一种多功能顶管模型试验装置及试验方法

本发明涉及地下岩土工程试验领域，特别涉及一种多功能顶管模型试验装置及试验方法。

背景技术：

1、近年来，随着地下空间开发利用进程的加快，作为非开挖关键技术的顶管法得到了广泛地应用。对于复杂工程地质条件下的顶管工程，现有的相关理论难以准确预测其受力和变形之间的相互作用规律，并且单纯的现场试验往往具有不确定性和随机性，难以重复，因而有必要设计室内模型试验，以准确把握顶管顶进过程中的变化规律，为实际施工提供参考和指导。

2、一种矩形顶管模型试验装置，公开了模型试验箱，顶推平台，压力机，压力板，预制模型管片以及压浆系统，该发明装置结构简单，使用方便，但是该发明专利无法实现管节接触模拟和复杂地层模拟。

3、一种顶管模型试验装置，公开了试验台、拼接式试验箱、顶管模型、横向加载装置、注浆系统和数据采集系统；该发明装置能准确测试顶管顶进过程中土体的沉降及内部压力变化，然而该发明专利无法获得动态地表变形数据。

技术实现思路

1、本发明提供了一种多功能顶管模型试验装置及试验方法，其目的是为了解决多姿态管节在顶进过程中接触传力问题以及复杂地层模拟顶进的问题。

2、为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种多功能顶管模型试验装置，包括：

3、多姿态管节；

4、多段模型箱，相对的侧壁上分别设置有进洞口和出洞口，所述进洞口和出洞口之间设置有若干的开口分隔板，相邻的开口分隔板之间用以填充不同的土层，开口分隔板上设置管节洞口供多姿态管节穿过；

5、动力结构，包括千斤顶和压力传感器，千斤顶设置在多段模型箱靠近进洞口的一侧，所述千斤顶用于推动多姿态管节向出洞口方向运动，所述压力传感器安装在千斤顶的自由端与多姿态管节之间；

6、数据采集系统，用于与千斤顶和压力传感器信号连接。

7、优选地，多功能顶管模型试验装置还包括设置在进洞口处的支撑反力结构，支撑反力结构包括支撑反力支架，支撑反力支架用于安置在台面上，支撑反力支架上设置有供多姿态管节穿过的反力套架，所述反力套架的内壁和外壁之间设置有多个不同高度的支撑单元，所述支撑单元上搭接有架力板，所述千斤顶设置在所述架力板上。

8、优选地，多功能顶管模型试验装置还包括漏斗，所述漏斗设置在多段模型箱的上方用以向多段模型箱内填充土体。

9、优选地，所述多姿态管节包括两个相互连接的管节，两个管节相互连接的端面呈现相同的结构。

10、优选地，所述管节的端面具有上倾角结构、下倾角结构、顶部接触结构、底部接触结构和全接触结构中的一种。

11、本申请还提供了一种试验方法，用以模拟多姿态管节不同接触面积下的受力，采用前述的多功能顶管模型试验装置，包括：

12、s1.将开口分隔板安置在多段模型箱内，并保持管节洞口位于开口分隔板水平中线以上的位置，采用外套管的方式将两节管节的端面进行连接以形成不同的抵接状态，其中一个管节上设置有应变片，应变片围绕管节的轴向布置；

13、s2.连接数据采集系统和动力结构，并向多段模型箱内填筑土层；

14、s3.控制千斤顶的顶进压力，获取压力传感器的数值，读取管节的应变值，完成一级荷载下管节受力变形数据的记录；

15、s4.更改千斤顶的顶进压力，重复步骤s3，记录不同顶进压力下的管节受力变形数据；

16、s5.更换不同端面的管节，重复步骤s1-s4。

17、本申请还提供了另一种试验方法，用以模拟多姿态管节顶进试验，采用前述的多功能顶管模型试验装置，包括：

18、多功能顶管模型试验装置还包括与数据采集系统信号连接的微型土压传感器、全站仪和机头；

19、试验方法包括如下步骤：

20、s1.将开口分隔板安置在多段模型箱内，并保持管节洞口位于开口分隔板水平中线以上的位置，向多段模型箱内的各个开口分隔板之间填充不同材质的土体，分别形成不同的土层；

21、s2.采用内套管的方式将两节管节的端面进行连接以形成不同的抵接状态，其中一个管节上设置有应变片，应变片围绕管节的轴向布置；

22、s3.在管节内部粘贴反光贴，在顶进前对反光贴的初始数据以及土层上表面的第一形变数据进行采集；

23、s4.在前端管节的端面安装机头用以掘进，机头上设置微型土压力传感器，多姿态管节预顶进土层内获取微型土压力传感器的数据后，取下微型土压力传感器，在管节上设置转数传感器、时间传感器，构建转数与时间的关系曲线；

24、s5.多姿态管节顶进多段模型箱内，获取各土层上表面的第二形变数据和多姿态管节轴线运动数据，比对初始数据获取多姿态管节运动过程中的运动及偏转轨迹；

25、s6.在步骤s1中，在不同的土层上施加向下的作用力以模拟不同深埋工况，并重复步骤s2-s5；

26、s7.安装不同粗糙度的管节，重复步骤s1-s6，进行不同深埋工况下粗糙度对多姿态管节的摩阻力影响试验。

27、优选地，装置还包括3d成像摄影机；

28、在各土层的上表面设置有多个特征点，3d成像摄影机对特征点进行拍摄以获取各土层的第一形变数据和第二形变数据。

29、优选地，在各土层的填筑过程中，漏斗位于同一高度。

30、本发明的上述方案有如下的有益效果：

31、在本申请中，多段模型箱可以用于多种顶进试验的进行，并且可对相互连接的管节进行模拟，实现多姿态管节在顶进过程中因接触面积改变引起的传力特征模拟。同时多段模型箱设置有开口分隔板，可以模拟实现复杂土层的模拟，更加接近真实的环境。

32、本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种多功能顶管模型试验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多功能顶管模型试验装置，其特征在于：多功能顶管模型试验装置还包括设置在进洞口(21)处的支撑反力结构，支撑反力结构包括支撑反力支架(51)，支撑反力支架(51)用于安置在台面上，支撑反力支架(51)上设置有供多姿态管节(1)穿过的反力套架(52)，所述反力套架(52)的内壁和外壁之间设置有多个不同高度的支撑单元，所述支撑单元上搭接有架力板(54)，所述千斤顶(31)设置在所述架力板(54)上。

3.根据权利要求2所述的多功能顶管模型试验装置，其特征在于：多功能顶管模型试验装置还包括漏斗(6)，所述漏斗(6)设置在多段模型箱(2)的上方用以向多段模型箱(2)内填充土体。

4.根据权利要求3所述的多功能顶管模型试验装置，其特征在于：所述多姿态管节(1)包括两个相互连接的管节(11)，两个管节(11)相互连接的端面呈现相同的结构。

5.根据权利要求4所述的多功能顶管模型试验装置，其特征在于：所述管节(11)的端面具有上倾角结构、下倾角结构、顶部接触结构、底部接触结构和全接触结构中的一种。

6.一种试验方法，用以模拟多姿态管节不同接触面积下的受力，采用权利要求5所述的多功能顶管模型试验装置，其特征在于，包括：

7.一种试验方法，用以模拟多姿态管节顶进试验，采用权利要求5所述的多功能顶管模型试验装置，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：装置还包括3d成像摄影机(9)；

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于：在各土层的填筑过程中，漏斗(6)位于同一高度。

技术总结
本发明提供了一种多功能顶管模型试验装置及试验方法，涉及地下岩土工程试验领域，包括：多姿态管节；多段模型箱，相对的侧壁上分别设置有进洞口和出洞口，进洞口和出洞口之间设置有开口分隔板，开口分隔板上设置管节洞口供多姿态管节穿过；动力结构，包括千斤顶和压力传感器，千斤顶设置在多段模型箱靠近进洞口的一侧，千斤顶用于推动多姿态管节向出洞口方向运动，压力传感器安装在千斤顶的自由端与多姿态管节之间；数据采集系统，用于与千斤顶和压力传感器信号连接，多段模型箱可以用于多种顶进试验的进行，并且可对相互连接的管节进行模拟，实现多姿态管节在顶进过程中因接触面积改变引起的传力特征模拟。

技术研发人员：张永杰,罗志敏,邓沛宇,欧雪峰,欧阳健,李鑫,王传琦,郑爽
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15