一种矩形顶管模型试验装置及使用方法与流程

本发明属于地下综合管廊顶管施工模型技术领域，尤其涉及一种矩形顶管模型试验装置及使用方法。

背景技术：

随着我国基础设施建设的不断推进，旧的地下管网已经不能满足现在城市发展的需要，城市地下综合管廊作为一种集电力、通信、给排水、热力、燃气等为一体的综合管理平台，可以有效地避免因管线铺设、维修、保养等给城市运营管理等带来的诸多不便，因此在全世界范围内得到了广泛采用。顶管法作为地下管廊施工的一种有效方法正在被广泛应用，在一些下穿既有建筑物、河流、道路的地下管廊施工时顶管法施工的优势十分明显，可以最大限度地减少对既有建构筑物及环境的破坏，但土体的含水率以及颗粒级配会对顶管施工产生较大的影响，因此，在施工前找出不同含水率、颗粒级配土体与管片的相互影响是十分必要的，对顶管施工具有非常重要的指导意义。

因此，亟需一种装置模拟在矩形顶管施工过程中管片顶进对土体的扰动及管片与土体之间的相互作用，为实际施工提供参考和指导。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种矩形顶管试验装置及使用方法，该装置结构简单，使用方便，可以模拟矩形管片在顶进过程中对周围土体的扰动及管片与土体之间的相互作用，对实际施工具有参考和指导意义。

一种矩形顶管模型试验装置，包括：模型试验箱，顶推平台，压力机，压力板，预制模型管片以及压浆系统，所述模型试验箱为长方形箱体，顶部开口，箱内试验土体在相应位置设有土压力计，土体上部盖有压力板，压力机横梁上装有液压千斤顶2与压力板相连；所述顶推平台包括顶进台，顶进台上设有支撑杆支撑反力板，液压千斤顶1一端与所述反力板焊接另一端通过螺栓与爪型顶铁相连，所述预制模型管片紧贴在爪型顶铁的长螺栓杆外侧，其外部四个管壁设有出浆孔且管壁贴有应变片；所述压浆系统恒力推进器通过活塞与压浆管相连，压浆管另一端连有主出浆管，主出浆管通过四孔连接器连接副出浆管，所述爪型顶铁还设置预留孔，主出浆管从预留孔中穿过，副出浆管与所述出浆孔相连。

所述模型试验箱箱体材质为高强度透明塑料，箱体内部四角均设置有刻度尺，箱体外侧采用由角钢和钢条焊接而成的长方形框架固定，长方形框架一侧设置有插板口，模型试验箱正面开设有矩形窗口，插板从模型试验箱右侧插板口插入到矩形窗口中，插板上开设有与预制模型管片相对应的顶进口，顶进口的尺寸略大于预制模型管片，所述插板的材质为高强度透明塑料板，与相对应的预制模型管片配套使用，箱体顶部通过螺栓均匀安装有方木，并固定有千分表。

所述顶进台为铁质试验台，顶进台的桌腿为可升降桌腿，设置有空腔，空腔内设置有上压片、弹簧、下压片、竖杆，竖杆焊接在下压片上；顶进台上均匀安装有由铁皮制成的五条倒T型凹槽轨道与爪型顶铁的倒T型凸块相对应；所述反力板材质为钢板；所述爪型顶铁为带有四根外伸长螺栓杆的矩形钢板，外伸长螺栓杆紧贴预制模型管片内壁四角，其长度与待顶进预制模型管片的厚度相适应。

所述压力机横梁可沿压力机支撑牛腿上下移动，压力机的台数可根据实际沿模型试验箱纵向合理架设，液压千斤顶2为可升降液压千斤顶。

所述压力板为矩型高强度透明塑料板，尺寸略小于模型试验箱内轮廓尺寸，压力板上设置有土压力计安放口，上盖扣盖，扣盖上预留有土压力计线缆孔。

所述土压力计设置在预制模型管片顶进上方试验土体中，分3层布置，间隔分别为10cm、10cm、5cm，每层土压力计按照3×5呈阵列式均匀布置，每层布置15个。

所述压浆管内装有配置好的触变泥浆，触变泥浆是一种由膨润土配制而成的浆液。

所述模型试验箱左右侧壁均匀设置有线缆孔，土压力计线缆经线缆孔外接至静力应变仪，静力应变仪与电脑连接。

一种如上述的矩形顶管模型试验装置使用方法，包括以下步骤：

步骤一：以含水率和土的颗粒级配为变量，根据正交设计设计试验方案并配制相应的实验土样本，浇筑模型管片并进行养护；

步骤二：模型试验箱就位，选择与预制模型管片相适应的插板，分层填土并压实，在土体内按设计要求埋入土压力计，土压力计线缆外接到静力应变仪相应接口，静力应变仪与电脑连接，并完成调试，压实过程中观察土压力计读数，达到要求密实度对应的土压力后停止压实，再次填土以同样方式压实下一层；

步骤三：在预定位置安装方木和千分表；

步骤四：顶推平台就位，在预制模型管片外侧四个管壁上安装应变片，应变片线缆外接到静力应变仪相应接口；预制模型管片就位，开启液压千斤顶1进行管片顶进，同时开启压浆系统，顶进完成后挖去管片内部多余土体；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直至完成所有管片顶进；

步骤六：记录并保存顶进过程中土压力计、应变片、千分表读数；

步骤七：重复步骤二至步骤六，完成所有正交实验设计方案的顶进并记录、整理数据。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种矩形顶管模型试验装置结构简单，使用方便，可以较好地模拟矩形管片在顶进过程中对周围土体的扰动及管片与土体之间的相互作用，并可以得到不同含水量及颗粒级配的土体对顶管施工的影响规律，为现场施工提供有益参考和指导，具有较强的实用性和较好的推广价值。

附图说明

图1为模型试验箱示意图；

图2为压力板示意图；

图3为土体分层压实结构布置示意图；

图4为压力机工作示意图；

图5为顶推平台工作示意图；

图6为爪型顶铁示意图；

图7为可升降桌腿A局部放大图；

图8为压浆系统示意图。

其中，

1模型试验箱，1-1刻度尺，1-2长方形框架，1-2-A插板口，1-3线缆孔，2插板，2-1顶进口，3压力板，3-1扣盖，4土压力计，5线缆，6爪型顶铁，6-1倒T型凸块，6-2预留孔，7长螺栓杆，8顶进台，8-1可升降桌腿，8-1-A上压片,8-1-B弹簧,8-1-C下压片,8-1-D竖杆,9反力板，10液压千斤顶1，11预制模型管片，11-1出浆孔,12支撑杆，13固定盘，14轨道，15应变片，16压力机，17方木，18千分表，19液压千斤顶2，20恒力推进器，21压浆管，21-1活塞,21-2主出浆管,21-3四孔连接器,21-4副出浆管。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。

本发明一种矩形顶管试验装置模型尺寸与真实尺寸比为1：20，应力σ、黏聚力C、弹性模量E相似比均为1：20，容重相似比、泊松比、应变、摩擦角相似比均为1：1。如图1-8所示一种矩形顶管模型试验装置，包括：模型试验箱1，顶推平台，压力机16，压力板3，预制模型管片11以及压浆系统，所述模型试验箱1为长方形箱体，尺寸为1500mm×900mm×1200mm，顶部开口，箱体内部四角均设置有刻度尺1-1，箱体外侧采用由角钢和钢条焊接而成的长方形框架1-2固定，长方形框架一侧设置有插板口1-2-A，模型试验箱1正面开设有矩形窗口，插板2从模型试验箱右侧插板口1-2-A插入矩形窗口中，插板2上开设有与预制模型管片11相对应的顶进口2-1，其尺寸略大于预制模型管片11，所述插板2与相对应的预制模型管片11配套使用，箱体外侧均匀设置有线缆孔1-3，箱内试验土体在相应位置设有土压力计4，土体上部盖有压力板3，压力板3上设置有土压力计4安放口，上盖扣盖3-1，扣盖3-1上预留有土压力计4线缆孔1-3，将方木17用螺栓连接在箱体顶部并固定有千分表18，压力机16横梁上装有液压千斤顶2 19与压力板3相连；

所述顶推平台包括顶进台8，顶进台8的桌腿为可升降桌腿8-1，其空腔内设置有上压片8-1-A、弹簧8-1-B、下压片8-1-C、竖杆8-1-D，所述竖杆8-1-D焊接在下压片8-1-C上；顶进台8上设有固定盘13通过支撑杆12支撑反力板9，反力板9另一侧焊有液压千斤顶1 10，液压千斤顶1另一端通过螺栓与爪型顶铁6相连，爪型顶铁6上的长螺栓杆7紧贴预制模型管片11内壁四角，预制模型管片11外部四个管壁贴有应变片15，所述爪型顶铁6底部设置有五个与顶进台8的五条倒T型凹槽轨道14相对应的倒T型凸块6-1，倒T型凸块6-1放置在倒T型凹槽轨道14内；长螺栓杆7的长度与待顶进预制模型管片11的厚度相适应，爪型顶铁6还设置预留孔6-2；

所述压浆系统包括恒力推进器20、压浆管21、活塞21-1、主出浆管21-2、四孔连接器21-3、副出浆管21-4，恒力推进器20通过活塞21-1与压浆管21相连，压浆管内装有配置好的触变泥浆，压浆管另一端连有主出浆管21-2，主出浆管21-2从爪型顶铁6的预留孔6-2中穿过，通过四孔连接器21-3连接副出浆管21-4，副出浆管21-4与出浆孔11-1相连，二者保持数量一致。

一种如上述的矩形顶管模型试验装置使用方法，包括以下步骤：

步骤一：以含水率和土的颗粒级配为变量，根据正交设计设计试验方案，并配制相应的实验土样本；浇筑模型管片，并进行养护；

步骤二：模型试验箱1就位，选择与预制模型管片11相适应的插板2；分层填土压实，在土体内埋入土压力计4，按照设计要求在预制模型管片11顶进上方各土层中间隔10cm、10cm、5cm设置3×5阵列式土压力计4，土压力计线缆5外接到静力应变仪相应接口，静力应变仪与电脑连接，并完成调试，安装压力板3，采用压力机16压实土体，压实过程中观察土压力计4读数，达到要求密实度对应的土压力后停止压实，再次填土以同样方式压实下一层；

步骤三：在预定位置安装方木17和千分表18；

步骤四：顶推平台就位，在预制模型管片11外侧四个管壁上安装应变片15，应变片线缆5外接到静力应变仪相应接口；预制模型管片11就位，开启液压千斤顶1 10进行管片顶进，顶进完成后挖去管片内部多余土体；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直至完成所有管片顶进；

步骤六：记录并保存顶进过程中土压力计、应变片、千分表读数；

步骤七：重复步骤二至步骤六，完成所有正交实验设计方案的顶进并记录、整理数据。

最后要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。