一种矩形顶管顶进时的摩阻力测试装置及方法与流程

本发明涉及顶管施工技术领域，尤其涉及一种矩形顶管顶进时的摩阻力测试装置及方法。

背景技术：

顶管施工是目前日益发展应用的一种非开挖施工方法，不需要开挖面层就能够穿越已有的公路、铁路、河道、地下管线、地下构筑物和文物古迹等。顶管施工方法避免了城市路面的开挖量，减少大量土方工程、减少拆迁安置、节约施工用地、降低周围环境干扰且不中断地面人流交通及物流运输活动等，近年来在城市地下空间开发、地下铁路轨道交通建设、市政隧道工程中得到广泛运用。

顶推力是顶管工程中管道结构设计、设备选型以及工作井结构设计的必要参数，也是施工过程中决定工程成败的主要控制参数。通常顶进过程所受到的阻力包括刀盘迎面阻力和管道摩阻力两部分，在顶管穿越的地层性质和埋深变化不大的情况下，迎面阻力基本保持稳定，而管道摩阻力随着顶进距离的增大而增加，对顶推力的大小起控制性作用。因此，能否准确确定管道摩阻力是衡量顶进效率和质量安全的重要指标。

目前顶管顶进施工中摩阻力的确定大部分都是根据理论计算方法或一些经验数据获得。现有测试顶管摩阻力大小的试验装置及方法，无法模拟实际施工工况，测试的仅是浆液和顶管管壁之间的摩阻力。实际上，顶管施工中顶管结构受到的摩阻力大小与接触界面粗糙度、土体性质、浆液性质等诸多因素有关，特别是浆液和土体之间的相互作用对摩阻力大小的影响，故忽略土体的影响，仅测试顶管和浆液之间的摩阻力会与实际情况相差较大。此外，现有的试验装置复杂，无法模拟顶管的顶进过程。因此，为合理确定顶管施工过程中顶管结构受到的摩阻力大小，迫切需要一种能够直接准确测试顶管顶进过程中结构与土体之间摩阻力大小的装置和方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种矩形顶管顶进时的摩阻力测试装置及方法，可以通过模拟实际施工工况顶进矩形管，从而得到准确的顶管摩阻力大小，解决目前大断面矩形顶管施工中无法直接准确确定顶管摩阻力大小的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种矩形顶管顶进时的摩阻力测试装置，包括

水平铺设的模拟土体，用于模拟现场土层；

设置在模拟土体上的矩形管，用于模拟矩形顶管；

牵引装置，用于提供矩形管顶进的水平牵引力；

测力计，设置在牵引装置和矩形管间，用于检测牵引力的大小。

进一步的，还包括试验台，试验台上设有矩形凹槽，所述模拟土体铺设在矩形凹槽内。

进一步的，所述矩形管为内设砝码的矩形空心盒，矩形管顶进端下部设有倒角，矩形管顶进端两侧分别设有若干对应矩形管不同重心高度的定位孔，对应定位孔间连接有牵引绳，牵引绳中部与所述测力计的固定端连接。

进一步的，所述牵引装置设置在所述模拟土体一端，包括电动机以及控制电动机转速的变频器，电动机的转轴上缠绕有软钢丝绳，软钢丝绳末端与所述测力计的拉伸端连接，测试过程中，通过旋转电动机的转轴收卷软钢丝绳，软钢丝绳拉伸测力计，并通过测力计、牵引绳带动矩形管水平位移，模拟矩形顶管的顶进过程。

进一步的，所述变频器还连接有电脑，用于控制变频器输出的控制频率，实现电动机的转速控制；电脑还与所述测力计连接，用于收集测力计测出的力值大小。

进一步的，所述测力计采用电子弹簧测力计。

一种矩形顶管顶进时的摩阻力测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）通过增减矩形管内的砝码，模拟实际顶进过程中矩形顶管上的覆土重量；

（2）根据步骤（1）中得到的矩形管的重心调整牵引绳安装高度；

（3）将步骤（2）中得到的矩形管放入试验台的矩形凹槽内，将软钢丝绳与牵引绳中部连接，调整矩形管高度，使软钢丝绳处于水平状态，则确定矩形管下表面即为模拟土体铺装深度；

（4）按照步骤（3）中得到的铺装深度，将模拟土体按照施工现场的土层情况分层填入试验台上的矩形凹槽内；

（5）将步骤（2）中得到的矩形管放置在铺装后的模拟土体上，将电子弹簧测力计的固定端与牵引绳中部连接，将电子弹簧测力计的拉伸端与软钢丝绳连接；

（6）通过电脑控制变频器输出控制频率，调整电动机的转速，开启电动机，使矩形管匀速行进，电脑收集到的测力计测出的力值大小即为摩阻力。

本发明的有益效果是：本发明可以通过模拟实际施工工况顶进矩形管，从而得到准确的顶管摩阻力大小，解决目前大断面矩形顶管施工中无法直接准确确定顶管摩阻力大小的问题。此外，本发明还可以通过多次试验，测试减摩泥浆的减摩效果随时间的变化情况，以及不同浆液与不同土层之间的适应性问题，从而找到适合土层的最佳减摩泥浆配合比。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为矩形管的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种矩形顶管顶进时的摩阻力测试装置，包括：

水平铺设的模拟土体1，用于模拟现场土层；

试验台2，试验台2上设有矩形凹槽3，所述模拟土体1铺设在矩形凹槽3内；

设置在模拟土体1上的矩形管4，用于模拟矩形顶管；

牵引装置5，用于提供矩形管4顶进的水平牵引力；

测力计6，设置在牵引装置5和矩形管4间，用于检测牵引力的大小；测力计6采用电子弹簧测力计。

所述矩形管4为内设砝码的矩形空心盒，如图2所示，矩形管4顶进端下部设有倒角41，矩形管4顶进端两侧分别设有若干对应矩形管4不同重心高度的定位孔42，对应定位孔42间连接有牵引绳43，牵引绳43中部与所述测力计6的固定端连接。

所述牵引装置5设置在所述模拟土体1一端，包括电动机51以及控制电动机51转速的变频器52，电动机51的转轴上缠绕有软钢丝绳53，软钢丝绳53末端与所述测力计6的拉伸端连接，测试过程中，通过旋转电动机51的转轴收卷软钢丝绳53，软钢丝绳53拉伸测力计6，并通过测力计6、牵引绳43带动矩形管4水平位移，模拟矩形顶管的顶进过程。

所述变频器52还连接有电脑54，用于控制变频器52输出的控制频率，实现电动机51的转速控制；电脑54还与所述测力计6连接，用于收集测力计6测出的力值大小。

上述装置可以通过模拟实际施工工况顶进矩形管，从而得到准确的顶管摩阻力大小，解决目前大断面矩形顶管施工中无法直接准确确定顶管摩阻力大小的问题。具体使用过程为：

一种矩形顶管顶进时的摩阻力测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）通过增减矩形管4内的砝码，模拟实际顶进过程中矩形顶管上的覆土重量；

（2）根据步骤（1）中得到的矩形管4的重心调整牵引绳43安装高度；

（3）将步骤（2）中得到的矩形管4放入试验台2的矩形凹槽3内，将软钢丝绳53与牵引绳43中部连接，调整矩形管4高度，使软钢丝绳53处于水平状态，则确定矩形管4下表面即为模拟土体1铺装深度；

（4）按照步骤（3）中得到的铺装深度，将模拟土体1按照施工现场的土层情况分层填入试验台上的矩形凹槽3内；

（5）将步骤（2）中得到的矩形管4放置在铺装后的模拟土体1上，将电子弹簧测力计的固定端与牵引绳43中部连接，将电子弹簧测力计的拉伸端与软钢丝绳53连接；

（6）通过电脑54控制变频器52输出控制频率，调整电动机51的转速，开启电动机51，使矩形管4匀速行进，电脑54收集到的测力计6测出的力值大小即为摩阻力。

上述试验过程中，可通过增减砝码进行多组试验，模拟实际工程中不同顶管上覆盖的土重对摩阻力的影响。

在上述试验的基础上，通过在模拟土体表面平铺一层减摩泥浆，还可以测试注浆工况下的摩阻力，以及减摩泥浆的减摩效果随时间的变化情况。另外，还可通过在模拟土体上平铺不同配合比的减摩泥浆，测试不同泥浆的减摩效果。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。