[发明专利]一种可视化管土界面剪切试验方法及其装置

说明书

本发明涉及一种可视化管土界面剪切试验方法及其装置。采用模具盒制作混凝土试件，试件下部为长方体，上部为半圆柱体；将试件的下部固定于下剪切盒的试件槽中，上剪切盒下部的中间开有与试件上部相配合、轴向贯通的滑动槽，将上剪切盒沿滑动槽放置于试件和下剪切盒之上，通过上剪切盒顶部开有的土样槽装入试验土样后，用加压垫板对土样按试验要求进行所需的加压；顶推装置推动上剪切盒轴向滑动，进行混凝土试样与土样的模拟剪切，观察记录实验现象。本发明采用加长的马鞍状混凝土试件，试验时保证剪切面为圆弧，对混凝土管在顶进过程中管体与土体之间的剪切状态进行模拟，更加贴近实际工程；本发明提供的试验装置构造简单，成本低廉，安装方便。

技术领域

本发明涉及顶管工程及土工试验领域，特别涉及一种用于测量顶管外表面与土体间摩擦系数的管土界面剪切模拟方法及其装置。

背景技术

顶管法是一种非开挖的管道埋设施工技术，在工作坑内借助顶进设备产生的顶力，克服顶管与周围土体之间的摩擦力，一节一节的顶入土层之中。在长距离、大直径的顶进过程中，管壁外表面与土体之间的摩阻力能够达到上百甚至上千吨，故为了有效的减少顶进阻力，常对管体和土体间注入触变泥浆进行减阻，使管体在触变泥浆的包裹中顶进，从而起到减小阻力的作用。

顶力预测是顶管法施工的核心之一，而顶力计算的关键在于确定无触变泥浆和有触变泥浆时管土之间的摩擦系数，故如何找到一种合理有效的方式确定管土之间的摩擦系数显得尤为关键。目前常用直剪仪测量接触面间的摩擦系数，而采用常规直剪仪配备的剪切盒对管土界面进行测量时存在以下问题：一是由于剪切盒采用金属制作，剪切过程中无法观测试样中土颗粒的扰动变化；二是剪切过程中接触面发生剪切破坏时，剪切面积逐渐减小，与实际顶管过程中混凝土管的外表面始终在土体包裹中顶进的情况不符；三是传统直剪盒的剪切界面为平面，而实际顶管工程中，混凝土管为曲面，故剪切面与实际情况不符。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种贴近实际工程模拟混凝土管在顶进过程中管体与土体之间的剪切状态，且构造简单，成本低廉，安装方便的管土界面剪切试验装置及其试验方法。

实现本发明发明目的的技术方案是提供一种可视化管土界面剪切试验装置，它包括加压垫板、上剪切盒、下剪切盒、用于制备试件的模具盒和混凝土试件；所述模具盒包括上模具盒和下模具盒，上、下模具盒中的一个模具腔体为半圆柱体，另一个模具腔体为长方体；混凝土试件由上、下模具盒合模后向腔体内灌注混凝土，成型、脱模后得到，所述混凝土试件的上部为半圆柱体，下部为长方体；所述的下剪切盒的中间开有与试件下部长方体相配合的试件槽，所述的上剪切盒的下部中间开有与试件上部半圆柱体相配合的滑动槽，滑动槽轴向贯通，上剪切盒的上部中间开有一个方形的与滑动槽贯通的土样槽；所述的加压垫板由一体的上部方形板和下部方形块组成，下部方形块与土样槽相配合；所述的加压垫板、上剪切盒和下剪切盒的材料为透明有机玻璃。

本发明技术方案所述的一种可视化管土界面剪切试验装置，其上、下模具盒的模具腔体处开有气孔；上、下模具盒的对应位置开有销钉孔。

本发明技术方案还包括一种可视化管土界面剪切试验方法，包括如下步骤：

（1）采用试件模具盒制作试验所需的混凝土试件，所述试件的上部为半圆柱体，下部为长方体；

（2）将混凝土试件的下部长方体置于下剪切盒中间的试件槽中，完成对混凝土试样的固定；下剪切盒的材料为透明有机玻璃；

（3）上剪切盒下部的中间开有与试件上部半圆柱体相配合的滑动槽，滑动槽轴向贯通；在上、下剪切盒的盒身接触部分涂抹工业用凡士林润滑脂，将上剪切盒沿滑槽放置于混凝土试样和下剪切盒之上，上、下剪切盒两侧对齐；在上、下剪切盒的销钉孔内插入销钉固定，通过上剪切盒顶部开有的与滑动槽贯通的方形土样槽装入试验土样后拔出销钉；上剪切盒的材料为透明有机玻璃；

（4）将加压垫板下部的方形块放置在土样槽上，通过加压垫板对土样按试验要求进行所需的加压；加压垫板的材料为透明有机玻璃；