模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试装置及方法与流程

1.本发明属于试验装置技术领域，尤其涉及一种模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试装置及方法。


背景技术：

2.随着盾构隧道技术的日益普及，越来越多的大直径盾构隧道应运而生，施工过程中也面临着严峻挑战。同步注浆后，由于注浆浆液密度较大且凝固需要时间，管片在浆液中受到的浆液浮力远大于其自身重力，这为管片提供了上浮动力；为满足正常施工需求，开挖断面直径往往略大于管片外径，即盾尾间隙，这为管片提供了上浮空间。大直径盾构隧道施工过程中由管片上浮引起的管片错台、管缝漏水、轴线偏移等施工风险日益显著，这些问题若不引起重视，将严重危害施工安全。
3.目前解决上述问题的主要方法为在隧道内填置重物和增加剪力销以提高隧道的抗浮能力。目前关于管片在浆液中受到的浆液浮力变化机理尚不明确，仍处于探索阶段。由于缺少准确的浆液浮力变化规律作为指导，常会导致上述抗浮措施矫枉过正，对隧道整体刚度造成不利影响同时也增加了施工成本。因此，准确测试不同埋深条件下浆液浮力变化规律是亟需要解决的问题。
4.发明人发现，目前有关浆液浮力的研究装置主要存在以下不足：已有试验装置通常是将管片模型受到的浮力转化为压力，间接测得管片模型受到的浮力大小，由于压力传感器固定在反力架上，当管片模型体积较大时其受到的浆液浮力也成倍增加，会导致固定压力传感器的横梁产生较大变形，影响数据采集精度，也增加了试验成本；由于土拱效应和浆液渗透的影响，上覆土压力与管片间的相互作用机理尚不明确；由于缺少相关方面的研究，理论计算时通常简化上覆土压力直接作用在管片上，无法反映管片的实际受力状态；现有装置没有实现浆液流出模拟扩散过程。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试装置及方法，够得到纵向合力随时间的变化规律。
6.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试装置，采用如下技术方案：
7.一种模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试装置，包括：
8.箱体，内部设置有浆液容纳装置，所述浆液容纳装置上设置有注浆孔；
9.管片模型，设置到所述浆液容纳装置内；
10.拉力传感器，一端固定在所述箱体内壁上，另一端固定在所述管片模型的外壁上。
11.进一步的，所述浆液容纳装置为橡皮囊，所述箱体内还设置有多个空心管，所述空心管的一端与所述橡皮囊接触，另一端延伸到所述箱体外部。
12.进一步的，所述箱体与所述浆液容纳装置之间设置有填充物。
13.进一步的，所述浆液容纳装置上开设有排气孔，所述排气孔通过管道连接有保压系统。
14.进一步的，所述注浆孔通过管道连接有注浆系统。
15.进一步的，所述拉力传感器为多个，设置在所述管片模型下端；所述拉力传感器连接有采集仪。
16.进一步的，所述管片模型为两端封闭的管状物。
17.为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试方法，采用如下技术方案：
18.一种模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试方法，采用了如第一方面中所述的模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试装置，包括：
19.通过注浆孔向浆液容纳装置内注浆；
20.通过拉力传感器测试管片模型受到的浆液浮力；
21.由平衡方程得到不同埋深工况下管片模型受到的浆液浮力。
22.进一步的，向空心管穿入带尖端的细杆破坏橡皮囊，模拟浆液扩散过程。
23.进一步的，通过保压系统向浆液容纳装置内施加气压，模拟施工过程中管片刚拖出盾尾后的状态。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.1、本发明中，将管片模型放置在浆液容纳装置中，通过浆液容纳装置上的注浆孔进行注浆时，通过一端固定在所述箱体内壁上，另一端固定在所述管片模型外壁上的拉力传感器进行管片受浆液浮力的测试，较现有装置相比，将浮力转化为拉力进行测试，避免了对反力架等的使用，避免了压力过大使得反力架等发生变形带来的影响，一方面提高了数据采集准确性，另一方面减小了试验成本。
26.2、本发明中，将浆液容纳装置设置为橡皮囊，在箱体内设置一端与橡皮囊接触的多个空心管，试验时，通过向空心管内穿入带尖端的细杆破坏橡皮囊，实现了模拟浆液扩散过程。
27.3、本发明中在浆液容纳装置通过排气孔连通保压系统，通过保压系统向浆液容纳装置内施加气压，实现了模拟施工过程中管片刚拖出盾尾后的状态。
附图说明
28.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
29.图1为本发明实施例1的结构示意图；
30.图2为本发明实施例1的图1的侧视图；
31.图3为本发明实施例1的空心管示意图；
32.图4为本发明实施例1的管片受力图；
33.其中，1、箱体；2、排气孔；3、注浆孔；4、保压系统；5、注浆系统；6、空心管；7、浆液容纳装置；8、管片模型；9、拉力传感器；10、采集仪；11、电脑。
具体实施方式：
34.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
35.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.实施例1：
37.如图1所示，本实施例提供了一种模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试装置，主要包括箱体1、排气孔2、注浆孔3、注浆系统、保压系统4、注浆系统5、空心管6、浆液容纳装置7、管片模型8、拉力传感器9、采集仪10和电脑11等；
38.所述箱体1内部设置有所述浆液容纳装置7，所述浆液容纳装置7上设置有注浆孔3；可以理解的，所述箱体主要用于盛放浆液和土体，可以由多个防水板组成，所述防水板围合成具有一定容纳空间的腔体；
39.管片模型，设置到所述浆液容纳装置内；
40.拉力传感器，一端固定在所述箱体内壁上，另一端固定在所述管片模型的外壁上。
41.本实施例中，所述浆液容纳装置7可以为橡皮囊，其他实施例中，所述浆液容纳装置7可以为其他材料的囊状物；所述箱体1内还设置有多个空心管6，所述空心管6的一端与所述橡皮囊接触，另一端延伸到所述箱体1外部；所述空心管6为空心管状结构的破膜管，可通过外部向破膜管中穿入带尖端的细杆破坏所述橡皮囊；可以用于模拟同步注浆工序结束后的浆液扩散过程。
42.所述箱体1与所述浆液容纳装置7之间设置有填充物，所述填充物可以理解为土体。
43.所述浆液容纳装置7上开设有排气孔2，所述排气孔2通过管道连接有保压系统4，此处的管道为排气管；所述注浆孔3通过管道连接有注浆系统5，此处的管道为注浆管；所述注浆管、所述注浆系统5、所述排气管和所述保压系统4可以用于模拟实际施工过程中的同步注浆工序。
44.所述拉力传感器9为多个，均匀设置在所述管片模型8下端；所述拉力传感器9连接有采集仪10，所述采集仪10连接有电脑11；具体的，所述拉力传感器9、采集仪10和电脑11可以用于测量和导出试验过程中管片受到的受力大小；为保证试验过程中所述管片模型8的稳定性，可以采用六组拉力传感器9用以测量所述管片模型8的受力大小。所述拉力传感器9的量程应结合试验实际情况选择，建议单个传感器量程选为ρ
浆液
πr2g/6，即可满足要求。
45.管片受到的初始浆液上浮力与管片自身重力的比值λ为：
[0046][0047]
式中，ρ
浆液
为浆液密度；ρ
管片
为管片密度；r为管片外径；r为管片内径；λ参数，范围可以设置为4至5之间。
[0048]
试验过程中管片模型的受力图可由图4表示，平衡方程可由下式表示：
[0049]
f1＝f2+f3+g
[0050]
式中，f1为浆液浮力；f2为拉力传感器受到的拉力；f3为上覆土压力；g为管片模型
自重。
[0051]
所述拉力传感器9量程可根据不同试验情况选取；由受力分析可知，多组拉力传感器9读数与所述管片模型8自重之和即为不同时间和不同埋深情况下管片模型受到的浆液浮力大小；可通过在其周围涂抹凡士林以减小所述拉力传感器9周围土体或浆液摩擦对其的影响；可以理解的，在所述浆液容纳装置7上预留有安装所述拉力传感器9的安装孔，所述拉力传感器9穿过安装孔后进行常规的密封处理，比如安装孔的直径小于所述拉力传感器9对应位置的直径，使得在不影响所述拉力传感器9工作的基础上，避免浆液在所述安装孔内流出。
[0052]
所述采集仪10可以用以采集所述拉力传感器9的采集数据大小，传输至所述电脑11，最后通过所述电脑11导出试验过程中所述拉力传感器9受力数据；可通过提高所述采集仪10的采集频率以提高数据采集连续性。
[0053]
所述管片模型8为两端封闭的管状物；具体的，所述管片模型8用以模拟真实管片，其两端密封，为保证试验结果的准确性，所述管片模型8需要具备较高的密封性；为保证试验数据采集顺利，即拉力传感器9始终受到所述管片模型8的拉力，所述管片模型8自重不宜过大，已有研究表明，在浆液中，初始时刻，所述管片模型8受到的浆液浮力大小等于排出相同体积浆液的重量，同时考虑上覆土压力的影响，所述管片模型8的自重应远小于其初始时刻受到的浆液浮力；因此所述管片模型8可以选用密度较小的材料制成，比如密度远小于注入浆液的密度的材料。为保证数据采集的正常进行，所述管片模型8自重不应过大，以相同体积浆液重力的1/6至1/5为宜。
[0054]
本实施例的工作过程或原理为：
[0055]
所述箱体1主要可以用于盛放浆液和土体；首先，在所述箱体1两侧和上部提前安置好破膜管，便于模拟后续浆液扩散过程；其次，将拉所述力传感器9一端与所述箱体1底部固定；最后，向所述箱体1中预填土一定高度，用以模拟开挖地层下半部分。
[0056]
所述管片模型8试验前应放置于所述浆液容纳装置7内；所述浆液容纳装置7完全填充后体积略大于所述管片模型8体积，可以用以模拟盾尾间隙；所述浆液容纳装置7上可以提前设置有排气管和注浆管的预留孔，便于模拟后续加压和注浆过程；将预留孔与排气管连接后，将被所述浆液容纳装置7包裹的所述管片模型8放置在预填土上。
[0057]
将所述拉力传感器9一端与所述管片模型8的外壁固定连接；为保证所述管片模型8在试验过程中的稳定性，可以在所述管片模型8底部共设置有6组拉力传感器9；为减少所述拉力传感器9周围土体或浆液产生的摩擦力对其的影响，可在所述拉力传感器9周围涂抹润滑剂。
[0058]
通过所述保压系统4向所述浆液容纳装置7内加压，以模拟实际施工过程中管片刚拖出盾尾的施工步骤；加压大小与上覆土压力保持一致，例如预设上覆土重度为γ，埋深为h，则加加压大小应为γh。
[0059]
向所述箱体1内填土至试验设计高度，为消除以上步骤对所述拉力传感器9的影响，试验前还需归零所述拉力传感器9读数。
[0060]
通过所述注浆系统5向所述浆液容纳装置7内注入浆液，同时关闭所述保压系统4；注浆压力大小可通过压力表读取，待浆液完全填充所述浆液容纳装置7时停止注浆；通过所述注浆系统5向所述浆液容纳装置7内注入浆液，以模拟实际工程中的注浆阶段；试验过程
中也可以通过调节注浆压力大小以研究注浆压力对所述管片模型8的受力影响。
[0061]
所述浆液容纳装置7为橡皮囊，将带尖端的铁管或带尖端的杆状物伸入预先埋置好的破膜管内将橡皮囊破坏，使浆液流出模拟扩散过程；为便于破膜管破坏橡皮囊，橡皮囊厚度不宜过厚。
[0062]
待所述管片模型8稳定后，通过所述采集仪10持续采集试验过程中六个拉力传感器9的读数变化，待试验结束后，用所述电脑11导出采集数据，由平衡方程可知六个拉力传感器9读数与管片模型自重之和即为此埋深工况下管片受到的浆液浮力。通过对比不同时间下的浆液浮力大小即可得到不同埋深情况下浆液浮力随时间变化规律。
[0063]
传统测试装置中，将上浮力转化为压力，通过反力架固定传感器测得试验过程中受到的压力大小，进而间接测得管片模型受到的浆液浮力大小，这种思路在想法上是可以实现的，但是实际操作过程中管片的上浮力会导致横梁发生弯曲变形，当管片模型尺寸较大时这种现象会更加明显，这会显著影响浆液数据采集精度；本实施例中的思路是将浮力转化为拉力，这样就不需要反力架具有较高的抗弯刚度，也不需要考虑由于压力过大使得反力架发生的变形，一方面可以提高数据采集准确性，另一方面可以减小试验成本。
[0064]
实施例2：
[0065]
本实施例提供了一种模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试方法，采用了如实施例1中所述的模拟不同埋深条件下管片受到浆液浮力的测试装置，包括：
[0066]
通过注浆孔3向浆液容纳装置7内注浆；
[0067]
通过拉力传感器9测试管片模型8受到的浆液浮力；
[0068]
由平衡方程得到不同埋深工况下管片模型受到的浆液浮力。
[0069]
向空心管6穿入带尖端的细杆破坏橡皮囊，模拟浆液扩散过程。
[0070]
通过保压系统4向浆液容纳装置7内施加气压，模拟施工过程中管片刚拖出盾尾后的状态。
[0071]
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。