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

摘要

本发明公开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，装置包括实验筒、供水管和加压装置，实验筒内底面上设有底座支架，底座支架的顶部设有下金属板孔，下金属板孔的上表面设有下滤网，下滤网上填充试验土样，试验土样的顶面设有上滤网，上滤网的上表面设有上金属板孔。实验筒的下金属板孔以下的侧壁连通连接溢水管，实验筒的下金属板孔与上金属板孔之间的侧壁上连通连接测压管，实验筒的上金属板孔以上的侧壁连通连接进水管。加压装置内固定设置伺服水泵和水压表，加压装置与供水管连接。伺服水泵可模拟高水压条件，测定砂卵石在高水压条件下发生喷涌的临界水压力。该装置结构简单，可操作性强，对于实际施工具有较强的指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及土工测试仪器装置技术领域，具体涉及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。

背景技术

在高水压条件下砂卵石地层采用土压平衡盾构掘进，由于砂卵石渗透系数大，水头压力大，需要添加外加剂进行渣土改良降低其渗透系数，以保证盾构机内螺旋输送机不发生喷涌，保证土仓压力，但是改良渣土效果如何，其渗透系数降低少多少方能防止喷涌发生，水压多大时，改良砂卵石将出现喷涌，目前还没有较好的方法和试验装置进行测试。且改良砂卵石在土压平衡盾构机土仓和螺旋输送机里均受到一定水土压力，其渗透系数与常压状态时不同，常规的渗透试验装置无法对土样进行带压测试渗透系数，需对改良砂卵石防喷涌试验方法与装置进行改进和创新。

因此，需要提供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，该装置设有带压渗透装置，该渗透装置可对土样进行加压，测试土样在不同水土压力下的渗透系数，并通过加压注水，测试土样产生喷涌的临界压力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供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，通过将改良的砂卵石放入实验筒内，进行常压状态下的常水头渗透实验和不同土压力下的常水头渗透试验，以及通过模拟高水压测试砂卵石测试土样发生喷涌破坏的临界水压力。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种砂卵石地层土压平衡盾构掘进防喷涌实验装置，包括实验筒、供水管和加压装置，所述实验筒内底面上设有底座支架，底座支架的顶部设有下金属板孔，所述下金属板孔的上表面设有下滤网，所述下滤网上填充试验土样，所述试验土样的顶面设有上滤网，所述上滤网的上表面设有上金属板孔。

所述实验筒的下金属板孔以下的侧壁连通连接溢水管，所述实验筒的下金属板孔与上金属板孔之间的侧壁上自下而上依次连通连接第一测压管、第二测压管和第三测压管，所述实验筒的上金属板孔以上的侧壁连通连接进水管。

所述加压装置内固定设置伺服水泵和水压表，所述加压装置与供水管连接。伺服水泵可模拟高水压条件，测定改良砂卵石在高水压条件下发生喷涌的临界水压力。

优选地，该装置还包括加压横梁、千斤顶和轴力计，所述加压横梁罩设在实验筒的顶部，所述千斤顶的底座固定设置在加压横梁的下表面，所述千斤顶的顶杆与上金属板孔的上表面接触，所述轴力计固定设置在加压横梁上。加压横梁可通过千斤顶为测试土样施加土压力，上金属板孔置于测试土样上，可在施加压力的同时，使水渗透出，可测试实际工程中砂卵石在螺旋机中不同土压力下的渗透系数。

优选地，所述供水管上固定设置止水阀。止水阀可以控制供水管的供水和关闭。

优选地，所述实验筒的侧壁上固定设置刻度板，所述刻度板与第一测压管、第二测压管和第三测压管的位置相对应。刻度板可以显示第一测压管、第二测压管和第三测压管内的水位高度。

优选地，该装置还包括滑动支架和量筒，所述溢水管搭设在滑动支架上，所述溢水管与量筒相连通。量筒可以直接显示渗透出来的水的体积。

优选地，所述底座支架、上金属板孔下金属板孔、上滤网和下滤网的直径比实验筒的内径小0.5cm。

所述上金属板孔和下金属板孔的孔径一致。

利用上述一种砂卵石地层土压平衡盾构掘进防喷涌实验装置的实验方法，该实验方法包括以下步骤：

a、将底座支架、下金属板孔、下滤网依次放入实验筒内，分层装入测试土样，每层10cm，连接供水管和进水管，打开止水阀，使测试土样逐渐饱和后，再次装入测试土样，直至最后一层测试土样高出第三测压管水位10cm，测试土样上部依次放置上滤网和上金属板孔，当水面高出测试土样继续充水至溢水管有水溢出，关闭止水阀，静置至第三测压管水位与实验筒齐平时，进行常压状态下的常水头渗透实验；

b、启动千斤顶，使千斤顶的顶杆对上金属板孔施加向下的压力，轴力计测试施加压力的大小，进行不同土压力下的常水头渗透实验；

c、将第一测压管、第二测压管和第三测压管封闭，将伺服水泵与溢水管连接，加压至实验筒内的测试土样顶部有水喷涌，水压表测得测试土样发生喷涌破坏的水压力。

本发明的有益效果如下：

本发明的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由于采用了以上技术方案，加压横梁可通过千斤顶为测试土样施加土压力，上金属板孔置于测试土样上，可在施加压力的同时，使水渗透出，可测试实际工程中砂卵石在螺旋机中不同土压力下的渗透系数。伺服水泵可模拟高水压条件，测定改良砂卵石在高水压条件下发生喷涌的临界水压力。该装置结构简单，可操作性强，对于实际施工具有较强的指导意义。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的一种砂卵石地层土压平衡盾构掘进防喷涌实验装置带加压装置的结构示意图。

图2示出本发明的一种砂卵石地层土压平衡盾构掘进防喷涌实验装置带千斤顶的结构示意图。

附图标记说明：1实验筒，2水，3加压装置，4滑动支架，5量筒，6加压横梁，7底座支架，8上金属孔板，9下金属孔板，10上滤网，11下滤网，12溢水管，13第一测压管，14第二测压管，15第三测压管，16刻度板，17进水管，18供水管，19止水阀，20千斤顶，21轴力计，22伺服水泵，23水压表，24测试土样

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1-图2所示，一种砂卵石地层土压平衡盾构掘进防喷涌实验装置，包括实验筒1、供水管18和加压装置3，所述实验筒1内底面上设有底座支架7，底座支架7的顶部设有下金属板孔9，所述下金属板孔9的上表面设有下滤网11，所述下滤网11上填充试验土样24，所述试验土样24的顶面设有上滤网10，所述上滤网10的上表面设有上金属板孔8。所述实验筒1的下金属板孔9以下的侧壁连通连接溢水管12，所述实验筒1的下金属板孔9与上金属板孔8之间的侧壁上自下而上依次连通连接第一测压管13、第二测压管14和第三测压管15，所述实验筒1的侧壁上固定设置刻度板16，所述刻度板16与第一测压管13、第二测压管14和第三测压管15的位置相对应。所述实验筒1的上金属板孔8以上的侧壁连通连接进水管17。所述加压装置3内固定设置伺服水泵22和水压表23，所述加压装置3与供水管18连接，所述供水管18上固定设置止水阀19。

该装置还包括加压横梁6、千斤顶20和轴力计21，所述加压横梁6罩设在实验筒1的顶部，所述千斤顶20的底座固定设置在加压横梁6的下表面，所述千斤顶20的顶杆与上金属板孔8的上表面接触，所述轴力计21固定设置在加压横梁6上。

该装置还包括滑动支架4和量筒5，所述溢水管12搭设在滑动支架4上，所述溢水管12与量筒5相连通。

所述底座支架7、上金属板孔8下金属板孔9、上滤网10和下滤网11的直径比实验筒1的内径小0.5cm。

所述上金属板孔8和下金属板孔9的孔径一致。

利用上述一种砂卵石地层土压平衡盾构掘进防喷涌实验装置的实验方法，该实验方法包括以下步骤：

a、将底座支架7、下金属板孔9、下滤网11依次放入实验筒1内，分层装入测试土样24，每层10cm，连接供水管18和进水管17，打开止水阀19，使测试土样24逐渐饱和后，再次装入测试土样24，直至最后一层测试土样24高出第三测压管15水位10cm，测试土样24上部依次放置上滤网10和上金属板孔8，当水2的水面高度高出测试土样24继续充水至溢水管12有水2溢出，关闭止水阀19，静置至第三测压管15水位与实验筒1齐平时，进行常压状态下的常水头渗透实验；

b、启动千斤顶20，使千斤顶20的顶杆对上金属板孔8施加向下的压力，轴力计21测试施加压力的大小，进行不同土压力下的常水头渗透实验；

c、将第一测压管13、第二测压管14和第三测压管15封闭，将伺服水泵22与溢水管12连接，加压至实验筒1内的测试土样24顶部有水喷涌，水压表22测得测试土样24发生喷涌破坏的水压力。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。