CN104990659B - 一种膨胀土地区泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种膨胀土地区泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力试验装置，包括主体框架、盾构机模拟装置、测量系统和浆液循环系统，主体框架包括模型箱、活动板和液压千斤顶；盾构机模拟装置包括圆形加压柱和液压拉杆；测量系统包括土压力计、孔隙水压力计和数据采集仪；浆液循环系统包括浆液池、泥浆泵、压力表、软管。液压千斤顶向试验膨胀土施加轴向荷载，圆形加压柱模拟盾构机，循环浆液向试验掌子面施加泥水压力，利用数据采集仪采集并记录试验膨胀土各测量点土压力和孔隙水压力数据。本发明能够精确测量泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力及膨胀范围，弥补已有方法不足，能够为工程地质、隧道工程等相关领域提供泥水平衡盾构隧道膨胀土膨胀性能参数。

Description

一种膨胀土地区泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力试验装置

技术领域

本发明属于地质工程、隧道工程技术领域，尤其是涉及一种膨胀土地区泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力试验装置。

背景技术

1938年美国垦务局在一座钢制的虹吸管工程中，首先发现了膨胀土问题，随后引起了广泛关注。到上世纪60年代，膨胀土问题受到广泛重视而相关研究迅速发展。尤其涉及泥水平衡盾构隧道，在盾构机停机过程中需利用浆液持续向掌子面施加荷载以保证掌子面稳定性，在此过程中浆液向掌子面附近土体渗透，膨胀土吸水后发生膨胀变形，在盾构机和周围土体约束下产生膨胀力。以往研究大多采用现场监测手段，然而，由于现场环境较为复杂且干扰因素较多，往往无法获得真实有效的膨胀力及膨胀范围。综上所述，目前尚无一款能够测试膨胀土地区泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力的试验装置。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术缺陷而提供的一种膨胀土地区泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种膨胀土地区泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力试验装置，其特征在于，该装置包括主体框架、盾构机模拟装置、测量系统和浆液循环系统。

所述的主体框架包括模型箱、活动板和液压千斤顶。所述的模型箱整体框架采用角钢支撑，三个侧面采用固定钢化玻璃，一个侧面采用固定钢板，顶底面采用可拆卸钢板；所述的侧面固定钢板设有圆形开孔用于圆形加压柱穿越；所述的圆形开孔与圆形加压柱接触部位设有防渗胶圈；所述的活动板包含上、下两块，位于模型箱内，可沿竖直方向移动，两块活动板中间为试验膨胀土；所述的液压千斤顶包括两个，分别位于上活动板上方和下活动板下方，用于对试验膨胀土施加竖向荷载。

所述的盾构机模拟装置包括圆形加压柱和液压拉杆。所述的圆形加压柱内端从模型箱侧壁伸入并与试验掌子面接触，圆形加压柱内部设有浆液循环通道；所述的浆液循环通道可使浆液从外部浆液循环系统流入或流出试验掌子面；所述的液压拉杆与圆形加压柱外端连接，通过液压拉杆可使圆形加压柱沿水平方向移动或向试验掌子面施加水平荷载。

所述的测量系统包括若干土压力计、若干孔隙水压力计和数据采集仪。所述的土压力计和孔隙水压力计分别布设于活动板内表面以及沿试验掌子面水平方向；所述的土压力计用于测量试验膨胀土应力分布；所述的孔隙水压力计用于测量试验膨胀土孔隙水压力分布；所述的数据采集仪用于采集并记录土压力计和孔隙水压力计测量数据。

所述的浆液循环系统包括浆液池、泥浆泵、压力表、软管。所述的浆液池用于盛放循环所需浆液，其内部设有搅拌桨，用于搅拌浆液；所述的泥浆泵用于对循环浆液进行加压，从而实现对试验掌子面施加泥水压力；所述的压力表用于指示浆液压力；所述的软管分别连接浆液池、泥浆泵、压力表和圆形加压柱，用于实现浆液循环。

本发明的使用：首先将模型箱顶板、上液压千斤顶和上活动板拆除，利用液压拉杆将圆形加压柱移动至预设位置，向模型箱内填放试验膨胀土并分层击实，同时埋设测量所需土压力计与孔隙水压力计，当试验膨胀土填放至预设高度时在其上方分别放置上活动板、上液压千斤顶和模型箱顶板，通过上下液压千斤顶向试验膨胀土施加轴向荷载。向浆液池中注入浆液并不断搅拌，打开泥浆泵开始向试验掌子面施加泥水压力，通过压力表获取泥浆泵送压力，浆液流经试验掌子面后沿软管流回浆液池。利用数据采集仪采集并记录试验膨胀土各测量点土压力和孔隙水压力数据。

本发明技术方案的有益效果：

本发明能够精确测量泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力及膨胀范围，弥补已有方法不足，能够为工程地质、隧道工程等相关领域提供泥水平衡盾构隧道膨胀土膨胀性能参数。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图1中，1为模型箱，2为试验膨胀土，3为试验掌子面，4为活动板，5为液压千斤顶，6为液压泵，7为圆形加压柱，8为液压拉杆，9为防渗胶圈，10为土压力计，11为孔隙水压力计，12为数据采集仪，13为浆液池，14为搅拌桨，15为泥浆泵，16为压力表，17为软管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

具体实施例中，如图1所示，该装置包括模型箱1，试验膨胀土2，试验掌子面3，活动板4，液压千斤顶5，液压泵6，圆形加压柱7，液压拉杆8，防渗胶圈9，土压力计10，孔隙水压力计11，数据采集仪12，浆液池13，搅拌桨14，泥浆泵15，压力表16，软管17。

模型箱1侧面设有圆形开孔用于圆形加压柱7穿越，其接触部位设有防渗胶圈9。活动板4包含上、下两块，位于模型箱1内，可沿竖直方向移动，两块活动板4中间为试验膨胀土2。液压千斤顶5包括两个，分别位于上活动板4上方和下活动板4下方，用于对试验膨胀土2施加竖向荷载。

圆形加压柱7内端从模型箱1侧壁伸入并与试验掌子面3接触，圆形加压柱7内部设有浆液循环通道可使浆液从外部浆液循环系统流入或流出试验掌子面3。液压拉杆8与圆形加压柱7外端连接，可使圆形加压柱7沿水平方向移动或向试验掌子面3施加水平荷载。

土压力计10和孔隙水压力11计分别布设于活动板4内表面和沿试验掌子面3水平方向，用于测量试验膨胀土2应力和孔隙水压力分布，数据采集仪13用于采集并记录测量数据。

浆液池13用于盛放循环所需浆液，其内部设有搅拌桨14，用于搅拌浆液。泥浆泵15用于对循环浆液进行加压并由压力表16指示浆液压力，从而实现对试验掌子面3施加泥水压力。软管17分别连接浆液池13、泥浆泵15、压力表17和圆形加压柱7，用于实现浆液循环。

装置使用时，首先将模型箱1顶板、上液压千斤顶5和上活动板4拆除，利用液压拉杆8将圆形加压柱7移动至预设位置，向模型箱1内填放试验膨胀土2并分层击实，同时埋设测量所需土压力计10与孔隙水压力计11，当试验膨胀土2填放至预设高度时在其上方分别放置上活动板4、上液压千斤顶5和模型箱1顶板，通过上下液压千斤顶5向试验膨胀土2施加轴向荷载。向浆液池13中注入浆液并不断搅拌，打开泥浆泵15开始向试验掌子面3施加泥水压力，通过压力表16获取泥浆泵送压力，浆液流经试验掌子面3后沿软管17流回浆液池13。利用数据采集仪12采集并记录试验膨胀土各测量点土压力和孔隙水压力数据。

Claims (1)

1.一种膨胀土地区泥水平衡盾构隧道掌子面膨胀力试验装置，其特征在于，该装置包括主体框架、盾构机模拟装置、测量系统和浆液循环系统；

所述的主体框架包括模型箱、活动板和液压千斤顶；所述的模型箱整体框架采用角钢支撑，三个侧面采用固定钢化玻璃，一个侧面采用固定钢板，顶底面采用可拆卸钢板；所述的侧面固定钢板设有圆形开孔用于圆形加压柱穿越；所述的圆形开孔与圆形加压柱接触部位设有防渗胶圈；所述的活动板包含上、下两块，位于模型箱内，可沿竖直方向移动，两块活动板中间为试验膨胀土；所述的液压千斤顶包括两个，分别位于上活动板上方和下活动板下方，用于对试验膨胀土施加竖向荷载；

所述的盾构机模拟装置包括圆形加压柱和液压拉杆；所述的圆形加压柱内端从模型箱侧壁伸入并与试验掌子面接触，圆形加压柱内部设有浆液循环通道；所述的浆液循环通道可使浆液从外部浆液循环系统流入或流出试验掌子面；所述的液压拉杆与圆形加压柱外端连接，通过液压拉杆可使圆形加压柱沿水平方向移动或向试验掌子面施加水平荷载；

所述的测量系统包括若干土压力计、若干孔隙水压力计和数据采集仪；所述的土压力计和孔隙水压力计分别布设于活动板内表面以及沿试验掌子面水平方向；所述的土压力计用于测量试验膨胀土应力分布；所述的孔隙水压力计用于测量试验膨胀土孔隙水压力分布；所述的数据采集仪用于采集并记录土压力计和孔隙水压力计测量数据；

所述的浆液循环系统包括浆液池、泥浆泵、压力表、软管；所述的浆液池用于盛放循环所需浆液，其内部设有搅拌桨，用于搅拌浆液；所述的泥浆泵用于对循环浆液进行加压，从而实现对试验掌子面施加泥水压力；所述的压力表用于指示浆液压力；所述的软管分别连接浆液池、泥浆泵、压力表和圆形加压柱，用于实现浆液循环。