CN105043891A - 一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，包括三轴仪压力室，设置在三轴仪压力室内部的泥水筒，泥水筒内活动设置有活塞，活塞通过压力传杆与三轴仪压力室的传压活塞杆连接，泥水筒的底部还连通有泥水管，泥水管下端形成有若干出泥孔，直径与泥水筒外径相同的测试土样放置在泥水筒与三轴仪压力室的内部底座之间，测试土样的中心形成有与所述泥水管尺寸相同的圆孔，泥水管置于土样的中心圆孔内。本发明符合泥水劈裂的力学模型，结构简单、操作方便，可以实现对盾构隧道泥水劈裂的模拟；泥水采用上色处理后更加便于观察，保证了泥水劈裂的准确判断；泥水压力通过三轴仪读数获得，可以准确测量泥水劈裂压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力测试装置，尤其涉及一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置及方法，属于盾构隧道工程技术领域。
背景技术
随着我国隧道工程建设的迅速发展，泥水加压平衡式盾构技术在水底隧道特别是过江跨海软土隧道工程中得到了广泛应用，为了保证泥水盾构施工的质量和工程安全，如何控制泥水舱中的泥水压力来维持开挖面的稳定是施工关键技术之一，泥水压力过小，则会造成开挖面失稳，开挖面前方土体塌入到泥水舱内，刀盘不能继续转动，盾构机不能掘进，泥水压力过大达到劈裂压力，则会造成泥水劈裂地层，与地表或者江底形成连通，泥水大量流失甚至喷发，产生地表塌陷和江水倒灌等重大事故，因此，探寻一种适用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置及方法，通过研究泥水劈裂压力及其影响因素，为今后盾构隧道中泥水压力的设计提供一定的依据，从而保证盾构施工中开挖面的安全稳定。
目前，针对盾构隧道泥水劈裂现象的研究手段主要分为现场测试和室内测试，例如，刘学彦等人2013年研制的现场劈裂仪由泥水箱、压气设备、测量设备、托运设备和地下成孔装置组成，可以实现对地层进行劈裂并测量泥水劈裂压力；宋为2013年通过改装常规三轴仪将反压加压系统的加压管与孔隙压力阀相连接，从而将水压施加到中空圆柱试样内部来模拟盾构泥水压力对地层的劈裂，其单元体力学模型可用附图3和4所示的三维模型和二维模型来表示，其中，σ1、σ3和Pf分别为单元体的大主应力、小主应力和施加在圆孔内的压应力。
以上方法中的现场测试装置过于复杂，操作繁琐，易受现场因素影响，而室内测试装置相对简单，且符合泥水劈裂的力学模型，比较受研究人员的青睐，但目前对常规三轴仪的改装缺乏普遍性，劈裂过程的观察效果也不佳。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置及方法，结构简单、操作方便、易于观察、可在室内进行测试，不受现场环境因素影响。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，包括三轴仪压力室，设置在三轴仪压力室内部的泥水筒，所述泥水筒内活动设置有活塞，所述活塞通过压力传杆与三轴仪压力室的传压活塞杆连接，所述泥水筒的底部还连通有泥水管，所述泥水管下端形成有若干出泥孔，直径与所述泥水筒外径相同的测试土样放置在泥水筒与三轴仪压力室的内部底座之间，测试土样的中心形成有与所述泥水管尺寸相同的圆孔，所述泥水管置于土样的中心圆孔内。
进一步，所述压力传杆垂直固定在所述活塞的中心，所述压力传杆与传压活塞杆的连接面呈凹面状，凹面状提高了压力传杆和三轴仪压力室的传压活塞杆相互连接的稳定性。
进一步，所述活塞与泥水筒的内壁之间通过橡皮圈接触密封，保证活塞能自由做往复运动。
进一步，所述泥水管下端呈圆弧状，外径为所述泥水筒外径的1/5~1/4。
进一步，所述若干个出泥孔对称分布，所述出泥孔的直径为所述泥水管外径的1/5~1/4。
进一步，在所述三轴仪压力室的内部底座上还设置有不透水板，所述测试土样放置在不透水板上。
进一步，在所述泥水筒和测试土样外表面还包裹有橡皮膜，在橡皮膜与泥水筒和底座的连接部位还扎有橡皮筋。
不透水板、橡皮筋和橡皮膜的作用是保证在劈裂过程中泥水不会渗出。
进一步，所述泥水筒和活塞为透明有机玻璃材质，所述压力传杆与泥水管为金属材质。
基于上述泥水劈裂压力测试装置的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试方法，包括步骤如下：
（一）首先将制备好的测试土样放置在泥水筒与三轴仪压力室的内部底座之间，泥水管置于测试土样的中心圆孔内；用橡皮膜将泥水筒和测试土样完整包裹，并在橡皮膜与泥水筒和底座的连接部位用橡皮筋扎紧；
（二）配制泥水，并将配制好的泥水注满泥水管和泥水筒，将活塞压入泥水筒内，通过压力传杆与三轴仪压力室的传压活塞杆连接；
（三）向三轴仪压力室内注满水，通过水向测试土样施加围压，围压大小与实际盾构上覆地层的自重一致，保持围压稳定，通过传压活塞杆向压力传杆逐渐施加轴向压力推动活塞挤压泥水筒和泥水管中的泥水产生泥水压力，泥水沿出泥孔喷出；
（四）按测试要求时间间隔记录各项压力读数，并观察测试土样的形态变化，直至泥水劈裂测试土样，记录下泥水劈裂测试土样时的泥水压力值。
进一步，步骤（二）所述配制泥水还包括给泥水上色的步骤，便于泥水劈裂测试过程的观察，保证了泥水劈裂的准确判断。
本发明的有益效果在于：本发明提供的测试装置符合泥水劈裂的力学模型，结构简单、操作方便，可以实现对盾构隧道泥水劈裂的模拟；泥水采用上色处理后更加便于观察，保证了泥水劈裂的准确判断；泥水压力通过三轴仪读数获得，可以准确测量泥水劈裂压力，同时，本发明可在室内进行测试，不受现场环境因素影响。
附图说明：
图1为本发明泥水劈裂压力测试装置的结构示意图；
图2为本发明泥水筒结构示意图；
图3为本发明单元体泥水劈裂的三维力学模型；
图4为本发明单元体泥水劈裂的二维力学模型；
图中主要附图标记含义如下：
1-泥水筒；2-活塞；3-压力传杆；4-泥水管；5-出泥孔；6-测试土样；7-泥水；8-三轴仪压力室；9-橡皮膜；10-不透水板；11-底座；12-传压活塞杆；13-橡皮筋。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做具体的介绍。
图1为本发明泥水劈裂压力测试装置的结构示意图；图2为本发明泥水筒结构示意图；
如图1和2所示：本实施例是一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，包括三轴仪压力室8，设置在三轴仪压力室8内部的泥水筒1，泥水筒1内活动设置有活塞2，活塞2通过压力传杆3与三轴仪压力室8的传压活塞杆12连接，泥水筒1的底部还连通有泥水管4，泥水管4下端对称分布有四个出泥孔5，直径与所述泥水筒1外径相同的测试土样6放置在泥水筒1与三轴仪压力室8的内部底座11之间，测试土样6的中心形成有与所述泥水管4尺寸相同的圆孔，泥水管4置于土样的中心圆孔内。
本实施例中，压力传杆3垂直固定在所述活塞2的中心，压力传杆3与传压活塞杆12的连接面呈凹面状，凹面状提高了压力传杆3和三轴仪压力室8的传压活塞杆12相互连接的稳定性；活塞2与泥水筒1的内壁之间通过橡皮圈接触密封，保证活塞2能自由做往复运动。
而且，本实施例中，泥水管4下端呈圆弧状，外径为所述泥水筒1外径的1/5，当然，也可以根据需要将泥水管4外径设计为泥水筒1外径的1/5~1/4范围之间；而且，实施例所述出泥孔5的直径为所述泥水管4外径的1/5，当然，也是可以根据需要将出泥孔5的直径设计为泥水管4外径的1/5~1/4范围之间。
本实施例在所述三轴仪压力室8的内部底座11上还设置有不透水板10，测试土样6放置在不透水板10上；在泥水筒1和测试土样6外表面还包裹有橡皮膜9，在橡皮膜9与泥水筒1和底座11的连接部位还扎有橡皮筋13；不透水板10、橡皮筋13和橡皮膜9的作用是保证在劈裂过程中泥水7不会渗出。
本实施例中的泥水筒1和活塞2为透明有机玻璃材质，所述压力传杆3与泥水管4为不锈钢材质，当然，也可以选用其它金属材质。
基于上述泥水劈裂压力测试装置的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试方法，包括步骤如下：
（一）首先将制备好的测试土样6放置在泥水筒1与三轴仪压力室8的内部底座11之间，泥水管4置于测试土样6的中心圆孔内；用橡皮膜9将泥水筒1和测试土样6完整包裹，并在橡皮膜9与泥水筒1和底座11的连接部位用橡皮筋13扎紧；
（二）配制泥水7，并将配制好的泥水7注满泥水管4和泥水筒1，将活塞2压入泥水筒1内，通过压力传杆3与三轴仪压力室8的传压活塞杆12连接；保证压力传杆3、泥水筒1和测试土样6三者的高度之和不超过三轴仪压力室8的高度；配制泥水7的过程中，还包括给泥水7上色的步骤，便于泥水劈裂测试过程的观察，保证了泥水劈裂的准确判断；
（三）向三轴仪压力室8内注满水，通过水向测试土样6施加围压，围压大小与实际盾构上覆地层的自重一致，保持围压稳定，通过传压活塞杆12向压力传杆3逐渐施加轴向压力推动活塞2挤压泥水筒1和泥水管4中的泥水7产生泥水压力，泥水7沿出泥孔5喷出；
（四）按测试要求时间间隔记录各项压力读数，并观察测试土样6的形态变化，直至泥水7劈裂测试土样6，记录下泥水7劈裂测试土样6时的泥水压力值；具体过程包括：当三轴仪压力室8的轴向压力读数达到峰值并开始迅速下降，表明此时泥水压力等于泥水7劈裂压力，泥水7开始劈裂测试土样；继续测试，轴向压力读数持续减小并趋于稳定，且观察到上色后的泥水7沿测试土样6外壁流出并撑开橡皮膜9，表明此时泥水7已完全劈裂测试土样6，测试结束。
图3为本发明单元体泥水劈裂的三维力学模型；
图4为本发明单元体泥水劈裂的二维力学模型；
如图3和4所示：本发明的测试原理为：以符合泥水劈裂力学模型为基础，用泥水管4来模拟盾构机的泥水舱，用被施加围压的测试土样6来模拟盾构上覆地层，泥水管4中的泥水在活塞2运动下产生压力，并沿出泥孔5喷出，继而作用在测试土样6中心圆孔内壁上，直至泥水7劈裂测试土样6，此时泥水压力等于泥水7劈裂压力。
以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，其特征在于：包括三轴仪压力室，设置在三轴仪压力室内部的泥水筒，所述泥水筒内活动设置有活塞，所述活塞通过压力传杆与三轴仪压力室的传压活塞杆连接，所述泥水筒的底部还连通有泥水管，所述泥水管下端形成有若干出泥孔，直径与所述泥水筒外径相同的测试土样放置在泥水筒与三轴仪压力室的内部底座之间，测试土样的中心形成有与所述泥水管尺寸相同的圆孔，所述泥水管置于土样的中心圆孔内。
2.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，其特征在于，所述压力传杆垂直固定在所述活塞的中心，所述压力传杆与传压活塞杆的连接面呈凹面状。
3.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，其特征在于，所述活塞与泥水筒的内壁之间通过橡皮圈接触密封。
4.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，其特征在于，所述泥水管下端呈圆弧状，外径为所述泥水筒外径的1/5~1/4。
5.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，其特征在于，所述若干个出泥孔对称分布，所述出泥孔的直径为所述泥水管外径的1/5~1/4。
6.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，其特征在于，在所述三轴仪压力室的内部底座上还设置有不透水板，所述测试土样放置在不透水板上。
7.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，其特征在于，在所述泥水筒和测试土样外表面还包裹有橡皮膜，在橡皮膜与泥水筒和底座的连接部位还扎有橡皮筋。
8.根据权利要求1所述的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试装置，其特征在于，所述泥水筒和活塞为透明有机玻璃材质，所述压力传杆与泥水管为金属材质。
9.基于权利要求1所述的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试方法，其特征在于，包括步骤如下：
（一）首先将制备好的测试土样放置在泥水筒与三轴仪压力室的内部底座之间，泥水管置于测试土样的中心圆孔内；用橡皮膜将泥水筒和测试土样完整包裹，并在橡皮膜与泥水筒和底座的连接部位用橡皮筋扎紧；
（二）配制泥水，并将配制好的泥水注满泥水管和泥水筒，将活塞压入泥水筒内，通过压力传杆与三轴仪压力室的传压活塞杆连接；
（三）向三轴仪压力室内注满水，通过水向测试土样施加围压，围压大小与实际盾构上覆地层的自重一致，保持围压稳定，通过传压活塞杆向压力传杆逐渐施加轴向压力推动活塞挤压泥水筒和泥水管中的泥水产生泥水压力，泥水沿出泥孔喷出；
（四）按测试要求时间间隔记录各项压力读数，并观察测试土样的形态变化，直至泥水劈裂测试土样，记录下泥水劈裂测试土样时的泥水压力值。
10.根据权利要求9所述的一种用于盾构隧道的泥水劈裂压力测试方法，其特征在于，步骤（二）所述配制泥水还包括给泥水上色的步骤。
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