CN109211749B - 测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置 - Google Patents

测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，包括稳定与波动水位模拟模块和衬砌渗透系数测定模块，稳定与波动水位模拟模块包括马氏瓶与微升降平台，马氏瓶经软管与土柱桶上端相连接，土柱桶内部自上而下依次设置水体、土样、滤纸、多孔滤板及碎石，模拟水下盾构隧道的赋存环境；土柱桶侧壁设有多个测压孔，测压孔通过软管与测压管连接，量测水体流经土样前后及衬砌外侧的水压力；土柱桶下方出水口经转换接头与恒定水位桶连接，组成了衬砌渗透系数测定模块，实现对土样竖向渗透系数及不同孔径的转换接头相对于土样的等效渗透系数。本发明具有操作简单、功能多样、测试精度高、测量误差小的优点。

Description

测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试 验装置
技术领域
本发明属于岩土试验研究技术领域，尤其是涉及一种测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置。
背景技术
近些年，我国在江河感潮河段建设了大量的水下盾构隧道。此外，杭州湾水下隧道、琼州海峡隧道等水下盾构隧道也处于远景规划之中。在感潮河段，受潮汐和径流的反复交替作用，水位频繁波动、河床剧烈冲淤，水土介质的动态迁移使得河床地基应力场和渗流场不断变化，进而使得盾构隧道外部水土压力、内力及变形处于动态。而对于一般的地下盾构隧道而言，除受邻近工程活动的影响外，其所处场地环境相对稳定，故荷载的确定也相对明确。由此可见，水下盾构隧道的受荷机制与一般的地下盾构隧道大不相同，其荷载的影响因素更为复杂、分布和演变规律更难确定。作用于盾构隧道衬砌外表面的水压力，对于其结构设计、防水设计及服役性态评估均至关重要。目前盾构隧道衬砌水压力的取值，仍参照了一般地下盾构隧道的设计经验，仅关注了稳定渗流条件下的水压力分布。而对于波动水位下的隧道水压力响应，尚缺少试验研究，其分布规律和演变特征尚无可靠经验和系统结论。因此，开展波动水位下盾构隧道衬砌水压力的试验研究，对于感潮河段盾构隧道的设计、施工及运营维护，均具有十分重要的理论指导意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供一种测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置。
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，所述室内试验装置包括稳定与波动水位模拟模块和衬砌渗透系数测定模块，所述稳定与波动水位模拟模块包括马氏瓶与微升降平台，马氏瓶经软管与土柱桶上端相连接，土柱桶内部自上而下依次设置水体、土样、滤纸、多孔滤板及碎石，模拟水下盾构隧道的赋存环境；土柱桶侧壁设有多个测压孔，测压孔通过软管与测压管连接，量测水体流经土样前后及衬砌外侧的水压力；土柱桶下方出水口经转换接头与恒定水位桶连接，组成了衬砌渗透系数测定模块，实现对土样竖向渗透系数ks及不同孔径的转换接头相对于土样的等效渗透系数kl。
所述转换接头的流通内径是多种孔径，模拟隧道衬砌透水性的差异。
所述土柱桶内部未放置土样的情况下测定不同孔径的转换接头相对于土样的等效渗透系数。
所述马氏瓶置于微升降平台的上方，微升降平台稳定在不同高度模拟不同稳态水头高度，或微升降平台设置为匀速上升下降状态，模拟匀速波动水位，量测隧道衬砌水压力。
所述马氏瓶中放置NaCl溶液开展溶质示踪试验，分析水体运移路径。
所述土柱桶包括圆柱形筒壁和圆形基座，试验中土柱桶内部自上而下依次埋置水体、土样、滤纸、多孔滤板及碎石，模拟水下盾构隧道的赋存环境，上覆水体与马氏瓶相连通，维持水位恒定或匀速变化状态。
所述测压管标有刻度，人工量测水头高度。
所述转换接头的两端分别与土柱桶出水口及恒定水位桶进水口相连，组成了水力连通试验模块，中间水体流通部分制成多种孔径，试验中通过使用不同孔径的转换接头来模拟隧道透水性的差别。
所述恒定水位桶包括圆柱形筒壁与圆形基座，筒壁设置进水口与出水口各一个，所述进水口与土柱桶相连通，出水口位于筒壁上侧与量杯连接，试验中恒定水位桶维持土柱桶出水口一侧的水位恒定，实现稳定渗流状态下，根据达西定律测定土样及转换接头的渗透系数。
本发明的优越功效在于：
1） 本发明可以模拟波动水位下水下盾构隧道衬砌水压力响应的试验装置；可测定土样及转换接头渗透系数，实现了对不同水力环境的模拟，通过控制不同隧道埋置深度、不同地基及衬砌渗透系数，研究水下盾构隧道衬砌外侧孔隙水压力的响应规律；
2） 本发明通过马氏瓶与微升降平台的组合结构，可简便地控制水头高度及实现水位变化的模拟；
3） 本发明实现稳定渗流状态，以实现对土样及转换接头渗透系数的测定；
4） 本发明通过调节水力条件、地基条件及隧道透水条件，量测研究波动水位下水下隧道衬砌外侧水压力的演变；
5） 本发明具有操作简单、功能多样、测试精度高、测量误差小的优点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的水力连通示意图；
图3为本发明的多孔滤板示意图；
图4为本发明的转换接头示意图；
图中标号说明：
1—马氏瓶； 2—土柱桶；
3—恒定水位桶； 4—量杯；
5—PVC软管； 6—测压管；
7—转换接头； 8—土样；
9—多孔滤板； 10—碎石；
11—微型伺服电动缸升降平台；
a—马氏瓶出水口； b—土柱桶进水口；
c—土柱桶出水孔； d、e、f—测压孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1示出了本发明实施例的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，所述室内试验装置包括稳定与波动水位模拟模块和衬砌渗透系数测定模块，所述稳定与波动水位模拟模块包括马氏瓶1与微升降平台，马氏瓶1经PVC软管5与土柱桶2上端相连接，实现水力供给。土柱桶2内部自上而下依次设置水体、土样8、滤纸、多孔滤板9及碎石10，模拟水下盾构隧道的赋存环境；土柱桶2侧壁设有三个测压孔d、e、f，三个测压孔d、e、f分别通过PVC软管5与测压管6连接，量测水体流经土样8前后及衬砌外侧的水压力。土柱桶2下方出水口经转换接头7与恒定水位桶3连接，组成衬砌渗透系数测定模块，实现对土样竖向渗透系数ks及不同孔径的转换接头相对于土样的等效渗透系数kl。
所述转换接头7的流通内径是多种孔径，模拟隧道衬砌透水性的差异。
所述土柱桶2内部未放置土样的情况下测定不同孔径的转换接头相对于土样的等效渗透系数。
所述马氏瓶1置于微升降平台的上方，微升降平台稳定在不同高度模拟不同稳态水头高度，或微升降平台设置为匀速上升下降状态，模拟匀速波动水位，量测隧道衬砌水压力。微升降平台在本实施例中采用微型伺服电动缸升降平台11，实现微升或微降。
所述马氏瓶1由有机玻璃制成，马氏瓶1中放置NaCl溶液开展溶质示踪试验，分析水体运移路径。马氏瓶1在试验中作为供水装置，维持土柱桶2上方水位的恒定。
所述土柱桶2由有机玻璃制成，包括圆柱形筒壁和圆形基座，试验中土柱桶内部自上而下依次埋置水体、土样8、滤纸、多孔滤板9及碎石10，模拟水下盾构隧道的赋存环境，上覆水体与马氏瓶1相连通，维持水位恒定或匀速变化状态。试验中土柱桶2设置多组的土样8，模拟多种河床地基及不同的隧道上覆层厚度。
所述测压管6由有机玻璃制成，标有刻度，人工量测水头高度。
如图2所示，所述转换接头7由有机玻璃制成，转换接头7的两端分别与土柱桶2出水口及恒定水位桶3进水口相连，组成了水力连通试验模块，中间水体流通部分制成多种孔径，试验中通过使用不同孔径的转换接头来模拟隧道透水性的差别。水力连通试验模块量测土样在稳定渗流与非稳定渗流情况下的测压管水头，并开展溶质示踪试验，分析水体运移路径。
所述恒定水位桶3包括圆柱形筒壁与圆形基座，筒壁设置进水口与出水口各一个，所述进水口与土柱桶2相连通，出水口位于筒壁上侧与量杯4连接，试验中恒定水位桶3维持土柱桶2出水口一侧的水位恒定，实现稳定渗流状态下，根据达西定律测定土样及转换接头的渗透系数。
图3所示为圆形多孔滤板的结构示意图。如图3所示，上覆等平面尺寸的滤纸，滤纸与多孔滤板9的组合，保证流经土样8的水体通畅地流至转换接头7位置，同时避免了土样8的土颗粒流失。
图4所示为转换接头7的结构示意图。如图4所示，其中间部位制作成多种孔径，模拟隧道衬砌透水性的差异。
本发明的工作过程：
1) 制备土样，经衬砌渗透系数测定模块测定土样8的渗透系数ks及转换接头7的等效渗透系数kl。衬砌渗透系数测定模块测算渗透系数：选用孔径为d0的转换接头7，t时间内流入量杯V体积的水体，假定土柱的断面面积为A，则土柱的竖向渗透系数
Figure 131603DEST_PATH_IMAGE001
；在土柱桶2内放置土样3之前，分别选用各种规格孔径的转换接头进行定水头试验，同理可计算不同孔径的转换接头相对于土柱的等效渗透系数kl；
2) 对每组土柱分别开展溶质示踪标准试验和对照试验。试验开始之前，标准组和对照组均加蒸馏水使土柱浸水饱和。在标准试验中，马氏瓶1中为设定浓度的NaCl溶液；对照试验中则为蒸馏水。通过微型伺服电动缸升降平台11变换水位高度或调节变化速度，观测测压孔d、e、f的水头压力；试验后取量杯4内的水体使用离子色谱仪检测其Cl-的浓度；
试验结果预判断：若标准组送检水体中Cl-浓度与马氏瓶中NaCl溶液的Cl-浓度较接近，说明隧道渗漏水的主要补给水源为河水，河水与地下水之间存在密切的水力联系；若标准组水体中Cl-浓度与对照组水体的Cl-浓度差别不大，则反映了河水与地下水之间的水力联系微弱，隧道渗水主要来源于地下水；
3) 变换土样8，更换各种孔径转换接头，重复以上试验。多组试验后，分析土柱桶2出水口处(测压孔f)水压力与土样3高度、土样3渗透系数ks、隧道衬砌渗透系数kl、土样3上方水体的水位及变化速度等参数的定量关系。
以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，其特征在于：所述室内试验装置包括稳定与波动水位模拟模块和衬砌渗透系数测定模块，所述稳定与波动水位模拟模块包括马氏瓶与微升降平台，马氏瓶经软管与土柱桶上端相连接，土柱桶内部自上而下依次设置水体、土样、滤纸、多孔滤板及碎石，模拟水下盾构隧道的赋存环境；土柱桶侧壁设有多个测压孔，测压孔通过软管与测压管连接，量测水体流经土样前后及衬砌外侧的水压力；土柱桶下方出水口经转换接头与恒定水位桶连接，组成了衬砌渗透系数测定模块；所述转换接头的流通内径是多种孔径，模拟隧道衬砌透水性的差异，实现对土样竖向渗透系数ks及不同孔径的转换接头相对于土样的等效渗透系数kl。
2.根据权利要求1所述的测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，其特征在于：所述土柱桶内部未放置土样的情况下测定不同孔径的转换接头相对于土样的等效渗透系数。
3.根据权利要求1所述的测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，其特征在于：所述马氏瓶置于微升降平台的上方，微升降平台稳定在不同高度模拟不同稳态水头高度，或微升降平台设置为匀速上升下降状态，模拟匀速波动水位，量测隧道衬砌水压力。
4.根据权利要求1或3所述的测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，其特征在于：所述马氏瓶中放置NaCl溶液开展溶质示踪试验，分析水体运移路径。
5.根据权利要求1所述的测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，其特征在于：所述土柱桶包括圆柱形筒壁和圆形基座，试验中土柱桶内部自上而下依次埋置水体、土样、滤纸、多孔滤板及碎石，模拟水下盾构隧道的赋存环境，上覆水体与马氏瓶相连通，维持水位恒定或匀速变化状态。
6.根据权利要求1所述的测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，其特征在于：所述测压管标有刻度，人工量测水头高度。
7.根据权利要求1所述的测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，其特征在于：所述转换接头的两端分别与土柱桶出水口及恒定水位桶进水口相连，组成了水力连通试验模块，中间水体流通部分制成多种孔径，试验中通过使用不同孔径的转换接头来模拟隧道透水性的差别。
8.根据权利要求1所述的测定波动水位下隧道衬砌渗透系数及土体孔压响应的室内试验装置，其特征在于：所述恒定水位桶包括圆柱形筒壁与圆形基座，筒壁设置进水口与出水口各一个，所述进水口与土柱桶相连通，出水口位于筒壁上侧与量杯连接，试验中恒定水位桶维持土柱桶出水口一侧的水位恒定，实现稳定渗流状态下，根据达西定律测定土样及转换接头的渗透系数。
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