在顶进过程中管体与土体之间的剪切状态，且构造简单，成本低廉，安装方便的管土界面剪切试验装置。

实现本实用新型实用新型目的的技术方案是提供一种管土界面剪切试验装置，它包括加压垫板、上剪切盒、下剪切盒、模具盒和混凝土试件；所述模具盒包括上模具盒和下模具盒，上、下模具盒中的一个模具腔体为半圆柱体，另一个模具腔体为长方体；所述混凝土试件的上部为半圆柱体，下部为长方体；所述的下剪切盒的中间开有与试件下部长方体相配合的试件槽，所述的上剪切盒的下部中间开有与试件上部半圆柱体相配合的滑动槽，滑动槽轴向贯通，上剪切盒的上部中间开有一个方形的与滑动槽贯通的土样槽；所述的加压垫板由一体的上部方形板和下部方形块组成，下部方形块与土样槽相配合。

本实用新型所述的一种管土界面剪切试验装置，其上、下模具盒的模具腔体处开有气孔；上、下模具盒的对应位置开有销钉孔。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型提供了一种可模拟混凝土管顶进的管土界面新型直剪容器，采用加长的马鞍状混凝土试块固定在带有凹槽的直剪盒下盒，保证剪切面为圆弧，采用混凝土试件用来近似模拟混凝土管，并且混凝土试件尺寸较土样盒更大，剪切时通过推动上盒，保证了剪切全过程混凝土管始终与土颗粒保持接触，更加贴近实际工程情况。

2.本实用新型提供的剪切装置构造简单，成本较低，试验装置安装方便，可以近似模拟混凝土管在顶进过程中是否注入触变泥浆两种情况下的管体与土体之间的剪切状态，为顶管工程中计算管体与周围土体间的摩阻力提供参考。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的试件制作模具的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的混凝土试件的示意图；

图3本实用新型实施例提供的管土界面剪切试验装置的结构示意图；

图4、5、6分别为本实用新型实施例提供的管土界面剪切试验装置的下剪切盒、上剪切盒和加压垫板的结构示意图；

图中：1.加压垫板；2.上剪切盒；3.混凝土试件；4.销钉孔；5.下剪切盒；6. 加压垫板的上部分；7. 加压垫板的下部分；8.土样槽；9.滑动槽；10.试件槽；11.上模具盒；12.下模具盒；13.气孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步的阐述。

实施例1

本实施例为在模拟顶管法顶进过程中管体与周围土体间的剪切力学行为，提供一种管土界面剪切试验装置，它包括加压垫板、上剪切盒、下剪切盒和制备标准试件的模具盒。

参见附图1、2，分别为用于本实施例提供的一种管土界面剪切试验装置的试件模具盒及试件的结构示意图。由附图1可见，用于制备标准试件的模具盒分为上、下两部分，上模具盒11和下模具盒12，下模具盒开有半圆柱体的模具腔体，上模具盒开有与其配合的长方体模具腔体，模具腔体处开有气孔13，上、下模具盒的对应位置处开有销钉孔4，制备试样时，可通过销钉将它们固定，在本实施例中，上模具盒可采用试验装置中的下剪切盒替代；下模具盒为半圆柱段试件盒，是与试验装置配套的试件盒，上下两部分配合使用，用于制作混凝土试件。由图2可见，采用本实施例提供的试件模具盒制备的混凝土试件，它由上、下模具合模后腔体内灌注混凝土，成型脱模后得到，其上部为半圆柱体，下部为长方体。

参见附图3，它是本实施例提供的一种可视化的管土界面剪切试验装置的立体结构示意图；试验装置包括下剪切盒5，与其配合的上剪切盒2和加压垫板1，下剪切盒和上剪切盒的两侧分别开有销钉孔4，用于在试样装样时插入销钉，实现对于土样的稳定装填；下剪切盒置于底部，用于固定混凝土试件，混凝土试件3置于上、下剪切盒中间，上剪切盒顶部盖有加压垫板1。

参见附图4、5、6，分别为本实施例提供的一种可视化的管土界面剪切试验装置的下剪切盒、上剪切盒及加压垫板的结构示意图。由图4可见，下剪切盒的中间开有一个与试件下部长方体形状一致的凹槽即试件槽10，用于固定混凝土试件；由图5可见，上剪切盒下部的中间开有与试件上部半圆柱体形状一致的凹槽即滑动槽9，滑动槽轴向贯通，上剪切盒的上部中间开有一个方形的与滑动槽中部贯通的凹槽即土样槽8，用于在试验过程中承载土样，试验时，将上剪切盒的滑动槽架设在下剪切盒和混凝土试样之上，用于完成剪切过程，由于混凝土试件的长度大于土样的长度，克服了现有剪切试验过程中剪切面逐渐减小带来的试验误差问题；由图6可见，加压垫板由一体的上部分6和下部分7两块方形板组成，下部分的形状与土样槽一致。本实施例中，制备加压垫板、上剪切盒和下剪切盒的材料为透明的有机玻璃，提供一种可视化的试验装置，实现对于剪切现象的全程观测。可配合数字图像相关测量技术（数字图像相关测量:将剪切过程中的土颗粒位移情况进行拍照记录，利用软件通过捕捉图片中的像素点进而分析剪切过程中的水平、竖向位移等扰动情况）进行剪切过程的扰动分析，可近似模拟混凝土管在顶进过程中是否注入触变泥浆两种情况下的管体与土体之间的剪切状态，为顶管工程中计算管体与周围土体间的摩阻力提供参考。

为了更好地探究混凝土管顶进的摩擦系数，进而进行顶力预测，针对传统剪切装置的弊端，本实用新型提出了一种可视化管土界面新型剪切装置，用于顶管外壁的界面剪切试验。

采用本实施例提供的可视化管土界面剪切试验装置，试验方法如下：

1.采用本实施例提供的标准试件模具盒制作试验所需的混凝土试件，可利用下剪切盒作为上模具盒；

2.将制备的混凝土试件放置在下剪切盒的凹槽中，完成对混凝土试样的固定；在上、下剪切盒的盒身接触部分涂抹工业用凡士林润滑脂（在涂抹工业用凡士林润滑脂的情况下进行剪切盒空推试验，结果表明该部分剪切过程中产生的摩阻力几乎为0，说明该部分产生的摩阻力对试验结果不产生影响）；

3.将上剪切盒沿滑槽放置于试样和下剪切盒之上，上、下剪切盒两侧对齐；在上、下剪切盒的销钉孔内插入销钉，完成对土样槽的固定，通过土样槽装入试验土样后拔出销钉；

4.在土样槽上放置加压垫板，并对土样按试验要求进行所需的加压；

5.通过顶推装置推动上剪切盒轴向滑动，进行混凝土试样与土样的模拟剪切，观察记录实验现象。采用本实施例提供的装置，可配合数字图像相关测量技术（数字图像相关测量:将剪切过程中的土颗粒位移情况进行拍照记录，利用软件通过捕捉图片中的像素点进而分析剪切过程中的水平、竖向位移等扰动情况）进行剪切过程的扰动分析，可近似模拟混凝土管在顶进过程中是否注入触变泥浆两种情况下的管体与土体之间的剪切状态，为顶管工程中计算管体与周围土体间的摩阻力提供参考。

Claims (3)

1.一种管土界面剪切试验装置，其特征在于：它包括加压垫板（1）、上剪切盒（2）、下剪切盒（5）、模具盒和混凝土试件（3）；所述模具盒包括上模具盒（11）和下模具盒（12），上、下模具盒中的一个模具腔体为半圆柱体，另一个模具腔体为长方体；所述混凝土试件的上部为半圆柱体，下部为长方体；所述的下剪切盒的中间开有与试件下部长方体相配合的试件槽（10），所述的上剪切盒的下部中间开有与试件上部半圆柱体相配合的滑动槽（9），滑动槽轴向贯通，上剪切盒的上部中间开有一个方形的与滑动槽贯通的土样槽（8）；所述的加压垫板由一体的上部方形板和下部方形块组成，下部方形块与土样槽相配合。

2.根据权利要求1所述的一种管土界面剪切试验装置，其特征在于：上、下模具盒的模具腔体处开有气孔（13）。

3.根据权利要求1所述的一种管土界面剪切试验装置，其特征在于：上、下模具盒的对应位置开有销钉孔（4）。

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