CN108061696B - 一种室内测试泥膜渗透系数的装置及方法 - Google Patents
一种室内测试泥膜渗透系数的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种室内测试泥膜渗透系数的装置及方法，包括泥浆渗透成膜机构以及泥膜渗透系数测量机构；泥浆渗透成膜机构用于泥浆渗透成膜；泥膜渗透系数测量机构包括变水头管、刻度尺以及供水瓶；变水头管的底部能与泥浆渗透成膜机构中泥浆渗透侧连通；刻度尺设于变水头管上；供水瓶的上部并列设有接水源管与排气管，排气管的底部高度高于接水源管的底部高度；供水瓶能与变水头管的底部连通，并能向变水头管中供水。其将变水头实验装置与泥浆渗透成膜装置相结合，渗透形成泥膜后直接用清水测量泥膜的渗透系数，使测试结果更为准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构隧道领域的实验方法，特别涉及一种室内测试泥膜渗透系数的装置及方法。该装置及方法能完成不同泥浆压力和不同地层条件下泥浆渗透成膜过程的模拟，并可直接利用室内变水头实验测量泥膜的渗透系数。该发明属于地下工程领域。
背景技术
近年来，随着我国隧道的大力建设，泥水盾构技术以其优良的压力控制模式、环保、快速、低扰动等优点，被广泛的应用于城市地铁和过江过河及海底隧道的建设中。盾构机在掘进时，需向地层中注入泥浆，使其在开挖面表面形成一层致密的泥膜，泥水压力作用在泥膜上用以平衡地层中水土压力，从而保持开挖面稳定。因此，施工中对泥膜的质量有着较高的要求，渗透系数是评价其质量的重要指标之一。由于盾构施工时地层条件较为复杂，会产生刀盘刀具过量磨损、刀盘结饼等问题，需要停机开舱检修。盾构停机常位于高水压、高透水性地层中，不满足常压开舱的施工条件，采用带压开舱技术进行检修。带压开舱检修需要泥膜具有良好的闭气性，在一定的气压条件下可以支护开挖面稳定，为开舱作业人员提供一个安全稳定的操作环境。由于泥膜闭气性与其渗透系数有关，因此，得出较为准确的泥膜渗透系数是十分必要的。
目前学术界通过室内泥浆渗透成膜过程中的滤水量来计算泥膜的渗透系数。此过程中，由于泥浆在不断地向泥膜及地层中渗透，使泥膜的性质不断变化，且泥浆颗粒会充填泥膜孔隙，难以测得准确的渗透系数。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为，一种室内测试泥膜渗透系数的装置及方法，其将变水头实验装置与泥浆渗透成膜装置相结合，渗透形成泥膜后直接用清水测量泥膜的渗透系数，使测试结果更为准确。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种室内测试泥膜渗透系数的装置，包括泥浆渗透成膜机构以及泥膜渗透系数测量机构；泥浆渗透成膜机构用于泥浆渗透成膜；泥膜渗透系数测量机构包括变水头管、刻度尺以及供水瓶；变水头管的底部能与泥浆渗透成膜机构中泥浆渗透侧连通；刻度尺设于变水头管上；供水瓶的上部并列设有接水源管与排气管，排气管的底部高度高于接水源管的底部高度；供水瓶能与变水头管的底部连通，并能向变水头管中供水。
作为本发明改进的技术方案，供水瓶通过细管与变水头管连通。
作为本发明改进的技术方案，细管上设有第三排水阀。
作为本发明改进的技术方案，还包括烧杯，烧杯设于有机玻璃柱底部，并位于第一排水阀出口处。
作为本发明改进的技术方案，泥浆渗透成膜机构包括有机玻璃柱、第一排水阀、法兰盘、空气压缩机、调压装置以及底座；有机玻璃柱的下端设于底座上，有机玻璃柱的底部从下向上依次设置有钢丝网与土工布；第一排水阀设于有机玻璃柱的底部；有机玻璃柱的顶端设有能拆卸的法兰盘，法兰盘的中心位置处设有进气口；空气压缩机通过进气口与有机玻璃柱的上部连通，调压装置设于空气压缩机与有机玻璃柱之间；有机玻璃柱的侧面在上方设有第四排水阀、在下方设有排泥阀；变水头管能穿过底座并与钢丝网的下方连通。
作为本发明改进的技术方案，变水头管与有机玻璃柱间设有第二排水阀。
作为本发明改进的技术方案，有机玻璃柱上设有刻度线。
本发明的另一目的是提供一种室内测试泥膜渗透系数的方法，包括如下步骤：
步骤一，确定土工布类型：土工布类型的选择保证土工布的等效孔径与有机玻璃柱所在地层的平均孔径的误差范围在±0.1mm；
步骤二，泥浆渗透成膜：测试时首先关闭第三排水阀，通过接水源管向供水瓶中注水；在有机玻璃柱内由下向上依次铺设钢丝网与土工布；关闭第一排水阀、第四排水阀以及排泥阀，打开第二排水阀与第三排水阀，将土工布反向饱和后关闭第二排水阀与第三排水阀，用引流棒通过有机玻璃柱口向有机玻璃柱中加入泥浆；密封法兰盘，打开空气压缩机，通过调压装置设定泥浆渗透压力，渗透压力范围为0-2MPa，打开第一排水阀进行渗透实验，记录泥浆渗透过程中滤水量；
步骤三，测量泥膜渗透系数：当泥浆在土工布表面形成泥膜后，关闭第一排水阀、调压装置以及气压源，通过刻度线测量泥膜厚度后，打开排泥阀，排净有机玻璃柱内剩余泥浆；通过排泥阀向有机玻璃柱内注水，水位加至第四排水阀的高度时停止注水，关闭排泥阀，打开第四排水阀；打开第二排水阀与第三排水阀，将连通有机玻璃柱与变水头管的水平段细管注满水，关闭第二排水阀，调节变水头管内液面高度后关闭第三排水阀：打开第二排水阀，观察若第四排水阀有水滴出，则发生渗流，若没有水滴出，则继续增加变水头管内液面高度；记录变水头管中水头高度h1，同时开启秒表，记录发生渗流时间t后的变水头管中水头高度h2，计算渗透系数k，
其中，a为变水头管的内截面积，单位cm2；L为泥膜厚度，单位cm；t为测读变水头管中水头高度的时间，单位s；h1为变水头管的起始水头高度，单位cm；h2为变水头管的终止水头高度，单位cm；保证h1与h 2的高度差大于10cm，测试时间t不超过3-4小时；A为有机玻璃柱的内截面积；
步骤四，重复实验：重复步骤三3-4次，每次测量时改变初始渗透水头h1和时间间隔t。
作为本发明改进的技术方案，步骤二中，所述泥浆的用量不超过有机玻璃柱的最大刻度线。
有益效果
本申请将变水头实验装置与泥浆渗透成膜装置相结合，渗透形成泥膜后直接用清水测量泥膜的渗透系数。本申请的方法结合其装置，使得在泥膜渗透系数测量中，结果更为准确，操作简便、实用性强。
附图说明
附图1本申请装置的剖面图；
附图2本申请装置中有机玻璃柱示意图；
图中，1、第一排水阀；2、第二排水阀；3、第三排水阀；4、排泥阀；5、第四排水阀；6、有机玻璃柱；7、底座；8、法兰盘；9、泥浆；10、土工布；11、钢丝网；12、烧杯；13、调压装置；14、空气压缩机；15、变水头管；16、刻度尺；17、供水瓶；18、接水源管；19、排气管；20、细管；21、刻度线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，室内测试泥膜渗透系数的装置，包括泥浆9渗透成膜机构以及泥膜渗透系数测量机构；
泥浆9渗透成膜机构包括有机玻璃柱6、第一排水阀1、法兰盘8、空气压缩机14、调压装置13土工布10、钢丝网11、烧杯12、以及底座7；有机玻璃柱6的下端设于底座7上；第一排水阀1能与有机玻璃柱6的底部连通；烧杯12设于有机玻璃柱6底部，并位于第一排水阀1出口处；有机玻璃柱6的顶端设有能拆卸的法兰盘8，法兰盘8的中心位置处设有进气口；空气压缩机14通过进气口与有机玻璃柱6的上部连通，调压装置13设于空气压缩机14与有机玻璃柱6之间；有机玻璃柱6的侧面在上方设有第四排水阀5、下方设有排泥阀4；钢丝网11置于有机玻璃柱6中并位于有机玻璃柱6的底部，土工布10设于钢丝网11上；为了方便测量，有机玻璃柱6上设有刻度线21；
空气压缩机14与调压装置13相连，通过法兰盘8中心的进气口向有机玻璃柱6内加压；所述有机玻璃柱6底部设有钢丝网11与土工布10，土工布10的类型通过盾构机所在地层的孔径进行等效计算确定，使得土工布10的开口孔径与地层的中值孔径相接近。钢丝网11主要作用是支撑土工布10。
泥膜渗透系数测量机构包括变水头管15、刻度尺16以及供水瓶17；变水头管15能穿过底座7并与有机玻璃柱6的底部连通(具体的是以变水头管15能穿过底座7并连通于钢丝网11的下方)，变水头管15与有机玻璃柱6间设有第二排水阀2，刻度尺16设于变水头管15上；供水瓶17能与变水头管15的底部连通，并能向变水头管15中供水。
所述泥膜渗透系数测量机构中供水瓶17通过细管20向变水头管15供水，细管20上设有第三排水阀3，变水头管15设有刻度尺16，供水瓶17瓶口并列设有接水源管18与排气管19，排气管19的底部高度高于接水源管18的底部高度。本实施例中，所述有机玻璃柱6底面积为45.6cm2，高度为6cm；排水阀距有机玻璃柱6顶端1.3cm，排泥阀4(注水阀)距有机玻璃柱6底端1.5cm。变水头管15及细管20横截面积为0.5cm2。
本申请涉及的测试泥膜渗透系数的方法，包括如下步骤：
步骤一，确定土工布类型：土工布类型的选择保证土工布的等效孔径与有机玻璃柱所在地层的平均孔径的误差范围在±0.1mm；
步骤二，泥浆渗透成膜：测试时首先关闭第三排水阀，通过接水源管向供水瓶中注水；在有机玻璃柱内由下向上依次铺设钢丝网与土工布；关闭第一排水阀、第四排水阀以及排泥阀，打开第二排水阀与第三排水阀，将土工布反向饱和后关闭第二排水阀与第三排水阀，用引流棒通过有机玻璃柱口向有机玻璃柱中加入泥浆；密封法兰盘，打开空气压缩机，通过调压装置设定泥浆渗透压力，打开第一排水阀进行渗透实验，记录泥浆渗透过程中滤水量；所述泥浆为实际施工工程中拟使用的泥浆,且用量不超过有机玻璃柱上端的气压源进气口；所述泥浆的用量不超过有机玻璃柱的最大刻度线；
步骤三，测量泥膜渗透系数：开始渗透试验前要保证细管中无气泡，当泥浆在土工布表面形成泥膜后，关闭第一排水阀、调压装置以及气压源，通过刻度线测量泥膜厚度后，打开排泥阀，排净有机玻璃柱内剩余泥浆；通过排泥阀向有机玻璃柱内注水，水位加至第四排水阀的高度时停止注水，关闭排泥阀，打开第四排水阀；打开第二排水阀与第三排水阀，将连通有机玻璃柱与变水头管的水平段细管注满水，关闭第二排水阀，调节变水头管内液面高度后关闭第三排水阀：打开第二排水阀，观察若第四排水阀有水滴出，则发生渗流，若没有水滴出，则继续增加变水头管内液面高度；记录变水头管中水头(液面)高度h1，同时开启秒表，记录发生渗流时间t后的变水头管中水头(液面)高度h2，计算渗透系数k，
其中，a为变水头管的内截面积，单位cm2；L为泥膜厚度，单位cm；t为测读变水头管中水头高度的时间，单位s；h1为变水头管的起始水头高度，单位cm；h2为变水头管的终止水头高度，单位cm；保证h1与h2的高度差大于10cm，并且变水头管中的初始水头h1不能太低，否则不会发生渗流；测试时间t不超过3-4小时；A为有机玻璃柱的内截面积；
步骤四，重复实验：重复步骤三3-4次，每次测量时改变初始渗透水头h1和时间间隔t。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于室内测试泥膜渗透系数的装置进行室内测试泥膜渗透系数的方法，其特征在于，所述基于室内测试泥膜渗透系数的装置包括泥浆渗透成膜机构以及泥膜渗透系数测量机构；泥浆渗透成膜机构用于泥浆渗透成膜；泥膜渗透系数测量机构包括变水头管、刻度尺以及供水瓶；变水头管的底部能与泥浆渗透成膜机构中泥浆渗透侧连通；刻度尺设于变水头管上；供水瓶的上部并列设有接水源管与排气管，排气管的底部高度高于接水源管的底部高度；供水瓶通过细管与变水头管的底部连通，并能向变水头管中供水，细管上设有第三排水阀；泥浆渗透成膜机构包括有机玻璃柱、第一排水阀、法兰盘、空气压缩机、调压装置以及底座；有机玻璃柱的下端设于底座上，有机玻璃柱的底部从下向上依次设置有钢丝网与土工布；第一排水阀设于有机玻璃柱的底部；有机玻璃柱的顶端设有能拆卸的法兰盘，法兰盘的中心位置处设有进气口；空气压缩机通过进气口与有机玻璃柱的上部连通，调压装置设于空气压缩机与有机玻璃柱之间；有机玻璃柱的侧面在上方设有第四排水阀、在下方设有排泥阀；变水头管与有机玻璃柱间设有第二排水阀；变水头管能穿过底座并与钢丝网的下方连通；有机玻璃柱上设有刻度线；还包括烧杯，烧杯设于有机玻璃柱底部，并位于第一排水阀出口处；
所述方法包括如下步骤：
步骤一，确定土工布类型：土工布类型的选择保证土工布的等效孔径与有机玻璃柱所在地层的平均孔径的误差范围在±0.1mm；
步骤二，泥浆渗透成膜：测试时首先关闭第三排水阀，通过接水源管向供水瓶中注水；在有机玻璃柱内由下向上依次铺设钢丝网与土工布；关闭第一排水阀、第四排水阀以及排泥阀，打开第二排水阀与第三排水阀，将土工布反向饱和后关闭第二排水阀与第三排水阀，用引流棒通过有机玻璃柱口向有机玻璃柱中加入泥浆；密封法兰盘，打开空气压缩机，通过调压装置设定泥浆渗透压力，打开第一排水阀进行渗透实验，记录泥浆渗透过程中滤水量；
步骤三，测量泥膜渗透系数：当泥浆在土工布表面形成泥膜后，关闭第一排水阀、调压装置以及气压源，通过刻度线测量泥膜厚度后，打开排泥阀，排净有机玻璃柱内剩余泥浆；通过排泥阀向有机玻璃柱内注水，水位加至第四排水阀的高度时停止注水，关闭排泥阀，打开第四排水阀；打开第二排水阀与第三排水阀，将连通有机玻璃柱与变水头管的水平段细管注满水，关闭第二排水阀，调节变水头管内液面高度后关闭第三排水阀：打开第二排水阀，观察若第四排水阀有水滴出，则发生渗流，若没有水滴出，则继续增加变水头管内液面高度；记录变水头管中水头高度h 1 ，同时开启秒表，记录发生渗流时间t后的变
水头管中水头高度h 2 ，计算渗透系数k，
其中，a为变水头管的内截面积，单位cm 2 ；L为泥膜厚度，单位cm；t为测读变水头管中水头高度的时间，单位s；h 1 为变水头管的起始水头高度，单位cm；h 2 为变水头管的终止水头高度，单位cm；保证h 1 与h 2 的高度差大于10cm，测试时间t不超过3-4小时；A为有机玻璃柱的内截面积；
步骤四，重复实验：重复步骤三3-4次，每次测量时改变初始渗透水头h 1 和时间间隔t。
2.根据权利要求1所述的室内测试泥膜渗透系数的方法，其特征在于，步骤二中，所述泥浆的用量不超过有机玻璃柱的最大刻度线。
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