一种测量顶管管周受力的试验装置及使用方法与流程

1.本发明涉及顶管工程技术领域，具体涉及一种测量顶管管周受力的试验装置及使用方法。


背景技术：

2.顶管法是借助顶进设备提供顶推力，克服管道与周围土体的摩擦力，将管道按设计轨迹顶入土中。由于其施工过程不开挖地面、不拆迁地面建筑物、建造周期短、安全指数高、综合造价低，具有显著的经济效益和社会效益。近几年，顶管法被广泛用于城市地下给排水管道和通讯电缆敷设等市政工程。
3.顶管施工工程中，注浆泵会通过注浆孔向管道四周注入膨润土泥浆，以减小管道与管周土体间的摩擦力，进而减小顶进设备投资并避免过大顶推力对管道结构和管周土体的破坏。然而，工程实践表明，泥浆注入对管周接触压力、摩擦力以及管土摩擦系数等管周受力特性具有显著影响，进而为准确评估实际所需的顶推力大小带来困难。顶推力估算过大时，顶进设备的功率和成本将明显提高，管节在更大压力作用下破裂风险也会增加，同时剩余顶推力将全部作用于开挖面土体，进而导致地表隆起变形；顶推力估算过小时，管道和顶管机无法被顶入土体，开挖面得不到及时支护，进而造成地表塌陷变形。
4.因此，准确评估顶推力的关键在于能否合理评估注浆作用下管周接触压力、摩擦力力以及管土摩擦系数等管周受力特性。目前，部分研究通过混凝土-土体界面直剪试验得到不同管土摩擦系数和摩擦力变化规律，但该方法无法模拟管周泥浆的随机分布，也不能用于研究注浆作用下的管周受力特性；部分研究通过现场监测澄清了管土接触压力的变化规律并反算了摩擦力，但该方法涉及的变量因素较多，难以准确描述管土间的摩擦作用行为。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术无法用于研究注浆作用下顶管管周受力特性的缺陷，从而提供一种测量顶管管周受力的试验装置及使用方法。
6.为解决上述问题，本发明提供了一种测量顶管管周受力的试验装置，包括：试验土箱，所述试验土箱用于容纳试验土；试验管道，所述试验管道包括固定连接的外管道和内管道，所述内管道埋设于试验土内，所述外管道布设于试验土箱外；顶进件，所述顶进件用于驱动外管道将内管道顶推出试验土箱；测量组件，所述测量组件包括第一摩擦力测量件、第二摩擦力测量件和管周接触压力测量件，所述第一摩擦力测量件固定于外管道和顶进件的接触面上，第二摩擦力测量件固定于内管道和外管道的接触面上，管周接触压力测量件固定于外管道的外表面；注浆组件，所述注浆组件包括注浆泵、泥浆管、注浆主管以及注浆支管，所述注浆泵通过泥浆管、注浆主管和注浆支管将泥浆注入外管道与试验土间的环空间隙；
控制组件，所述控制组件包括控制器，控制器用于控制试验管道的顶进速度以及注浆组件的注浆参数。
7.可选地，所述内管道的直径大于外管道的直径。
8.可选地，所述内管道的轴线和外管道的轴线相重合且内管道的一端粘接固定于外管道的一端。
9.可选地，所述外管道和内管道长度相等且等于试验土箱的长度。
10.可选地，所述注浆泵通过泥浆管与泥浆池连接，所述注浆泵通过注浆主管和注浆支管分别与第一注浆断面、第二注浆断面和第三注浆断面上的注浆孔连接。
11.可选地，所述外管道在轴线方向依次设有第一注浆断面、第二注浆断面和第三注浆断面，所述第一注浆断面、第二注浆断面和第三注浆断面上均沿圆周方向等角度设置有四个注浆孔。
12.可选地，所述第二注浆断面上沿圆周方向等角度设置有管周接触压力测量件。
13.可选地，所述注浆主管上设有第一启闭件，所述第一启闭件和注浆泵分别与控制器连接通讯。
14.可选地，所述控制组件还包括显示屏和存储器，所述显示屏和存储器分别于控制器连接通讯。
15.可选地，还包括地下水模拟组件，所述地下水模拟组件包括进水管和排水管，所述进水管的两端分别与进水池和试验土箱连接，所述排水管的两端分别与排水池和试验土箱连接，所述进水管的一端布设于内管道的上方，所述排水管的一端布设于内管道的下方。
16.可选地，所述进水管上设有第二启闭件，所述排水管上设有第三启闭件。
17.一种测量顶管管周受力的试验装置的使用方法，控制器控制顶进件的顶进速度以及注浆组件的注浆参数；在所述顶进件通过外管道将内管道顶推出试验土箱的过程中，所述注浆组件对外管道与试验土间的环空间隙注浆；所述第一摩擦力测量件用于测量试验管道与试验土间的总摩擦力，所述第二摩擦力测量件用于测量内管道与试验土间的摩擦力，所述第一摩擦力测量件的测量值与第二摩擦力测量件的测量值之差为外管道与试验土间的摩擦力。
18.可选地，在第一注浆断面进入试验土箱时，通过控制器启动注浆泵并打开对应的第一启闭件，注浆泵通过注浆主管和注浆支管向第一注浆断面的注浆孔泵送泥浆；持续向第一注浆断面的注浆孔内泵送泥浆，在第二注浆断面进入试验土箱时，通过控制器打开对应的第一启闭件，注浆泵通过注浆主管和注浆支管向第二注浆断面的注浆孔泵送泥浆；持续向第一注浆断面和第二注浆断面的注浆孔内泵送泥浆，在第三注浆断面进入试验土箱时，通过控制器打开对应的第一启闭件，注浆泵通过注浆主管和注浆支管向第三注浆断面的注浆孔泵送泥浆。
19.一种测量顶管管周受力的使用方法，控制器控制试验管道的顶进速度以及注浆组件的注浆参数，注浆组件将泥浆注入外管道与透明土间的环空间隙，测量组件监测管土摩擦力及接触压力。
20.可选地，包括以下步骤：s1、根据试验要求，选择试验土并测定试验土的物理性质，包括内摩擦角、黏聚力
和密度；s2、根据试验要求，配置泥浆并测定泥浆的基本性能，包括粘度、滤失量；s3、根据试验要求，分层填筑试验土并将内管道置入试验土箱内，直至填筑高度达到预设埋深；s4、根据试验要求，调整进水管和排水管的布设高度，打开进水管上的第二启闭件并关闭排水管上的第三启闭件；s5、待试验土箱内的试验土处于饱和状态后，打开排水管上的第三启闭件；s6、调整顶进件的伸缩端并使顶进件的伸缩端与外管道的端面接触；s7、通过控制器设定顶进件的顶进速度和注浆泵的注浆参数并关闭第一启闭件；s8、通过控制器启动顶进件并在第一注浆断面进入试验土箱时，通过控制器启动注浆泵并打开对应的第一启闭件；在第二注浆断面进入试验土箱时，通过控制器打开对应的第一启闭件；在第三注浆断面进入试验土箱时，通过控制器打开对应的第一启闭件；s9、待外管道完全进入试验土箱、内管道完全被顶出试验土箱时，通过控制器关闭顶进件、注浆泵和第一启闭件；s10、将试验数据按如下步骤进行处理与分析：s101、将第一摩擦力测量件、第二摩擦力测量件和管周接触压力测量件的测量值按4种状态进行分类：
①
第一注浆断面未进入试验土箱时，将其分别记录为p
a0
、p
b0
和p
c0
；
②
第一注浆断面进入试验土箱时，将其分别记录为p
a1
、p
b1
和p
c1
；
③
第二注浆断面进入试验土箱时，将其分别记录为p
a2
、p
b2
和p
c2
；
④
第三注浆断面进入试验土箱时，将其分别记录为p
a3
、p
b3
和p
c3
；s102、分别通过式（1）和式（2）获取不同注浆条件下的注浆附加压力：（1）（2）其中，δp
c2
为前方管道注浆条件下的注浆附加压力；δp
c3
为前后管道同时注浆条件下的注浆附加压力；pc为试验管道所受土压力的平均值，可按式（3）进行计算；（3）其中，h为试验管道在试验土箱内的埋深；ρ为试验土的密度；φ为试验土的内摩擦角；c为试验土的黏聚力；d为外管道直径；k为土压力系数；b1为土拱影响宽度，可通过式（4）计算得到；（4）s103、分别通过式（5）~（8）获取不同注浆条件下的管周摩擦力：（5）（6）
（7）（8）其中，p
f 0
为未注浆条件下的管周摩擦力；p
f 1
为仅一个注浆断面注浆条件下的管周摩擦力；p
f 2
为两个注浆断面同时注浆条件下的管周摩擦力；p
f 3
为三个注浆断面同时注浆条件下的管周摩擦力；s104、分别通过式（9）~（12）获取不同注浆条件下的管土摩擦系数：（9）（10）（11）（12）其中，f0和l0分别为未注浆条件下的管土摩擦系数和顶进距离；f1和l1分别为仅一个注浆断面注浆条件下的管土摩擦系数和顶进距离；f2和l2分别为两个注浆断面同时注浆条件下的管周摩擦力；f3和l3分别为三个注浆断面同时注浆条件下的管土摩擦系数和顶进距离。
21.本发明技术方案，具有如下优点：本发明提供的测量顶管管周受力的试验装置，包括：试验土箱，用于容纳试验土；试验管道，包括外管道和内管道，内管道埋设于试验土内，外管道同轴布设于试验土箱外；顶进件，用于驱动外管道将内管道顶推出试验土箱；测量组件，包括第一摩擦力测量件、第二摩擦力测量件和管周接触压力测量件，第一摩擦力测量件固定于外管道和顶进件的接触面上，第二摩擦力测量件固定于内管道和外管道的接触面上，管周接触压力测量件固定于外管道的外表面；注浆组件，用于将泥浆注入外管道与透明土间的环空间隙；控制组件，控制器用于控制试验管道的顶进速度以及注浆组件的注浆参数。具体实施过程中，当顶进件通过外管道顶推内管道时，内管道和外管道在试验土箱内均受到来自试验土的摩擦力。由于第一摩擦力测量件固定于外管道和顶进件的接触面上，即，第一摩擦力测量件的测量值为试验管道所受的总摩擦力。由于第二摩擦力测量件固定于内管道和外管道的接触面上，即，第二摩擦力测量件的测量值为内管道所受摩擦力。第一摩擦力测量件的测量值与第二摩擦力测量件的测量值之差为外管道与试验土间的摩擦力，进而有助于科研人员实时准确获取注浆条件下的管土摩擦力及其随顶进距离的变化规律。
22.本发明提供的测量管周受力的试验装置，内管道的直径大于外管道的直径，进而真实模拟顶管管节与管周土体间环空间隙内的泥浆在管周土体内的渗透及扩散过程。3. 本发明提供的测量顶管管周受力的试验装置，内管道的长度与试验土箱的长度相等，以将内管道完全埋设于试验土箱内。
23.4. 本发明提供的测量顶管管周受力的试验装置，还包括注浆组件，注浆组件包括
注浆泵、泥浆管、注浆主管和注浆支管，注浆泵通过泥浆管与泥浆池连接，注浆泵通过注浆主管和注浆支管分别与第一注浆断面、第二注浆断面和第三注浆断面上的注浆孔连接，可真实还原顶管顶进过程中的注浆过程。
24.5. 本发明提供的测量顶管管周受力的试验装置，在第二注浆断面上等角度布设有四个管周接触压力测量件，用以监测不同位置（管顶、管底及起拱线处）处外管道与试验土间的管土接触压力。
25.6. 本发明提供的测量顶管管周受力的试验装置，注浆主管上设有第一启闭件，第一启闭件和注浆泵分别与控制器连接通讯，通过第一启闭件和注浆泵可准确控制注浆压力、注浆时间以及注浆量。
26.7. 本发明提供的测量顶管管周受力的试验装置，控制组件还包括显示屏和存储器，显示屏和存储器分别与控制器连接通讯，以便于科研人员实时观测、存储顶进及注浆参数。
27.8. 本发明提供的测量顶管管周受力的试验装置，还包括地下水模拟组件，地下水模拟组件包括进水管和排水管，进水管的两端分别与进水池和试验土箱连接，排水管的两端分别与排水池和试验土箱连接，进水管的一端布设于内管道的上方，排水管的一端布设于内管道的下方，进水管上设有第二启闭件，排水管上设有第三启闭件。通过地下水模拟组件，可真实反应地下水对管周受力特性的影响。此外，通过调整进水管和排水管的布设位置，可精确控制局部区域的地下水条件。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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发明的一些实施方式，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。
29.图1为本发明的实施方式所提供的测量顶管管周受力的试验装置的示意图；图2为本发明的实施方式所提供的第二注浆孔断面上压力传感器的布置示意图以及注浆支管与注浆孔的连接示意图。
30.附图标记说明：1、试验土箱；2、试验土；3、外管道；4、内管道；5、顶进件；6、控制组件；7、第一摩擦力测量件；8、第一注浆断面；9、第二注浆断面；10、第三注浆断面；11、注浆支管；12、第一启闭件；13、注浆泵；14、泥浆池；15、泥浆管；16、第二摩擦力测量件；17、进水管；18、第二启闭件；19、进水池；20、排水管；21、第三启闭件；22、排水池；23、注浆主管；24、注浆孔；25、管周接触压力测量件。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
33.如图1和图2所示的测量顶管管周受力的试验装置的一种具体实施方式，包括用于容纳试验土2的试验土箱1，试验土2内埋设有试验管道，试验土箱1外设有顶进件5，顶进件5的伸缩端与外管道3的一端接触。具体地，顶进件5为液压油缸，试验土2为粉土，试验土箱1的侧板和底板均为不锈钢材质。
34.如图1所示，试验管道包括粘结固定的内管道4和外管道3，其中，内管道4的直径大于外管道3的直径，内管道4的长度与外管道3的长度相等，均为0.5m。需要注意的是，内管道4完全埋设于试验土2内，即，内管道4的长度与试验土箱1的长度相等。如图1所示，外管道3在轴线方向依次设有第一注浆断面8、第二注浆断面9和第三注浆断面10，第一注浆断面8距内管道4和外管道3的接触面的距离l1=0.05m，第二注浆断面9距第一注浆断面8的距离l2=0.1m，第三注浆断面10距第二注浆断面9的距离l3=0.1m。需要注意的是，第一注浆断面8、第二注浆断面9和第三注浆断面10上沿圆周方面等角度设置有四个注浆孔24。
35.为测量试验管道在试验土2内移动时所受的摩擦力和土压力，如图1所示，还包括测量组件，测量组件包括第一摩擦力测量件7、第二摩擦力测量件16和管周接触压力测量件25。其中，第一摩擦力测量件7固定于外管道3和顶进件5的接触面上，第二摩擦力测量件16固定于内管道4和外管道3的接触面上，管周接触压力测量件25固定于外管道3的外表面。具体地，第一摩擦力测量件7为轴力计，第二摩擦力测量件16为压电薄膜传感器，管周接触压力测量件25为微型土压力盒。
36.如图1所示，注浆组件包括注浆泵13、泥浆管15、注浆主管23和注浆支管11，注浆泵13通过泥浆管15与泥浆池14连接，注浆泵13通过注浆主管23和注浆支管11分别与第一注浆断面8、第二注浆断面9和第三注浆断面10上的注浆孔24连接。为控制注浆压力、注浆时间和注浆量，注浆主管23上设有第一启闭件12。具体地，第一启闭件12为电磁阀。为满足泥浆扩散的空间需求，试验土箱1的宽度是外管道3直径的10倍，试验土箱1的高度是外管道3直径的6倍。
37.如图1所示，地下水模拟组件包括进水管17和排水管20，进水管17的两端分别与进水池19和试验土箱1连接，排水管20的两端分别与排水池22和试验土箱1连接。进水管17的一端布设于内管道4的上方，排水管20的一端布设于内管道4的下方。进水管17上设有第二启闭件18，排水管路20上设有第三启闭件21。具体地，第二启闭件18和第三启闭件21均为电磁阀。
38.如图1所示，控制组件6包括控制器、显示屏和存储器，其中，控制器分别与第一启闭件12、第二启闭件18、第三启闭件21、顶进件5、注浆泵13、显示屏以及储存器连接通讯。如图1和图2所示，第二注浆断面9上沿圆周方向等角度设置有管周接触压力测量件25。
39.一种测量顶管管周受力的试验装置的使用方法，包括以下步骤：s1、根据试验要求，选择试验土2并测定试验土2的物理性质，包括内摩擦角、黏聚力和密度；s2、根据试验要求，配置泥浆并测定泥浆的基本性能，包括粘度、滤失量；s3、根据试验要求，分层填筑试验土2并将内管道4置入试验土箱1内，直至填筑高度达到预设埋深；s4、根据试验要求，调整进水管17和排水管20的布设高度，打开进水管17上的第二启闭件18并关闭排水管20上的第三启闭件21；
s5、待试验土箱1内的试验土2处于饱和状态后，打开排水管20上的第三启闭件21；s6、调整顶进件5的伸缩端并使顶进件5的伸缩端与外管道3的端面接触；s7、通过控制器设定顶进件5的顶进速度和注浆泵13的注浆参数并关闭第一启闭件12；s8、通过控制器启动顶进件5并在第一注浆断面8进入试验土箱1时，通过控制器启动注浆泵13并打开对应的第一启闭件12；在第二注浆断面9进入试验土箱1时，通过控制器打开对应的第一启闭件12；在第三注浆断面10进入试验土箱1时，通过控制器打开对应的第一启闭件12；s9、待外管道3完全进入试验土箱1、内管道4完全被顶出试验土箱1时，通过控制器关闭顶进件5、注浆泵13和第一启闭件12；s10、将试验数据按如下步骤进行处理与分析：s101、将第一摩擦力测量件7、第二摩擦力测量件16和管周接触压力测量件25的测量值按4种状态进行分类：
①
第一注浆断面8未进入试验土箱1时，将其分别记录为p
a0
、p
b0
和p
c0
；
②
第一注浆断面8进入试验土箱1时，将其分别记录为p
a1
、p
b1
和p
c1
；
③
第二注浆断面9进入试验土箱1时，将其分别记录为p
a2
、p
b2
和p
c2
；
④
第三注浆断面10进入试验土箱1时，将其分别记录为p
a3
、p
b3
和p
c3
；s102、分别通过式（1）和式（2）获取不同注浆条件下的注浆附加压力：（1）（2）其中，δp
c2
为前方管道注浆条件下的注浆附加压力；δp
c3
为前后管道同时注浆条件下的注浆附加压力；pc为试验管道所受土压力的平均值，可按式（3）进行计算。
40.（3）其中，h为试验管道在试验土箱（1）内的埋深；ρ为试验土2的密度；φ为试验土2的内摩擦角；c为试验土2的黏聚力；d为外管道3直径；k为土压力系数；b1为土拱影响宽度，可通过式4计算得到。
41.（4）s103、分别通过式（5）~（8）获取不同注浆条件下的管周摩擦力：（5）（6）（7）（8）其中，p
f 0
为未注浆条件下的管周摩擦力；p
f 1
为仅一个注浆断面注浆条件下的管周摩擦力；p
f 2
为两个注浆断面同时注浆条件下的管周摩擦力；p
f 3
为三个注浆断面同时注
浆条件下的管周摩擦力。
42.s104、分别通过式（9）~（12）获取不同注浆条件下的管土摩擦系数：（9）（10）（11）（12）其中，f0和l0分别为未注浆条件下的管土摩擦系数和顶进距离；f1和l1分别为仅一个注浆断面注浆条件下的管土摩擦系数和顶进距离；f2和l2分别为两个注浆断面同时注浆条件下的管周摩擦力；f3和l3分别为三个注浆断面同时注浆条件下的管土摩擦系数和顶进距离。
43.本发明提供的测量顶管管周受力的试验装置具有以下优点：（1）控制器可以控制顶进件5的顶进速度，进而研究不同顶进速度对管周受力的影响；依据工程实际经验，顶进速度通常设置为1~8cm/min。
44.（2）可通过改变泥浆配方改变其性能，便于研究不同泥浆性能对其管周受力的影响；（3）控制器可通过注浆泵13和第一启闭件12控制注浆压力、注浆时间以及注浆量，便于研究不同注浆工艺对管周受力的影响。优选地，注浆压力p=（1~1.5）
×h×
γ，注浆时间t=l/s，注浆量q=（2~10）
×
π/4
×
（r
2-r2）。式中：h为外管道3在试验土箱1内的埋深，γ为试验土2重度，l为外管道3长度，s为顶进速度，r为外管道3半径，r为内管道4半径；（4）通过调整进水管17和排水管20的布设位置，可精确控制试验土箱1内局部区域的地下水条件。
45.作为一种替代的实施方式，试验土2还可为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂、黏土。
46.作为一种替代的实施方式，外管道3和内管道4间还可通过螺纹或承插等方式连接。
47.作为一种替代的实施方式，注浆断面上注浆孔24的数量还可为3个、5个、6个甚至更多个。
48.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，包括：试验土箱（1），所述试验土箱（1）用于容纳试验土（2）；试验管道，所述试验管道包括固定连接的外管道（3）和内管道（4），所述内管道（4）埋设于试验土（2）内，所述外管道（3）布设于试验土箱（1）外；顶进件（5），所述顶进件（5）用于驱动外管道（3）将内管道（4）顶推出试验土箱（1）；测量组件，所述测量组件包括第一摩擦力测量件（7）、第二摩擦力测量件（16）和管周接触压力测量件（25），所述第一摩擦力测量件（7）固定于外管道（3）和顶进件（5）的接触面上，第二摩擦力测量件（16）固定于内管道（4）和外管道（3）的接触面上，管周接触压力测量件（25）固定于外管道（3）的外表面；注浆组件，所述注浆组件包括注浆泵（13）、泥浆管（15）、注浆主管（23）以及注浆支管（11），所述注浆泵（13）通过泥浆管（15）、注浆主管（23）和注浆支管（11）将泥浆注入外管道（3）与试验土（2）间的环空间隙；控制组件（6），所述控制组件（6）包括控制器，控制器用于控制试验管道的顶进速度以及注浆组件的注浆参数。2.根据权利要求1所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述内管道（4）的直径大于外管道（3）的直径。3.根据权利要求1所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述内管道（4）的轴线和外管道（3）的轴线相重合且内管道（4）的一端粘接固定于外管道（3）的一端。4.根据权利要求1所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述外管道（3）和内管道（4）长度相等且等于试验土箱（1）的长度。5.根据权利要求1-4任一项所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述注浆泵（13）通过泥浆管（15）与泥浆池（14）连接，所述注浆泵（13）通过注浆主管（23）和注浆支管（11）分别与第一注浆断面（8）、第二注浆断面（9）和第三注浆断面（10）上的注浆孔（24）连接。6.根据权利要求5所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述外管道（3）在轴线方向依次设有第一注浆断面（8）、第二注浆断面（9）和第三注浆断面（10），所述第一注浆断面（8）、第二注浆断面（9）和第三注浆断面（10）上均沿圆周方向等角度设置有四个注浆孔（24）。7.根据权利要求6所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述第二注浆断面（9）上沿圆周方向等角度设置有管周接触压力测量件（25）。8.根据权利要求6所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述注浆主管（23）上设有第一启闭件（12），所述第一启闭件（12）和注浆泵（13）分别与控制器连接通讯。9.根据权利要求8所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述控制组件（6）还包括显示屏和存储器，所述显示屏和存储器分别与控制器连接通讯。10.根据权利要求5所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，还包括地下水模拟组件，所述地下水模拟组件包括进水管（17）和排水管（20），所述进水管（17）的两端分别与进水池（19）和试验土箱（1）连接，所述排水管（20）的两端分别与排水池（22）和试验土箱（1）连接，所述进水管（17）的一端布设于内管道（4）的上方，所述排水管（20）的一端布设于内管道（4）的下方。
11.根据权利要求10所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述进水管（17）上设有第二启闭件（18），所述排水管（20）上设有第三启闭件（21）。12.一种测量顶管管周受力的试验装置的使用方法，用于使用权利要求1所述的测量顶管管周受力的试验装置，其特征在于，所述控制器控制顶进件（5）的顶进速度以及注浆组件的注浆参数；在所述顶进件（5）通过外管道（3）将内管道（4）顶推出试验土箱（1）的过程中，所述注浆组件对外管道（3）与试验土（2）间的环空间隙注浆；所述第一摩擦力测量件（7）用于测量试验管道与试验土（2）间的总摩擦力，所述第二摩擦力测量件（16）用于测量内管道（4）与试验土（2）间的摩擦力，所述第一摩擦力测量件（7）的测量值与第二摩擦力测量件（16）的测量值之差为外管道（3）与试验土（2）间的摩擦力。13.根据权利要求12所述的测量顶管管周受力的试验装置的使用方法，其特征在于，在第一注浆断面（8）进入试验土箱（1）时，通过控制器启动注浆泵（13）并打开对应的第一启闭件（12），注浆泵（13）通过注浆主管（23）和注浆支管（11）向第一注浆断面（8）的注浆孔（24）泵送泥浆；持续向第一注浆断面（8）的注浆孔（24）内泵送泥浆，在第二注浆断面（9）进入试验土箱（1）时，通过控制器打开对应的第一启闭件（12），注浆泵（13）通过注浆主管（23）和注浆支管（11）向第二注浆断面（9）的注浆孔（24）泵送泥浆；持续向第一注浆断面（8）和第二注浆断面（9）的注浆孔（24）内泵送泥浆，在第三注浆断面（10）进入试验土箱（1）时，通过控制器打开对应的第一启闭件（12），注浆泵（13）通过注浆主管（23）和注浆支管（11）向第三注浆断面（10）的注浆孔（24）泵送泥浆。14.根据权利要求13所述的测量顶管管周受力的试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据试验要求，选择试验土（2）并测定试验土（2）的物理性质，包括内摩擦角、黏聚力和密度；s2、根据试验要求，配置泥浆并测定泥浆的基本性能，包括粘度、滤失量；s3、根据试验要求，分层填筑试验土（2）并将内管道（4）置入试验土箱（1）内，直至填筑高度达到预设埋深；s4、根据试验要求，调整进水管（17）和排水管（20）的布设高度，打开进水管（17）上的第二启闭件（18）并关闭排水管（20）上的第三启闭件（21）；s5、待试验土箱（1）内的试验土（2）处于饱和状态后，打开排水管（20）上的第三启闭件（21）；s6、调整顶进件（5）的伸缩端并使顶进件（5）的伸缩端与外管道（3）的端面接触；s7、通过控制器设定顶进件（5）的顶进速度和注浆泵（13）的注浆参数并关闭第一启闭件（12）；s8、通过控制器启动顶进件（5）并在第一注浆断面（8）进入试验土箱（1）时，通过控制器启动注浆泵（13）并打开对应的第一启闭件（12）；在第二注浆断面（9）进入试验土箱（1）时，通过控制器打开对应的第一启闭件（12）；在第三注浆断面（10）进入试验土箱（1）时，通过控制器打开对应的第一启闭件（12）；s9、待外管道（3）完全进入试验土箱（1）、内管道（4）完全被顶出试验土箱（1）时，通过控制器关闭顶进件（5）、注浆泵（13）和第一启闭件（12）；
s10、将试验数据按如下步骤进行处理与分析：s101、将第一摩擦力测量件（7）、第二摩擦力测量件（16）和管周接触压力测量件（25）的测量值按4种状态进行分类：
①
第一注浆断面（8）未进入试验土箱（1）时，将其分别记录为p
a0
、p
b0
和p
c0
；
②
第一注浆断面（8）进入试验土箱（1）时，将其分别记录为p
a1
、p
b1
和p
c1
；
③
第二注浆断面（9）进入试验土箱（1）时，将其分别记录为p
a2
、p
b2
和p
c2
；
④
第三注浆断面（10）进入试验土箱（1）时，将其分别记录为p
a3
、p
b3
和p
c3
；s102、分别通过式（1）和式（2）获取不同注浆条件下的注浆附加压力：（1）（2）其中，δp
c2
为前方管道注浆条件下的注浆附加压力；δp
c3
为前后管道同时注浆条件下的注浆附加压力；p
c
为试验管道所受土压力的平均值，可按式（3）进行计算；（3）其中，h为试验管道在试验土箱（1）内的埋深；ρ为试验土（2）的密度；φ为试验土（2）的内摩擦角；c为试验土（2）的黏聚力；d为外管道（3）直径；k为土压力系数；b1为土拱影响宽度，可通过式（4）计算得到；（4）s103、分别通过式（5）~（8）获取不同注浆条件下的管周摩擦力：（5）（6）（7）（8）其中，p
f 0
为未注浆条件下的管周摩擦力；p
f 1
为仅一个注浆断面注浆条件下的管周摩擦力；p
f 2
为两个注浆断面同时注浆条件下的管周摩擦力；p
f 3
为三个注浆断面同时注浆条件下的管周摩擦力；s104、分别通过式（9）~（12）获取不同注浆条件下的管土摩擦系数：（9）（10）（11）
（12）其中，f0和l0分别为未注浆条件下的管土摩擦系数和顶进距离；f1和l1分别为仅一个注浆断面注浆条件下的管土摩擦系数和顶进距离；f2和l2分别为两个注浆断面同时注浆条件下的管周摩擦力；f3和l3分别为三个注浆断面同时注浆条件下的管土摩擦系数和顶进距离。

技术总结
本发明涉及顶管工程技术领域，具体涉及一种测量顶管管周受力的试验装置及使用方法。一种测量顶管管周受力的试验装置，包括：试验土箱，用于容纳试验土；试验管道，包括外管道和内管道，内管道埋设于试验土内，外管道同轴布设于试验土箱外；顶进件，用于驱动外管道将内管道顶推出试验土箱；测量组件，用于监测管土接触压力及摩擦力；测量组件，包括第一摩擦力测量件、第二摩擦力测量件和管周接触压力测量件；注浆组件，用于将泥浆注入外管道与透明土间的环空间隙；控制组件，用于控制试验管道的顶进速度以及注浆组件的注浆参数；地下水模拟组件，用于模拟地下水位。本发明主要解决注浆作用下顶管管周受力特性无法准确评估的问题。作用下顶管管周受力特性无法准确评估的问题。作用下顶管管周受力特性无法准确评估的问题。


技术研发人员：董顺 梁犁丽 温栋
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：2023.08.09
技术公布日：2023/9/9