一種鋼管混凝土拱架灌注模擬系統(tǒng)及效果測評方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地下工程支護(hù)材料試驗(yàn)領(lǐng)域，特別是一種地下工程中常用的鋼管混凝土拱架灌注效果模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，公路鐵路隧道、煤礦巷道、地鐵、水電硐室等修建越來越廣泛，很多工程所處的地質(zhì)條件愈發(fā)惡劣，如大埋深、軟巖、斷層構(gòu)造等都帶來了嚴(yán)重的支護(hù)失效問題。針對此，鋼管混凝土拱架由于其高強(qiáng)特性，在地下工程支護(hù)領(lǐng)域中扮演著越發(fā)重要的角色，取得較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]然而，目前的鋼管混凝土拱架支護(hù)參數(shù)的設(shè)計施工仍然以經(jīng)驗(yàn)為主，鋼管混凝土的灌注工藝和參數(shù)選取缺少依據(jù)，如漿液流動性、灌漿速度、灌漿孔位置等的設(shè)計都沒有明確依據(jù)，從而會影響核心混凝土的灌注密實(shí)度、強(qiáng)度等一系列重要指標(biāo)。而混凝土的灌注效果對鋼管混凝土拱架的實(shí)際承載能力影響巨大，并最終決定其支護(hù)效果。眾所周知，研究鋼管混凝土灌注效果的最直觀方法是開展模擬試驗(yàn)，通過不斷提高試驗(yàn)方法的科學(xué)性和試驗(yàn)系統(tǒng)的仿真度，逐步得到較為精確的試驗(yàn)結(jié)果。但是，目前尚沒有相關(guān)模擬系統(tǒng)或模擬系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)該目的。
[0004]因此，當(dāng)前亟待開發(fā)一種具有針對性的鋼管混凝土拱架灌注模擬系統(tǒng)和效果測評方法，依此開展一系列鋼管混凝土拱架灌注模擬試驗(yàn)。通過對比分析，掌握鋼管混凝土拱架灌注參數(shù)、工藝、工序等對拱架混凝土灌注效果的影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計和施工參數(shù)，改善灌注效果，完善鋼管混凝土拱架支護(hù)設(shè)計理論并促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明公開了一種鋼管混凝土拱架灌注模擬系統(tǒng)及效果測評方法，其通過該模擬系統(tǒng)模擬礦山巷道、隧道、地鐵等工程常用鋼管混凝土拱架的混凝土灌注場景，進(jìn)而開展相關(guān)試驗(yàn)，研究不同的灌漿工藝、參數(shù)、方法以及其他因素對灌漿效果的影響規(guī)律。深入、直觀、準(zhǔn)確的分析各種影響因素下灌漿效果的差異，進(jìn)而總結(jié)出鋼管混凝土灌漿的最優(yōu)方案。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種鋼管混凝土拱架灌注模擬系統(tǒng)，包括一個由空心鋼管拼裝而成的拱架模具，在所述的拱架模具上設(shè)有與灌漿系統(tǒng)相連的灌漿孔和用于在灌注混凝土?xí)r排出拱架模具內(nèi)多余氣體的排氣孔，且在所述的拱架模具上還設(shè)有沿拱架模具軸線一前一后交錯布置在拱架模具的正面和背面的觀測條帶以及設(shè)置在拱架模具的底端的重力傳感器；所述的重力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。
[0008]所述的拱架模具為由鋼管拼裝而成的拱架形狀的組合結(jié)構(gòu)，其整體形狀為圓形、直腿半圓拱形或三心拱形，其凈橫截面為圓形、方形或矩形；所述的拱架模具由數(shù)節(jié)構(gòu)件通過套管連接而成，每一節(jié)構(gòu)件的各段由橫向法蘭連接而成，每一段是由從中軸線縱剖的鋼管通過縱向法蘭連接而成；所述的拱架模具在各套管和法蘭處均可自由拆裝，便于灌漿養(yǎng)護(hù)結(jié)束后拆豐吳。
[0009]所述的觀測條帶是在試驗(yàn)拱架側(cè)壁設(shè)定位置切出條狀孔后用高強(qiáng)透明樹脂材料填充而成的，既能填充條狀孔防止混凝土外泄又能實(shí)現(xiàn)透明觀測試驗(yàn)拱架內(nèi)部情況的目的。
[0010]所述的拱架模具還通過一個支撐裝置進(jìn)行支撐，所述的支撐裝置由立柱、橫梁、固定鉸支座、卷揚(yáng)機(jī)、斜撐和支撐臺組成；所述的橫梁固定在立柱上，在立柱的相同高度，前后各設(shè)置一根，前后兩根橫梁間形成放置和固定拱架模具的間隔；所述的固定鉸支座設(shè)置在立柱底端，所述的卷揚(yáng)機(jī)通過鋼絲繩連接橫梁，用于牽拉所述的支撐裝置，使支撐裝置和拱架模具可以以固定鉸為中心轉(zhuǎn)動。
[0011]所述的斜撐連接在立柱上，用于在固定支撐裝置，以保證灌注過程中支撐裝置的穩(wěn)定。
[0012]所述的灌漿系統(tǒng)包括混凝土輸送栗、灌漿管、灌漿接頭、灌漿孔和排氣孔。所述的混凝土輸送栗通過所述的灌漿管和所述的灌漿接頭連接所述的拱架模具，混凝土輸送栗向拱架模具中灌注不同配合比的混凝土；所述的灌漿接頭內(nèi)設(shè)置單向閥，使混凝土漿液只可單向流入裝置而不可逆向流出，確保拆除灌漿管時漿液不會由灌漿孔流出。當(dāng)混凝土從所述排氣孔流出時，灌漿達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，停止混凝土輸送栗。
[0013]所述的灌漿系統(tǒng)還包括一個振動器，所述的振動器固定在拱架模具上，根據(jù)試驗(yàn)需要選擇是否開啟并選擇合適的震動參數(shù)，在灌漿過程中對拱架模具提供振動作用。
[0014]所述的觀測條帶均勻的布置在試驗(yàn)拱架上，試驗(yàn)員可通過觀測條帶，實(shí)時觀測記錄混凝土漿液灌注的位置，從而推算灌漿體積和速度。
[0015]所述的重力傳感器放置在拱架模具的底端，固定在支撐平臺上；所述的重量傳感器與重量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，對灌漿過程中拱架模具的重量變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和采集，結(jié)合灌漿速度從側(cè)面分析和評價灌漿密實(shí)度。
[0016]對上述裝置的灌注效果進(jìn)行測評的方法，根據(jù)研究需要，開展系列試驗(yàn)，每個試驗(yàn)選用不同的灌漿工藝或參數(shù)，主要包括:混凝土配比、灌漿速度、振動與否及參數(shù)、灌漿孔位置及尺寸等，通過對照，測評不同因素對灌漿效果的影響規(guī)律，包括以下:
[0017](1)灌漿過程中的密實(shí)度測評。
[0018]通過灌注過程的實(shí)時重量監(jiān)測和觀測條帶記錄，直觀的獲取拱架模具重量變化數(shù)據(jù)和混凝土灌注界面位置；基于此可以得到混凝土的灌注速度、已灌入混凝土的總體密度的變化規(guī)律，進(jìn)而從側(cè)面分析混凝土的灌注密實(shí)度。
[0019](2)灌注效果的綜合測評。
[0020]灌注完成后養(yǎng)護(hù)至規(guī)定期限，拆模，然后對拱架模具不同部位的混凝土進(jìn)行切割、取樣和編號，量測編號試樣的混凝土密度值，測試編號試樣的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，通過所述的密度量測和力學(xué)指標(biāo)測試，一方面獲取了拱架模具內(nèi)不同部位的混凝土物理力學(xué)指標(biāo)，依此對拱架模具內(nèi)不同部位的混凝土灌注效果進(jìn)行對比評價；另一方面通過加權(quán)平均可得到拱架模具內(nèi)混凝土的總體密度值和總體強(qiáng)度指標(biāo)，依此對不同灌注方案的灌注效果進(jìn)行對比評價；評價的標(biāo)準(zhǔn)為:密度值越高，灌注效果越好；力學(xué)指標(biāo)如軸心抗壓強(qiáng)度、黏聚力等越高，灌注效果越好。
[0021]本發(fā)明達(dá)到的有益效果是:可根據(jù)研究需要，考慮不同的灌漿工藝或參數(shù)，主要包括混凝土配比、灌漿速度、振動與否及參數(shù)、灌漿孔位置及尺寸等?？刹捎帽景l(fā)明模擬系統(tǒng)開展單個試驗(yàn)或系列試驗(yàn)，也可采用本發(fā)明灌注效果測評方法研究各影響因素對鋼管混凝土拱架灌注效果的影響規(guī)律，優(yōu)化灌注方法、工藝和參數(shù)。
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為鋼管混凝土拱架灌注模擬系統(tǒng)主視圖；
[0024]圖2為鋼管混凝土拱架灌注模擬系統(tǒng)側(cè)視圖；
[0025]圖3為拱架模具橫截面示意圖；
[0026]圖4為橫向法蘭示意圖。
[0027]圖中:1-拱架模具；2-套管；3_橫向法蘭；4_縱向法蘭；5_灌漿孔；6_排氣孔；7-觀測條帶；8-立柱；9-橫梁；10-U型卡；11-鉸支坐；12-鋼絲繩；13_卷揚(yáng)機(jī)；14_斜撐；15-支撐平臺；16_混凝土輸送栗；17_灌漿管；18_灌漿接頭；19_振動器；20_重力傳感器；
21-重力數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。
[0028]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述:
[0029]該模擬系統(tǒng)由以下4個部分構(gòu)成:拱架模具1、支撐裝置、灌漿系統(tǒng)和灌漿監(jiān)測系統(tǒng)。下面對其進(jìn)行一一闡述:
[0030]所述的拱架模具1為由鋼管拼裝而成的拱架形狀的組合結(jié)構(gòu)，其整體形狀可以為圓形、直腿半圓拱形、三心拱形等多種常用的拱架形狀，其凈橫截面可以為圓形、方形、矩形或其他形狀；所述的拱架模具由數(shù)節(jié)構(gòu)件通過套管連接而成，每一節(jié)構(gòu)件的各段由橫向法蘭3連接而成，每一段是由從中軸線縱剖的鋼管通過縱向法蘭4連接而成；所述的拱架模具1在各套管2和法蘭處均可自由拆裝，便于灌漿養(yǎng)護(hù)結(jié)束后拆模。所述的試驗(yàn)拱架上設(shè)置有灌漿孔、排氣孔、觀測條帶。
[0031]灌漿孔5用來向拱架模具內(nèi)灌注混凝土，設(shè)置在拱架模具的底端；所述的排氣孔6用來在灌注混凝土?xí)r排出拱架模具內(nèi)多余氣體，設(shè)置在拱架模具的最頂端；也可根據(jù)試驗(yàn)需要改變灌漿孔和排氣孔的位置。
[0032]觀測條帶7沿拱架模具軸線一前一后交錯布置在拱架模具的正面和背面，目的是保證拱架模具結(jié)構(gòu)的完整性的同時，實(shí)現(xiàn)對灌漿時混凝土界面的準(zhǔn)確觀測。所述的觀測條帶是在試驗(yàn)拱架側(cè)壁指定位置切出條狀孔后用高強(qiáng)透明樹脂材料填充而成的，既能填充條狀孔防止混凝土外泄又能實(shí)現(xiàn)透明觀測試驗(yàn)拱架內(nèi)部情況的目的。
[0033]支撐裝置由立柱8、橫梁9、固定鉸支座11、鋼絲繩12、卷揚(yáng)機(jī)13、斜撐14和支撐臺15組成。所述的橫梁8通過螺栓和U型卡10固定在立柱8上，在立柱8的相同高度，前后各設(shè)置一根。前后兩根鋼梁間形成間隔，該間隔尺寸略大于拱架模具的厚度，以用于放置和固定拱架模具。可根據(jù)需要調(diào)節(jié)橫梁的高度、數(shù)量及水平間距，確保拱架模具的穩(wěn)定。所述的固定鉸支座設(shè)置在