CN109932499B - 一种研究泥膜支护作用的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究泥膜支护作用的试验装置及方法，所述试验装置包括试验筒体，试验筒体的顶部设有顶盖，顶盖上设有进气口和压力表，试验筒体的侧壁上对称设有带刻度的视窗，试验筒体的侧壁上设有进浆口和溢流口，试验筒体的内部底部设有滤水层，试验筒体的底部设有排水口，排水口连通有滤水量测量装置，试验筒体的内部中心位置及试验筒体的内部侧壁上自上而下分别设有若干孔压传感器，孔压传感器连接有静态应变仪。本发明可以研究出泥水加压平衡盾构施工过程中泥膜的支护作用，可以为泥水加压平衡盾构实际施工提供指导。

Description

一种研究泥膜支护作用的试验装置及方法

技术领域

本发明是涉及一种研究泥膜支护作用的试验装置及方法，属于隧道工程技术领域。

背景技术

在城市地铁隧道以及大型越江隧道的建设中，泥水加压平衡盾构因其优良的开挖支护能力而得以广泛应用。在泥水加压平衡盾构施工过程中：泥浆由盾构机挖掘舱流出渗入到开挖前方土体中，当泥浆压力大于地层中水土压力时，泥浆中的细颗粒成分通过地层间隙渗入到地层中；再加之泥浆中的黏土颗粒带负电荷，地层中颗粒带正电荷，使得泥浆中的泥土颗粒吸附在开挖面的表面，从而在开挖面前方形成一层厚度适中、致密性良好的泥膜。施工过程中，泥膜可以将来自泥浆的压力通过泥膜中的固体颗粒均匀地作用在开挖面土体上，进而可以起到支护维持开挖面稳定的作用，可有效防止开挖面变形、局部坍塌的发生。

现有技术尚且停留在泥膜形成阶段的相关研究，对于泥膜形成之后，泥膜的支护作用尚未有研究。因此，泥膜的支护作用对泥水加压平衡盾构施工具有积极意义，有必要开发出一种可用于研究泥膜支护作用的试验装置及方法，以指导实际泥水加压平衡盾构施工。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种研究泥膜支护作用的试验装置及方法，以研究泥膜在泥水加压平衡盾构施工过程中的支护作用，为泥水加压平衡盾构施工提供实际指导。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种研究泥膜支护作用的试验装置，包括试验筒体，试验筒体的顶部设有可打开或关闭的顶盖，顶盖上设有进气口和压力表，进气口连接有气压供给装置，试验筒体的侧壁上对称设有带刻度的视窗，试验筒体的侧壁上设有进浆口和位于进浆口下方的溢流口，试验筒体的内部底部设有滤水层，试验筒体的底部设有排水口，排水口连通有滤水量测量装置，并且，试验筒体的内部中心位置及试验筒体的内部侧壁上自上而下分别设有若干孔压传感器，所述孔压传感器连接有静态应变仪。

作为优选方案，试验筒体的内部可拆卸的设有竖直方向的隔板，所述隔板将试验筒体的内部空间对称分成两个试验空间，隔板的高度与溢流口的高度相适配。

作为进一步优选方案，两个试验空间的试验筒体上分别对应设有进浆口、溢流口和排水口，进浆口、溢流口和排水口均相对于试验筒体的中心对称分布。

作为进一步优选方案，试验筒体的内部侧壁上对称设有筒体凹槽，隔板通过筒体凹槽与试验筒体可拆卸连接，其中一侧的筒体凹槽上自上而下均匀设有若干孔压传感器。

作为优选方案，试验筒体的内部中心位置设有竖直方向的立杆，立杆上自上而下均匀设有若干孔压传感器。

作为进一步优选方案，试验筒体的内部可拆卸的设有两块竖直方向的隔板，隔板的一侧与立杆可拆卸连接，另一侧与试验筒体的内侧壁可拆卸连接。

作为更进一步优选方案，所述立杆的两侧对称设有与隔板相适配的立杆凹槽，隔板通过立杆凹槽与立杆可拆卸连接。

作为优选方案，所述试验筒体与顶盖之间设有密封圈。

作为优选方案，所述滤水层的材质为透水石。

作为优选方案，包括滤水导管，排水口通过滤水导管与滤水量测量装置相连通。

作为优选方案，所述滤水量测量装置包括带计量刻度的滤水容器。

作为优选方案，试验筒体的底部设有支座，支座的顶部为平面，支座的底部为向上的弧面。

一种使用本发明所述的试验装置研究泥膜支护作用的试验方法，包括如下步骤：

a)打开试验筒体顶部的顶盖，将试验土样放入试验筒体内，对试验土样进行振捣、压实并使其达到试验所需的高度位置；

b)将试验用水加入试验筒体内以饱和试验筒体内的试验土样，试验土样饱和后，打开溢流口和排水口以排出多余水分，待水分排出完毕后，关闭溢流口和排水口；

c)将试验泥浆通过进浆口加入试验筒体内，使试验泥浆慢慢覆盖于试验土样上方，直至其达到试验所需的高度位置，关闭进浆口，盖上顶盖，打开进气口和气压供给装置，通过气压供给装置对试验筒体内部进行气体加压，打开排水口，并从加压时开始计时，记录不同时间的压力表数值及对应的滤水量测量装置测得的滤水量直至滤水量的增加值稳定，此时，试验筒体内泥膜已经形成，泥膜形成后，关闭进气口和气压供给装置，停止加压，关闭排水口，通过试验筒体上视窗的刻度记录泥膜的厚度；

d)泥膜形成稳定后，打开进气口和气压供给装置，继续对试验筒体进行气体加压，记录不同时间的压力表数值，并同时通过孔压传感器和静态应变仪记录孔隙水压力值；

e)关闭进气口和气压供给装置，打开进浆口，待试验筒体内的气压达到空气压后，打开顶盖，清除试验土样，清洗装置即可。

作为优选方案，所述步骤a)的操作如下：首先，在试验筒体的内部可拆卸的设有竖直方向的隔板，通过隔板将试验筒体的内部空间对称分成两个试验空间，分别为试验空间A和试验空间B，隔板的高度与溢流口的高度相适配；其次，准备两份不同的试验土样，分别为试验土样A和试验土样B，打开试验筒体顶部的顶盖，将试验土样A放入试验筒体内的试验空间A内，对试验土样A进行振捣、压实并使其达到试验所需的高度位置；接着，将试验土样B放入试验筒体内的试验空间B内，并且边加入试验土样B边缓慢平缓的抽离出隔板，使试验土样B与试验土样A充分接触，并且对试验土样B进行振捣、压实并使其达到试验所需的高度位置，且实验土样A和试验土样B的高度齐平。

相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：

采用本发明提供的试验装置可以模拟出泥水加压平衡盾构施工过程中泥膜的形成以及泥膜形成后泥水压力继续施加在泥膜上时泥膜后方土体中孔隙水压力的分布变化情况，从而研究出泥水加压平衡盾构施工过程中泥膜的支护作用，并以此为泥水加压平衡盾构实际施工提供指导，并且，本发明还具有结构简单，使用方便等优点，具有极强的实用价值。

附图说明

图1是本发明提供的一种研究泥膜支护作用的试验装置的前视图；

图2是本发明提供的试验装置中的试验筒体的俯视图；

图3是图1中沿着隔板轴线方向的剖面图；

图4是图3中去掉隔板的示意图；

图5是本发明提供的试验装置中的立杆与孔压传感器的连接示意图；

图6是本发明提供的试验装置中的筒体凹槽与孔压传感器的连接示意图；

图7是本发明提供的试验装置中的支座的截面图；

图中标号示意如下：1、试验筒体；2、顶盖；3、进气口；4、压力表；5、视窗；6、进浆口；7、溢流口；8、滤水层；9、排水口；10、滤水量测量装置；11、孔压传感器；12、静态应变仪；13、隔板；14、筒体凹槽；15、立杆；16、立杆凹槽；17、滤水导管；18、支座；19、导线。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、完整地描述。

实施例

请结合图1至图7所示：本发明提供的一种研究泥膜支护作用的试验装置，包括试验筒体1，试验筒体1的顶部设有可打开或关闭的顶盖2，顶盖2上设有进气口3和压力表4，进气口4连接有气压供给装置(未显示)，试验筒体1的侧壁上对称设有带刻度的视窗5，试验筒体1的侧壁上设有进浆口6和位于进浆口6下方的溢流口7，试验筒体1的内部底部设有滤水层8，试验筒体1的底部设有排水口9，排水口9连通有滤水量测量装置10，并且，试验筒体1的内部中心位置及试验筒体1的内部侧壁上自上而下分别设有若干孔压传感器11，所述孔压传感器11连接有静态应变仪12。

一种使用上述试验装置研究泥膜支护作用的试验方法，包括如下步骤：

a)打开试验筒体1顶部的顶盖2，将试验土样放入试验筒体1内，对试验土样进行振捣、压实并使其达到试验所需的高度位置；

b)将试验用水加入试验筒体1内以饱和试验筒体1内的试验土样，试验土样饱和后，打开溢流口7和排水口9以排出多余水分，待水分排出完毕后，关闭溢流口7和排水口9；

c)将试验泥浆通过进浆口6加入试验筒体1内，使试验泥浆慢慢覆盖于试验土样上方，直至其达到试验所需的高度位置，关闭进浆口6，盖上顶盖2，打开进气口3和气压供给装置，通过气压供给装置对试验筒体1内部进行气体加压，打开排水口9，并从加压时开始计时，记录不同时间的压力表4数值及对应的滤水量测量装置10测得的滤水量直至滤水量的增加值稳定，此时，试验筒体1内泥膜已经形成，泥膜形成后，关闭进气口3和气压供给装置，停止加压，关闭排水口9，通过试验筒体1上视窗5的刻度记录泥膜的厚度；

d)泥膜形成稳定后，打开进气口3和气压供给装置，继续对试验筒体1进行气体加压(此时，压力作用于泥膜上)，记录不同时间的压力表数值，并同时通过孔压传感器11和静态应变仪12记录孔隙水压力值；

e)关闭进气口3和气压供给装置，打开进浆口6，待试验筒体1内的气压达到空气压后，打开顶盖2，清除试验土样，清洗装置即可。

然后按照上述操作，即可采用不同的试验土样和不同配比的试验泥浆进行试验研究，由于试验过程中，泥浆是作用于泥膜上，因此可通过埋在土体里面的孔压传感器11反映泥膜形成后土体中孔隙水压力的分布变化情况，以及没有形成实质性泥膜时土体中孔隙水压力的分布，比较此两种情况下的压力分布，即可从力的传递的角度探究出泥膜支护作用效果，从而为泥水加压平衡盾构实际施工提供指导。

作为优选方案：

结合图1至图3所示，试验筒体1的内部可拆卸的设有竖直方向的隔板13，所述隔板13将试验筒体1的内部空间对称分成两个试验空间，隔板13的高度与溢流口7的高度相适配。溢流口7与隔板13顶部齐平或紧贴着隔板13顶部水平位置，以便泥膜形成之后多余泥水的排出。进一步的，两个试验空间的试验筒体1上分别对应设有进浆口6、溢流口7和排水口9，进浆口6、溢流口7和排水口9均相对于试验筒体1的中心对称分布。其中，两个溢流口7关于试验筒体1中心对称分布，可以反映出试验过程中已形成泥膜继续加压过程中泥水的溢出量以及泥膜下方土体中孔隙水的溢出路径，进而以此表现泥膜质量的好坏，即透水能力，以及泥膜支护作用效果。实际施工时，施工所遇到的土层除了单一土层外也可能是复合土层，因此，本实施例中在试验筒体1内设有隔板13，可以用于模拟复合土层的泥膜支护作用，为泥水加压平衡盾构实际施工提供更为准确的指导。试验时，首先，在试验筒体1的内部可拆卸的设有竖直方向的隔板13，通过隔板13将试验筒体1的内部空间对称分成两个试验空间，可分别命名为试验空间A和试验空间B(未显示)，隔板13的高度与溢流口7的高度相适配；其次，准备两份不同的试验土样，可分别命名为试验土样A和试验土样B，打开试验筒体1顶部的顶盖2，将试验土样A放入试验筒体1内的试验空间A内，对试验土样A进行振捣、压实并使其达到试验所需的高度位置；接着，将试验土样B放入试验筒体内1的试验空间B内，并且边加入试验土样B边缓慢平缓的抽离出隔板13，使试验土样B与试验土样A充分接触，并且对试验土样B进行振捣、压实并使其达到试验所需的高度位置，且实验土样A和试验土样B的高度齐平。通过上述操作，即可模拟实际施工中可能出现的复合土层，使得试验结果更符合实际情况。

为了模拟实际复合土层，本实施例中的隔板13需要与试验筒体1可拆卸连接，以便于在试验过程中可以从试验筒体1内抽离，隔板13与试验筒体1之间采用通用的可拆卸连接方式即可，为了更好的保证试验效果，本实施例中，结合图2至图4所示，试验筒体1的内部侧壁上对称设有筒体凹槽14，隔板13通过筒体凹槽14与试验筒体1可拆卸连接，其中一侧的筒体凹槽14上自上而下均匀设有若干孔压传感器11。相应的，筒体凹槽14的高度与隔板13的高度相适配，使用的时候，将隔板13插入到筒体凹槽14中即可将试验筒体1的内部空间对称分成两个试验空间，向上缓慢的提升隔板13即可缓缓的将隔板13从筒体凹槽14及试验筒体1中抽离。

结合图1至图5所示，试验筒体1的内部中心位置设有竖直方向的立杆15，立杆15上自上而下均匀设有若干孔压传感器11。立杆15用于固定孔压传感器11，便于孔压传感器11测定土体中孔隙水压力。立杆15可以焊接在试验筒体1的内部中心位置。

本实施例中，筒体凹槽14和立杆15上自上而下分别均匀设有3个孔压传感器11，一共有3个孔压传感器11，即可对三个不同高度位置处的土体的孔隙水压力进行测定。当然，孔压传感器11的数量也可以根据实际使用需求灵活调整。

结合图2至图3所示，试验筒体1的内部可拆卸的设有两块竖直方向的隔板13，隔板13的一侧与立杆15可拆卸连接，另一侧与试验筒体1的内侧壁可拆卸连接。既方便隔板13的安装与抽离，又不影响立杆13上的孔压传感器11的使用。

具体的，所述立杆15的两侧对称设有与隔板13相适配的立杆凹槽16，隔板13通过立杆凹槽16与立杆15可拆卸连接。相应的，立杆15及立杆凹槽16的高度与隔板13相适配。

所述试验筒体1与顶盖2之间设有密封圈(未显示)，以保证试验筒体1与顶盖2之间连接的紧密性，从而保证试验筒体1内部的气密性。

所述滤水层8的材质为透水石，也可以为其余滤水材料。使用的时候，将透水石均匀铺设于试验筒体1的内部底部，在试验筒体1的内部底部形成一层厚度均匀的滤水层即可，以用于模拟土层的过滤介质。

包括滤水导管17，排水口9通过滤水导管17与滤水量测量装置10相连通。当排水口9设有两个，且相对于试验筒体1的中心对称分布时，相应的，滤水导管17与滤水量测量装置10液分别有两个，也分别相对于试验筒体1的中心对称分布。试验过程中，成膜过程中滤失掉的水分通过滤水层8流入滤水导管17，最终收集在滤水量测量装置10中，通过滤水量大小也可以评判泥膜质量的好坏。

所述滤水量测量装置10可以为通用的测量装置，只要可以对滤水层8过滤后的滤水的量进行测量即可，本实施例中，滤水量测量装置10包括带计量刻度的滤水容器，例如，量筒、量杯等。

另外，本实施例中，试验筒体1的底部可设有支座18(如图7所示)，支座18的顶部为平面，支座18的底部为向上的弧面，安装的时候，支座18的顶部平面与试验筒体1的底部相连，对试验筒体1起到固定和支撑作用，同时弧面的底部也便于滤水导管17与滤水量测量装置10的安装。

本实施例中，所述的气压供给装置可以为压缩空气供给装置，例如，空气压缩机，只要可以利用压缩空气对试验筒体1进行加压即可，气压供给装置可以通过气体管道与进气口3相通。采用气压供给装置进行实施加压处理已经属于常规技术，此处就不再一一赘述。

本实施例中，进浆口6、溢流口7上分别设有用于开关的阀门，进气口3、排水口9上也可设有用于开关的阀门，或者在与进气口3、排水口9连接的管路上设有用于开关的阀门，此处就不再一一赘述。

本实施例中，试验筒体1的材质可以采用不锈钢合金金属，一方面防止实验中水土以及空气作用导致的锈蚀，以更好的满足试验精密度的要求，另一方面具有足够的承压能力，能保证在加气压条件下试验的顺利完成。

本实施例中，孔压传感器11与静态应变仪12可以电连接，例如，通过导线19使孔压传感器11与静态应变仪12连接。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种研究泥膜支护作用的试验方法，其特征在于：采用如下试验装置研究泥膜支护作用，所述试验装置包括试验筒体，试验筒体的顶部设有可打开或关闭的顶盖，顶盖上设有进气口和压力表，进气口连接有气压供给装置，试验筒体的侧壁上对称设有带刻度的视窗，试验筒体的侧壁上设有进浆口和位于进浆口下方的溢流口，试验筒体的内部底部设有滤水层，试验筒体的底部设有排水口，排水口连通有滤水量测量装置，并且，试验筒体的内部中心位置及试验筒体的内部侧壁上自上而下分别设有若干孔压传感器，所述孔压传感器连接有静态应变仪；试验筒体的内部可拆卸的设有竖直方向的隔板，所述隔板将试验筒体的内部空间对称分成两个试验空间，隔板的高度与溢流口的高度相适配；两个试验空间的试验筒体上分别对应设有进浆口、溢流口和排水口，进浆口、溢流口和排水口均相对于试验筒体的中心对称分布；

所述试验方法包括如下步骤：

a)打开试验筒体顶部的顶盖，将试验土样放入试验筒体内，对试验土样进行振捣、压实并使其达到试验所需的高度位置：首先，在试验筒体的内部可拆卸的设有竖直方向的隔板，通过隔板将试验筒体的内部空间对称分成两个试验空间，分别为试验空间A和试验空间B，隔板的高度与溢流口的高度相适配；其次，准备两份不同的试验土样，分别为试验土样A和试验土样B，打开试验筒体顶部的顶盖，将试验土样A放入试验筒体内的试验空间A内，对试验土样A进行振捣、压实并使其达到试验所需的高度位置；接着，将试验土样B放入试验筒体内的试验空间B内，并且边加入试验土样B边缓慢平缓的抽离出隔板，使试验土样B与试验土样A充分接触，并且对试验土样B进行振捣、压实并使其达到试验所需的高度位置，且实验土样A和试验土样B的高度齐平；

b)将试验用水加入试验筒体内以饱和试验筒体内的试验土样，试验土样饱和后，打开溢流口和排水口以排出多余水分，待水分排出完毕后，关闭溢流口和排水口；

c)将试验泥浆通过进浆口加入试验筒体内，使试验泥浆慢慢覆盖于试验土样上方，直至其达到试验所需的高度位置，关闭进浆口，盖上顶盖，打开进气口和气压供给装置，通过气压供给装置对试验筒体内部进行气体加压，打开排水口，并从加压时开始计时，记录不同时间的压力表数值及对应的滤水量测量装置测得的滤水量直至滤水量的增加值稳定，此时，试验筒体内泥膜已经形成，泥膜形成后，关闭进气口和气压供给装置，停止加压，关闭排水口，通过试验筒体上视窗的刻度记录泥膜的厚度；

d)泥膜形成稳定后，打开进气口和气压供给装置，继续对试验筒体进行气体加压，记录不同时间的压力表数值，并同时通过孔压传感器和静态应变仪记录孔隙水压力值；

e)关闭进气口和气压供给装置，打开进浆口，待试验筒体内的气压达到空气压后，打开顶盖，清除试验土样，清洗装置即可；由于试验过程中，泥浆是作用于泥膜上，因此可通过埋在土体里面的孔压传感器反映泥膜形成后土体中孔隙水压力的分布变化情况，以及没有形成实质性泥膜时土体中孔隙水压力的分布，比较此两种情况下的压力分布，即可从力的传递的角度探究出泥膜支护作用效果。

2.根据权利要求1所述的研究泥膜支护作用的试验方法，其特征在于：试验筒体的内部侧壁上对称设有筒体凹槽，隔板通过筒体凹槽与试验筒体可拆卸连接，其中一侧的筒体凹槽上自上而下均匀设有若干孔压传感器。

3.根据权利要求1所述的研究泥膜支护作用的试验方法，其特征在于：试验筒体的内部中心位置设有竖直方向的立杆，立杆上自上而下均匀设有若干孔压传感器。

4.根据权利要求1所述的研究泥膜支护作用的试验方法，其特征在于：所述试验筒体与顶盖之间设有密封圈。

5.根据权利要求1所述的研究泥膜支护作用的试验方法，其特征在于：还包括滤水导管，排水口通过滤水导管与滤水量测量装置相连通。

6.根据权利要求1所述的研究泥膜支护作用的试验方法，其特征在于：试验筒体的底部设有支座，支座的顶部为平面，支座的底部为向上的弧面。