一种钢管混凝土拱架灌注模拟系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及地下工程支护材料试验领域，特别是一种地下工程中常用的钢管混凝土拱架灌注效果模拟系统。
【背景技术】
[0002]随着我国基础设施建设的快速发展，公路铁路隧道、煤矿巷道、地铁、水电硐室等修建越来越广泛，很多工程所处的地质条件愈发恶劣，如大埋深、软岩、断层构造等都带来了严重的支护失效问题。针对此，钢管混凝土拱架由于其高强特性，在地下工程支护领域中扮演着越发重要的角色，取得较好的社会经济效益。
[0003]然而，目前的钢管混凝土拱架支护参数的设计施工仍然以经验为主，钢管混凝土的灌注工艺和参数选取缺少依据，如浆液流动性、灌浆速度、灌浆孔位置等的设计都没有明确依据，从而会影响核心混凝土的灌注密实度、强度等一系列重要指标。而混凝土的灌注效果对钢管混凝土拱架的实际承载能力影响巨大，并最终决定其支护效果。众所周知，研究钢管混凝土灌注效果的最直观方法是开展模拟试验，通过不断提高试验方法的科学性和试验系统的仿真度，逐步得到较为精确的试验结果。但是，目前尚没有相关模拟系统或模拟系统能够实现该目的。
[0004]因此，当前亟待开发一种具有针对性的钢管混凝土拱架灌注模拟系统和效果测评方法，依此开展一系列钢管混凝土拱架灌注模拟试验。通过对比分析，掌握钢管混凝土拱架灌注参数、工艺、工序等对拱架混凝土灌注效果的影响规律，进而优化设计和施工参数，改善灌注效果，完善钢管混凝土拱架支护设计理论并促进该项技术的进步。
【实用新型内容】
[0005]为了解决现有技术中存在的技术缺陷，本实用新型公开了一种钢管混凝土拱架灌注模拟系统，其通过该模拟系统模拟矿山巷道、隧道、地铁等工程常用钢管混凝土拱架的混凝土灌注场景，进而开展相关试验，研究不同的灌浆工艺、参数、方法以及其他因素对灌浆效果的影响规律。深入、直观、准确的分析各种影响因素下灌浆效果的差异，进而总结出钢管混凝土灌浆的最优方案。
[0006]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下:
[0007]—种钢管混凝土拱架灌注模拟系统，包括一个由空心钢管拼装而成的拱架模具，在所述的拱架模具上设有与灌浆系统相连的灌浆孔和用于在灌注混凝土时排出拱架模具内多余气体的排气孔，且在所述的拱架模具上还设有沿拱架模具轴线一前一后交错布置在拱架模具的正面和背面的观测条带以及设置在拱架模具的底端的重力传感器;所述的重力传感器与数据采集系统相连。
[0008]所述的拱架模具为由钢管拼装而成的拱架形状的组合结构，其整体形状为圆形、直腿半圆拱形或三心拱形，其净横截面为圆形、方形或矩形;所述的拱架模具由数节构件通过套管连接而成，每一节构件的各段由横向法兰连接而成，每一段是由从中轴线纵剖的钢管通过纵向法兰连接而成;所述的拱架模具在各套管和法兰处均可自由拆装，便于灌浆养护结束后拆丰吴。
[0009]所述的观测条带是在试验拱架侧壁设定位置切出条状孔后用高强透明树脂材料填充而成的，既能填充条状孔防止混凝土外泄又能实现透明观测试验拱架内部情况的目的。
[0010]所述的拱架模具还通过一个支撑装置进行支撑，所述的支撑装置由立柱、横梁、固定铰支座、卷扬机、斜撑和支撑台组成;所述的横梁固定在立柱上，在立柱的相同高度，前后各设置一根，前后两根横梁间形成放置和固定拱架模具的间隔；所述的固定铰支座设置在立柱底端，所述的卷扬机通过钢丝绳连接横梁，用于牵拉所述的支撑装置，使支撑装置和拱架模具可以以固定铰为中心转动。
[0011]所述的斜撑连接在立柱上，用于在固定支撑装置，以保证灌注过程中支撑装置的稳定。
[0012]所述的灌浆系统包括混凝土输送栗、灌浆管、灌浆接头、灌浆孔和排气孔。所述的混凝土输送栗通过所述的灌浆管和所述的灌浆接头连接所述的拱架模具，混凝土输送栗向拱架模具中灌注不同配合比的混凝土;所述的灌浆接头内设置单向阀，使混凝土浆液只可单向流入装置而不可逆向流出，确保拆除灌浆管时浆液不会由灌浆孔流出。当混凝土从所述排气孔流出时，灌浆达到结束标准，停止混凝土输送栗。
[0013]所述的灌浆系统还包括一个振动器，所述的振动器固定在拱架模具上，根据试验需要选择是否开启并选择合适的震动参数，在灌浆过程中对拱架模具提供振动作用。
[0014]所述的观测条带均匀的布置在试验拱架上，试验员可通过观测条带，实时观测记录混凝土浆液灌注的位置，从而推算灌浆体积和速度。
[0015]所述的重力传感器放置在拱架模具的底端，固定在支撑平台上;所述的重量传感器与重量数据采集系统连接，对灌浆过程中拱架模具的重量变化进行实时监测和采集，结合灌浆速度从侧面分析和评价灌浆密实度。
[0016]对上述装置的灌注效果进行测评的方法，根据研究需要，开展系列试验，每个试验选用不同的灌浆工艺或参数，主要包括:混凝土配比、灌浆速度、振动与否及参数、灌浆孔位置及尺寸等，通过对照，测评不同因素对灌浆效果的影响规律，包括以下:
[0017](I)灌浆过程中的密实度测评。
[0018]通过灌注过程的实时重量监测和观测条带记录，直观的获取拱架模具重量变化数据和混凝土灌注界面位置;基于此可以得到混凝土的灌注速度、已灌入混凝土的总体密度的变化规律，进而从侧面分析混凝土的灌注密实度。
[0019](2)灌注效果的综合测评。
[0020]灌注完成后养护至规定期限，拆模，然后对拱架模具不同部位的混凝土进行切割、取样和编号，量测编号试样的混凝土密度值，测试编号试样的力学强度指标，通过所述的密度量测和力学指标测试，一方面获取了拱架模具内不同部位的混凝土物理力学指标，依此对拱架模具内不同部位的混凝土灌注效果进行对比评价;另一方面通过加权平均可得到拱架模具内混凝土的总体密度值和总体强度指标，依此对不同灌注方案的灌注效果进行对比评价;评价的标准为:密度值越高，灌注效果越好；力学指标如轴心抗压强度、黏聚力等越高，灌注效果越好。
[0021]本实用新型达到的有益效果是:可根据研究需要，考虑不同的灌浆工艺或参数，主要包括混凝土配比、灌浆速度、振动与否及参数、灌浆孔位置及尺寸等。可采用本实用新型模拟系统开展单个试验或系列试验，也可采用本实用新型灌注效果测评方法研究各影响因素对钢管混凝土拱架灌注效果的影响规律，优化灌注方法、工艺和参数。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为钢管混凝土拱架灌注模拟系统主视图；
[0024]图2为钢管混凝土拱架灌注模拟系统侧视图；
[0025]图3为拱架模具横截面示意图；
[0026]图4为横向法兰示意图。
[0027]图中:1-拱架模具;2-套管;3-横向法兰;4-纵向法兰;5-灌浆孔;6_排气孔;7_观测条带;8-立柱;9-横梁；1-U型卡；11-铰支坐；12-钢丝绳；13-卷扬机；14-斜撑；15-支撑平台；16-混凝土输送栗；17-灌浆管；18-灌浆接头；19-振动器;20-重力传感器;21-重力数据监测系统。
[0028]下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步阐述:
[0029]该模拟系统由以下4个部分构成:拱架模具1、支撑装置、灌浆系统和灌浆监测系统。下面对其进行一一阐述:
[0030]所述的拱架模具I为由钢管拼装而成的拱架形状的组合结构，其整体形状可以为圆形、直腿半圆拱形、三心拱形等多种常用的拱架形状，其净横截面可以为圆形、方形、矩形或其他形状;所述的拱架模具由数节构件通过套管连接而成，每一节构件的各段由横向法兰3连接而成，每一段是由从中轴线纵剖的钢管通过纵向法兰4连接而成;所述的拱架模具I在各套管2和法兰处均可自由拆装，便于灌浆养护结束后拆模。所述的试验拱架上设置有灌浆孔、排气孔、观测条带。
[0031]灌浆孔5用来向拱架模具内灌注混凝土，设置在拱架模具的底端;所述的排气孔6用来在灌注混凝土时排出拱架模具内多余气体，设置在拱架模具的最顶端;也可根据试验需要改变灌浆孔和排气孔的位置。
[0032]观测条带7沿拱架模具轴线一前一后交错布置在拱架模具的正面和背面，目的是保证拱架模具结构的完整性的同时，实现对灌浆时混凝土界面的准确观测。所述的观测条带是在试验拱架侧壁指定位置切出条状孔后用高