轴对称应力条件下顶管泥浆套减阻性能测定装置及方法与流程

1.本发明涉及一种顶管试验装置及测定方法，尤其是一种轴对称应力条件下顶管泥浆套减阻性能测定装置及方法。


背景技术：

2.顶管施工是借助于主顶油泵等顶进设备的推力，将工具管或掘进机从工作井穿过沿线土层进入接收井；与此同时，将紧随其后的管道依次连接并埋设到这两个井的管线土层中的敷设地下管道的施工方法。随着我国科技进步和经济的快速发展，以及环保意识的增强，顶管施工技术已作为一种常规的施工方法为工程界所接受。由于顶管法施工安全，对周围环境不影响或影响较小，已广泛应用于市政隧道、给排水管道、油气管道和综合管廊等各种应用场合。
3.在顶管顶进中，沿线管道所受的摩擦力将会随顶进长度的增大而增大，在正压力不变的情况下，摩擦系数是其主要影响因素，因此，要降低摩擦力就要减小摩擦系数的值。故施工过程中，会向管道的外表面注入触变泥浆，利用触变泥浆来降低摩擦系数。触变泥浆的基本成分是膨润土和水。当管道与围岩间的泥浆数量足够且失水量较小时，能在土壁上形成一层薄而致密的泥皮，可保护土壁和防止泥浆流失，完整的泥皮包裹在管道外表面，即为泥浆套。
4.在现有的顶管模型装置中，往往只能通过施加单向荷载作用于管道来模拟上覆土压力，无法模拟真实的围岩压力；目前的模型装置只考虑了管道的初始注浆，而未充分考虑实际注浆压力和第二节及第二节顶管之后实时补浆对泥浆套减摩减阻性能的影响，这与实际施工有一定差别，无法精确测试管道顶进过程中的摩阻力和摩擦系数。
5.中国专利申请cn 102636430a公开了一种顶管注浆减阻的室内模拟实验系统，它包括试验箱、竖向加载测试系统、水平向加载测试系统、待测管道、注浆导管以及注浆系统。该专利技术能够模拟上覆土压力，可实现注浆减阻的模拟，测定顶管过程中的摩擦力和摩擦系数，但仍存在以下问题：1）该物理模型试验采用箱体侧限（水平位移为0）条件下顶管围岩压力，与实际土体压力和变形有差异，本专利采用可控制轴对称应力柔性边界条件，更加接近实际土体压力与变形；2）该专利未考虑实际顶管工程中后续管节实时补浆过程，持续测定泥浆套顶管减摩减阻效果，本专利考虑这一实际特点。
6.中国专利申请cn 112147313 a公开了一种大断面矩形顶管减摩注浆的模拟试验装置，包括：试验土箱、前部管节、始发托架、后部管节、后靠架以及顶推机构。该专利技术可模拟顶管减阻注浆试验，注浆时不会直接冲击土体且能形成分布均匀的泥浆套，但是，仍然存在两个问题：1）该物理模型试验采用箱体侧限（水平位移为0）条件下顶管围岩压力，而实际顶管工程中，管道受到围岩土体的压力，在围压下泥浆在土体中渗透性更强，形成致密的渗透块，影响管周土体变形，本专利采用可控制轴对称应力柔性边界条件，更加接近实际土体压力与变形；2）该专利未考虑上覆土压力，而注浆压力与上覆土压力密切相关，注浆压力影响土体变形效果，是泥浆套厚度的控制因素，本专利考虑这一影响因素。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种轴对称应力条件下顶管泥浆套减阻性能测定装置及方法，采用可控制轴对称应力柔性边界条件，利用压力室对混凝土柱施加轴对称应力以模拟真实地层中的围岩压力，同时，可模拟真实的上覆土压力，充分考虑其对注浆压力的影响，在试验过程中能对后续混凝土柱实时补浆，保证所形成泥浆套的完整性，从而更接近工程实际，测得的顶管顶力与摩擦力更精确。
8.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种轴对称应力条件下顶管泥浆套减阻性能测定装置，包括双柱式拉压试验机和设置于其内的压力室，压力室中间竖向开设有用于将混凝土柱置于其中的圆柱形空间，混凝土柱上部设有内置螺栓，内置螺栓与拉伸接头一端相连，拉伸接头另一端与双柱式拉压试验机的横梁相连，利用横梁的往复运动在竖直方向来回推拉混凝土柱，圆柱形空间外围的压力室内部设有相连通的围岩模型制备室和注浆通道，压力室上端通过气压接头连接气压增压机，通过输送气体向压力室内增压，注浆通道上端通过注浆接头连接注浆系统，注浆系统向注浆通道注浆，实现围岩模型的制备，且后续顶进过程中能够实时补浆，数据采集与控制系统用于收集双柱式拉压试验机、注浆系统和气压增压机的压力数据并控制整套装置的运行。
9.所述压力室包括筒型壳体、上盘、底座和下封盘，筒型壳体上下端分别卡在上盘底部和底座上表面的环形凹槽内，下封盘固定连接于底座底部中心，上盘和底座的周边通过多个连接件固定连接，上盘上固定有注浆盘，注浆盘上设置有与注浆通道连通的注浆接头，注浆盘、上盘、底座和下封盘的中心开设有同心的所述圆柱形空间，注浆通道紧贴在圆柱形空间外围，注浆通道外围为围岩模型制备室，上盘上还设有与围岩模型制备室连通的气压接头。
10.位于注浆盘、上盘、底座中心的所述圆柱形空间的直径与待测定的混凝土柱直径相等。
11.所述上盘与混凝土柱的接触面涂有润滑剂。
12.所述围岩模型制备室的顶部和底部分别设置有试样盖和试样底座，围岩模型制备室的内表面设有橡皮膜，橡皮膜的下端通过试样底座固定，上端扎入试样盖与模型土中。
13.所述注浆盘和底座与混凝土柱的接触面上均设有o形圈；上盘、底座与筒型壳体两端接触处的环形凹槽内均设有橡胶垫。
14.所述下封盘为纵向断面呈工字形的筒体，中心的所述圆柱形空间的直径大于混凝土柱的直径，下封盘与混凝土柱未直接接触，留有一定的间隙，这样可以降低其他摩擦力对测试精度的影响，使顶进过程测得的摩擦力可视为由混凝土柱与触变泥浆（土体）作用产生，减小了试验误差。
15.所述压力室为圆柱形压力室，通过设置于上盘的气压接头向压力室加压，能够形成轴对称应力作用于围岩模型制备室。
16.所述混凝土柱为实心混凝土柱，浇筑时内部埋设有钢筋，上部设有内置螺栓。
17.所述双柱式拉压试验机通过横梁的上下往复移动来推拉混凝土柱，使混凝土柱匀速运动，以消除混凝土柱的重力和其他阻力的影响，得到顶进过程中的摩擦阻力。
18.所述注浆系统包括气压增压机、压力表、注浆罐和泥浆搅拌设备，其中：注浆罐大
小按照混凝土柱以1:1设计，注浆罐顶部分别通过压力表接头连接压力表，通过气压接头连接气压增压机，分别用来检测和控制注浆压力，注浆罐底部通过注浆接头向注浆通道注浆并在后续顶进过程中实时补浆。触变泥浆经泥浆搅拌设备搅拌后，置于注浆罐内，注浆罐上部两侧设有旋盖，便于装入和倒出泥浆。
19.所述注浆罐包括筒型罐体和上下两端的堵头，筒型罐体底部与下端堵头紧固连接，顶部的堵头通过旋盖旋紧在筒型罐体上端，筒型罐体与上端堵头之间设有o形圈。
20.所述数据采集与控制系统由压力传感器、气压增压机、压力表和中控单元组成，其中：气压增压机与压力室之间设有压力表，横梁与拉伸接头之间设有压力传感器，注浆罐上部设有压力表，压力表均通过压力表接头连接，同时，压力表、压力传感器和中控单元均通过导线连接在计算机上。
21.轴对称应力条件下顶管泥浆套减阻性能测定装置的测定方法，包括以下步骤：1）在试验前，将注浆系统和数据采集与控制系统各部分连接完毕，并均与压力室相连，压力室内部的围岩模型制备室需按照要求填满模型土体并分层压实；2）进行预试验，在没有对压力室施加轴对称应力的条件下，将双柱式拉压试验机的拉伸接头与混凝土柱上部的内置螺栓相连，利用横梁的上下往复运动，使混凝土柱在压力室内上下运动；3）试验开始时，首先需通过注浆接头向压力室内的注浆通道注入触变泥浆，注满后打开气压增压机，向压力室内加气压以模拟真实的地层围岩压力，形成的轴对称应力通过围岩模型制备室表面的橡皮膜均匀地作用于注浆通道内的触变泥浆，泥浆在压力的作用下会渗入周围土体形成致密的渗透块，关闭气压增压机，同时关闭气压接头，防止气压的泄漏；4）继续注浆，重复步骤3），直至泥浆在施加的轴对称应力条件下仍能充满注浆通道；5）启动双柱式拉压试验机，通过横梁的移动顶推混凝土柱，模拟管道的顶进过程，当第二节混凝土柱进入压力室内部时，需利用注浆系统向注浆通道补浆，直至最后一节混凝土柱的顶入，真正做到实时补浆；6）通过上述五个步骤，形成真实、完整的顶管泥浆套，在数据采集与控制系统的配合下，测定出泥浆套的减摩减阻力学性能参数。
22.本发明的有益效果是：利用压力室对混凝土柱施加轴对称应力以模拟真实地层中围岩作用于管道的压力，同时可调控上覆土压力，使模型试验的注浆压力接近真实注浆压力。管道表面泥浆向土体渗透时，土体与泥浆会形成一层致密的渗透块，而不同的围岩压力作用下泥浆渗透距离不同，管周土体的变形也发生改变；注浆压力与上覆土压力密切相关，覆土压力增大注浆压力增大，而不同注浆压力作用下管周孔壁的变形程度不同，这是控制泥浆套厚度的重要因素。注浆系统可以在任意时刻向注浆通道注浆，能在第二节及第二节之后的混凝土柱顶进时做到实时补浆，使后续混凝土柱周围与前面混凝土柱周围一样形成连续完整泥浆套，并与土压力一致。通过以上关键部分，能够最大程度上模拟实际顶管施工中的围岩压力、上覆土压力和后续管节的实时补浆作用，形成完整真实的泥浆套，测试得到更精确的顶管顶力和摩擦力。
附图说明
23.图1为本发明整体的结构示意图；图2为本发明压力室的结构示意图；图3为图2的俯视图；图4为本发明注浆罐的结构示意图；其中：1.双柱式拉压试验机，11.横梁，12.压力传感器，2.压力室，21.橡胶垫，22.围岩模型制备室，23.注浆通道，24.注浆盘，25.上盘，26.底座，27.下封盘，28.橡皮膜，281.试样底座，282.试样盖，3.气压增压机，4.压力表，41.压力表接头，5.中控单元，6.注浆罐，61.罐体，62.堵头，63.o形圈，64.旋盖，65.气压接头，66.注浆接头，7.混凝土柱，71.内置螺栓，72.拉伸接头，8.泥浆搅拌设备，9.双头螺柱，91.螺钉，92.螺帽。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
25.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
26.如图1
‑
图4所示，一种轴对称应力条件下顶管泥浆套减阻性能测定装置，包括双柱式拉压试验机1、压力室2、注浆系统和数据采集与控制系统，压力室2中间开设一定直径的圆柱形空间，将混凝土柱7置于其中，混凝土柱7上部设有内置螺栓71，拉伸接头72一端与内置螺栓71相连，另一端与双柱式拉压试验机1的横梁11相连，利用横梁11的往复运动在竖直方向推拉混凝土柱7，压力室2上端通过气压接头65连接气压增压机3，注浆通道23上端通过注浆接头66连接注浆系统，注浆系统向注浆通道23注浆，且后续顶进过程中能够实时补浆，数据采集与控制系统主要收集相关的压力数据并控制整套装置的运行。
27.混凝土柱7为特制的实心混凝土柱，浇筑时内部埋设有钢筋，上部设有内置螺栓71，内置螺栓71移动时，利用内埋钢筋带动整根混凝土柱7运动，混凝土柱7的直径与开设的圆柱形空间直径相等。
28.双柱式拉压试验机1带动混凝土柱7往复运动时，通过压力传感器12测得每次推、拉混凝土柱7时的作用力，控制其匀速运动，利用两个平衡方程可以排除其竖直放置时自身重力的干扰，有利于准确分析顶管泥浆套的减摩减阻效果。
29.如图2和图3所示，压力室2包括橡胶垫21、围岩模型制备室22、注浆通道23、注浆盘24、上盘25、底座26、下封盘27、橡皮膜28、试样底座281、试样盖282，其中：注浆盘24上设有注浆接头66，触变泥浆经过上盘25流入注浆通道23，将双头螺柱9置于压力室2的外端，其上部与上盘25连接，下部与底座26连接，注浆盘24与上盘25通过螺钉91连接，底座26与下封盘27通过螺钉91连接，注浆盘24和底座26与混凝土柱7的接触面上都设有o形圈63，防止向压力室2加压时气压泄漏，上盘25和底座26与压力室2两端接触处都设有橡胶垫21，起到缓冲
和密封作用。
30.围岩模型制备室22的内表面设有橡皮膜28，其下端通过试样底座281固定，上端扎入试样盖282与模型土中，固定后的橡胶膜28可以将压力室2内的气压均匀地作用于围岩模型，能真实地模拟地层的围岩压力，使混凝土柱7顶进时受到轴对称应力作用。
31.压力室2为圆柱形压力室，通过设置于上盘23的气压接头65向压力室2加压，能形成轴对称应力作用于围岩模型制备室22，解决了现有顶管模型只能施加单向荷载来模拟上覆土压力，而无法模拟管道顶进过程中所受围岩压力的问题，能够真实地模拟地层围岩对混凝土柱7的围压作用。
32.上盘25与混凝土柱7的接触面涂有润滑剂，下封盘27与混凝土柱7未直接接触，留有一定的间隙，这样可以降低其他摩擦力对测试精度的影响，使顶进过程测得的摩擦力可视为由混凝土柱7与触变泥浆（土体）作用产生，减小了试验误差。
33.如图4所示，注浆系统包括气压增压机3、压力表4、注浆罐6和泥浆搅拌设备8，其中：注浆罐6大小按照混凝土柱7以1:1设计，注浆罐6上部通过气压接头65连接气压增压机3，通过压力表接头41连接压力表4，分别施加、检测注浆压力大小，下部通过注浆接头66向注浆通道23注浆并在后续顶进过程中实时补浆。触变泥浆经泥浆搅拌设备8搅拌后，置于注浆罐6内部，注浆罐6上部两侧设有旋盖64，便于装入和倒出泥浆。
34.注浆罐6包括筒型罐体61和上下两端的堵头62，筒型罐体61底部与下端堵头紧固连接，顶部的堵头62通过旋盖64旋紧在筒型罐体61上端，筒型罐体61与上端堵头62之间设有o形圈63，用以实现装置的密封，防止触变泥浆的泄漏。
35.注浆通道23呈空心圆柱状布设在围岩模型制备室22与混凝土柱7之间，双头螺柱9在压力室2外围间隔环设多个，并穿过上盘25与底座26，通过螺帽92可将上盘25和底座26固定在压力室2的上下两端。
36.数据采集与控制系统由压力传感器12、气压增压机3、压力表4和中控单元5组成，其中：气压增压机3与压力室2之间设有压力表4，横梁11与拉伸接头72之间设有压力传感器12，注浆罐6上部设有压力表4，压力表4均通过压力表接头41连接，同时，压力表4、压力传感器12和中控单元5均通过导线连接在计算机上，通过计算机控制实时注浆、施加轴对称应力和混凝土柱7的往复运动等过程。
37.压力传感器12可以测得试验中的顶进力，并计算得到顶进过程中混凝土柱7与触变泥浆的摩擦力，所述压力表4可以测得施加的气压大小，通过分析测量的结果，可合理地调控压力室2的轴对称应力和注浆通道23的注浆压力。
38.本发明具体使用时，操作如下：1）在试验前，将注浆系统和数据采集与控制系统各部分连接完毕，并均与压力室2相连，压力室2内部的围岩模型制备室22需按照要求填满模型土体并分层压实。
39.2）进行预试验，在没有对压力室2施加轴对称应力的条件下，将双柱式拉压试验机1的拉伸接头72与混凝土柱7上部的内置螺栓71相连，利用横梁11的上下往复运动，使混凝土柱7在压力室2内上下运动。
40.3）试验开始时，首先需通过注浆接头66向压力室2内的注浆通道23注入触变泥浆，注满后打开气压增压机3，向压力室2内加气压以模拟真实的地层围岩压力，形成的轴对称应力通过围岩模型制备室22表面的橡皮膜28均匀地作用于注浆通道23内的触变泥浆，泥浆
在压力的作用下会渗入管周土体形成致密的渗透块，关闭气压增压机3，同时关闭气压接头65，防止气压的泄漏。
41.4）继续注浆，重复步骤3），直至泥浆在施加的轴对称应力条件下仍能充满注浆通道23。
42.5）启动双柱式拉压试验机1，通过横梁11的移动顶推混凝土柱7，模拟管道的顶进过程，当第二节混凝土柱7进入压力室2内部时，需利用注浆系统向注浆通道23补浆，直至最后一节混凝土柱7的顶入，真正做到实时补浆。
43.6）通过上述五个步骤，可形成真实、完整的顶管泥浆套，且在数据采集与控制系统的配合下，测定泥浆套的减摩减阻力学性能。
44.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。