考虑盾构刀盘振动作用的开挖面稳定性试验装置及方法

本申请属于地下工程室内试验领域，涉及一种可以直接施加振动荷载的盾构开挖面稳定性试验装置。

背景技术：

盾构施工扰动控制一直以来是地下工程施工关注的重点。在均质地层中，由于盾构机受力相对均匀，因此振动较小，对地层的扰动作用主要来自支护力与原始应力场的不匹配；在土岩复合地层中，刀具切削硬岩产生强烈的振动荷载，会对前方开挖面的力学性质产生影响，导致地层损失加剧，开挖面稳定性降低等。

传统盾构开挖面稳定性模型试验一般是通过前后平移开挖面，使前面土体达到主、被动破坏模式，研究极限支护力及破坏机制。而尚未有专门针对振动作用下的开挖面稳定性的模型试验装置。

技术实现要素：

本申请的针对现有技术的缺陷与不足，目的是设计一种刀盘振动作用下盾构开挖面稳定性的试验装置及方法，具体通过以下技术方案来实现。

一种考虑盾构刀盘振动作用的开挖面稳定性试验装置，其特征在于，包括土箱(16)、盾构模型、静力加载单元、动力加载单元及各单元之间的连接构造，盾构模型置于土箱(16)内，静力加载单元、动力加载单元位于土箱(16)外的加载侧。

所述的土箱(16)为上部开口的箱体结构，其观测面为透明玻璃板；

所述的盾构模型包括盾壳(12)、刀盘(15)、盾构中心轴；其中：

盾壳(12)为半圆环结构，与土箱(16)固定连接；

刀盘(15)为半圆形结构，与盾构中心轴固接，刀盘(15)外径与盾壳(12)内径相等，刀盘可在盾壳内前后平移；

盾构中心轴安装于土箱(16)壁上，另一端连接加载侧；

所述的刀盘(15)迎土面设置圆柱形凹槽，用以安装微型土压力计(14)，测量支护压力；所述的刀盘(15)背面安装加速度计(13)，用以测量刀盘振动加速度；

所述的振动加载装置包括配重块(7)、激振器(8)、中间传力结构(9)；其中：

所述的配重块(7)与激振器(8)的输出顶杆通过螺纹紧固；

所述的激振器(8)与中间传力结构(9)固定连接；所述的激振器通过输出端产生特定振幅与频率的激振力，依次通过中间传力结构(9)、盾构中心轴传导至刀盘，并作用于开挖面土体；

所述的静力加载装置包括旋转手柄(1)、中心螺杆(2)、指针(3)、刻度盘(4)、内螺纹块(5)及反力支架(11)；其中：

所述的旋转手柄(1)、中心螺杆(2)及指针(3)为固定连接，使用者通过旋转手柄(1)与中心螺杆(2)及指针(3)同轴并带动同时旋转(15)。

刻度盘(4)、内螺纹块(5)与反力支架(11)固定连接；

中心螺杆(2)与内螺纹块(5)通过螺纹活动连接，中心螺杆(2)旋转过程中实现前后移动，同时带动刻度盘(4)记载通过旋转圈数n、刻度盘示数α与螺纹螺距d得到前进后退距离d。

作为实施例优化上述技术方案，在所述的静力加载装置与动力加载装置之间通过中继连接件(6)连接，所述的中继连接件，其特征在于，包括无纹栓钉(6-1)、连接件端板(6-2)、弹簧(6-3)、回转件(6-4)，其中：

所述的回转件(6-4)由旋转端和固定端两部分组成，二者可以发生自由转动，所述的回转件的固定端与中间传力结构(9)固定连接；

所述的无纹栓钉(6-1)穿过连接件断面的孔与回转件(6-4)的旋转端固接；

所述的弹簧(6-4)两端分别顶住连接件端板(6-2)与回转件(6-4)的旋转端。

上述构造，中继连接件可以有效传递前进、后退位移，同时在动力加载状态下，盾构刀盘有一定振动空间。

还包括采集设备、处理设备，构成试验系统；采集设备包括ccd相机、微型土压力计(14)、加速度计(13)、振动采集仪，振动采集仪用于连接加速度计获得振动信号并提供给处理设备；ccd相机安装于透明的土箱(16)正前方用于观测刀盘(15)，完成采集视频或着图像。进一步地，本申请同时公布与试验装置配套的试验方法，所述的试验方法主要包括以下步骤：

a)试验设备初始化；

b)土体回填及数据初始值记录；

c)开启激振器并稳定于所需振动荷载水平；

d)逐级/连续卸载，同时用ccd相机记录开挖面位移、采用振动采集仪记录振动荷载及采用压力采集仪记录支护力；

e)数据处理分析。

与现有技术相比，本申请具有以下特点：

(1)可对开挖面同时施加动力激振与静力荷载

(2)可实现刀盘位移与激振力精确控制

(3)可实现开挖面失稳模式的直接观测

附图说明

图1为试验装置示意图

图2为后退状态下中继连接件示意图

图3为前进状态下中继连接件示意图

图4为振动状态下中继连接件示意图

图5为试验状态装置示意图

附图中各标号含义如下：

1、旋转手柄2、中心螺杆3、指针4、刻度盘5、中心螺孔块

6、中继连接件6-1、无纹栓钉6-2、连接件端板6-3、弹簧6-4回转件

7、质量块8、激振器9、中间传力结构

10、轴承

11、反力支架

12、盾壳13加速度计14、土压力计

15刀盘

16土箱

具体实施方式

下面结合附图对本申请中的作进一步说明。

实施例1

一种考虑盾构刀盘振动作用的开挖面稳定性试验装置，其特征在于，包括土箱(16)、盾构模型、静力加载单元、动力加载单元及各单元之间的连接构造，盾构模型置于土箱(16)内，静力加载单元、动力加载单元位于土箱(16)外的加载侧；

所述的土箱(16)为上部开口的箱体结构，其观测面为透明玻璃板。

所述的盾构模型包括盾壳(12)、刀盘(15)、盾构中心轴；其中：

盾壳(12)为半圆环结构，与土箱(16)固定连接；

刀盘(15)为半圆形结构，与盾构中心轴固接，刀盘(15)外径与盾壳(12)内径相等，刀盘可在盾壳内前后平移；

盾构中心轴安装于土箱(16)壁上，另一端连接加载侧；

所述的刀盘(15)迎土面设置圆柱形凹槽，用以安装微型土压力计(14)，测量支护压力；所述的刀盘(15)背面安装加速度计(13)，用以测量刀盘振动加速度。

所述的振动加载装置包括配重块(7)、激振器(8)、中间传力结构(9)；其中：

所述的配重块(7)与激振器(8)的输出顶杆通过螺纹紧固；

所述的激振器(8)与中间传力结构(9)固定连接；所述的激振器通过输出端产生特定振幅与频率的激振力，依次通过中间传力结构(9)、盾构中心轴传导至刀盘，并作用于开挖面土体。

所述的静力加载装置包括旋转手柄(1)、中心螺杆(2)、指针(3)、刻度盘(4)、内螺纹块(5)及反力支架(11)。其中：

所述的旋转手柄(1)、中心螺杆(2)及指针(3)为固定连接，使用者通过旋转手柄(1)与中心螺杆(2)及指针(3)同轴并带动同时旋转(15)。

刻度盘(4)、内螺纹块(5)与反力支架(11)固定连接；

中心螺杆(2)与内螺纹块(5)通过螺纹活动连接，中心螺杆(2)旋转过程中实现前后移动，同时带动刻度盘(4)记载通过旋转圈数n、刻度盘示数α与螺纹螺距d得到前进后退距离d。

作为实施例，所述的中心螺杆(2)连接振动加载装置。具体的，中心螺杆(2)连接中间传力结构(9)。

作为实施例优化上述技术方案，在所述的静力加载装置与动力加载装置之间通过中继连接件(6)连接，所述的中继连接件，其特征在于，包括无纹栓钉(6-1)、连接件端板(6-2)、弹簧(6-3)、回转件(6-4)，其中：

所述的回转件(6-4)由旋转端和固定端两部分组成，二者可以发生自由转动，所述的回转件的固定端与中间传力结构(9)固定连接；

所述的无纹栓钉(6-1)穿过连接件断面的孔与回转件(6-4)的旋转端固接；

所述的弹簧(6-4)两端分别顶住连接件端板(6-2)与回转件(6-4)的旋转端。

上述构造，中继连接件可以有效传递前进、后退位移，同时在动力加载状态下，盾构刀盘有一定振动空间。

作为实施例，所述的中心螺杆(2)连接中继连接件(6)。具体的，回转件(6-4)套在中心螺杆(2)上，中心螺杆(2)连接中间传力结构(9)。

实施例2

基于实施例1还包括采集设备、处理设备，构成试验系统；

采集设备包括ccd相机、微型土压力计(14)、加速度计(13)、振动采集仪，振动采集仪用于连接加速度计获得振动信号并提供给处理设备；ccd相机安装于透明的土箱(16)正前方用于观测刀盘(15)，完成采集视频或着图像。

本实施例处理设备为计算机。

进一步地，本申请同时公布与试验装置配套的试验方法，所述的试验方法主要包括以下步骤：

a)试验设备初始化；

b)土体回填及数据初始值记录；

c)开启激振器并稳定于所需振动荷载水平；

d)逐级/连续卸载，同时用ccd相机记录开挖面位移、采用振动采集仪记录振动荷载及采用压力采集仪记录支护力；

e)数据处理分析。