矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统及阻力计算方法

本发明涉及顶管工程领域，特别涉及一种矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统及阻力计算方法。

背景技术：

1、顶管法是一种以非开挖形式构筑大型地下空间的暗挖施工技术，相对于明挖、盾构等地下空间施工方法，具有综合成本低、交通干扰少、环境影响小等显著优势，尤其在穿越交通干线水体、地上及地下构筑物密集区的市政工程领域发挥着不可替代的作用。顶管在顶进过程中受到周围土体的作用而产生的摩阻力会随着顶进距离的增大而增大，过大的顶推力势必要增加管材和工作井的承载力而增加投资及技术措施费用，甚至还可能因为过大的顶推力而造成工程事故。因此如何克服和最大程度地减小顶管施工中的巨大顶推力已成为顶管施工的关键。

2、为了减小管道与土体间的摩擦阻力，通常需要向管道外壁注入触变泥浆，触变泥浆是由膨润土、水和化学处理剂混合而成减阻材料，在顶管施工过程中，充满于顶管和土体之间的2～5cm的环形空间，一方面可以将顶管与土体之间的干摩擦转换为液体摩擦，从而减小顶进的摩阻力；另一方面可以填补顶管与土体之间产生的空隙，从而起到减小土体变形和支撑地层的作用。触变泥浆在长时间静置时也不发生聚沉和离析现象，在扰动时具有足够的流动性，即触变性。触变性是顶管顶进过程中泥浆能发挥作用的基本因素。在与土体接触处，泥浆靠自重向土体内渗透，此时触变泥浆失去部分水分而变稠，静切强度增加，形成一层薄而坚韧、不透水的固体颗粒胶结物，即泥皮。泥皮能有效地维护土体的稳定性。大大提高顶管施工的效率，降低事故发生概率。

3、由于顶管法施工是一种新型地下工程非开挖管道铺设技术，在特殊管道的摩擦阻力测试研究上仍存在大量不足，特别是对于矩形曲线顶管触变泥浆摩擦阻力测试研究上的不足。目前对泥浆减阻效果研究大部分采用直线顶进滑动测试确定，难以准确获得关于矩形曲线顶管的减阻泥浆减阻效果。

4、因此，为了确定曲线顶管触变泥浆减阻性能，急需一种矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统及阻力计算方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统及阻力计算方法，该测试系统能够对曲线顶管的泥浆减阻效果进行测试，并根据测试结果建立的矩形顶管-土体摩阻力计算公式，为后续曲线顶管实际施工过程提供可靠的依据。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统，包括模型箱体、注浆组件、滑块、滑动控制组件、水平荷载加压组件、数据采集组件、数据采集仪和计算机，其中，所述模型箱体内容纳有土体，所述土体内设置有滑动轨道，所述滑块能够在所述滑动轨道上移动；所述注浆组件能够向所述土体注浆；所述滑动控制组件能够对所述滑块的移动进行控制；所述水平荷载加压组件能够通过所述土体为所述滑块提供侧压力；所述数据采集组件用于采集测试数据，所述数据采集组件与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪与所述计算机连接。

4、进一步地，在上述的矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统中，所述模型箱体包括外圆环、内圆环和底板，所述外圆环套设在所述内圆环的外侧，所述外圆环的轴线和所述内圆环的轴线均与所述模型箱体的轴线共线，所述外圆环的下端和所述内圆环的下端均与所述底板连接；所述土体包括内层土体、下层土体和外层土体，所述内层土体、所述下层土体和所述外层土体均位于所述外圆环和所述内圆环之间；所述外层土体的外侧靠近所述外圆环，所述内层土体的内侧靠近所述内圆环，所述下层土体的外侧与所述外层土体的内侧接触，所述下层土体的内侧与所述内层土体的外侧接触，所述下层土体的上侧、所述外层土体的内侧和所述内层土体的外侧之间形成所述滑动轨道；所述滑块的水平截面为扇环，所述扇环的圆心位于所述模型箱体的轴心，所述扇环的圆心角为15°~30°，所述滑块在滑动轨道内滑动能够模拟实际曲线顶管的顶进效果，所述滑块的上表面设置有向所述滑块内部凹陷的配重孔，所述配重孔为圆柱形结构，所述配重孔内设置有配重块，通过改变所述配重块的质量能够模拟实际曲线顶管顶进过程中的上覆土压力，所述配重孔的直径为40mm~60mm，所述配重孔的深度为8mm~10mm；所述内圆环的直径为 d1，所述外圆环的直径为 d2, d2=6 d1~10 d1；所述滑块距离所述底板的高度为 h1，所述外层土体的高度为 h3， h3=2× h1，所述内层土体的高度为 h4， h4=2× h1，所述下层土体高度为 h5， h5= h1。

5、进一步地，在上述的矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统中，所述滑动控制组件包括转动轴、旋转臂、定滑轮和固定绑带，所述转动轴设置在所述内圆环内，所述转动轴的下端与所述底板连接，所述转动轴的上端与所述旋转臂的一端连接，所述旋转臂的另一端与所述定滑轮连接，所述转动轴的轴线与所述模型箱体的轴线共线，所述转动轴启动后能够为所述旋转臂提供扭矩；所述固定绑带的一端缠绕在所述滑块上，所述固定绑带的另一端缠绕在所述定滑轮上，所述转动轴带动所述旋转臂旋转，进而能够通过所述定滑轮为所述滑块提供牵引力，所述牵引力的方向为所述滑动轨道切线方向；所述旋转臂包括第一竖直段、水平段和第二竖直段，所述第一竖直段的下端与所述转动轴的上端连接，所述第一竖直段的上端与所述水平段的一端连接，所述第二竖直段的上端与所述水平段的另一端连接，所述第二竖直段的下端与所述定滑轮通过螺栓连接，所述水平段设置有伸缩结构，所述伸缩结构能够使所述水平段伸长或缩短并调整所述旋转臂的力臂，进而调整所述滑块沿模型箱体滑动的曲率半径并使所述固定绑带与所述定滑轮的连接点位于所述滑块轴线的延长线上；所述滑块的高度为 h2，所述定滑轮的轴线与所述底板之间的距离为 h6， h6= h1+1/2× h2；所述转动轴的内部和所述旋转臂的内部均设置有用于数据线穿过的空心通道。

6、进一步地，在上述的矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统中，所述转动轴与所述数据采集仪连接，所述计算机能够调节所述转动轴的转动速度 ω，所述数据采集仪能够将所述转动轴设定的转动速度 ω对应的扭矩 t进行记录，所述转动轴的启停以及改变转动速度 ω能够使所述滑块的移动符合实际曲线顶管的运动规律；所述数据采集组件包括压力盒和拉力计，所述滑块与所述土体接触的两侧面和底面均设置有所述压力盒，所述压力盒用于监测所述滑块的两侧面和底面的压力变化，所述压力盒的数据线依次穿过所述转动轴和所述旋转臂内的空心通道连接至所述数据采集仪，所述数据采集仪通过所述压力盒采集所述滑块的两侧压力数据和底部压力数据，所述数据采集仪将采集的侧压力数据传输给所述计算机，所述计算机根据所述压力盒采集的压力数据进行计算能够获得所述滑块滑动过程中的侧压力和底部压力的实时值；所述固定绑带与所述滑块的接触端设置所述拉力计，所述拉力计与所述数据采集仪连接，所述拉力计用于记录所述滑动控制组件工作时对所述滑块产生的拉力。

7、进一步地，在上述的矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统中，所述水平荷载加压组件包括内水带、外水带、储水箱和注水泵，所述外水带紧贴所述外圆环的内侧壁铺设一圈，所述内水带紧贴所述内圆环外侧壁铺设一圈；所述内水带通过第一活动接头与第一注水管道的一端连接，所述第一注水管道的另一端与所述储水箱连接，所述外水带通过第二活动接头与第二注水管道的一端连接，所述第二注水管道的另一端与所述储水箱连接，所述注水泵与所述储水箱通过第三注水管道连接；所述第一注水管道上设置有第一开关阀，所述第二注水管道上设置有第二开关阀，所述第一开关阀用于控制所述内水带与所述储水箱间的液体流动，所述第二开关阀能够用于控制所述外水带与所述储水箱间的液体流动，通过向所述内水带和所述外水带内注入液体，能够使所述内层土体和所述外层土体分别与所述滑块的两个侧面接触，所述滑块受到来自所述内层土体和所述外层土体的压力能够模拟实际矩形曲线顶管在顶进过程中受到的所述土体的侧压力；所述内水带的底部和所述外水带的底部均设置有出液口，利用所述出液口能够将所述内水带或所述外水带内的液体充分排尽；所述第一开关阀和所述第二开关阀均为数字式液体流量计，所述第一开关阀和所述第二开关阀均与所述计算机连接，所述计算机能够控制流入所述内水带和所述外水带内液体的流量，进而改变所述内水带和所述外水带为所述滑块提供的侧压力；所述数据采集组件还包括压力膜，所述外水带的内侧和所述内水带的外侧贴均附有所述压力膜，所述压力膜通过数据线与所述数据采集仪连接，所述压力膜为柔性薄膜压敏传感器，所述计算机通过所述压力膜实时监测侧压力的变化。

8、进一步地，在上述的矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统中，所述注浆组件包括注浆泵和注浆管，所述滑块与所述土体接触的两个侧表面和底面均设置有注浆孔，所述注浆管的一端与所述注浆泵连接，所述注浆管依次经所述转动轴和所述旋转臂内的空心通道后固定至所述滑块中，所述注浆管的另一端穿过所述滑块与所述注浆孔连接，所述注浆泵通过所述注浆孔向所述土体内注入触变泥浆，进而改善所述滑块滑动过程中的摩阻力，模拟现场实际曲线顶管顶进过程中的浆液减阻效果。

9、另一方面，提供了一种阻力计算方法，利用上述的矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统实施，包括如下步骤：

10、s1制备滑块：根据实际矩形曲线管片要求，制备滑块；

11、s2安装水平荷载加压组件：将内水带与模型箱体的内圆环接触放置，将外水带与模型箱体的外圆环接触放置；

12、s3铺设土体：在施工现场取矩形曲线顶管顶进层位的土样，分层均匀铺设在试验箱体内，在铺设土样的过程中预留滑动轨道，将滑块放置于滑动轨道上，通过在滑块上表面的配重孔中放置不同质量的配重块模拟实际上覆土压力；

13、s4安装滑动控制组件：将转动轴放在模型箱体圆心位置，调整旋转臂使得定滑轮位于滑块轴线的延长线的位置，通过固定绑带将定滑轮与滑块之间进行连接；

14、s5安装注浆组件和数据采集仪：将注浆管和数据线通过旋转臂的空心通道与滑块连接，将注浆管穿过滑块放至于注浆孔，将数据线与滑块的两侧面和底面的压力膜连接，将数据线与数据采集仪连接；

15、s6单面摩擦阻力测试：在进行单面摩擦阻力测试时，滑块两侧面与土体不接触，只进行滑块的底面摩阻力测试，通过滑动控制组件对滑块施加水平拉力，使滑块匀速滑行至设定位置；

16、s7三面摩阻力测试：打开注水泵以及第一开关阀和第二开关阀，向内水带和外水带注入液体，使滑块的两侧面均与土体接触，进行滑块的两侧面和底面的三面摩阻力测试，通过滑动控制组件对滑块施加水平拉力，使滑块匀速滑行至设定位置；

17、s8触变泥浆减阻性能分析评价：根据试验测试结果建立管-土或管-浆间摩擦力计算公式，通过对比滑块摩擦系数的变化进行触变泥浆减阻效果分析评价。

18、进一步地，在上述的阻力计算方法中，在所述步骤s8中，管-土或管-浆间摩擦力为 f， f与所述转动轴拉动滑块匀速滑动的转动速度 ω对应的扭矩 t满足如下关系：

19、                公式（1）

20、在公式（1）中， l为旋转臂的力矩；

21、所述管-土间摩擦力受管-土作用面间法向压力 σ、滑块与土体接触面积 s和管-土间润滑条件 μ影响，具体表达式如下：

22、           公式（2）

23、在公式（2）中，s s1为滑块与土体接触的内侧面的面积，s s2为滑块与土体接触的外侧面的面积，s b为滑块底面的面积，σ s为管-土作用面间侧面法向压力，σ b为管-土作用面间底面法向压力；

24、所述滑块上方设置配重块用以模拟顶管上覆土层压力，所述水平荷载加压组件对所述土体施加的侧压力 f k用以模拟管-土作用面间侧面法向压力 σ s；所述管-浆间摩擦力受管-浆间泥浆剪切应力 τ和滑块与土体接触面积 s影响，所述管-浆间泥浆剪切应力 τ由平板流体模型和herschel-bulkley流变模型予以定量表征，具体表达式如下：

25、           公式（3）

26、在公式（3）中， sb为滑块底面的面积， k为稠度系数； n为流变指数； v为顶进速度， d为泥浆厚度，其中动剪应力 τ0，稠度系数 k，流变系数 n均由六转速粘度计测量得出。

27、进一步地，在上述的阻力计算方法中，在所述步骤s6中，首先在不注浆的情况下进行单面摩擦阻力测试，然后利用注浆组件向滑块底面的土体注入触变泥浆，并进行单面摩擦阻力测试，通过对比滑块摩擦系数的变化进行触变泥浆减阻效果的分析评价；滑块底面的不注浆摩阻力与注浆摩阻力比值为 k 1，通过对 k 1数值的分析进行触变泥浆减阻效果评价，具体表达式如下：

28、          公式（4）

29、在公式（4）中，g为重力加速度， m为所述滑块质量， m为所述配重块质量。

30、进一步地，在上述的阻力计算方法中，在所述步骤s7中，首先在不注浆的情况下进行三面摩擦阻力测试，然后利用注浆组件向滑块的两侧面和底面的土体注入触变泥浆，并进行三面摩擦阻力测试，通过对比滑块摩擦系数的变化进行触变泥浆减阻效果的分析评价；

31、滑块的三面摩擦不注浆摩阻力与注浆摩阻力比值为 k 2，通过对 k 2数值的分析进行触变泥浆减阻效果评价，具体表达式如下：

32、公式（5）

33、在公式（5）中，g为重力加速度， m为所述滑块质量， m为所述配重块质量。

34、分析可知，本发明公开一种矩形曲线顶管触变泥浆减阻特性测试系统及阻力计算方法，该测试系统通过对模型箱体、注浆组件和滑动控制组件的设置，并通过滑块在滑动轨道的滑动，实现对矩形曲形顶管顶进过程的模拟。通过配置不同质量的配重块模拟实际曲线顶管顶进过程中的上覆土压力，通过水平荷载加压组件改变滑块的侧压力，模拟实际曲线顶管顶进过程中不同土体压力。通过对注浆压力和浆液配比的改变，精确获得在不同的土体压力环境下减阻效果最佳的注浆的压力和膨润土泥浆的配比，进而探索不同压力和润滑工况下的矩形曲形顶管的管节的摩擦力变化规律，更通过模拟矩形曲形顶管顶进过程提供了一种通用的矩形曲线顶管摩擦阻力的计算公式，为后续曲线顶管实际施工过程提供可靠的依据。