CN209416874U - 一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统 - Google Patents
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- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
本实用新型为一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统，该渗透系数测试系统包括储气容器、阀门以及测试装置，储气容器具有储气腔和进气口，储气容器上设有进气管，且进气管的底端伸入至储气腔内，顶端伸向储气腔外；测试装置具有用于接收空气的气室，测试装置与储气容器通过阀门连接以接收从储气腔内流出的气体；所述的测量装置包括端部有外螺纹的支撑轴、端部有外螺纹的空心套筒、空心光滑套筒和橡胶圈；支撑轴轴向依次套接空心光滑套筒和一个橡胶圈，空心光滑套筒上沿轴向设有气槽，空心光滑套筒上分成测试段和密封段，测试段和密封段之间设置有外螺纹。该系统采用两端橡胶封固测量段，提高测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种岩土工程技术，具体是一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统。
背景技术
我国山区地带分布广泛，随着高速公路网以及铁路网在全国范围内铺开，特别是向山区密集的西部地区不断延伸，隧道工程发展的重要性和迫切性逐渐凸显。隧道盾构管片或围岩衬砌的渗透系数对工程安全性有着显著影响。我国对于渗透系数的传统测量方法，常采用室内试验测定或现场抽气法，室内试验测定时效性较差，而抽气法存在诸多问题，如抽真空方法压差小于0.1MPa，同时抽真空测量存在克林肯伯格(Klinken-bergeffect)效应，包括两个方面：第一，气体在岩石孔隙介质中的低速渗流特性不同于液体,气体分子的流速在孔道中心和孔道壁处无明显差别；第二,当压力极低时,气体分子的平均自由路程达到孔道尺寸, 气体分子扩散可以不受碰撞而自由飞动,由于这一原因导致视渗透率增加。可知抽气法测量渗透率较真实渗透率高，且抽真空需考虑含水率等诸多因素，此外同类渗透系数测量方法中，往往只在管片或混凝土上孔洞的入口处(贴近开孔处即只在孔洞接近开口端安装橡胶圈，孔洞底端处不做处理)设置橡胶圈，使末端因端部凹凸不平导致测量数据不精确。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统及测试方法。本实用新型采用两端橡胶封固测量段的设计，解决了因端部凹凸不平引起的隧道支护结构如盾构管片及围岩衬砌渗透系数测量精度较低问题。
为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统，该渗透系数测试系统包括储气容器、阀门以及测试装置，储气容器具有储气腔和进气口，储气容器上设有进气管，且进气管的底端伸入至储气腔内，顶端伸向储气腔外；测试装置具有用于接收空气的气室，测试装置与储气容器通过阀门连接以接收从储气腔内流出的气体；其特征在于，
所述的测试装置包括端部有外螺纹的支撑轴、端部有外螺纹的空心套筒、空心光滑套筒和橡胶圈；支撑轴轴向依次套接空心光滑套筒和一个橡胶圈，空心光滑套筒上沿轴向设有气槽，空心光滑套筒上分成测试段和密封段，测试段和密封段之间设置有外螺纹，密封段上留出气槽进气口，并套接端部有外螺纹的空心套筒，气槽进气口通过相应气管与储气容器的出气口连接；空心光滑套筒的长度小于支撑轴，空心光滑套筒一端筒通过橡胶圈及螺栓与支撑轴固定在一起，空心光滑套筒的另一端直接通过螺栓与支撑轴固定在一起，该橡胶圈两侧设有垫片；在端部有外螺纹的空心套筒的外表面也套接有一个橡胶圈，套在端部有外螺纹的空心套筒的橡胶圈两侧也通过垫片、螺栓将端部有外螺纹的空心套筒与空心光滑套筒密封固定。
一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试方法，该方法采用上述的测试系统，方法的步骤为：
1)预先设置测量孔洞，在隧道围岩或管片上施工口径，该口径尺寸可容许测试装置进入；
2)联通储气容器、阀门及测试装置，将测试装置放入步骤1)设置的测量孔洞中，固定住螺栓，在空心光滑套筒的气槽进气口处充入干燥空气或氮气，分别提供12MPa、9MPa、6MPa 和3MPa压力气流；
3)测定参数，得到渗透系数：储气容器提供不同初始气压，气压在盾构管片或围岩衬砌混凝土中因渗透而降低，观察压力p和时间t曲线关系，并通过达西定律得到试样的气体渗透系数。
与现有技术相比，本实用新型解决了因端部凹凸不平引起的隧道支护结构如盾构管片及围岩衬砌混凝土渗透系数测量精度较低问题，具有以下优点：
1、能有效的提高隧道管片或围岩衬砌混凝土渗透系数的测量精度；
2、导气系统(储气容器)提供恒定初始气压的稳定气流，易于观察，便于控制和操作，多次测量，测试结果更准确等。
本实用新型渗透系数测试系统的整体结构紧凑完整，两端橡胶封固测量段的结构可有效提高距离控制精度，克服了以往的测试仪器只在管片或混凝土预先设置的孔洞的最顶端设置橡胶圈，这使得孔洞末端凹凸不平，导致所测量的数据不精确的问题。导气系统便于实现气压稳定输出的功能，易于观察，方便控制和操作，使测试结果更准确。同时，使隧道管片或围岩衬砌的渗透系数对工程安全性产生更准确的指导。
附图说明
图1为圆柱渗透示意图；
图2为本征渗透系数kint与1/P的坐标轴示意图；
图3为本实用新型隧道管片或围岩的渗透系数测试系统的整体结构示意图；
图4为本实用新型隧道管片或围岩的渗透系数测试系统中测试装置的立体结构示意图；
图5为本实用新型隧道管片或围岩的渗透系数测试系统中端部有外螺纹的实心钢芯9的主视结构示意图；
图6(a)为本实用新型隧道管片或围岩的渗透系数测试系统中端部有外螺纹的空心钢套筒 10的主视结构示意图；
图6(b)为图6(a)中C-C面的剖视结构示意图；
图7(a)为本实用新型隧道管片或围岩的渗透系数测试系统中空心光滑套筒11的主视结构示意图；
图7(b)为图7(a)中A-A面的剖视结构示意图；
图7(c)为图7(a)中B-B面的剖视结构示意图；
图8为压力和时间t的坐标轴示意图；
图9为本实用新型隧道管片或围岩的渗透系数测试系统安装测试场景示意图；
图中，1储气容器；2压力计；3储气腔；4进气口；5阀门；6螺栓；7橡胶圈；8气槽； 9端部有外螺纹的实心钢芯；10端部有外螺纹的空心钢套筒；11空心光滑套筒；12出气口； 13测试装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
本实用新型一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统(参见图3)，该渗透系数测试系统包括储气容器1、阀门5以及测试装置13，储气容器具有储气腔3和进气口4，储气容器上设有进气管，且进气管的底端伸入至储气腔3内，顶端伸向储气腔外；测试装置具有用于接收空气的气室，测试装置13与储气容器1通过阀门5连接以接收从储气腔3内流出的气体；即储气腔的上部出气口通过管道及阀门5连接测试装置的气槽部分；
所述的测试装置(参见图3、图4)，由端部有外螺纹的实心钢芯9、端部有外螺纹的空心钢套筒10、空心光滑套筒11、橡胶圈7、螺栓、垫片构成；端部有外螺纹的实心钢芯9是结构的主干，两端由螺栓固定整个测试装置；定义气槽与储气容器1相连接一侧的端部有外螺纹的实心钢芯9的一端为顶端，端部有外螺纹的实心钢芯9的另一端为底端；端部有外螺纹的实心钢芯9轴向依次套接空心光滑套筒11和一个橡胶圈7，空心光滑套筒上沿轴向设有气槽8，空心光滑套筒上分成测试段和密封段，测试段和密封段之间设置有外螺纹，外螺纹上固定圆环(参见图7(a)-图7(c))，用于连接空心钢套筒，密封段上留出气槽进气口，并套接端部有外螺纹的空心钢套筒10，气槽进气口通过相应气管与储气容器的出气口连接；空心光滑套筒的长度小于端部有外螺纹的实心钢芯，空心光滑套筒一端筒通过橡胶圈7及螺栓与实心钢芯9固定在一起，空心光滑套筒的另一端直接通过螺栓与实心钢芯9固定在一起，该橡胶圈两侧设有垫片；在端部有外螺纹的空心钢套筒10的外表面也套接有一个橡胶圈7，套在端部有外螺纹的空心钢套筒10的橡胶圈两侧也通过垫片、螺栓将端部有外螺纹的空心钢套筒10与空心光滑套筒11密封固定。两个橡胶圈能用来封闭测试段。
本实用新型中所述测试段的长度为30cm，端部有外螺纹的空心钢套筒10的长度为55cm；气槽8的长度为91cm，端部有外螺纹的实心钢芯9长160cm；空心光滑套筒11长91cm，气槽进气口长为5cm；连接在端部有外螺纹的实心钢芯9上的橡胶圈7长50cm，在套筒10上的橡胶圈长40cm。
本实用新型中端部有外螺纹的实心钢芯9为支撑轴，端部有外螺纹的空心钢套筒采用钢材料制成，保证装置整体的强度。
本实用新型测量对象如管片或围岩衬砌孔洞内壁表面光滑，储气容器提供一定气压的稳定气流，测试装置用于测定气压，调试出口压力，观察压力曲线和时间关系，并利用气压渗透试验法，利用光滑表面轴对称测渗透系数，通过达西定律(公式6)得到试样的气体渗透系数。具体计算过程如下，根据一维达西定律：
对于不可压缩流体,k＝kint，kint为本征渗透系数，对于考虑克林伯格效应的渗透系数计算中，式(1)即
即其中A＝2πrH (3)
上述公式为现有公式(来自Identification of residual gas-transportproperties of concrete subjected to high temperatures,Matthias Zeiml,CementConcrete Research)。其中，kint为本征渗透系数，b是克林伯格系数，k为多孔介质渗透率，Q为流量，p为气压， A为横截面积，η是气体粘度，是压力梯度，单位Pa/m。
本实用新型目的在于求解kint，目前已知除kint、b以外所有参数，而kint与压力有关，通过测量多个不同气压值，会求得多组相近的b和kint，最终通过平均值获得管片或围岩衬砌混凝土渗透系数kint。计算过程为将测量所得数值画在一张图上(参见图2)，纵坐标表示kint，呈指数分布，横坐标是1/p，该图像一般是一根拟合出的线，这样图像与纵坐标轴kint有交点，最终把该交点作为真正本征渗透系数，最终值取多个测量平均值。
采用上述渗透系数测试系统，按照地下工程中隧道盾构管片或围岩衬砌的结构形式通过气压渗透试验方法，利用钻孔(这里的孔为待测试对象中预先设置的测量孔洞)后形成的光滑壁面，测试环向渗透性能，确定渗透系数及不同气压条件下的凯林系数(Klinkenberg factor)。
本实用新型还保护一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试方法，该方法采用上述的测试系统，方法的步骤为：
1)预先设置测量孔洞，在隧道围岩或管片上施工口径(不小于30cm)，该口径尺寸可容许测试装置进入；
2)联通储气容器1、阀门5及测试装置13，将测试装置13放入步骤1设置的测量孔洞中，固定住螺栓6，在空心光滑套筒11的气槽进气口处充入干燥空气或氮气，分别提供12MPa、 9MPa、6MPa和3MPa压力气流；
3)测定参数，得到渗透系数：储气容器1提供不同初始气压，气压在盾构管片或围岩衬砌混凝土中因渗透而降低，观察压力p和时间t曲线(参见图8)关系，并通过达西定律得到试样的气体渗透系数。
某山岭隧道，采用新奥法施工，浇筑完二衬后，待28天养护周期满，为获得隧道衬砌渗透系数，采用本实用新型所述系统及方法开展现场检测，如图9所示。首先在每幅衬砌钻孔，使用测试装置选取不同气压开展测试，最后根据多组测试结果获得气体渗透系数，气体渗透系数的获取对隧道耐久性分析、抗火抗爆裂分析以及评判氯离子侵蚀进程具有显著意义。
本实用新型采用双面橡胶封闭的测量段，使得有压力的气体在所测材料中充分渗透，通过观察压力曲线和时间的关系，通过达西定律得到试样的气体渗透系数，使得测量结果更加精确。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
Claims (3)
1.一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统，该渗透系数测试系统包括储气容器、阀门以及测试装置，储气容器具有储气腔和进气口，储气容器上设有进气管，且进气管的底端伸入至储气腔内，顶端伸向储气腔外；测试装置具有用于接收空气的气室，测试装置与储气容器通过阀门连接以接收从储气腔内流出的气体；其特征在于，
所述的测试装置包括端部有外螺纹的支撑轴、端部有外螺纹的空心套筒、空心光滑套筒和橡胶圈；支撑轴轴向依次套接空心光滑套筒和一个橡胶圈，空心光滑套筒上沿轴向设有气槽，空心光滑套筒上分成测试段和密封段，测试段和密封段之间设置有外螺纹，密封段上留出气槽进气口，并套接端部有外螺纹的空心套筒，气槽进气口通过相应气管与储气容器的出气口连接；空心光滑套筒的长度小于支撑轴，空心光滑套筒一端筒通过橡胶圈及螺栓与支撑轴固定在一起，空心光滑套筒的另一端直接通过螺栓与支撑轴固定在一起，该橡胶圈两侧设有垫片；在端部有外螺纹的空心套筒的外表面也套接有一个橡胶圈，套在端部有外螺纹的空心套筒的橡胶圈两侧也通过垫片、螺栓将端部有外螺纹的空心套筒与空心光滑套筒密封固定。
2.根据权利要求1所述的隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统，其特征在于所述测试段的长度为30cm，端部有外螺纹的空心套筒的长度为55cm；气槽的长度为91cm，支撑轴长160cm；气槽进气口长为5cm；连接在支撑轴上的橡胶圈长50cm。
3.根据权利要求1所述的隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统，其特征在于，所述支撑轴为实心钢芯，空心套筒采用钢材料制成。
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| CN109406370B (zh) * | 2018-12-14 | 2023-11-24 | 河北工业大学 | 一种隧道管片或围岩衬砌渗透系数测试系统及测试方法 |
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