CN107421816A - 一种地层劈裂抗力快速测定设备及其测定方法 - Google Patents

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刘学彦
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Abstract

本发明涉及软土地层勘察领域，公开了一种地层劈裂抗力快速测定设备，包括：锚固机构；钻进机构，包括动力装置、固定于锚固机构上的贯入油缸、钢管及探头，钢管下端连接有探头，动力装置用于驱动贯入油缸带动钢管和探头运动；测量机构，包括空压机和与其上端连接的泥水箱，泥水箱设有气压计，其底部通过软管与钢管连通，软管设有流量计。本发明还公开一种地层劈裂抗力快速测定方法，地层劈裂抗力为气压计示数与劈裂介质水头高度之和。本发明可以快速实时测定地层劈裂抗力，为工程规划设计施工提供参数依据，并且设备结构稳定安全可靠，方便拆装和运输，测试方法简单易行，测试过程无建筑材料残留，对环境无污染，测试结果可以直接服务于工程实际。

Description

一种地层劈裂抗力快速测定设备及其测定方法
技术领域
本发明涉及软土地层勘察领域，特别是涉及一种地层劈裂抗力快速测定设备及其测定方法。
背景技术
跨江越海软土隧道修建时，一般使用泥水盾构法。泥水盾构掘进时，需要设定合理大小的泥水压力以维持掘进面稳定，否则将出现塌方、冒顶等事故。泥水压力过大将劈裂地层从而造成泥水喷发、江水倒灌等严重工程事故。为此，为防止泥水劈裂地层，需要控制泥水支护压力设定上限。
目前做泥水劈裂试验主要有室内模拟试验和泥水盾构机现场试验两种方法。室内模拟试验是事先做好试验泥水支护试件，然后利用加压装置模拟施加泥水压力使试件发生劈裂现象；泥水盾构机现场试验是在进行盾构施工现场时，增大泥水支护压力使盾构机所处掘进地层发生劈裂现象。室内模拟试验简单易行，但是该试验不能得到真实地层的环境压力，所用试件也与现场实际地层有一定差异，因此无法直接指导现场施工；泥水盾构机现场试验可以准确的得到掘进地层的劈裂压力，能够为现场施工提供准确的参数设定，但是该方法存在相当的风险，易发生工程事故，并且会耗费大量的人力、物力和财力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种地层劈裂抗力快速测定设备及其测定方法。在规划设计之前运用该设备可以测试并确定地层劈裂压力，为工程规划设计施工提供依据参数。该测量设备测试流程易于控制和操作，对地层扰动小，测试过程无残留钢材、混凝土等建筑材料，对环境无污染。解决了目前室内模拟试验测量结果不准确，泥水盾构机现场试验的风险高，测试时间长，耗费大量人力、物力和财力的缺陷。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种地层劈裂抗力快速测定设备，包括：
锚固机构，固定于地层，用于提供钻进和回收反力；
钻进机构，包括动力装置、贯入油缸、钢管及探头，所述钢管下端连接有所述探头，所述动力装置用于驱动所述贯入油缸带动所述钢管和探头运动；
测量机构，包括空压机和泥水箱，所述空压机与所述泥水箱的上端连接，用于提供空气压力，所述泥水箱上端设置有气压计；
其中，所述贯入油缸固定于所述锚固机构上，所述泥水箱的底部通过软管与所述钢管连通，所述软管上设有流量计。
其中，所述锚固机构包括反力架和地锚，所述地锚插入地层并固定所述反力架，所述贯入油缸固定在所述反力架上。
其中，所述动力装置包括柴油机和液压泵，所述柴油机驱动液压泵，所述液压泵驱动贯入油缸带动钢管和探头运动。
其中，所述软管为高强软管。
其中，还包括污水泵，用于将劈裂介质泵入和泵出所述泥水箱。
其中，还包括多个备用钢管。
其中，所述贯入油缸为两个，所述钢管上端与两个所述贯入油缸上端利用连杆梁固定。
其中，所述泥水箱设有刻度。
本发明还公开一种地层劈裂抗力快速测定方法，包括：
利用锚固机构将设备锚固，在泥水箱中注入劈裂介质；
启动动力装置驱动贯入油缸，带动钢管和探头一起压入至测试地层位置；
将泥水箱中的劈裂介质注满软管与钢管，从而将空气全部排出；
启动空压机，缓慢增加泥水箱中空气压力并观察泥水箱中液面高度和流量计示数；利用“气-液”联合介质测试原理，若出现泥水箱中的液面下降和流量计出现示数，则判断地层劈裂发生，记录此时的气压计示数；地层劈裂抗力即为气压计示数与劈裂介质水头高度之和；
测定结束后，启动动力装置驱动贯入油缸，带动钢管和探头一起从测试地层位置取出。
其中，所述泥水箱设有刻度，在测定开始前，还包括对流量计和气压计的校准。
(三)有益效果
本发明提供的一种地层劈裂抗力快速测定设备及其测定方法，可以快速实时测定地层劈裂抗力，为工程规划设计施工提供参数依据，并且设备结构稳定安全可靠，方便拆装和运输，测试方法简单易行，测试过程无建筑材料残留，对环境无污染，测试结果可以直接服务于工程实际。
附图说明
图1为本发明一种地层劈裂抗力快速测定设备结构图；
图2为本发明一种地层劈裂抗力快速测定方法的操作流程图；
图3为本发明的泥水箱的测定结构图；
图4-图6为本发明劈裂测试过程中劈裂介质(泥水)流量与空气压力之间的关系。
图中，1、液压泵；2、油箱；3、柴油机；4、反力架；5、地锚；6、贯入油缸；7、钢管；8、探头；9、软管；10、流量计；11、泥水箱；12、气压计；13、空压机；14、污水泵；15、备用钢管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明公开一种地层劈裂抗力快速测定设备，包括：
锚固机构，固定于地层，用于提供钻进和回收反力；
钻进机构，包括动力装置、贯入油缸6、钢管7及探头8，所述钢管7下端连接有所述探头8，所述动力装置用于驱动所述贯入油缸6带动所述钢管7和探头8运动；
测量机构，包括空压机13和泥水箱11，所述空压机13与所述泥水箱11的上端连接，用于提供空气压力，所述泥水箱11上端设置有气压计12；
其中，所述贯入油缸6固定于所述锚固机构上，所述泥水箱11的底部通过软管9与所述钢管7连通，所述软管9上设有流量计10。
具体的，探头8深入测试地层，用于探测测试地层劈裂抗力，劈裂介质可以选用泥水等。流量计10为高精度流量计。泥水箱11或探头8处设有开关，用于控制泥水的通断。钢管7的规格可以为内径8mm，外径20mm，长1m。气压计12可以选择量程0.6MPa，精度1.0kPa，流量计10可以选择精度0.001m3/h，用于测试并显示测试处劈裂的发生和发生压力。如图3所示，空压机13给泥水箱11提供空气压力，并且空气压力储存在泥水箱11的上半部分，而劈裂介质储存在泥水箱11的下半部分，逐渐缓慢的增加空气压力，若出现泥水箱11中的液面下降和流量计10出现示数，则判断地层劈裂发生，记录此时的气压计12示数；地层劈裂抗力即为气压计12示数与劈裂介质水头高度之和。本发明测试地层劈裂抗力的原理在于运用“气-液”联合介质。“气-液”联合介质充分利用了液体的不可压缩性和气体体积轻微变化下的压力稳定性。当泥水箱11中的液面出现下降且流量计10出现示数变化时，表明地层中的土体发生劈裂，劈裂后的空隙被劈裂介质(如泥水等)填充。由于劈裂产生的空隙被泥水填充，最终由带有压力的空气体积稍微膨胀而平衡。由于微小的体积并不能引起空气气压的变化，此时气压计12的示数加上液体至测试点位置的液柱水头即为测试地层的劈裂抗力。
本发明公开一种地层劈裂抗力快速测定设备，插入实际测试地层中测量，可以快速实时测定地层劈裂抗力，为工程规划设计施工提供参数依据，并且设备结构稳定安全可靠，方便拆装和运输，测试方法简单易行，测试过程无建筑材料残留，对环境无污染，测试结果可以直接服务于工程实际。
其中，所述锚固机构包括反力架4和地锚5，所述地锚5插入地层并固定所述反力架4，所述贯入油缸6固定在所述反力架4上。如图1所示，地锚5优选为四个，两个地锚5通过支架固定条形反力架4的两端，也可利用四边形的反力架4，将地锚5分别锚固反力架4的四个角。根据实际需要，地锚5可以选用三个或六个等进行反力架4的固定。反力架4和地锚5用于提供钻进机构的钻进和回收反力。
其中，所述动力装置包括柴油机3和液压泵1，所述柴油机3驱动液压泵1，所述液压泵1驱动贯入油缸6带动钢管7和探头8运动。具体的，柴油机3从油箱2中抽取柴油驱动液压泵。
其中，所述软管9为高强软管。
其中，还包括污水泵14，用于将劈裂介质泵入和泵出所述泥水箱11；当测定前，将劈裂介质泵入泥水箱11；当测定结束后，将劈裂介质泵出泥水箱11。
其中，还包括多个备用钢管15，用于替换使用。
其中，为保证贯入垂直度，所述贯入油缸6为两个，所述钢管7上端与两个所述贯入油缸6上端利用连杆梁固定，用于带动钢管7和探头8深入至测试地层。
其中，泥水箱11设有刻度，可用于流量计10和气压计12的校准。
本发明还公开一种地层劈裂抗力快速测定方法，包括：
利用锚固机构将设备锚固，在泥水箱11中注入劈裂介质；
启动动力装置驱动贯入油缸6，带动钢管7和探头8一起压入至测试地层位置；
将泥水箱11中的劈裂介质注满软管9与钢管7，从而将空气全部排出；
启动空压机13，缓慢增加泥水箱11中空气压力(例如：1.0kPa/min)并观察泥水箱11中液面高度和流量计10示数；利用“气-液”联合介质测试原理，若出现泥水箱11中的液面下降和流量计10出现示数，则判断地层劈裂发生，记录此时的气压计12示数；地层劈裂抗力即为气压计12示数与劈裂介质水头高度之和；
测定结束后，启动动力装置驱动贯入油缸6，带动钢管7和探头8一起从测试地层位置取出，以备下次使用。
具体的，还包括准备劈裂介质。如为盾构掘进过程中使用的泥水，需要膨润土、羧甲基纤维素(CMC)、黏土和水。其具体配比应与工程使用的泥水一致，为工程服务。例如对于砂土地层，可以选择质量配比为：黏土：膨润土：CMC：水＝20.0:8.0:0.075:71.925。
为测定不同深度和不同泥水性能下，地层的泥水劈裂性能，一共布置3孔。设置不同孔深，分为5m、10m和15m，为保证各个试验点不相互影响，按照45°最大破坏线(水平地应力等于竖向地应力的情况)确定试验点的布置和其影响范围。
在综合分析空气压力、流速等随时间的变化后，可以确定流速与空气压力的关系，图4、图5和图6为试验结果附图，如图4、图5和图6所示，而端头压力为空气压力加上水头高度。
其中，所述泥水箱11设有刻度，在测定开始前，还包括对流量计10和气压计12的校准。具体的，在测定开始前，将软管9中注入泥水，并置于大气中，改变软管9端头的高度，并观察流量计10和气压计12的示数，校准流量计10和气压计12。
本发明公开一种地层劈裂抗力快速测定设备及其测定方法，可以快速实时测定地层劈裂抗力，为工程规划设计施工提供参数依据，并且设备结构稳定安全可靠，方便拆装和运输，测试方法简单易行，测试过程无建筑材料残留，对环境无污染，测试结果可以直接服务于工程实际。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地层劈裂抗力快速测定设备，其特征在于，包括：
锚固机构，固定于地层，用于提供钻进和回收反力；
钻进机构，包括动力装置、贯入油缸(6)、钢管(7)及探头(8)，所述钢管(7)下端连接有所述探头(8)，所述动力装置用于驱动所述贯入油缸(6)带动所述钢管(7)和探头(8)运动；
测量机构，包括空压机(13)和泥水箱(11)，所述空压机(13)与所述泥水箱(11)的上端连接，用于提供空气压力，所述泥水箱(11)上端设置有气压计(12)；
其中，所述贯入油缸(6)固定于所述锚固机构上，所述泥水箱(11)的底部通过软管(9)与所述钢管(7)连通，所述软管(9)上设有流量计(10)。
2.如权利要求1所述的地层劈裂抗力快速测定设备，其特征在于，所述锚固机构包括反力架(4)和地锚(5)，所述地锚(5)插入地层并固定所述反力架(4)，所述贯入油缸(6)固定在所述反力架(4)上。
3.如权利要求1所述的地层劈裂抗力快速测定设备，其特征在于，所述动力装置包括柴油机(3)和液压泵(1)，所述柴油机(3)驱动液压泵(1)，所述液压泵(1)驱动贯入油缸(6)带动钢管(7)和探头(8)运动。
4.如权利要求1所述的地层劈裂抗力快速测定设备，其特征在于，所述软管(9)为高强软管。
5.如权利要求1所述的地层劈裂抗力快速测定设备，其特征在于，还包括污水泵(14)，用于将劈裂介质泵入和泵出所述泥水箱(11)。
6.如权利要求1所述的地层劈裂抗力快速测定设备，其特征在于，还包括多个备用钢管(15)。
7.如权利要求1所述的地层劈裂抗力快速测定设备，其特征在于，所述贯入油缸(6)为两个，所述钢管(7)上端与两个所述贯入油缸(6)上端利用连杆梁固定。
8.如权利要求1所述的地层劈裂抗力快速测定设备，其特征在于，所述泥水箱(11)设有刻度。
9.一种地层劈裂抗力快速测定方法，其特征在于，包括：
S1、利用锚固机构将动力装置锚固，在泥水箱中注入劈裂介质；
S2、启动动力装置驱动贯入油缸，带动钢管和探头一起压入至测试地层位置；
S3、将泥水箱中的劈裂介质注满软管与钢管，从而将空气全部排出；
S4、启动空压机，缓慢增加泥水箱中空气压力并观察泥水箱中液面高度和流量计示数；利用“气-液”联合介质测试原理，若出现泥水箱中的液面下降和流量计出现示数，则判断地层劈裂发生，记录此时的气压计示数；地层劈裂抗力即为气压计示数与劈裂介质水头高度之和；
S5、测定结束后，启动动力装置驱动贯入油缸，带动钢管和探头一起从测试地层位置取出。
10.如权利要求9所述的地层劈裂抗力快速测定方法，其特征在于，所述泥水箱设有刻度，在步骤S4之前，还包括对流量计和气压计的校准。
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