一种模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的装置及试验方法与流程

本发明属于顶管法施工技术领域，涉及一种模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的装置及试验方法，尤其涉及一种模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的试件装置以及摩擦试验的模拟方法。

背景技术

随着顶管法在市政基础设施建设、能源运输工程和水利水电工程等领域的广泛应用，大断面长距离顶管工程也随之出现。

顶管施工是一个极为复杂的力学过程，其施工质量与工程地质条件，管节构造，中继间选型与布置形式、顶力设备及润滑材料等多个方面密切相关。虽然顶管施工作为一种非开挖技术已不断在工程建设中所采用，但也可能会遇到诸多复杂工程问题，其中较为严重的包括卡管。顶管法施工的核心问题是顶力与顶进摩阻力的计算，其中顶进摩阻力又直接决定顶力的大小及分配，因此顶进摩阻力的研究至关重要；而管-岩间接触条件又是控制管壁摩阻力的关键因素。

近年来的相关研究主要集中在土体中顶管顶力、管侧壁摩阻力计算模型的研究与修正以及浅埋顶管施工对地表沉降的影响等方面；而针对顶管管节侧壁摩阻力的研究成果主要集中于土体中的顶管工程，重点关注泥浆配比和泥浆类型的影响，但对于复杂山岭地区的深埋岩石微盾构顶管的管节-围岩间摩擦特性的研究基本未涉及。由于岩质地层顶管工程可参考的案例较少，本文依托工程在岩层中进行超长距离微盾构施工时因岩体裂隙发育导致润滑浆液流失严重，并伴随微盾构工作面倒灌的含砂泥浆及大量岩屑与膨润土泥浆混合后充填于管节与围岩间的超挖间隙而导致管壁摩阻力剧增最终造成卡管，因此迫切需要对复杂接触条件下的顶管-围岩间摩擦特性进行展开研究。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为了解决复杂山岭地区的深埋岩石微盾构顶管的管节-围岩间摩擦力剧增会最终造成卡管，复杂接触条件下的顶管-围岩间摩擦特性研究迫切的问题，提供一种模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的装置及试验方法。

为达到上述目的，本发明提供一种模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的装置，包括长方体状的刚性块和安装在刚性块底部的升降机构，刚性块的顶部设置有滚珠底座，滚珠底座上方设置有中部开设曲面凹槽的岩石底座，曲面凹槽内设置有与曲面凹槽形状相匹配且长度小于曲面凹槽长度的混凝土试件，岩石底座左侧安装有触发端头，触发端头的左侧安装有带自拍杆按钮的自拍杆，自拍杆上可拆卸安装手机，自拍杆左侧固定安装有第一反力墙，第一反力墙上固定安装有与自拍杆可拆卸连接的固定杆，岩石底座右侧的滚珠底座上安装有推板，推板的右侧依次固定安装有支撑杆和第二反力墙，第二反力墙上固定安装有通过支撑杆固定的位移机构，位移机构与推板之间安装有压力传感器，压力传感器和位移机构均导线连接在计算机上。

进一步，升降机构为若干组均匀设置在刚性块底部的菱形千斤顶。

进一步，位移机构为液压千斤顶。

进一步，固定杆垂直焊接在第一反力墙上，液压千斤顶垂直焊接在第二反力墙上，支撑杆垂直支撑液压千斤顶。

进一步，混凝土试件为半圆柱曲面混凝土试件。

进一步，自拍杆粘接在固定杆上，手机为高清智能手机，高清智能手机采用自带导线与自拍杆相连，图像采集过程由高清智能手机完成。

进一步，岩石底座几何尺寸为200mm×85mm×50mm(长×宽×高)，岩石底座顶部开有150mm×50mm×25mm(长×宽×深)的曲面凹槽，所述混凝土试件横截面上半部分断面为25mm×50mm的矩形，下半部分为半径r＝25mm的半圆柱，混凝土试件长度为130mm。

一种模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的试验方法，包括以下步骤：

a、将刚性块放置于菱形千斤顶上、滚珠底座放置于刚性块上，然后将现场取回的大块岩体用切割机切割成规则六面体，再采用水砂轮进行曲面凹槽的加工，加工后的岩石底座放置在滚珠底座上，同时将混凝土试块先切割，再将其长边打磨成为半圆柱曲面混凝土试件放置在岩石底座的曲面凹槽内；

b、将支撑杆与液压千斤顶相连，将液压千斤顶与第二反力墙相连，将压力传感器连接在液压千斤顶和推板之间，将压力传感器和液压千斤顶通过导线与计算机相连；

c、将固定杆安装在第一反力墙上，再将触发端头粘接于岩石底座左侧面上，通过调节菱形千斤顶高低使固定杆右侧面要基本与混凝土试件左侧面对齐，同时岩石底座右侧面基本与推板对齐；

d、将自拍杆按钮与触发端头对齐后，再将自拍杆粘接于固定杆上，将高清智能手机安置于自拍杆上，将其耳机孔与自拍杆自带导线相连以实现图像采集；

e、启动液压千斤顶，岩石底座会向左产生剪切位移，当剪切位移到达预设值后，液压千斤顶停止前进，同时触发端头正好触发自拍杆按钮拍照，随后再将液压千斤顶收回，调整岩石底座到初始位置，重复试验。

本发明的有益效果在于：

本发明所公开的一种模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的装置，公开了试验承台装置(刚性块)，反力与顶力装置，控制与测量装置、拍摄装置与试验试件，试验承台装置由菱形千斤顶、刚性垫块及滚珠底盘组成，反力与顶力装置由液压千斤顶、反力墙、支撑杆、推板和固定杆组成，控制与测量装置由计算机、压力传感器、接触端和导线组成，拍摄装置由高清手机、自拍杆和触发端头组成，试验试件由特定几何形状的岩石底座与配套的混凝土试件组成。整个装置通过在混凝土试块上施加不同荷载，可实现实时模拟不同负载条件下混凝土顶管在围岩内顶进的过程中配套岩石底座与对应形状的混凝土试件之间的相互作用。同时在岩石底座与混凝土试件的接触面上添加各类接触介质，可实时模拟岩石底座与混凝土试件之间复杂物质存在的接触条件，通过岩石底座上负载混凝土试件和改变岩石底座与混凝土之间的接触条件，能够对混凝土顶进中的顶管-围岩间摩擦规律进行试验研究。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的装置结构示意图；

图2为本发明模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦装置中混凝土试件安装在岩石底座上的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

说明书附图中的附图标记包括：

菱形千斤顶1、第一反力墙2、第二反力墙3、支撑杆4、刚性块5、滚珠底座6、自拍杆按钮7、自拍杆8、手机9、固定杆10、触发端头11、岩石底座12、混凝土试件13、推板14、计算机15、第一导线16、第二导线17、液压千斤顶18、压力传感器19。

如图1所示的一种模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的装置，包括长方体状的刚性块5和安装在刚性块5底部的升降机构，升降机构为三组均匀设置在刚性块5底部的菱形千斤顶1，通过菱形千斤顶1能够实现刚性块5垫块的升降。刚性块5的顶部设置有滚珠底座6，滚珠底座6上方设置有如图2所示的中部开设曲面凹槽的岩石底座12，曲面凹槽内设置有与曲面凹槽形状相匹配且长度小于曲面凹槽长度的混凝土试件13，混凝土试件13为半圆柱曲面混凝土试件13。岩石底座12几何尺寸为200mm×85mm×50mm(长×宽×高)，岩石底座12顶部开有150mm×50mm×25mm(长×宽×深)的曲面凹槽，混凝土试件13横截面上半部分断面为25mm×50mm的矩形，下半部分为半径r＝25mm的半圆柱，混凝土试件13长度为130mm。

岩石底座12左侧安装有触发端头11，触发端头11的左侧安装有带自拍杆按钮7的自拍杆8，自拍杆8上可拆卸安装高清智能手机9，自拍杆8左侧固定安装有第一反力墙2，第一反力墙2上固定安装有与自拍杆8可拆卸连接的固定杆10，固定杆10垂直焊接在第一反力墙2上，自拍杆8粘接在固定杆10上，高清智能手机采用自带导线与自拍杆8相连，图像采集过程由高清智能手机9完成。

岩石底座12右侧的滚珠底座6上安装有推板14，推板14的右侧依次固定安装有支撑杆4和第二反力墙3，第二反力墙3上固定安装有通过支撑杆4固定的位移机构，位移机构为液压千斤顶18，通过液压千斤顶18实现推板14的水平位移。液压千斤顶18垂直焊接在第二反力墙3上，支撑杆4垂直支撑液压千斤顶18。液压千斤顶18与推板14之间安装有压力传感器19，压力传感器19通过第一导线16连接在计算机15上，液压千斤顶18通过第二导线17连接在计算机15上，通过计算机15能够控制液压千斤顶18的水平移动范围以及液压千斤顶18的压力。

一种模拟顶管管节与岩质围岩剪切摩擦的试验方法，包括以下步骤：

a、将刚性块5放置于菱形千斤顶1上、滚珠底座6放置于刚性块5上，然后将现场取回的大块岩体用切割机切割成规则六面体，再采用水砂轮进行曲面凹槽的加工，加工后的岩石底座12放置在滚珠底座6上，同时将混凝土试块先切割，再将其长边打磨成为半圆柱曲面混凝土试件13放置在岩石底座12的曲面凹槽内；

b、将支撑杆4与液压千斤顶18相连，将液压千斤顶18与第二反力墙3相连，将压力传感器19连接在液压千斤顶18和推板14之间，压力传感器19通过第一导线16连接在计算机15上，液压千斤顶18通过第二导线17连接在计算机15上，通过计算机15控制液压千斤顶18的水平移动范围以及液压千斤顶18的压力；

c、将固定杆10安装在第一反力墙2上，再将触发端头11粘接于岩石底座12左侧面上，通过调节菱形千斤顶1高低使固定杆10右侧面要基本与混凝土试件13左侧面对齐，同时岩石底座12右侧面基本与推板14对齐；

d、将自拍杆按钮7与触发端头11对齐后，再将自拍杆8粘接于固定杆10上，将高清智能手机9安置于自拍杆8上，将其耳机孔与自拍杆8自带导线相连以实现图像采集；

e、启动液压千斤顶18，岩石底座12会向左产生剪切位移，当剪切位移到达预设值后，液压千斤顶18停止前进，同时触发端头11正好触发自拍杆按钮7拍照，随后再将液压千斤顶18收回，调整岩石底座12到初始位置，重复试验，通过调整混凝土试件13的重量能够改变岩石底座12的负载情况，通过配套岩石底座12与对应形状的混凝土试件13之间的相互作用，可实现实时模拟混凝土顶管在围岩内顶进的过程，同时可充分考虑荷载作用以及复杂物质存在的接触条件，从而对混凝土顶进中的顶管-围岩间摩擦规律进行试验研究。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。