CN115901303A - 一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，属于盾构隧道渣土改良技术领域，解决了现有渣土改良试验无法真实模拟改良剂注入过程的问题，其包括试样模拟装置和改良剂反应装置，试样模拟装置上方设置有为所述试样模拟装置施加地应力的加载装置，改良剂反应装置包括泡沫剂反应装置和膨润土泥浆反应装置，泡沫剂反应装置和膨润土泥浆反应装置通过改良剂注入装置混合后注入试样模拟装置内，试样模拟装置下方设置有稳定水流压力的水压控制装置。本发明的试验装置中采用改良剂注入装置模拟改良剂注入过程，采用加载系统，对土体试样进行加载，模拟渣土真实赋存条件下的水土压力，并测试不同水土压力下渣土发生喷涌的临界水压力。

Description

一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置

技术领域

本发明涉及盾构隧道渣土改良技术领域，具体涉及一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置。

背景技术

盾构法因其适应性强、施工高效、机械化程度高等优点被广泛应用到地铁的修建中来。高水压条件下土压平衡盾构在砂层中掘进时，由于砂土胶结强度低、自稳能力差、渗透性高等特点，在施工过程中极易发生喷涌现象，往往需要添加改良剂对渣土进行改良。

现阶段渣土改良试验主要存在以下几个缺陷：

(1)直接将改良剂与渣土进行拌合，无法真实模拟改良剂注入过程；

(2)渣土在土仓以及螺旋出土器中均受到一定水土压力，现阶段都忽略了水土压力对土体的影响。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，解决了现有渣土改良试验无法真实模拟改良剂注入过程的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其包括试样模拟装置和改良剂反应装置，试样模拟装置上方设置有为试样模拟装置施加地应力的加载装置，改良剂反应装置包括泡沫剂反应装置和膨润土泥浆反应装置，泡沫剂反应装置和膨润土泥浆反应装置通过改良剂注入装置混合后注入试样模拟装置内，试样模拟装置下方设置有稳定水流压力的水压控制装置。

本发明的试验装置中采用改良剂注入装置模拟改良剂注入过程，采用加载系统，对土体试样进行加载，模拟渣土真实赋存条件下的水土压力，并测试不同水土压力下渣土发生喷涌的临界水压力。

进一步地，试样模拟装置包括内置土体试样的呈圆桶状且透明的土体试样仓，土体试样仓的开口处活动设置有上盖板，上盖板上开设有出口，土体试样仓的底板上开设有进口，进口分别与水压控制装置和改良剂注入装置相连通。

本方案中，土体试样仓呈圆桶状且透明，采用上述方案，透明状的土体试样仓可直观观测到改良剂的注入过程以及扩散情况，在喷涌试验中，还可以观察到水流的渗透过程。

进一步地，土体试样仓内的底板上设置有金属孔板，金属孔板的上表面设置有滤网。

本方案中，底板上设置有金属孔板和滤网，采用上述方案，金属孔板可以对进口接受的水流和改良剂的混合物通过金属孔板的通孔进行分流，防止压力集中与进口，滤网可防止土体试样堵塞进口。

进一步地，加载装置包括三块支撑板，三块支撑板通过支撑柱相连，位于最下方的支撑板上开设有凹槽，土体试样仓内的底板嵌入所述凹槽内，底板上的进口穿过凹槽分别与水压控制装置和改良剂注入装置相连通，位于中间的支撑板上开设有通孔，土体试样仓的顶部嵌入通孔内。

本方案中，加载装置包括三块通过支撑柱相连的支撑板，采用上述方案，中下两块支撑板用以确定并固定土体试样仓，通过最上层的支撑板为加载装置提供反向的作用力，使加载装置对土体试样仓进行加载。

进一步地，加载装置还包括液压千斤顶，液压千斤顶的一端安装于上盖板上，液压千斤顶的另一端与位于最上层的支撑板相连。

本方案中，加载装置还包括液压千斤顶，采用上述方案，通过液压千斤顶对土体试样进行加载，模拟渣土真实赋存条件下的水土压力。

进一步地，液压千斤顶与位于最上层的支撑板之间设置有压力测量仪，压力测量仪与压力显示仪电性相连。

本方案中，液压千斤顶与支撑板之间设置有压力测量仪，采用上述方案，可以实时监控液压千斤顶加载的压力。

进一步地，改良剂注入装置包括气动注浆泵，气动注浆泵分别与膨润土泥浆反应装置和混合器连通，混合器分别与泡沫剂反应装置和进口连通。

本方案中，改良剂注入装置包括气动注浆泵和混合器，采用上述方案，气动注浆泵提供抽取膨润土泥浆的动力，将膨润土泥浆送入混合器中，混合器可实现对泡沫剂以及膨润土泥浆的混合。

进一步地，泡沫剂反应装置包括泡沫反应仓，泡沫反应仓分别与空气压缩机、水箱和混合器连通，泡沫反应仓上开设有注入口，注入口安装有分液漏斗，用以注入改良剂，空气压缩机上设置有气压调节阀，泡沫反应仓内设置有大叶片搅拌棒。

本方案中，泡沫剂反应装置包括泡沫反应仓，采用上述方案，分液漏斗可实现活性剂、稳定剂以及水的精准添加，叶片搅拌棒可对泡沫剂进行搅拌混合，气压调节阀可调节空气压缩机的空气压力，最后将泡沫剂送入混合器内。

进一步地，膨润土泥浆反应装置包括盛有膨润土泥浆的搅拌桶，搅拌桶上设置有搅拌机，搅拌桶与气动注浆泵连通。

本方案中，膨润土泥浆反应装置包括搅拌桶和搅拌机，采用上述方案，搅拌机可以对搅拌桶内的膨润土泥浆进行实时搅拌，防止膨润土泥浆出现沉积等现象。

进一步地，水压控制装置包括储水槽，储水槽内置有增压泵，增压泵通过管道与进口连通，管道上设置有稳压装置。

本方案中，增压泵可以提供一定的水压，采用稳压装置，稳定增压泵提供的水压，稳定水流。

本发明公开了一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其有益效果为：

本发明中的试样模拟装置提供试验场所，将试样模拟装置安装于加载装置上模拟土真实赋存条件下的水土压力，改良剂注入装置，模拟了渣土改良剂的注入过程，相比于以往试验中采用拌合的方式，该试验更接近实际施工情况，并测试不同水土压力下渣土发生喷涌的临界水压力。

附图说明

图1为本发明的一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置的结构示意图。

图2为本发明的试样模拟装置和加载装置的结构示意图。

图3为本发明的改良剂反应装置和改良剂注入装置的结构示意图。

图4为本发明的水压控制装置的结构示意图。

其中，1、试样模拟装置；11、土体试样仓；12、上盖板；13、底板；14、金属孔板；15、滤网；16、进口；17、出口；2、加载装置；21、液压千斤顶；22、压力测量仪；23、支撑柱；24、支撑板；25、凹槽；26、压力显示仪；3、改良剂反应装置；4、泡沫剂反应装置；41、泡沫反应仓；42、表面活性剂；43、稳定剂；44、水箱；45、空气压缩机；451、气压调节阀；46、大叶片搅拌棒；5、膨润土泥浆反应装置；51、搅拌桶；52、搅拌机6、改良剂注入装置；61、气动注浆泵；62、混合器；7、水压控制装置；71、储水槽；72、增压泵；73、稳压装置。

具体实施方式

面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

参考图1和图4为本实施例的一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，目的是解决现有渣土改良试验无法真实模拟改良剂注入过程的问题，下面将对本实施例中各部件的具体结构进行详细描述。

一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其包括试样模拟装置1和改良剂反应装置3，试样模拟装置1上方设置有为试样模拟装置1施加地应力的加载装置2。

具体的，试样模拟装置1安装在加载装置2内，加载装置2对试样模拟装置1施加地应力以模拟渣土在土仓以及螺旋出土器中所受到的水土压力，解决现阶段的渣土改良试验都忽略了水土压力对土体的影响。

改良剂反应装置3包括泡沫剂反应装置4和膨润土泥浆反应装置5，泡沫剂反应装置4和膨润土泥浆反应装置5通过改良剂注入装置6混合后注入试样模拟装置1内。

本实施例中，改良剂注入装置6将改良剂反应装置3中产生的改良剂送入试验中的试样模拟装置1内，真实模拟改良剂的注入过程，解决现有试验中直接将改良剂与渣土进行拌合，无法真实模拟改良剂注入过程。

试样模拟装置1下方设置有稳定水流压力的水压控制装置7，水压控制装置7包括储水槽71，储水槽71内置有增压泵72，增压泵72通过管道与进口16连通，管道上设置有稳压装置73。

本实施例中，增压泵72可以提供一定大小的水压，稳压装置73稳定增压泵72输出的水压，起到稳定水流压力的作用，稳压装置73可采用现有的水压监测仪以及水压调节阀，可以对水流压力进行实时监测和调节，其中，水压调节阀的具体型号为WVFX25-003N4105，水压监测仪的具体型号为SP500-N。

本发明中的试样模拟装置1提供试验场所，将试样模拟装置1安装于加载装置2上模拟土体真实赋存条件下的水土压力，改良剂注入装置6可以真实模拟改良剂的注入过程，相比于以往试验中采用拌合的方式，该试验更接近实际施工情况，并测试不同水土压力下渣土发生喷涌的临界水压力。

实施例2

参考图2为本发明的试样模拟装置和加载装置的结构示意图，目的是为了方便施加加载装置，且便于直观观察改良剂的注入过程，本实施例给出了试样模拟装置的进一步方案。

试样模拟装置1包括内置土体试样的呈圆桶状且透明的土体试样仓11。

具体的，本实施例中的土体试样仓11采用透明材料制成，土体试样仓11可由透明亚克力板制作而成，以便在试验时可直观观察改良剂的注入过程。

土体试样仓11的开口处活动设置有上盖板12，上盖板12上开设有出口17，土体试样仓11的底板13上开设有进口16，进口16分别与水压控制装置7和改良剂注入装置6相连通。

本实施例中，上盖板12活动设置于土体试样仓11的开口处，该活动设置为上盖板12贴合设于土体试样仓11的开口处，上盖板12的周向与土体试样仓11的开口内侧贴合，以方便加载装置2进行加载，模拟渣土在土仓以及螺旋出土器中所受到的水土压力，进口16接受稳定压力的水流和改良剂，模拟改良剂的真实注入过程。

土体试样仓11内的底板13上设置有金属孔板14，金属孔板14的上表面设置有滤网15。

本实施例中，金属孔板14与底板13固定连接，将从进口16进入的水流和改良剂进行分流，使水流和改良剂从金属孔板14的通孔处流出，防止进口16处的压力集中，滤网15可以防止土体试样堵塞进口16。

实施例3

参考图2为本发明的加载装置的结构示意图，目的是为了对试样模拟装置1施加地应力，以模拟土体真实赋存条件下的水土压力，本实施例给出了加载装置的进一步方案。

加载装置2包括三块支撑板24，三块支撑板24通过支撑柱23相连。

具体的，位于最下方的支撑板24上开设有凹槽25，土体试样仓11内的底板13嵌入凹槽25内，底板13上的进口16穿过凹槽25分别与水压控制装置7和改良剂注入装置6相连通，位于中间的支撑板24上开设有通孔，土体试样仓11的顶部嵌入通孔内。

本实施例中，位于中间和最下方的两块支撑板24用以确定并固定土体试样仓11，通过最上层的支撑板24为加载装置2提供反向的作用力，使加载装置2对土体试样仓11进行加载，以模拟土体真实赋存条件下的水土压力。

加载装置2还包括液压千斤顶21，液压千斤顶21的一端安装于上盖板12上，液压千斤顶21的另一端与位于最上层的支撑板24相连，液压千斤顶21与位于最上层的支撑板24之间设置有压力测量仪22，压力测量仪22与压力显示仪26电性相连。

本实施例中，通过液压千斤顶21对土体试样进行加载，模拟渣土真实赋存条件下的水土压力，并通过压力测量仪22与压力显示仪26可以实时监控液压千斤顶加载的压力，其中液压千斤顶21、压力测量仪22与压力显示仪26均采用现有技术，液压千斤顶21的具体型号为DYG50-125，压力测量仪22的具体型号为ZNHM-IIX，压力显示仪26的具体型号为MCK-Z-I。

实施例4

参考图3为本发明的改良剂反应装置和改良剂注入装置的结构示意图，目的是真实模拟改良剂的注入过程，本实施例给出了改良剂反应装置和改良剂注入装置的进一步方案。

改良剂注入装置6包括气动注浆泵61，气动注浆泵61分别与膨润土泥浆反应装置5和混合器62连通，混合器62分别与泡沫剂反应装置4和进口16连通。

具体的，气动注浆泵61提供抽取膨润土泥浆的动力，将膨润土泥浆送入混合器62中，混合器62可实现对泡沫剂以及膨润土泥浆的混合。

泡沫剂反应装置4包括泡沫反应仓41，泡沫反应仓41分别与空气压缩机45、水箱44和混合器62连通，泡沫反应仓41上开设有注入口42，注入口42安装有分液漏斗43，用以注入改良剂，空气压缩机45上设置有气压调节阀451，泡沫反应仓1内设置有大叶片搅拌棒46。

本实施例中，注入口42共开设有3个，分别用以注入泡沫表面活性剂、稳定剂和水流，其中分液漏斗46可实现活性剂、稳定剂以及水的精准添加，叶片搅拌棒46可将进入到泡沫反应仓41内的活性剂、稳定剂以及水进行搅拌混合形成混合剂，最后通过气压调节阀451可调节空气压缩机45的空气压力，将泡沫剂送入混合器62内，其中气压调节阀451、空气压缩机45和叶片搅拌棒46均采用现有技术，气压调节阀451的具体型号为QTY-08，空气压缩机45的具体型号为TG160B，叶片搅拌棒46的具体型号为。气动注浆泵61的具体型号为ZBQ-50、搅拌机52

膨润土泥浆反应装置5包括盛有膨润土泥浆的搅拌桶51，搅拌桶51上设置有搅拌机52，搅拌桶51与气动注浆泵61连通。

本实施例中，搅拌机可52以对搅拌桶51内的膨润土泥浆进行实时搅拌，防止膨润土泥浆出现沉积等现象，然后通过气动注浆泵61抽取膨润土泥浆送入混合器62与泡沫剂混合，最后，由气动注浆泵61和空气压缩机45提供动力，将混合的膨润土泥浆和泡沫剂送入土体试样仓11内。

一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，包括以下步骤：

(1)试样装填：将试样拌合后放置在密封袋中闷料24小时，试验开始前，将试样土体分为3～5份，分层加入土体试样仓11中，并采用震动压实仪对土体试样进行压实，使试样达到密实状态。

(2)加载设备安装：将装有土体试样的土体试样仓11以及上部盖板12一起放置在加载装置2的最下方支撑板24和中间支撑板24之间，打开液压千斤顶22开关，对试样进行加载，模拟土体在土仓以及螺旋出土器内所受到的水土压力。

(3)配制改良材料：将不同比例的泡沫剂以及膨润土泥浆分别在泡沫反应仓41以及搅拌桶51中进行混合搅拌。

(4)改良剂注入试验：待改良剂反应充分后，打开空气压缩机45开关，对泡沫反应仓41中泡沫剂进行加压，调节气压调节阀451使空气压力达到稳定状态，同时开启气动注浆61对膨润泥浆进行吸取，待注浆压力稳定后，同时开启出浆口以及出液口阀门，将浆液混合注入土体试样中。

(5)喷涌试验：改良剂注入后，打开增压泵72以及稳压装置73，并对水压进行调节，测定不同改良条件下渣土发生喷涌的临界水压。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：包括试样模拟装置(1)和改良剂反应装置(3)；

所述试样模拟装置(1)上方设置有为所述试样模拟装置(1)施加地应力的加载装置(2)；

所述改良剂反应装置(3)包括泡沫剂反应装置(4)和膨润土泥浆反应装置(5)；所述泡沫剂反应装置(4)和膨润土泥浆反应装置(5)通过改良剂注入装置(6)混合后注入试样模拟装置(1)内；

所述试样模拟装置(1)下方设置有稳定水流压力的水压控制装置(7)。

2.根据权利要求1所述的可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：所述试样模拟装置(1)包括内置土体试样的呈透明的土体试样仓(11)，所述土体试样仓(11)的开口处活动设置有上盖板(12)，所述上盖板(12)上开设有出口(17)；所述土体试样仓(11)的底板(13)上开设有进口(16)，所述进口(16)分别与水压控制装置(7)和改良剂注入装置(6)相连通。

3.根据权利要求2所述的可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：所述土体试样仓(11)内的底板(13)上设置有金属孔板(14)，所述金属孔板(14)的上表面设置有滤网(15)。

4.根据权利要求2所述的可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：所述加载装置(2)包括三块支撑板(24)，三块所述支撑板(24)通过支撑柱(23)相连；

位于最下方的所述支撑板(24)上开设有凹槽(25)，所述土体试样仓(11)内的底板(13)嵌入所述凹槽(25)内，所述底板(13)上的进口(16)穿过所述凹槽(25)分别与水压控制装置(7)和改良剂注入装置(6)相连通；

位于中间的所述支撑板(24)上开设有通孔，所述土体试样仓(11)的顶部嵌入所述通孔内。

5.根据权利要求4所述的可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：所述加载装置(2)还包括液压千斤顶(21)，所述液压千斤顶(21)的一端安装于上盖板(12)上，所述液压千斤顶(21)的另一端与位于最上层的所述支撑板(24)相连。

6.根据权利要求5所述的可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：所述液压千斤顶(21)与位于最上层的所述支撑板(24)之间设置有压力测量仪(22)，所述压力测量仪(22)与压力显示仪(26)电性相连。

7.根据权利要求2所述的可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：所述改良剂注入装置(6)包括气动注浆泵(61)，所述气动注浆泵(61)分别与膨润土泥浆反应装置(5)和混合器(62)连通，所述混合器(62)分别与泡沫剂反应装置(4)和进口(16)连通。

8.根据权利要求7所述的可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：所述泡沫剂反应装置(4)包括泡沫反应仓(41)，所述泡沫反应仓(41)分别与空气压缩机(45)、水箱(44)和混合器(62)连通；所述泡沫反应仓(41)上开设有注入口(42)，所述注入口(42)处安装有分液漏斗(43)，用以注入改良剂；

所述空气压缩机(45)上设置有气压调节阀(451)；所述泡沫反应仓(1)内设置有大叶片搅拌棒(46)。

9.根据权利要求7所述的可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：所述膨润土泥浆反应装置(5)包括盛有膨润土泥浆的搅拌桶(51)，所述搅拌桶(51)上设置有搅拌机(52)；所述搅拌桶(51)与气动注浆泵(61)连通。

10.根据权利要求2所述的可模拟改良剂注入的土压平衡盾构防喷涌试验装置，其特征在于：所述水压控制装置(7)包括储水槽(71)，所述储水槽(71)内置有增压泵(72)，所述增压泵(72)通过管道与进口(16)连通；所述管道上设置有稳压装置(73)。

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