CN208847582U - 高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置 - Google Patents

Abstract

一种高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，该装置包括实验主体和加压***；本实用新型模拟盾构机掌子面前端土体在推进时固结渗透的过程，将未改良的砂卵石、泥浆和改良后的砂卵石依次从筒体底部往顶部逐层放置，在不加压的状态下进行常水头渗透实验和在加压状态下的侧限固结渗透实验，还可以通过调节水泵水压来测试击穿土样的临界水压力。

Description

高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置

技术领域

本实用新型属于土工测试仪器装置技术领域，具体是一种高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置。

背景技术

在水压较高条件下的砂卵石地层进行土压平衡盾构施工时常会出现严重的开挖面渗水问题和盾构机内的螺旋输送机喷涌问题，由于砂卵石地层中的土砾粒径较大，砂卵石之间间隙较大，因此导致这种地层的渗透系数较大，当水压力较大时，需要添加外加剂进行渣土改良，从而降低其渗透系数，保证开挖面稳定和螺旋输送机不发生喷涌，但是由于砂卵石的粒径较大，并且盾构掘进过程类似于一个对前方土体加压状态下的固结渗透过程，一般的渗透仪既无法装入粒径较大的砂卵石又不能够在渗透实验中考虑固结因素和千斤顶加压因素，若需要知道高水压条件下高渗透砂卵石地层土压平衡盾构的土体改良效果如何，就需要对渗透装置和试验方法进行改进和创新。

发明内容

实用新型目的：

本实用新型提供一种高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置及方法，其目的是解决以往所存在的问题。该装置可以装入粒径较大的砂卵石土体，并利用千斤顶进行加压使土体固结，测试此过程中土样的渗透系数，还能通过调节水泵水压力测试土样被击穿的临界水压力。

技术方案：

一种高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：该装置包括实验主体和加压***四部分；

实验主体包括实验筒体1、实验筒体顶部的横杠4、上透水铁板10和下透水铁板13；横杠4固定设置在实验筒体1的顶部，上透水铁板10和下透水铁板13设置在实验筒体1内，下透水铁板13设置在实验筒体1的底部，上透水铁板10设置在下透水铁板13上方，上透水铁板10和下透水铁板13之间形成容纳实验土体2的空间；

在实验筒体1的侧壁自上而下分别设置有第一出水口阀门15、第二出水口阀门17、第三出水口阀门19和筒最底部进水口阀门21；

在实验筒体1的上方通过电磁铁7固定有位移计8，位移计8的探测端放在上透水铁板10顶部；

加压***设置在上透水铁板10与顶部的横杠4之间，为上透水铁板10下方的实验土体2加压。

实验筒体1的内壁设置有刻度尺9。

加压***为千斤顶6，千斤顶6的上端连接横杠4，使其上端固定；千斤顶6的下端顶触上透水铁板10；

千斤顶6与上透水铁板10之间设置有荷载传感器14。

上透水铁板10包括筒柱25和设置在筒柱25底部的带有透水孔的底盘24，千斤顶6的底部伸进筒柱25内，底盘24使用时顶住实验土体2，位移计8的探测端放在筒柱25上端。

下透水铁板13包括底托27和设置在底托27上端的带有透水孔的透水托板26，底托27与实验筒体1底部接触，使用时透水托板26拖住实验土体2，筒最底部进水口阀门21连通至透水托板26下部的空间。

透水托板26的上方设置有透水纱布12，使用时，实验土体2设置在透水纱布12上。（透水纱布作用：1、减轻初始水泵大水压对土体的冲刷作用，使底部土体变得松散；2、避免砂土掉落倒吸，通过21)通道进入水泵中对水泵构件产生破环，缩短水泵使用寿命）

第一出水口阀门15处连接输水橡胶软管16，并将软管出口放置在集水池28中。

第二出水口阀门17和第三出水口阀门19处分别设置有第二水压力传感器18和第三水压力传感器20。（第二和第三出水口作用：1、在实验是需要测定两出水口的水压力值并做记录；2、在实验结束后可以利用其从高到低逐级排水，避免仅利用通道21排水而出现水压过大问题。）

进水口阀门21处设置有进水口压力传感器22；进水口阀门21通过输水橡胶管23连通至水泵3。

利用上述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置所实施的实验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a、将第一出水口阀门15、第二出水口阀门17、第三出水口阀门19和筒最底部进水口阀门21安装好并且先让阀门处于关闭状态，并接上筒体第二和第三出水口连接的第二水压力传感器18、第三水压力传感器20和筒体底部进水口的进水口压力传感器22，在进水口处用橡胶管连接好水泵3，在位于筒体最上部的出水口处连接输水橡胶软管16，并将软管出口放置在集水池28中，将下透水铁板13放入实验筒体的底部，并铺设好透水纱布12，然后开始分层填装实验土体2，填装完毕后打开水泵3使土体达到饱和，在土体上放置上透水铁板10，在上透水铁板10的空心圆柱筒柱25内依次放置荷载传感器14和千斤顶6，再将千斤顶6的上部嵌入横杠4的千斤顶位置固定凹槽5中，最后用电磁铁7将位移计8固定好，将位移计8的探测端放在上透水铁板10顶部，调试完数据采集***后就可以打开水泵3保持一定水压，使得上透水铁板10以上的水面与出水口持平时，进行不加压下的常水头渗透实验；

b、使用千斤顶6对土体2进行加压，通过其下部的荷载传感器14来测得此时压力值，在某一压力值下土体2产生固结现象，通过位移计8采集的位移数据来测得固结程度，此时打开水泵3保持一定水压，进行加压状态下的常水头侧限固结渗透实验；

c、保持千斤顶6的加压状态，逐渐增大水泵3的水压，直到上透水铁板10的上部水层产生较多气泡，记录此时进水口压力传感器22的水压力值，此压力值为水流击穿实验土体的临界水压力。

优点效果：

高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置及方法，所述实验筒体以及内部结构主要包括放置在筒体底部的下透水铁板和透水纱布、下透水铁板上填充的实验土体、土体上方覆盖的上透水铁板、筒体顶部的加压横杠和焊接在横杠上的千斤顶固定凹槽、固定在筒体内壁的刻度尺以及筒体内壁开凿出的四个进出水口和各自连接的止水阀门。加压***包括放置在上透水铁板上的千斤顶和千斤顶下部的荷载传感器。数据采集***包括用电磁铁固定在筒体上的位移计和与筒体进出水口连接的两个水压力传感器。水循环***包括接在筒体底部进水口的水压力传感器、水泵和筒体最上部出水口用橡胶软管连接的集水池，在试验过程中水泵水源取自集水池中的水，然后经过筒体固结渗透过程最终收集回到集水池中，实现整个过程的连续进行。

利用上述一种高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置的实验方法，该方法包括以下步骤：

a、将三个出水口的出水口阀门和进水口的阀门安装好并且先让阀门处于关闭状态，并接上各自的水压力传感器，在进水口出用橡胶管连接好水泵，在位于筒体最上部的出水口处连接输水橡胶软管，并将软管出口放置在集水池中，将下透水铁板放入实验筒体的底部，并铺设好透水纱布，然后开始分层填装实验土体，填装完毕后打开水泵使土体达到饱和，在土体上放置上透水铁板，在上透水铁板的空心圆柱体内依次放置荷载传感器和千斤顶，再将千斤顶的上部嵌入千斤顶位置固定凹槽中，最后用电磁铁将位移计固定好，将位移计的探测端放在上透水铁板顶部，调试完数据采集***后就可以打开水泵保持一定水压，使得上透水铁板以上的水面与出水口持平时，进行不加压下的常水头渗透实验；

b、使用千斤顶对土体进行加压，通过其下部的荷载传感器来测得此时压力值，在某一压力值下土体产生固结现象，通过位移计采集的位移数据来测得固结程度，此时打开水泵保持一定水压，进行加压状态下的常水头侧限固结渗透实验。

c、保持千斤顶的加压状态，逐渐增大水泵的水压，直到上透水铁板的上部水层产生较多气泡，记录此时进水口的水压传感器的水压力值，此压力值为水流击穿实验土体的临界水压力。

本实用新型模拟盾构机掌子面前端土体在推进时固结渗透的过程，将未改良的砂卵石、泥浆和改良后的砂卵石依次从筒体底部往顶部逐层放置，在不加压的状态下进行常水头渗透实验和在加压状态下的侧限固结渗透实验，还可以通过调节水泵水压来测试击穿土样的临界水压力。

附图说明：

图1是实验装置整体的示意图；

图2是上透水铁板的俯视图；

图3为上透水铁板的侧视图；

图4是下透水铁板的俯视图；

图5是下透水铁板的侧视图；

图6是千斤顶位置固定槽的示意图；

图7是与杠横切面的示意图。

具体实施方式：

本实用新型提供一种高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：该装置包括实验主体和加压***四部分；

实验主体包括实验筒体1、实验筒体顶部的横杠4、上透水铁板10和下透水铁板13；横杠4固定设置在实验筒体1的顶部，上透水铁板10和下透水铁板13设置在实验筒体1内，下透水铁板13设置在实验筒体1的底部，上透水铁板10设置在下透水铁板13上方，上透水铁板10和下透水铁板13之间形成容纳实验土体2的空间；

在实验筒体1的侧壁自上而下分别设置有第一出水口阀门15、第二出水口阀门17、第三出水口阀门19和筒最底部进水口阀门21；

在实验筒体1的上方通过电磁铁7固定有位移计8，位移计8的探测端放在上透水铁板10顶部；

加压***设置在上透水铁板10与顶部的横杠4之间，为上透水铁板10下方的实验土体2加压。

所述横杠是由两相同型号的槽钢凹面相对焊接成空心的长方体，并在下部中心处焊接上空心圆柱体作为千斤顶位置固定凹槽，横杠主要用于给千斤顶加压时提供着力点，固定槽则用来固定千斤顶位置，避免在加压时发生偏移。

实验筒体1的内壁设置有刻度尺9。所述刻度尺为普通钢尺，用铁钉固定在筒体内壁，主要作用在按比例填装不同土体是通过读取刻度尺上填装前后的高度值来确定所填土体的实际体积。

加压***为千斤顶6，千斤顶6的上端连接横杠4，使其上端固定；千斤顶6的下端顶触上透水铁板10；

千斤顶6与上透水铁板10之间设置有荷载传感器14。

上透水铁板10包括筒柱25和设置在筒柱25底部的带有透水孔的底盘24，千斤顶6的底部伸进筒柱25内，底盘24使用时顶住实验土体2，位移计8的探测端放在筒柱25上端。上透水铁板放置在筒体底部，由厚度为5mm，直径比实验筒体直径小5mm 的圆形铁饼制成，并再其中一面上焊上内径为150mm,外径为155mm,高为100mm的空心圆柱体，在圆柱体外按圆周规律分布满直径为10mm的透水孔，在空心圆柱体内则不开孔，主要作用是让土体渗出的水从透水孔渗出，而空心圆柱体壁则起到一个隔水和为内部千斤顶提供一个均匀加压的平台以及为位移计提供测量位移变化的基准面；所述下透水铁板除空心圆柱体内部分布有透水孔和圆柱体下部有四个正交分布的出水孔外，其余特征与上透水铁板所描述的一致，主要作用是支撑上部土样，为筒体下部开辟水层，提供稳定且均匀的水压力。

下透水铁板13包括底托27和设置在底托27上端的带有透水孔的透水托板26，底托27与实验筒体1底部接触，使用时透水托板26拖住实验土体2，筒最底部进水口阀门21连通至透水托板26下部的空间。

透水托板26的上方设置有透水纱布12，使用时，实验土体2设置在透水纱布12上。（透水纱布作用：1、减轻初始水泵大水压对土体的冲刷作用，使底部土体变得松散；2、避免砂土掉落倒吸，通过21)通道进入水泵中对水泵构件产生破环，缩短水泵使用寿命）

第一出水口阀门15处连接输水橡胶软管16，并将软管出口放置在集水池28中。

第二出水口阀门17和第三出水口阀门19处分别设置有第二水压力传感器18和第三水压力传感器20。（第二和第三出水口作用：1、在实验是需要测定两出水口的水压力值并做记录；2、在实验结束后可以利用其从高到低逐级排水，避免仅利用通道21排水而出现水压过大问题。

进水口阀门21处设置有进水口压力传感器22；进水口阀门21通过输水橡胶管23连通至水泵3。

水压力传感器、位移计和荷载传感器均与电脑连接采集实时连续数据来保证实验数据的有效性和科学性；其中筒体最底部的水压力传感器是用来采集水泵输出的水压，主要用于配合调节水泵输出功率和测试临界水压力，而剩下两个水压力传感器是用来采集出水口水压，用于渗透实验的计算中，由于考虑到下部水泵加压的水压可能会过大，因此采用了水压力传感器取代传统的测压管观测水压，既保证了数据采集的连续和精确又避免了因水压过大而无法读数的问题；其中位移计是用于采集土体加压后的高度变化数据，从而反映此时土体的固结程度；其中荷载传感器是用来采集千斤顶施加在土体上的压力。

利用上述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置所实施的实验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a、将第一出水口阀门15、第二出水口阀门17、第三出水口阀门19和筒最底部进水口阀门21安装好并且先让阀门处于关闭状态，并接上筒体第二和第三出水口连接的第二水压力传感器18、第三水压力传感器20和筒体底部进水口的进水口压力传感器22，在进水口处用橡胶管连接好水泵3，在位于筒体最上部的出水口处连接输水橡胶软管16，并将软管出口放置在集水池28中，将下透水铁板13放入实验筒体的底部，并铺设好透水纱布12，然后开始分层填装实验土体2，填装完毕后打开水泵3使土体达到饱和，在土体上放置上透水铁板10，在上透水铁板10的空心圆柱筒柱25内依次放置荷载传感器14和千斤顶6，再将千斤顶6的上部嵌入横杠4的千斤顶位置固定凹槽5中，最后用电磁铁7将位移计8固定好，将位移计8的探测端放在上透水铁板10顶部，调试完数据采集***后就可以打开水泵3保持一定水压，使得上透水铁板10以上的水面与出水口持平时，进行不加压下的常水头渗透实验；

b、使用千斤顶6对土体2进行加压，通过其下部的荷载传感器14来测得此时压力值，在某一压力值下土体2产生固结现象，通过位移计8采集的位移数据来测得固结程度，此时打开水泵3保持一定水压，进行加压状态下的常水头侧限固结渗透实验；

c、保持千斤顶6的加压状态，逐渐增大水泵3的水压，直到上透水铁板10的上部水层产生较多气泡，记录此时进水口压力传感器22的水压力值，此压力值为水流击穿实验土体的临界水压力。

本实用新型的一种高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，实现了对高渗透砂卵石地层土压平衡盾构施工推进中盾构机掌子面前端土体受压发生固结渗透过程的模拟，采用高精度的传感器采集***，能够连续和精确的采集数据，更好的反映土体渗透系数的变化与推进压力和水压力之间的关系，更好的反映渣土改良的效果，为实际施工提供一定的指导参考。

Claims (9)

1.一种高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：该装置包括实验主体和加压***；

实验主体包括实验筒体（1）、实验筒体顶部的横杠（4）、上透水铁板（10）和下透水铁板（13）；横杠（4）固定设置在实验筒体（1）的顶部，上透水铁板（10）和下透水铁板（13）设置在实验筒体（1）内，下透水铁板（13）设置在实验筒体（1）的底部，上透水铁板（10）设置在下透水铁板（13）上方，上透水铁板（10）和下透水铁板（13）之间形成容纳实验土体（2）的空间；

在实验筒体（1）的侧壁自上而下分别设置有第一出水口阀门（15）、第二出水口阀门（17）、第三出水口阀门（19）和筒最底部进水口阀门（21）；

在实验筒体（1）的上方通过电磁铁（7）固定有位移计（8），位移计（8）的探测端放在上透水铁板（10）顶部；

加压***设置在上透水铁板（10）与顶部的横杠（4）之间，为上透水铁板（10）下方的实验土体（2）加压。

2.根据权利要求1所述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：实验筒体（1）的内壁设置有刻度尺（9）。

3.根据权利要求1或2所述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：加压***为千斤顶（6），千斤顶（6）的上端连接横杠（4），使其上端固定；千斤顶（6）的下端顶触上透水铁板（10）；

千斤顶（6）与上透水铁板（10）之间设置有荷载传感器（14）。

4.根据权利要求3所述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：上透水铁板（10）包括筒柱（25）和设置在筒柱（25）底部的带有透水孔的底盘（24），千斤顶（6）的底部伸进筒柱（25）内，底盘（24）使用时顶住实验土体（2），位移计（8）的探测端放在筒柱（25）上端。

5.根据权利要求3所述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：下透水铁板（13）包括底托（27）和设置在底托（27）上端的带有透水孔的透水托板（26），底托（27）与实验筒体（1）底部接触，使用时透水托板（26）拖住实验土体（2），筒最底部进水口阀门（21）连通至透水托板（26）下部的空间。

6.根据权利要求5所述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：透水托板（26）的上方设置有透水纱布（12），使用时，实验土体（2）设置在透水纱布（12）上。

7.根据权利要求1所述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：第一出水口阀门（15）处连接输水橡胶软管（16），并将软管出口放置在集水池（28）中。

8.根据权利要求1所述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：第二出水口阀门（17）和第三出水口阀门（19）处分别设置有第二水压力传感器（18）和第三水压力传感器（20）。

9.根据权利要求1所述的高渗透砂卵石地层土压平衡盾构固结渗透实验装置，其特征在于：进水口阀门（21）处设置有进水口压力传感器（22）；进水口阀门（21）通过输水橡胶管（23）连通至水泵（3）。