[发明专利]考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置及方法

权利要求书

1.考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是包括模型箱体、盾构管片环模型（11）、壁后注浆系统、加载系统和测量系统，模型箱体内分层填筑砂土，内设有盾构管片环模型和包裹其周围的壁后注浆系统，加载系统上覆于土体顶部，测量参数包括管片环上的土压力、管片环周围地层和填土顶部的土体位移；其中，所述模型箱体为长方体，由6块透明面板组成，上面板（4）及一侧面板可拆卸，前面板（6）上设有圆形洞口并配备有密封盖板（5），方便盾构管片环模型和壁后注浆系统橡皮膜的安装进入，后面板内壁和前面板密封盖板刻有与盾构管片环模型直径相匹配的凹槽定位方便安装固定，同时模型箱体外部设置有井字形钢制肋衬（3）保证箱体在试验过程中的安全稳定性；

盾构管片环模型（11）为圆柱状塑料筒，表面均匀钻孔贯通至内部，外壁孔洞上方覆有滤纸，该孔洞主要功能为注浆后浆液固结的排水通道；为方便定位安装，盾构管片环模型纵向端部加工成与模型箱体后面板内壁和前面板密封盖板上的凹槽对应的外凸形状；

壁后注浆系统包括注浆装置和圆柱筒状橡皮膜（9），圆柱筒状橡皮膜由前后一对圆环状端板（10）定位，圆柱筒状橡皮膜（9）包覆于盾构管片环模型外，与盾构管片环模型外边界形成一封闭空间作为注浆充填区域；一对圆环状端板（10）内圆直径与盾构管片环模型端部凹槽外径一致，通过该凹槽卡住固定圆柱筒状橡皮膜（9），采用不同形状的端板可调整橡皮膜与盾构管片环模型的相对位置；注浆装置连接于圆柱筒状橡皮膜（9）上，试验中一边对空隙进行注浆填充一边限压排气；

加载系统包括加压空压机、长方体加压气囊（12）及连接管线，长方体加压气囊（12）上下端面分别与模型箱体上面板（4）、填土顶面相接触，前后和左右端面与模型箱侧板相接触，通过与空压机相连通保持填土面的恒压；

测量系统包括微型土压计和高速摄像机（15），土压计布置于盾构管片环模型（11）外周断面上，试验中高速摄像机架设于模型箱后方，监测土体位移及变形速率；土压计通过自动采集与计算机相连接，实时监测并记录试验数据。

2.根据权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是所述加载系统使用气囊装置，采用气压加载的方法，由气囊压强控制。

3.根据权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是所述圆环状端板（10）与圆形盾构管片环模型同心或偏心，可改变橡皮膜与盾构管片环模型的相对位置，模拟盾尾与管片环的姿态差异导致注浆体不均匀包裹管片环的各种工况，从而达到了对盾构壁后注浆施工进行精细化模拟。

4.根据权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是所述前面板（6）上的圆形洞口直径为25cm。

5.根据权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置，其特征是还包括钢制稳定三角撑（1），设于模型箱体底部固定支撑。

6.如权利要求1所述的考虑盾尾壁后注浆影响的管片土压力模型试验装置的试验方法，其特征是包括如下步骤：

a.安装好模型箱体及其周边钢制肋衬；

b.调试并检查加压空压设备、注浆设备和计算机的工作状态；

c.根据试验工况，选择一对合适定位圆环状端板，组装好盾构管片环模型和壁后注浆系统；

d.在模型箱后方架设好高速摄像机，将其连接至计算机；

e.将土样填筑至模型箱前面板开口底部；

f.将组装好的盾构管片环模型及其包裹的橡皮膜从模型箱前面板开口处整体送入模型箱内对应的卡槽位置，并安装前面板洞口对应的密封盖；

g.将土样分层填筑至标定的填土面高度，在填筑土样过程中壁后注浆系统橡皮膜内逐步增大气压，其值大小与地层填土自重一致；

h.安装模型箱顶部加压气囊，加盖模型箱顶部面板，连通加压设备；

i.启动注浆设备向管片环外包裹的橡皮膜内注浆，同时打开橡皮膜外接的气压阀排气，待注浆充填满后快速关闭注浆阀和排气的阀门；

j.打开气囊与空压机相连的气压阀，加大气压直到设定的压力值，同时，与计算机相连的土压计及高速摄像机进行自动采集并记录试验数据；

k.对高速摄像机采集图像进行处理，获得土体的位移和位移速率图像。