一种测量同步注浆浆液对管片上浮力的实验装置及方法与流程

本发明涉及盾构隧道施工，具体涉及一种测量同步注浆浆液对盾构隧道管片上浮力的实验装置及方法。

背景技术：

1、城市地下隧道建设面临着上覆建筑群密集、管网众多的特点，利用传统的隧道施工方法不仅不能减少地表扰动，还会对人们的日常生活，甚至人身安全造成一定地威胁。近几年，随着施工技术的不断发展，盾构法因其对地表扰动小、安全性高、施工效率快的特点，逐渐成为城市地下隧道建设的主流方式。

2、同步注浆作为盾构施工中的重要一环，在一定程度上起到充填盾尾缝隙；抑制土体变形；对地表沉降进行有效控制；确保管片衬砌的早期稳定性；形成衬砌初步防水；保持管片位置稳定；承受盾构后备设施产生的荷载等作用。而同步注浆浆液性能的差异对同步注浆效果影响极大。注浆不良，会造成一系列的隧道工程问题，管片上浮、错台就是其中之一。研究表明，浆液的凝结时间和流动状态是造成管片上浮的原因之一。因此对于工程上常常采用的流动性较大、凝结时间较长的单液浆，有必要对其实际的上浮力进行测量。然而，目前对于管片上浮的研究，主要集中在上浮原因的理论分析和管片上浮模型的数值模拟层面，而对于测量浆液对管片上浮力的研究较为匮乏。除此之外，由于同步注浆浆液的非牛顿流体特性，管片与浆液之间还存在粘阻力，并且与流体类型关系紧密，直接测量较为繁琐，且成本较高。因此，一种简易的、直接的模拟同步注浆浆液对盾构隧道管片上浮力的实验装置和方法亟待研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量同步注浆浆液对盾构隧道管片上浮力的实验装置及方法，避免了测量浆液粘度产生的影响，减少实验过程的繁琐程度、降低实验成本，便于直接、简便地判断不同流动状态同步注浆浆液对管片上浮力的影响。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种测量同步注浆浆液对管片上浮力的实验方法，包括如下步骤：

4、步骤1，制备水泥浆液：按照盾构隧道管片壁后注浆的浆液配比，配制浆液；

5、步骤2，测量水泥浆液的密度和计算浮力球重力：将水泥浆液放入测量容器内，用抹刀刮平，将密度计放入待测水泥浆液中，直接读出其密度ρ并记录，称量装入一定砂后的浮力球质量，并计算浮力球重力g；

6、步骤3，装浆液：将配置好的1l水泥浆液倒入储浆容器中，并放置在加载装置的承重板上；若需要加热，则将储浆容器放置在加热装置中，再将储浆容器和加热装置一起放置在加载装置的承重板上；

7、步骤4，调整参数：设置数据采集系统的参数，加载速率为5～10mm/min；若要模拟高温注浆环境还需相应地设置好加热温度和加热时间；

8、步骤5，调整初始位置：将浮力球的球体部分全部没入浆液中，下调加载装置压板，直至其轻压在浮力球的上顶板的压力传感器上；

9、步骤6，进行试验：按照设定的加载速率，使浮力球在浆液中缓慢向下运动，通过浮力球上顶板的压力传感器与加载装置的数据采集系统连接，可实时观察浮力球上顶板压力传感器所受的力f随小球在浆液中的运动时间t发生变化，当浮力球运动至容器底部时，停止加载，并向上缓慢移动加载装置，直至数据采集系统中的f为零；

10、步骤7，重复步骤3-步骤6，若干次(至少两次)试验后，导出实验数据，对每次向下加载和向上移动阶段的采集的f值进行对比，并绘制浮力球上顶板压力传感器所受的力和时间曲线，即f-t曲线；

11、步骤8，对f-t曲线中数据稳定阶段的f求取平均值，再对若干次(至少两次)的平均值求和平均后，得到浮力球在浆液中动态运动平衡时所受到的外加力f，进而得到fg。

12、作为优选方式，根据固体小球在非牛顿流体中蠕动时的动态平衡规律，步骤1-步骤8中测得的浮力球重力g、浆液密度ρ和外加力f存在以下关系：

13、f＝ρgv+f-g   (1)

14、其中，v为浮力球的体积，f为浆液对浮力球的阻力；

15、撤去外力后，浮力球所受合力为fg，定义为广义浮力，此时，fg主要有两种关系：

16、浮力球不上浮，fg＝0                 (2)

17、浮力球上浮，fg＝ρgv-f-g             (3)

18、根据公式(1)、(2)、(3)，可进一步推导出广义浮力的关系式：

19、

20、本发明另一方面还提供了一种测量同步注浆浆液对管片上浮力的实验装置，包括加载装置、浮力球模型以及储浆容器；

21、储浆容器：用于盛装浆液；

22、浮力球模型：包括硬质空心浮力球、连接柱、上顶板和压力传感器；连接柱设置在硬质空心浮力球和上顶板之间，压力传感器设置在上顶板上；硬质空心浮力球部分没入储浆容器的浆液中；

23、加载装置：包括施压机构，施压机构用于给压力传感器施加压力。

24、作为优选方式，它还包括加热装置，加热装置用于给储浆容器加热。

25、作为优选方式，

26、加热装置：包括保温层以及设置在保温层内的传热层，传热层与保温层之间设置导热介质；还包括加热器，加热器用于给导热介质加热。

27、作为优选方式，保温层和传热层之间通过连接件固定。

28、作为优选方式，保温层和传热层之间形成一个截面为u型的介质层，介质层包括侧壁导热层和底部导热层。

29、作为优选方式，加热器设置在底部导热层，加热器采用不锈钢管状加热器(比如管状电加热器或者电加热棒)，不锈钢管状加热器与电源线连接，电源线从介质层(连接件之间的间隙)穿出或者在保温层的壁上开孔，电源线从孔中穿出，孔壁与电源线之间做密封处理(比如设置密封塞)。

30、作为优选方式，加载装置包括若干立柱和立柱之间设置的底座，若干立柱的顶部设置有中横梁；立柱、底座和中横梁形成一个框架式试验平台；

31、施压机构包括加压机和压板；加压机与中横梁连接，加压机的加压端与压板连接；

32、底座上设置测力传感器，测力传感器上设置承重板，储浆容器和/或加热装置设置在承重板上；实验时，压板需要与压力传感器接触。

33、作为优选方式，施压机构还包括上梁、升降电机，上梁设置在若干立柱之间，升降电机安装在上梁上，升降电机的转动轴上设置有升降绳，升降绳与加压机连接。

34、本发明至少具有以下有益效果：

35、(1)通过推导，避免了计算浆液阻力，使得实验变量测定较为简单；

36、(2)实验装置制作过程简便，浮力球和储浆容器的材料容易获得(比如采用透明亚克力材料)，构件间不涉及繁琐连接，组装和拆卸简单，各构件可重复使用性高，浮力球模型的密度可以根据具体管片密度而调整，可以模拟高温注浆环境；

37、(3)实验过程中浆液可重复进行测试，实验成本较少，实验加载控制较为容易，变量控制条件较为统一，实验结果较为准确；

38、(4)实验可通过改变不同浆液或改变浆液的不同密度，分析不同条件下f-t的变化规律，计算对比最终的广义浮力与浆液性质间影响关系，可为从改善浆液角度提高管片抗浮力的理论提供数据支撑。