CN111255471B - 多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，包括供水系统、压力气源、试验筒及设置在试验筒内的剪切杆、轴向加载装置、径向挤压环囊与试验仓压力传感器。试验筒可对土压平衡盾构机的土仓工作状态进行模拟，轴向加载装置用于模拟不同的盾构机顶推力，径向挤压环囊用于模拟螺旋输送机排土速度的变化，供水系统用于模拟不同地下水环境的水压力，改良剂添加系统用于渣土样改良试验。本发明可在水压与土压同步变化的情况下对土样的工作性进行综合测试，也有利于针对水压与土压对土样工作性的耦合影响进行研究。本发明的试验系统测得的土样工作性参数更加科学客观，更加符合下穿河海等特殊富水地层的盾构工程的实际工况。

Description

多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统
技术领域
本发明涉及盾构隧道工况模拟实验设备，尤其是一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统。
背景技术
在土压平衡盾构施工中试验仓渣土的工作性对盾构的安全快速掘进具有重要影响，为达到理想的工作性，通常需对不同的渣土进行改良优化。改良后渣土的工作性(即渣土改良性能)主要包括强度、变形和渗透性三个方面：具体为较低的强度以减少刀盘扭矩的负荷，降低刀盘磨损；适中的压缩变形特性以减少泥饼等的形成，提高施工速度；较低的渗透性以满足试验仓保压平衡掌子面土水压力的需要，特别是在富水地层中对高压水的抗渗涌性。如何科学测试评价渣土的工作性及改良优化效果对盾构安全高效施工及相关科学研究至关重要，而研发及提出合理的测试评价试验系统和方法则成为关键所在。
现有对渣土及改良体工作性的测试试验设备不同程度的存在一些缺陷：①用于强度、变形特性测试的主要为直剪仪、三轴仪和侧限压缩仪，但是对渣土而言当改良剂增加一定量后其流塑性增强，难以形成用于上述设备试验的塑状试样；②上述用于强度和变形参数的测试设备尺寸规格相对较小，难以适应盾构工程中频现的粗颗粒宽级配渣土土样的测试研究；③现有土体渗透测试设备主要在常水头或变水头下对渣土进行渗透性测试，但是对诸如下穿河、海底地层等富水性地层而言，通常面临几百千帕的高富水压力；同时，在富水性地层中盾构机试验仓中的水压与土压存在相互的耦合作用，对渣土的工作性产生影响，而现有渗透设备在渗透试验时一般不能对渣土施加土压，所得渣土工作性也将失去客观性。诸如中国专利201610365907.7公开了一种砂卵石地层土压平衡盾构掘进防喷涌实验装置和方法，该方案用千斤顶对土样施加土压，用伺服水泵对土样施加高水压，但不能同时对土样施加土压与水压，因此并并不适用于富水高水压的土压平衡盾构施工工况相关模拟研究。进一步而言，现有对渣土工作性测试主要以三个方面单独测试为主，难以同步测试得到强度、变形和渗透性三个指标，造成测试试验工作量的大量增加，与此同时，单独测试时受渣土制样等的误差影响所测渣土的初始状态未必相同。综上而言，解决上述问题最有效的途径无疑是开发设计一种可用于常高土、水压条件下满足同步测试渣土工作性及改良优化效果评价的综合测试评价试验系统。
发明内容
本发明目的在于提供一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，以解决背景技术中提出的问题。
一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，包括试验筒、固定板、活动板、透水垫一、透水垫二、剪切杆、剪切传动杆、轴向加载装置、轴向位移传感器、径向挤压环囊、试验仓压力传感器、水箱一、开关阀一、水压调节阀、气压调节阀二、流量控制阀与控制终端；
所述试验筒的轴向方向沿水平方向设置，试验筒轴向左端通过其封板封闭，试验筒轴向右端设有开口，右端开口通过可拆除的端盖封闭，所述固定板与活动板上均设有透水孔且两者的板面均沿竖直方向设置，固定板固定在试验筒内的左端，固定板与试验筒的封板之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成左容腔的间距一，活动板可活动的设置在试验筒内的右端，固定板与活动板之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成试验仓的间距二，活动板与试验筒端盖之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成右容腔的间距三，所述透水垫一用于隔设在固定板与试验仓内的土样之间，所述透水垫二用于隔设在活动板与试验仓内的土样之间；
所述试验筒的筒壁对应左容腔的顶部位置设置有用于连接所述水箱一的进水口，所述试验筒的筒壁对应右容腔的底部位置设置有出水口，所述试验筒的筒壁对应右容腔的顶部位置设置有可打开或关闭的阀门；
所述轴向加载装置包括设置用于沿试验筒轴向方向抵设在端盖与活动板之间的加压气缸，所述轴向位移传感器连接在活动板与端盖之间或者连接在活动板与加压气缸缸体之间或者连接在加压气缸活塞杆与加压气缸缸体之间；轴向位移传感器用于测量土样沿试验筒轴向方向的长度变化，进而计算土样的轴向变形；
轴向加载装置的加载力用于模拟盾构机的轴向顶推机构(即千斤顶)对土仓施加的顶推力；
所述试验筒的进水口通过进水管路连接有所述水箱一，所述进水管路上设置有所述开关阀一及用于调节试验仓进水压力的所述水压调节阀，所述加压气缸的进气管路上连接有用于调节加压气缸进气压力的所述气压调节阀二；
所述径向挤压环囊设置在试验仓中且位于土样外围，径向挤压环囊内部填充有流体压力介质，在流体压力介质的压力作用下，径向挤压环囊的外壁与试验仓内壁贴合，径向挤压环囊的内壁用于对土样施加径向的挤压力，所述径向挤压环囊的体积与厚度可随着充入的流体流量变化而变化，进而使土样的体积发生变化和/或使土样沿试验筒轴向方向的长度发生变化，以用于模拟盾构机螺旋输送机构的不同排土速度；
所述径向挤压环囊的流体输送管路上设置有用于控制进入径向挤压环囊内的流体压力介质流量的所述流量控制阀；
所述水压调节阀、气压调节阀二与流量控制阀均与所述控制终端(9)电连接，控制终端用于通过对水压调节阀、气压调节阀二与流量控制阀的电信号进行同步调节而使试验仓中的土样被施加同步变化的进水压力、轴向加载力与径向挤压力，即实现土压与水压的同步变化；
所述试验仓压力传感器设置在径向挤压环囊的内壁上，且所述试验仓压力传感器为沿试验筒轴向方向间距设置的若干个或若干组；试验仓压力传感器用于监测在不同的顶推力与不同的排土速度下，试验仓中的土样的孔隙水压力，进而用于结合轴向加载装置的加载力计算试验仓中的土样的有效应力；
所述土样的有效应力＝轴向加载装置的加载力－土样受到的渗透力；
试验仓压力传感器的作用主要是得出试验仓中水平方向的水力坡降，从而进行水平方向渗透力和渗透系数的推导计算，进而通过计算得出的渗透力可以计算出有效应力。
所述剪切传动杆的左端位于试验仓内，剪切传动杆的右端从左至右依次穿过透水垫二、活动板及端盖上设置的过孔后伸至试验筒外并与传动机构连接，所述剪切杆设置在试验仓内且与所述剪切传动杆连接，所述传动机构上设置有扭矩传感器；扭矩传感器用于测量计算不同的模拟工况下，即不同的模拟顶推力和/或不同的模拟排土速度下，土样的剪切强度变化情况。
所述轴向位移传感器、各个试验仓压力传感器以及扭矩传感器均与控制终端连接，控制终端用于接收轴向位移传感器、各个试验仓压力传感器以及扭矩传感器测得的位移、孔压力及扭矩的实时数据而便于后续的土样参数的计算。
所述试验仓压力传感器设置在试验仓内壁的与剪切传动杆处于同一水平面内的横向象限点位置，当所述试验仓压力传感器为沿试验筒轴向方向间距设置的若干组时，每一组试验仓压力传感器均包括分别设置在试验仓内壁横向象限点位置的横向传感器及分布于横向传感器上下方的一个或若干个竖向传感器，且同一组的若干个传感器均位于试验筒的同一径向平面内，所述竖向传感器用于在试验仓中与横向传感器形成一个高度差，进而对试验仓中不同竖向高度位置的土样的孔隙水压力进行对比测试。
进一步的，所述透水垫一与透水垫二均包括带孔的柔性渗流袋及填装在柔性渗流袋中的砂石。
进一步的，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括翻转装置，所述翻转装置设置在试验筒轴向一端底部，翻转装置用于将空试验筒沿竖直面内的逆时针方向转动90°而使试验筒的轴向方向由水平变为竖直，且右端开口朝上，以便于往试验仓内填充土样，翻转装置还用于将填充好土样的试验筒沿竖直面内的顺时针方向转动90°而使试验筒的轴向方向回复至水平，以便于进行试验。
进一步的，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括支撑架及设置在封板外侧的支撑脚，所述支撑架设置在翻转装置旁侧，支撑架用于在试验筒翻转至轴向趋近水平时支撑试验筒远离翻转装置的轴向另一端，支撑架顶部设置有与试验筒外侧壁匹配的凹陷支撑面，所述支撑脚用于在试验筒翻转至轴向趋近竖直时支撑试验筒，在试验筒翻转至轴向趋近水平进行试验时，所述支撑脚可折叠至与封板贴合或接近贴合的位置。
进一步的，所述加压气缸为呈中心对称式结构分布在剪切传动杆径向外围的m个，m为大于或等于2的整数，所述加压气缸的活塞杆位于活动板一端，加压气缸的缸体与端盖固定在一起，加压气缸缸体无杆腔一端的端壁与端盖一体设置，即加压气缸缸体无杆腔一端的端壁是端盖的一部分，加压气缸缸体的进气管路直接贯穿端盖通入无杆腔内。
进一步的，所述水箱一包括主箱体及与主箱体连通的用于观察水箱水量的水位监测管。
进一步的，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括电机、空气压缩机、储气罐、第一气路、气压调节阀一、第二气路、第三气路与气压调节阀三，所述电机用于连接驱动所述空气压缩机，所述储气罐入口与空气压缩机的出口连接，储气罐用于存储作为压力气源的压力气体，所述第一气路、第二气路与第三气路的一端并联连接到储气罐的出口，所述第一气路的另一端用于连接试验筒的进水管路，第二气路的另一端用于连接轴向加载装置的加压气缸，即作为所述加压气缸的进气管路，所述第三气路的另一端与径向挤压环囊连接以用于对所述径向挤压环囊提供流体充填所需的压力，所述气压调节阀一设置在第一气路上，气压调节阀二设置在第二气路上，气压调节三设置在第三气路上，气压调节阀一用于调节水箱的供水压力，气压调节阀二用于调节轴向加载装置的加压气缸的进气压力，气压调节阀三用于调节径向挤压环囊的流体充填压力。
进一步的，所述径向挤压环囊中的流体压力介质为水，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括水箱二，所述流量控制阀包括开关阀二与电磁比例流量阀，水箱二的出水口与径向挤压环囊连接，所述开关阀二与电磁比例流量阀设置在水箱二与径向挤压环囊之间的连接管路上，电磁比例流量阀用于控制径向挤压环囊中充入的水的流量而调节径向挤压环囊的体积，进而改变径向挤压力的大小，开关阀二用于在径向挤压环囊中充入的水量达到某一设定值时，通过开关阀二立即停止向径向挤压环囊充水而使径向挤压环囊的体积保持在某一个固定的值，所述第三气路的另一端连接水箱二的入口。
进一步的，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括改良剂添加系统，所述改良剂添加系统包括改良剂发生装置及改良剂输送管路，所述改良剂输送管路入口端与改良剂发生装置连接，出口端穿过试验筒侧壁后伸入试验仓内或者依次穿过端盖与活动板后伸入试验仓内，改良剂输送管路用于往填充好渣土的试验仓内注入改良剂，所述剪切杆还用于对试验仓中的渣土与改良剂进行搅拌混合。
进一步的，所述水压调节阀、气压调节阀一、气压调节阀二与气压调节阀三均采用电磁比例减压阀，所述开关阀一与开关阀二均采用电磁式的开关阀，所述水压调节阀、气压调节阀一、气压调节阀二、气压调节阀三与开关阀一均由控制终端电连接控制，所述开关阀二与电磁比例流量阀也由所述控制终端电连接控制。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明提出了一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，本发明将用于充填土样的试验仓水平设置，可最大程度的对土压平衡盾构机的土仓进行模拟。
本发明设置了轴向加载装置用于模拟土压平衡盾构机的轴向顶推机构对土仓施加的不同顶推力，通过该不同的轴向顶推力，对土样传递不同的轴向土压。
本发明在水平设置的试验仓中设置了体积可以变化的径向挤压环囊，用于模拟土压平衡盾构机的螺旋输送机构排土速度的变化，使得本发明的试验系统可以模拟排土速度与轴向顶推力中任意一项发生变化或者二者同时变化时的工况，并在模拟工况下对土样的工作性进行测试，将排土速度与轴向顶推力中任意一项发生变化时的工况的模拟与同时变化时的工况的模拟进行对比，还可以对针土压平衡盾构机的排土速度与轴向顶推力对渣土工作性的耦合影响进行研究。
与现有的渗透试验设备中水压及土压各自独立变化不同的是，本发明通过将轴向加载装置、供水系统及径向挤压环囊与同一个控制终端连接，同步对进水压力、轴向加载力和径向进水压力进行反馈控制，实现了土压和水压的同步自动化变化情况下对土样工作性的测试试验。配置的改良剂添加系统降低了预制改良土样对试验结果的误差影响概率，可动态监测改良优化过程中土样的工作性改良性能和效果。综合而言，本发明的试验系统测得的土样工作性参数更加全面、客观和科学，更加符合下穿河、海底地层等富水环境的土压平衡盾构土仓渣土的工作性测试模拟研究。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的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是本发明优选实施例的多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统的整体原理图；
图2是本发明优选实施例的多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统的试验筒主视剖面结构图；
图3是本发明优选实施例的多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统的带内部结构的试验筒翻转至竖直位置的立体结构图(后视方向)；
图4是本发明优选实施例的多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统的剪切杆结构图；
图5是基于本发明优选实施例的多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统的试验方法的土体抗剪强度参数推导原理图。
图中：1-试验筒，11-封板，12-端盖，13-透水孔，14-左容腔，15-试验仓，16-右容腔，17-进水口，18-出水口，19-阀门，21-固定板，22-活动板，23-透水垫一，24-透水垫二，25-翻转装置，26-支撑架，260-凹陷支撑面，27-支撑脚，31-电机，32-空气压缩机，33-储气罐，34-第一气路，35-气压调节阀一，36-第二气路，37-气压调节阀二，38-第三气路，39-气压调节阀三，4-剪切杆，41-剪切传动杆，42-扭矩传感器，5-轴向加载装置，51-加压气缸，52-轴向位移传感器，6-径向挤压环囊，60-试验仓压力传感器，61-横向传感器，62-竖向传感器，71-改良剂发生装置，72-改良剂输送管路，73-出口端，81-水箱一，810-主箱体，811-水位监测管，82-开关阀一，83-水压调节阀，84-水箱二，85-开关阀二，86-电磁比例流量阀，9-控制终端。
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，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1～图4的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，包括供水系统、试验筒1、固定板21、活动板22、透水垫一23、透水垫二24、剪切杆4、剪切传动杆41、轴向加载装置5、轴向位移传感器52、径向挤压环囊6与试验仓压力传感器60；
试验筒的轴向方向沿水平方向设置，试验筒轴向左端通过其封板11封闭，试验筒轴向右端设有开口，右端开口通过其端盖12封闭，且端盖可从右端开口拆除，固定板与活动板上均设有透水孔13且两者的板面均沿竖直方向设置，固定板固定在试验筒内的左端，固定板与试验筒的封板之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成左容腔14的间距一，活动板可活动的设置在试验筒内的右端，固定板与活动板之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成试验仓15的间距二，活动板与试验筒端盖之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成右容腔16的间距三，所述透水垫一用于隔设在固定板与试验仓内部的土样之间，所述透水垫二用于隔设在活动板与试验仓内部的土样之间；
试验筒的筒壁对应左容腔的顶部位置设置有用于连接供水系统的进水口17，试验筒的筒壁对应右容腔的底部位置设置有出水口18，所述试验筒的筒壁对应右容腔的顶部位置设置有可打开或关闭的阀门19，阀门可作为排气口、进气口、进水口、或排水口；
轴向加载装置包括设置用于沿试验筒轴向方向抵设在端盖与活动板之间的加压气缸51，本实施例中，轴向位移传感器连接在活动板与端盖之间；轴向位移传感器用于测量土样沿试验筒轴向方向的长度变化x，进而计算土样的轴向变形；
轴向加载装置的加载力用于模拟盾构机的千斤顶对土仓施加的顶推力；
本实施例中，供水系统包括水箱一81、开关阀一82与水压调节阀83，水箱一的出水口与试验筒的进水口17连接，开关阀一与水压调节阀设置在水箱一与试验筒进水口之间的连接管路上(即所述进水管路)。
本实施例中，轴向加载装置的加压气缸为呈中心对称式分布在剪切传动杆径向外围的四个，所述加压气缸的活塞杆位于活动板一端，加压气缸的缸体与端盖固定在一起，加压气缸缸体无杆腔一端的端壁与端盖一体设置，即加压气缸缸体无杆腔一端的端壁是端盖的一部分，加压气缸缸体的进气管路直接贯穿端盖通入无杆腔内。
径向挤压环囊设置在试验仓中且位于土样外围，径向挤压环囊内部填充有水，在水压力作用下，径向挤压环囊的外壁与试验仓内壁贴合，径向挤压环囊的内壁用于对土样施加径向的挤压力，径向挤压环囊的体积与厚度可随着充入的流体流量变化而变化，进而使土样的体积发生变化和/或使土样沿试验筒轴向方向的长度发生变化，以用于模拟盾构机螺旋输送机构的不同排土速度；
参见图1，本实施例中，径向挤压环囊的流体充填压力来源于所述水箱一与所述轴向加载装置共同连接的压力气源；
剪切传动杆的左端位于试验仓内，剪切传动杆的右端从左至右依次穿过透水垫二、活动板及端盖上设置的过孔后伸至试验筒外并与传动机构连接，剪切杆4设置在试验仓内且与剪切传动杆连接，传动机构上设置有扭矩传感器42；扭矩传感器用于测量计算不同的工况下，即不同的模拟顶推力和/或不同的模拟排土速度下，土样的剪切强度变化情况，具体的，土样的剪切强度τ采用式1计算：
Figure GDA0002708486720000081
其中，M为所述扭矩传感器测得的由传动机构施加给剪切传动杆的扭矩，a为剪切杆的横向尺寸，参见图4，θ为剪切杆与剪切传动杆之间的夹角，H为剪切杆的长度乘以θ角的正弦值，L为剪切杆的长度乘以θ角的余弦值；
所述试验仓压力传感器设置在径向挤压环囊的内壁上，且所述试验仓压力传感器为沿试验筒轴向方向间距设置的4组；试验仓压力传感器用于检测在不同的顶推力与不同的排土速度下，试验仓中的土样的孔隙水压力，进而用于结合轴向加载装置的加载力P计算试验仓中的土样的有效应力σ′，本实施例中，土样的有效应力σ′采用式2计算：
Figure GDA0002708486720000082
式2所示的等式右边第一项多项式为轴向加载装置的加载力，第二项多项式为土样所受的渗透力。
其中，d为试验仓内径，h0为加载前土样的轴向初始长度尺寸，x为土样沿试验筒轴向方向的长度变化量，Qh为径向挤压环囊的充水体积，S为相邻两个试验仓压力传感器沿试验筒轴向方向的间距，n为试验仓压力传感器的个数或组数，P′n为第n个或第n组试验仓压力传感器测得的孔隙水压力；本实施例中，有四个加压气缸(即m＝4)，加载力P为四个加压气缸的加载力之和。
本实施例中，每一组试验仓压力传感器60均包括分别设置在试验仓内壁横向象限点位置的一个横向传感器61及分布于横向传感器下方的一个竖向传感器62，且同一组的两个传感器的中心点均位于试验筒的同一径向平面内，竖向传感器用于在试验仓中与横向传感器形成一个高度差，进而对试验仓中不同竖向高度位置的土样的孔隙水压力进行对比测试。
本实施例中，透水垫一与透水垫二均包括带孔的柔性渗流袋及填装在柔性渗流袋中的砂石，每次试验之前，在土样两端各放置一袋装有砂石的柔性渗流袋，再铺推平整即可，试验结束之后，只需提起柔性渗流袋，即可移除砂石，避免每次铺装散装砂石的繁复工作，且可加快试验进度，避免土样中的改良剂在测试工作开始之前就进入衰减状态，提高试验数据的精确度。
本实施例的多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括翻转装置25，所述翻转装置设置在试验筒轴向一端底部，翻转装置用于将空试验筒沿竖直面内的逆时针方向转动90°而使试验筒的轴向方向由水平变为竖直，且右端开口朝上，以便于往试验仓内填充土样，翻转装置还用于将填充好土样的试验筒沿竖直面内的顺时针方向转动90°而使试验筒的轴向方向回复至水平，以便于进行试验。
本实施例中，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括支撑架26及设置在封板外侧的支撑脚27，所述支撑架设置在翻转装置旁侧，支撑架用于在试验筒翻转至轴向趋近水平时支撑试验筒远离翻转装置的轴向另一端，支撑架顶部设置有与试验筒圆柱形外侧壁匹配的圆弧状的凹陷支撑面260，支撑脚用于在试验筒翻转至轴向趋近竖直时支撑试验筒，而在试验筒翻转至轴向趋近水平进行试验时，支撑脚可折叠至与封板贴合或接近贴合的位置。
本实施例中，所述水箱一81包括主箱体810及底部与主箱体连通的用于观察水箱水量的水位监测管811，所述水箱一的出水口设置在主箱体底部，主箱体与水位监测管顶部通过管路并联连接到压力气源。
本实施例中，压力气源包括电机31、空气压缩机32、储气罐33、第一气路34、气压调节阀一35、第二气路36、气压调节阀二37、第三气路38与气压调节阀三39，电机用于连接驱动空气压缩机，储气罐入口与空气压缩机的出口连接，储气罐用于存储压力气体，第一气路、第二气路与第三气路的一端均连接到储气罐的出口，第一气路另一端连接水箱一的入口，第二气路另一端连接轴向加载装置的加压气缸，第三气路的另一端与径向挤压环囊连接以用于对径向挤压环囊提供流体充填所需的压力，气压调节阀一设置在第一气路上，气压调节阀二设置在第二气路上，气压调节三设置在第三气路上，气压调节阀一用于调节水箱一的供水压力，气压调节阀二用于调节轴向加载装置的加压气缸的进气压力，气压调节阀三用于调节径向挤压环囊的流体充填压力。
本实施例中，径向挤压环囊中的流体压力介质为水，供水系统还包括水箱二84、开关阀二85与电磁比例流量阀86，水箱二的出水口与径向挤压环囊连接，开关阀二与电磁比例流量阀设置在水箱二与径向挤压环囊的入口之间的连接管路上，电磁比例流量阀用于控制径向挤压环囊中充入的水的流量而调节径向挤压环囊的体积，进而改变径向挤压力的大小，模拟不断变化的排土速度，开关阀二用于在径向挤压环囊中充入的水量达到某一设定值时，通过开关阀二停止向径向挤压环囊充水而使径向挤压环囊的体积保持在某一个固定的值，模拟固定的排土速度，本实施例中，第三气路的另一端连接水箱二的入口。
本实施例中，径向挤压环囊还设有通至试验筒外的出口(图中未示出)，该出口也设置有用于控制径向径向挤压环囊出水流量的电磁式的比例流量阀(图中未示出)及用于关闭或开启出口的电磁式开关阀(图中未示出)。
本实施例的多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括改良剂添加系统，所述改良剂添加系统包括改良剂发生装置71及改良剂输送管路72，所述改良剂输送管路入口端与改良剂发生装置连接，改良剂输送管路设置有多个沿试验筒轴向方向间距分布的出口端73，各个出口端穿过试验筒侧壁与径向挤压环囊上设置的孔后伸入试验仓内，改良剂输送管路用于往填充好渣土的试验仓内注入改良剂，剪切杆还可用于对试验仓中的渣土与改良剂进行搅拌混合。
由于改良剂与渣土混合后衰减较快，将改良剂在土样填充好之后再注入试验仓内，可为后续土样的工作性测试争取更多的时间，使得试验测试结构更精准，另外，本发明中剪切传动杆末端连接的若干个剪切杆除可测试土样强度外，还可作为改良剂的搅拌工具，非常便捷。
本实施例中，水压调节阀、气压调节阀一、气压调节阀二与气压调节阀三均采用电磁比例减压阀，所述开关阀一与开关阀二均采用电磁式的开关阀，本实施例的多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括控制终端9，轴向位移传感器、各个试验仓压力传感器以及扭矩传感器均与控制终端连接，轴向位移传感器、各个试验仓压力传感器扭矩传感器分别将测得的实时的位移数据、压力数据与扭矩数据传送给控制终端而便于控制终端对土样的与工作性相关的参数进行计算。
水压调节阀、气压调节阀一、气压调节阀二、气压调节阀三与开关阀一也由控制终端电连接控制；控制终端通过调节控制水压调节阀的出口水压力而调节水箱一对试验筒中的土样提供的水压，控制终端通过调节气压调节阀一的出口气压而调节压力气源对水箱一提供的压力，控制终端通过调节气压调节阀二的出口气压而调节加压气缸的加载力，控制终端通过调节气压调节阀三的出口气压而调节压力气源对水箱二提供的压力。
本实施例中，所述开关阀二与电磁比例流量阀也与控制终端电连接。
基于本实施例的多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统的实验方法，包括在以下三种模拟工况中的任意一种中对土样的工作性进行测试，三种模拟工况具体为：
模拟工况一，控制径向挤压环囊中流体压力介质的体积不变，改变轴向加载装置的加压气缸的进气压力，模拟轴向顶推机构对盾构机土仓施加不同的顶推力，在该模拟工况下对土样的工作性进行测试；
模拟工况二，保持轴向加载装置的加压气缸的进气压力不变，改变径向挤压环囊中流体压力介质的体积大小，模拟盾构机的螺旋输送机构排土速度变化，在该模拟工况下对土样的工作性进行测试；
模拟工况三，使轴向加载装置的加压气缸的进气压力与径向挤压环囊中流体压力介质的体积同步变化，模拟盾构机的顶推力与螺旋输送机构排土速度同步变化，在该模拟工况下对土样的工作性进行测试；
所述土样的工作性测试包括土样的渗透性、土样的剪切强度τ与土样的变形特性中的任意一项或多项测试。
所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验方法还包括在所述三种模拟工况中，通过试验筒的进水口对试验仓中的土样施加不同压力的水流，即施加不同的水压，同步测试土样的渗透特性并应用于有效应力σ'和有效强度参数的计算；
所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验方法还包括对一份土样在上述任意一种模拟工况中的工作性测试结束后，通过改良剂添加系统对同一份土样添加改良剂而进行改良优化，再对改良后的土样进行上述任意一种模拟工况试验，以测得同一份土样改良前后的工作性变化试验数据，用于改良方法的评价对比。
土样的渗透性测试包括采用式3计算土样的渗透系数KT：
Figure GDA0002708486720000111
其中，ρw为水的密度，t为渗透时间，Q为时间t内的渗水量，g为重力加速度。
土样的变形特性测试包括采用式4计算土样的孔隙率e及用式5计算土样的压缩模量E0
Figure GDA0002708486720000112
由于渣土的渗透特性和渣土的孔隙率有关，因此，孔隙率e可以用于研究渣土的渗透与孔隙率之间的实时变化关系。现有技术中大多不考虑渗透过程中渣土的孔隙率变化，在不加土压的情况下基本合适，但是在有土压，有土样有变形时，测算土样的孔隙率是很有意义的。
Figure GDA0002708486720000121
其中，w为改良前的渣土土样含水率，m为改良前的渣土土样质量，ρs为改良前的渣土土样的颗粒密度。
土样的强度测试包括通过土样在任意两种模拟工况下测算得到土样的摩擦角
Figure GDA0002708486720000122
及土样的内聚力c，参照图5的示意图，并采用式6计算土样的摩擦角
Figure GDA0002708486720000123
用式7计算土样的内聚力c：
Figure GDA0002708486720000124
Figure GDA0002708486720000125
τ1、τ2为试验过程中两个采集数据时刻或任意两种模拟工况下通过式1测算得到的土样强度，σ′1、σ′2为试验过程中两个采集数据时刻或任意两种模拟工况下通过式2测算得到的土样的有效应力。
应当指出的是，本发明为了便于描述，将试验筒的水平轴向两端定义为左右方向，实际的左右方向是可以互换的，因此，本发明中对于试验筒左右两端方向的定义并不构成对本发明保护范围的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (10)

1.一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，包括试验筒(1)、固定板(21)、活动板(22)、透水垫一(23)、透水垫二(24)、剪切杆(4)、剪切传动杆(41)、轴向加载装置(5)、轴向位移传感器(52)、径向挤压环囊(6)、试验仓压力传感器(60)、水压调节阀(83)、气压调节阀二(37)、流量控制阀与控制终端(9)；
所述试验筒的轴向方向沿水平方向设置，试验筒轴向左端通过其封板(11)封闭，试验筒轴向右端设有开口，右端开口通过可拆除的端盖(12)封闭，所述固定板与活动板上均设有透水孔(13)且两者的板面均沿竖直方向设置，固定板固定在试验筒内的左端，固定板与试验筒的封板之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成左容腔(14)的间距一，活动板可活动的设置在试验筒内的右端，固定板与活动板之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成试验仓(15)的间距二，活动板与试验筒端盖之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成右容腔(16)的间距三，所述透水垫一用于隔设在固定板与试验仓内的土样之间，所述透水垫二用于隔设在活动板与试验仓内的土样之间；
所述轴向加载装置包括设置用于沿试验筒轴向方向抵设在端盖与活动板之间的加压气缸(51)，所述轴向位移传感器连接在活动板与端盖之间或者连接在活动板与加压气缸缸体之间或者连接在加压气缸活塞杆与加压气缸缸体之间；轴向位移传感器用于测量土样沿试验筒轴向方向的长度变化，进而计算土样的轴向变形；轴向加载装置的加载力用于模拟盾构机的轴向顶推机构对土仓施加的顶推力；
所述试验筒的筒壁对应左容腔的顶部位置设置有进水口(17)，所述试验筒的进水口连接有进水管路，试验筒的进水管路上设置有用于调节试验仓进水压力的所述水压调节阀，所述加压气缸的进气管路上连接有用于调节加压气缸进气压力的所述气压调节阀二；
所述径向挤压环囊设置在试验仓中且位于土样外围，径向挤压环囊内部填充有流体压力介质，在流体压力介质的压力作用下，径向挤压环囊的外壁与试验仓内壁贴合，径向挤压环囊的内壁用于对土样施加径向的挤压力，所述径向挤压环囊的体积与厚度可随着充入的流体流量变化而变化，进而使土样的体积发生变化，以用于模拟盾构机螺旋输送机构的不同排土速度；
所述径向挤压环囊的流体输送管路上设置有用于控制进入径向挤压环囊内的流体压力介质流量的所述流量控制阀；
所述水压调节阀、气压调节阀二与流量控制阀均与所述控制终端(9)电连接，控制终端用于通过对水压调节阀、气压调节阀二与流量控制阀的电信号进行同步调节而使试验仓中的土样被施加同步变化的进水压力、轴向加载力与径向挤压力，即实现土压与水压的同步变化；
所述试验仓压力传感器设置在径向挤压环囊的内壁上，且所述试验仓压力传感器为沿试验筒轴向方向间距设置的若干个或若干组；试验仓压力传感器用于监测在不同的顶推力与不同的排土速度下，试验仓中的土样的孔隙水压力，进而用于结合轴向加载装置的加载力计算试验仓中的土样的有效应力；
所述剪切传动杆的左端位于试验仓内，剪切传动杆的右端从左至右依次穿过透水垫二、活动板及端盖上设置的过孔后伸至试验筒外并与传动机构连接，所述剪切杆设置在试验仓内且与所述剪切传动杆连接，所述传动机构上设置有扭矩传感器(42)；扭矩传感器用于测量计算不同的模拟工况下，即不同的模拟顶推力和/或不同的模拟排土速度下，土样的剪切强度变化情况。
2.根据权利要求1所述的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括电机(31)、空气压缩机(32)、储气罐(33)、第一气路(34)、气压调节阀一(35)、第二气路(36)、第三气路(38)与气压调节阀三(39)，所述电机用于连接驱动所述空气压缩机，所述储气罐入口与空气压缩机的出口连接，储气罐用于存储压力气体，所述第一气路、第二气路与第三气路的一端均连接到储气罐的出口，所述第一气路的另一端用于连接试验筒的进水管路，第二气路的另一端用于连接轴向加载装置的加压气缸，即作为所述加压气缸的进气管路，所述第三气路的另一端用于对所述径向挤压环囊提供流体充填所需的压力，所述气压调节阀一设置在第一气路上，气压调节阀二设置在第二气路上，气压调节阀三设置在第三气路上，气压调节阀一用于调节水箱一的供水压力，气压调节阀二用于调节轴向加载装置的加压气缸的进气压力，气压调节阀三用于调节径向挤压环囊的流体充填压力。
3.根据权利要求2所述的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，所述径向挤压环囊中的流体压力介质为水，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括水箱二(84)，所述流量控制阀包括开关阀二(85)与电磁比例流量阀(86)，水箱二的出水口与径向挤压环囊连接，所述开关阀二与电磁比例流量阀设置在水箱二与径向挤压环囊之间的连接管路上，电磁比例流量阀用于控制径向挤压环囊中充入的水的流量而调节径向挤压环囊的体积，进而改变径向挤压力的大小，开关阀二用于在径向挤压环囊中充入的水量达到某一设定值时，通过开关阀二停止向径向挤压环囊充水而使径向挤压环囊的体积保持在某一个固定的值，所述第三气路连接水箱二的入口。
4.根据权利要求3所述的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，所述水压调节阀、气压调节阀一、气压调节阀二与气压调节阀三均采用电磁比例减压阀，所述开关阀二采用电磁式的开关阀，所述水压调节阀、气压调节阀一、气压调节阀二、气压调节阀三与开关阀一均由所述控制终端电连接控制，所述开关阀二与电磁比例流量阀也由所述控制终端电连接控制。
5.根据权利要求1所述的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括翻转装置(25)，所述翻转装置设置在试验筒轴向一端底部，翻转装置用于将空试验筒沿竖直面内的逆时针方向转动90°而使试验筒的轴向方向由水平变为竖直，且右端开口朝上，以便于往试验仓内填充土样，翻转装置还用于将填充好土样的试验筒沿竖直面内的顺时针方向转动90°而使试验筒的轴向方向回复至水平，以便于进行试验。
6.根据权利要求5所述的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括支撑架(26)及设置在封板外侧的支撑脚(27)，所述支撑架设置在翻转装置旁侧，支撑架用于在试验筒翻转至轴向趋近水平时支撑试验筒远离翻转装置的轴向另一端，支撑架顶部设置有与试验筒外侧壁匹配的凹陷支撑面(260)，所述支撑脚用于在试验筒翻转至轴向趋近竖直时支撑试验筒，在试验筒翻转至轴向趋近水平进行试验时，所述支撑脚可折叠至与封板贴合或接近贴合的位置。
7.根据权利要求1所述的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，所述试验仓压力传感器(60)设置在试验仓内壁的与剪切传动杆处于同一水平面内的横向象限点位置，当所述试验仓压力传感器为沿试验筒轴向方向间距设置的若干组时，每一组试验仓压力传感器均包括分别设置在试验仓内壁横向象限点位置的横向传感器(61)及分布于横向传感器上下方的一个或若干个竖向传感器(62)，且同一组的若干个传感器均位于试验筒的同一径向平面内。
8.根据权利要求1所述的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，所述透水垫一与透水垫二均包括带孔的柔性渗流袋及填装在柔性渗流袋中的砂石。
9.根据权利要求1所述的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，所述加压气缸为呈中心对称式结构分布在剪切传动杆径向外围的m个，m为大于或等于2的整数，所述加压气缸的活塞杆位于活动板一端，加压气缸的缸体与端盖固定在一起，加压气缸缸体无杆腔一端的端壁与端盖一体设置，即加压气缸缸体无杆腔一端的端壁是端盖的一部分，加压气缸缸体的进气管路直接贯穿端盖通入无杆腔内。
10.根据权利要求1～9中任意一项所述的一种多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统，其特征在于，所述多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统还包括改良剂添加系统，所述改良剂添加系统包括改良剂发生装置(71)及改良剂输送管路(72)，所述改良剂输送管路入口端与改良剂发生装置连接，出口端(73)穿过试验筒侧壁后伸入试验仓内或者依次穿过端盖与活动板后伸入试验仓内，改良剂输送管路用于往填充好渣土的试验仓内注入改良剂，所述剪切杆还用于对试验仓中的渣土与改良剂进行搅拌混合。
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