一种矩形顶管模型试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种矩形顶管模型试验装置及试验方法。试验装置包括：模型箱，用于装载试验土体，并且其相对的第一侧和第二侧对应开设有矩形孔洞；顶管替代段，其从模型箱的第二侧的矩形孔洞中部分或全部地穿设在模型箱中；顶管管节，包括管节一和管节二至管节N，其中管节一与顶管替代段的末端连接；加载装置，设置在顶管替代段的前方，用于拉动顶管替代段，并且在拉动过程中管节二至管节N从模型箱的第一侧的矩形孔洞中向管节一同步依次顶进。本发明专利技术的试验装置可以在室内开展复杂条件下顶管顶进的模型试验，该试验装置简化并展现开挖过程，替代卸荷土体，对试验全程地表隆沉、管土接触与浆液扩散情况实现可视化处理、动态化监测。动态化监测。动态化监测。

【技术实现步骤摘要】
一种矩形顶管模型试验装置及试验方法


[0001]本专利技术涉及顶管施工
，具体涉及一种矩形顶管模型试验装置及试验方法。

技术介绍

[0002]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。对于矩形顶管，现有的相关顶管工程理论愈发难以预测与应对其在复杂的工程地质条件下的施工影响，与此同时，现场试验往往难以开展。
[0003]矩形顶管室内模型试验存在的问题为开挖过程难以复刻、卸荷土体难以排出、管土接触与浆液扩散难以展现等，这些问题的存在使得现有的矩形顶管模型试验不能准确描述工程过程，理论预测也与现场实测偏差较大。
[0004]因此，有必要提出一种新的用于室内模拟试验的能够实现可视化处理、动态化监测的矩形顶管模型试验装置。

技术实现思路

[0005]鉴于现有技术的不足，本专利技术的主要目的是提供一种矩形顶管模型试验装置及试验方法，以解决现有技术中开挖过程难以复刻、卸荷土体难以排出、管土接触与浆液扩散难以展现等问题。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]本专利技术首先提出一种矩形顶管模型试验装置，包括：
[0008]模型箱，用于装载试验土体，并且其相对的第一侧和第二侧对应开设有矩形孔洞；
[0009]顶管替代段，其从所述模型箱的第二侧的矩形孔洞中部分或全部地穿设在所述模型箱中，用于模拟顶管机开挖和排出被开挖土体的过程；
[0010]顶管管节，包括管节一和管节二至管节N，其中所述管节一与所述顶管替代段的末端连接；
[0011]加载装置，设置在所述顶管替代段的前方，用于拉动所述顶管替代段，并且在拉动过程中所述管节二至管节N从所述模型箱的第一侧的矩形孔洞中向所述管节一同步依次顶进。
[0012]优选的，所述模型箱为透明无盖箱体，所述第一侧和第二侧为可拆卸箱板，其上开设有矩形孔洞。
[0013]优选的，所述顶管替代段包括四个常规拼接段，四个常规拼接段相互拼接形成最小掘进尺寸的矩形顶管模型。
[0014]优选的，所述四个常规拼接段横截面为L型，四个L型常规拼接段形成矩形顶管模型的四角。
[0015]优选的，所述顶管替代段还包括设置在相邻两个常规拼接段之间的至少一个自由拼接段，并且所述自由拼接段在矩形顶管模型的至少其中两个相对面对称设置，常规拼接
段与自由拼接段相互拼接形成预定掘进尺寸的矩形顶管模型。
[0016]优选的，所述常规拼接段和自由拼接段的拼接方式为插槽式拼接，常规拼接段和自由拼接段的两侧边拼接处分别设有槽和/或齿。
[0017]优选的，所述加载装置包括支撑平台、滑动架和顶推机构，其中所述支撑平台设在所述模型箱第二侧的矩形孔洞前方，所述滑动架连接所述顶管替代段，能够在所述顶推机构的顶推作用下在所述支撑平台上前后滑动以拉动所述顶管替代段。
[0018]优选的，所述支撑平台两侧沿顶进方向设有导轨；所述滑动架包括连接所述顶管替代段的施力杆，连接在施力杆两端并与两侧导轨配合的滑动块，以及与两侧滑动块连接的施力架，所述施力架设置在支撑平台下方。
[0019]优选的，所述顶推机构包括反力架和油缸，所述反力架横跨所述支撑平台两侧设置，所述油缸设置在反力架上，通过油缸推拉所述施力架带动顶管替代段沿导轨运动。
[0020]本专利技术还提出一种基于上述矩形顶管模型试验装置的试验方法，包括：
[0021]S1：依据试验方案中设定的顶管管节尺寸、埋深和数量，选取对应矩形孔洞的模型箱，拼接对应的顶管替代段；
[0022]S2:依据试验方案中的土体参数，以试验相似比设定在顶管替代段上，用以模拟原状土体；
[0023]S3:预先在支撑平台上拉动顶管替代段，测得顶管替代段与支撑平台的动摩擦因数，求得顶管替代段伸出长度与摩擦力的关系曲线；
[0024]S4:向模型箱中填入试验土体，并按照试验方案完成相关监测前置准备工作；
[0025]S5：试验土体填至顶管替代段底标高时，将顶管替代段依次穿过模型箱的第二侧和第一侧的矩形孔洞，整体插入模型箱内，而后继续填入试验土体直至指定标高；
[0026]S6：在顶管替代段的末端连接管节一，并按照试验方案完成相关监测前置准备工作；
[0027]S7：启动加载装置，拉动顶管替代段的同时从模型箱的第一侧的矩形孔洞中向管节一同步依次顶进管节二至管节N；
[0028]S8：同步导出监测数据，减去S3求得的摩擦力得到应力
‑
应变曲线。
[0029]本专利技术相对于现有技术的有益效果是：本专利技术提出的矩形顶管模型试验装置可以在室内开展复杂条件下顶管顶进的模型试验，该试验装置简化并展现开挖过程，替代卸荷土体，对试验全程地表隆沉、管土接触与浆液扩散情况实现可视化处理、动态化监测。具体而言，至少具有如下一个或多个实际效果：
[0030]模型箱的可拆卸箱板组装简单，上下插拔即可实现拼装，并可在指定位置设置指定尺寸、指定数量的矩形孔洞，通过更换可拆卸箱板实现不同埋深、不同尺寸、不同形状、不同数量等条件下的顶管模型试验。
[0031]顶管替代段用以替代该部分原状土体，通过改变其外部摩擦系数以等效替代土体内摩擦角和黏聚力的作用；通过在顶管替代段内部增重以等效替代该部分原状土体在该深度下的自重应力；通过前方加载装置对其施加的推拉力以等效替代顶管顶进时的迎面阻力。
[0032]顶管替代段通过常规拼接段拼接实现最小掘进尺寸的矩形顶管模型；在常规拼接段拼接形成的矩形顶管模型其中两个相对面或者四个相对面的相邻两个常规拼接段之间
插接自由拼接段实现不同掘进尺寸的矩形顶管模型，配合矩形孔洞尺寸的调整，能够模拟不同掘进尺寸的顶管施工。
[0033]模型箱采用透明无盖箱体，配合使用透明顶管替代段和填入透明试验土体，实现了试验全程的可视化，实时展现地表隆沉、管土接触与浆液扩散等情况。
[0034]加载装置改变了传统顶管模型试验利用后方千斤顶的“顶进”方式，改为设置在前方“拉动”的方式，省去了传统顶管模型试验中被开挖土体的手动排出过程，同时避免了模型试验顶进时对开挖面前方土体的压缩；推拉顶管替代段既可以控制迎面阻力，同时还可以直接“拉出”被开挖土体。
[0035]应当理解，本专利技术任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。
附图说明
[0036]为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
[0037]本说明书所绘示的结构、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，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，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，在不影响本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矩形顶管模型试验装置，其特征在于，包括：模型箱，用于装载试验土体，并且其相对的第一侧和第二侧对应开设有矩形孔洞；顶管替代段，其从所述模型箱的第二侧的矩形孔洞中部分或全部地穿设在所述模型箱中，用于模拟顶管机开挖和排出被开挖土体的过程；顶管管节，包括管节一和管节二至管节N，其中所述管节一与所述顶管替代段的末端连接；加载装置，设置在所述顶管替代段的前方，用于拉动所述顶管替代段，并且在拉动过程中所述管节二至管节N从所述模型箱的第一侧的矩形孔洞中向所述管节一同步依次顶进。2.根据权利要求1所述的矩形顶管模型试验装置，其特征在于，所述模型箱为透明无盖箱体，所述第一侧和第二侧为可拆卸箱板，其上开设有矩形孔洞。3.根据权利要求1所述的矩形顶管模型试验装置，其特征在于，所述顶管替代段包括四个常规拼接段，四个常规拼接段相互拼接形成最小掘进尺寸的矩形顶管模型。4.根据权利要求3所述的矩形顶管模型试验装置，其特征在于，所述四个常规拼接段横截面为L型，四个L型常规拼接段形成矩形顶管模型的四角。5.根据权利要求3所述的矩形顶管模型试验装置，其特征在于，所述顶管替代段还包括设置在相邻两个常规拼接段之间的至少一个自由拼接段，并且所述自由拼接段在矩形顶管模型的至少其中两个相对面对称设置，常规拼接段与自由拼接段相互拼接形成预定掘进尺寸的矩形顶管模型。6.根据权利要求5所述的矩形顶管模型试验装置，其特征在于，所述常规拼接段和自由拼接段的拼接方式为插槽式拼接，常规拼接段和自由拼接段的两侧边拼接处分别设有槽和/或齿。7.根据权利要求1所述的矩形顶管模型试验装置，其特征在于，所述加载装置包括支撑平台、滑动架和顶推机构，其中所述支撑平台设在所述模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：单仁亮，李赓照，窦浩宇，周博森，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：