模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法，包括以下步驟：首先轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)刀盤開口率為0，使有機(jī)玻璃直角圓筒封閉；然后，在有機(jī)玻璃模型箱中裝入利用透明土制備的模擬地層，并從下向上飽和地層；接著，在有機(jī)玻璃直角圓筒中注入試驗(yàn)?zāi)酀{，密封直角圓筒；最后，打開氣壓源，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)刀盤開口率為某一值（0%?50%），進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)。此種泥漿滲透的可視化方法，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)泥漿在地層中的滲透形態(tài)，并精確觀測(cè)到泥膜的形成類型及各方向滲透距離。
【專利說明】
模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及的是一種對(duì)泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過程中壓力艙內(nèi)泥漿向地層滲透過程的可視化的測(cè)試方法。該方法能實(shí)現(xiàn)可視化地層條件、不同泥漿壓力和不同刀盤開口率條件下泥漿滲透過程的模擬，并直觀觀測(cè)泥漿在各個(gè)方向的滲透形態(tài)。該發(fā)明屬于地下工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，泥水盾構(gòu)法以其優(yōu)越的開挖面控制模式在我國城市過江地鐵和越江海隧道的建設(shè)中被廣泛地采用。在泥水盾構(gòu)向前掘進(jìn)過程中，壓力艙內(nèi)的泥漿向地層滲透以平衡地層中水土壓力，保持開挖面穩(wěn)定。同時(shí)，由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)刀盤刀具磨損嚴(yán)重、刀盤結(jié)餅、刀具與地層不匹配需要更換等情況，而不得不停機(jī)進(jìn)行開艙清理或維修等作業(yè)，需要向開挖面注入泥漿形成泥膜保持維修空間穩(wěn)定，如南京長江隧道工程在江底粉細(xì)砂、礫砂地層中進(jìn)行的維修性帶壓開艙。不管是正常掘進(jìn)過程中，還是在帶壓開艙檢修時(shí)，都難以觀測(cè)到泥漿在地層中滲透形成泥膜的情況，更加難以判斷開挖面的穩(wěn)定性和施工方案是否合理。
[0003]隨著透明土合成技術(shù)的發(fā)展及透明土三軸試驗(yàn)等物性實(shí)驗(yàn)的開展，證明了透明土應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究的可能性，目前已逐步應(yīng)用于盾構(gòu)隧道研究，已有實(shí)驗(yàn)采用透明土研究盾構(gòu)開挖引起的周圍土體內(nèi)部變形規(guī)律、盾構(gòu)隧道壁后同步注漿模型等。
[0004]本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種用透明土模擬地層，以實(shí)現(xiàn)泥漿在不同刀盤開口率條件下向地層中滲透的可視化的觀測(cè)方法。該方法可直觀簡便地觀測(cè)到不同刀盤開口率條件下泥漿在地層各方向滲透形態(tài)，對(duì)泥水盾構(gòu)施工和泥漿配制具有指導(dǎo)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化方法，能研究泥漿在不同刀盤開口率條件下各個(gè)方向的滲透形態(tài)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法，
所述測(cè)試方法采用的可視化裝置包括有機(jī)玻璃箱、有機(jī)玻璃直角圓筒和用于施加壓力的氣壓源;所述有機(jī)玻璃箱的底部放置有用于模擬工程地層的中粗粒徑透明土，在機(jī)玻璃箱的上部設(shè)置有泥漿溢流槽，在機(jī)玻璃箱的下部設(shè)置有注水口，有機(jī)玻璃箱的箱體上設(shè)有用于量測(cè)透明土地層厚度的箱體刻度尺;所述有機(jī)玻璃直角圓筒包括用于模擬泥水盾構(gòu)刀盤向地層注入泥漿的水平玻璃管和用于控制泥漿量和施加氣壓的豎直玻璃管;有機(jī)玻璃圓筒的頂部通過可拆卸的法蘭盤進(jìn)行密封，豎直玻璃管上設(shè)有刻度尺，豎直玻璃管的頂部側(cè)壁與氣壓源相連接，其底部側(cè)壁設(shè)置有排泥閥；
所述測(cè)試方法包括以下步驟:
步驟一，調(diào)節(jié)模型刀盤開口率:轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)模型刀盤開口率為O，將有機(jī)玻璃箱和有機(jī)玻璃直角圓筒之間進(jìn)行分隔，用于分隔試驗(yàn)地層和泥漿； 步驟二，制備地層:采用透明土模擬中粗砂試驗(yàn)地層;用分層擊實(shí)的方法向有機(jī)玻璃箱中裝入透明土并形成實(shí)驗(yàn)地層，然后通過箱體下部的注水口自下往上均勻緩慢地注入溴化鈣溶液來飽和試驗(yàn)地層，用于防止飽和過程中地層隆起或砂沸；
步驟三，形成滲透帶:關(guān)閉排泥閥和穩(wěn)壓閥，從有機(jī)玻璃直角圓筒的頂端注入試驗(yàn)?zāi)酀{，泥漿液位位于有機(jī)玻璃直角圓筒上部的進(jìn)氣管的下方，通過法蘭盤將有機(jī)玻璃直角圓筒的頂端進(jìn)行密封;打開氣壓源，調(diào)節(jié)氣壓源氣壓，將有機(jī)玻璃直角圓筒上部氣壓值調(diào)節(jié)至預(yù)定值，預(yù)定值為有機(jī)玻璃箱中的土水壓力值；然后，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)模型刀盤開口率至20%，泥漿開始滲入試驗(yàn)地層并形成滲透帶;觀察滲透全過程，待形成完整滲透帶，溢流槽處溴化鈣溶液穩(wěn)定的流出或者不流出時(shí)，關(guān)閉氣壓源，滲透結(jié)束，觀測(cè)泥漿在試驗(yàn)地層中各個(gè)方向的滲透距離和滲透帶形式；
步驟四，對(duì)照實(shí)驗(yàn):重復(fù)兩次上述步驟一、二、三，分別調(diào)節(jié)步驟三中模型刀盤的開口率為30%和40%，通過三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)在不同的模型刀盤開口率條件下各方向滲透帶形態(tài)。
[0007]進(jìn)一步地，步驟一中，所述泥水盾構(gòu)模型刀盤由兩片內(nèi)外緊貼的圓形擋土片組成，外側(cè)擋土片固定在水平玻璃管的前端上，所述外側(cè)擋土片上每間隔30°開設(shè)一轉(zhuǎn)角為30°的扇形開口 ；內(nèi)測(cè)擋土片通過轉(zhuǎn)軸與外側(cè)擋土片同軸連接，并固定在轉(zhuǎn)軸上，所述內(nèi)側(cè)擋土片上每間隔32°開設(shè)一轉(zhuǎn)角為28°的扇形開口。
[0008]進(jìn)一步地，步驟二中，所述試驗(yàn)地層高度不低于25cm，并位于泥漿溢流槽位置下方。
[0009]進(jìn)一步地，步驟三中，所述泥漿為實(shí)際施工工程中擬使用的泥漿，且用量不超過有機(jī)玻璃直角圓筒上端的氣壓源進(jìn)氣口。
[0010]進(jìn)一步地，步驟三中，所述有機(jī)玻璃箱中滲透排出的溴化鈣溶液由溢流槽流出。
[0011]進(jìn)一步地，步驟四中，三組實(shí)驗(yàn)應(yīng)控制試驗(yàn)地層高度、泥漿高度和預(yù)定氣壓值保持相同。本發(fā)明的技術(shù)效果:
本發(fā)明能觀察泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過程和帶壓開艙條件下泥漿在地層中各個(gè)方向的滲透全過程，通過改變刀盤開口率研究泥漿滲透規(guī)律，從而確定泥漿的用量，指導(dǎo)盾構(gòu)施工。
[0012]
說明書附圖:
圖1:本發(fā)明所用的模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化試驗(yàn)裝置示意圖；
圖2:本發(fā)明所用泥水盾構(gòu)模型刀盤外側(cè)擋土片示意圖；
圖3:本發(fā)明所用泥水盾構(gòu)模型刀盤內(nèi)側(cè)擋土片示意圖；
其中:1、有機(jī)玻璃箱;2、溢流槽;3、有機(jī)玻璃直角圓筒;4、法蘭盤;5、模型刀盤;6、排泥閥；7、氣壓源;8、轉(zhuǎn)軸;9、刻度尺;1、箱體刻度尺;11、穩(wěn)壓閥；12、注水口。
[0013]
【具體實(shí)施方式】
[0014]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的和技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；谒枋龅谋景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無需創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0015]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0016]本發(fā)明中所述的“內(nèi)、外”的含義指的是相對(duì)于設(shè)備本身而言，指向設(shè)備內(nèi)部的方向?yàn)閮?nèi)，反之為外，而非對(duì)本發(fā)明的裝置機(jī)構(gòu)的特定限定。
[0017]本發(fā)明中所述的“連接”的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明測(cè)試方法采用的可視化裝置包括有機(jī)玻璃箱1、有機(jī)玻璃直角圓筒3和用于施加壓力的氣壓源7;有機(jī)玻璃箱I的底部放置有用于模擬工程地層的中粗粒徑透明土，在機(jī)玻璃箱的上部設(shè)置有泥漿溢流槽2，在機(jī)玻璃箱的下部設(shè)置有注水口 12，有機(jī)玻璃箱I的箱體上設(shè)有用于量測(cè)透明土地層厚度的箱體刻度尺10;有機(jī)玻璃直角圓筒3包括用于模擬泥水盾構(gòu)刀盤向地層注入泥漿的水平玻璃管和用于控制泥漿量和施加氣壓的豎直玻璃管;有機(jī)玻璃圓筒的頂部通過可拆卸的法蘭盤4進(jìn)行密封，豎直玻璃管上設(shè)有刻度尺9，豎直玻璃管的頂部側(cè)壁與氣壓源7相連接，其底部側(cè)壁設(shè)置有排泥閥6;
本發(fā)明的模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的裝置的測(cè)試方法，首先調(diào)節(jié)刀盤開口率為O，使有機(jī)玻璃直角圓筒封閉，然后在有機(jī)玻璃模型箱中裝入利用透明土制備的模擬地層并飽和，在有機(jī)玻璃直角圓筒中注入試驗(yàn)?zāi)酀{，最后打開氣壓源，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，在不同刀盤開口率下進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)，此種泥漿滲透的可視化方法，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)泥漿在地層中的滲透形態(tài)，并精確觀測(cè)到泥膜的形成類型及各方向滲透距離。
[0019]上述一種研究泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化方法，具體而言包括以下步驟:
a、調(diào)節(jié)刀盤開口率:首先轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)刀盤開口率為O，使兩片刀盤將有機(jī)玻璃箱及有機(jī)玻璃直角圓筒分隔開，防止裝入實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，試驗(yàn)地層與泥漿二者互相摻雜。
[0020]b、制備地層:利用透明土模擬自然砂土，制備滿足級(jí)配要求的中粗砂試驗(yàn)地層。再用分層擊實(shí)的方法裝入試驗(yàn)土，用刻度尺控制透明土用量，然后通過注水口從下往上注溴化鈣溶液飽和地層，飽和過程中，應(yīng)防止地層隆起或砂沸。
[0021]C、形成滲透帶:關(guān)閉排泥口及穩(wěn)壓閥門，注入試驗(yàn)?zāi)酀{，用刻度尺控制泥漿用量，采用法蘭盤將裝置密封。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)刀盤開口率20%，打開氣壓源閥門，調(diào)節(jié)氣壓至預(yù)定值，泥漿開始滲入試驗(yàn)透明土土層并形成滲透帶，觀察滲透全過程，一定時(shí)間后關(guān)閉氣壓源閥門，滲透結(jié)束，打開排泥閥，排出多余泥漿，觀測(cè)各方向滲透距離及滲透帶形式。
[0022]d、對(duì)照實(shí)驗(yàn):重復(fù)兩次上述步驟a、b、c，分別調(diào)節(jié)步驟c中刀盤開口率為30%、40%，通過三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)在不同刀盤開口率條件下各方向滲透帶形態(tài)，總結(jié)規(guī)律。
[0023]步驟a中，所述模型刀盤由兩片緊貼圓形擋土片組成，外側(cè)擋土片固定，每隔30°具有轉(zhuǎn)角為30°的扇形開口；內(nèi)測(cè)擋土片通過轉(zhuǎn)軸與外側(cè)擋土片相連，每隔32°具有轉(zhuǎn)角為28°的扇形開口，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸可以調(diào)節(jié)開口率，開口率范圍0%-50%。
[0024]步驟b中，所述透明土地層高度不低于25cm且位于排水口以下，試驗(yàn)時(shí)可制備不同級(jí)配的透明土土層，研究滲透規(guī)律。
[0025]步驟c中，所述的泥漿為實(shí)際施工工程中擬使用的泥漿，且用量不得超過氣壓源進(jìn)氣口。
[0026]步驟c中，所述有機(jī)玻璃箱中由滲透排出的溴化鈣溶液由溢流槽流出。
[0027]步驟d中，三組實(shí)驗(yàn)應(yīng)控制試驗(yàn)地層高度、泥漿高度、預(yù)定氣壓值等除刀盤開口率以外的各基本量相同，以便觀察刀盤開口率對(duì)各方向滲透帶形態(tài)的影響。
[0028]以上僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法，其特征在于， 所述測(cè)試方法采用的可視化裝置包括有機(jī)玻璃箱、有機(jī)玻璃直角圓筒和用于施加壓力的氣壓源;所述有機(jī)玻璃箱的底部放置有用于模擬工程地層的中粗粒徑透明土，在機(jī)玻璃箱的上部設(shè)置有泥漿溢流槽，在機(jī)玻璃箱的下部設(shè)置有注水口，有機(jī)玻璃箱的箱體上設(shè)有用于量測(cè)透明土地層厚度的箱體刻度尺;所述有機(jī)玻璃直角圓筒包括用于模擬泥水盾構(gòu)刀盤向地層注入泥漿的水平玻璃管和用于控制泥漿量和施加氣壓的豎直玻璃管;有機(jī)玻璃圓筒的頂部通過可拆卸的法蘭盤進(jìn)行密封，豎直玻璃管上設(shè)有刻度尺，豎直玻璃管的頂部側(cè)壁與氣壓源相連接，其底部側(cè)壁設(shè)置有排泥閥； 所述測(cè)試方法包括以下步驟: 步驟一，調(diào)節(jié)模型刀盤開口率:轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)模型刀盤開口率為O，將有機(jī)玻璃箱和有機(jī)玻璃直角圓筒之間進(jìn)行分隔，用于分隔試驗(yàn)地層和泥漿； 步驟二，制備地層:采用透明土模擬中粗砂試驗(yàn)地層；用分層擊實(shí)的方法向有機(jī)玻璃箱中裝入透明土并形成實(shí)驗(yàn)地層，然后通過箱體下部的注水口自下往上均勻緩慢地注入溴化鈣溶液來飽和試驗(yàn)地層，用于防止飽和過程中地層隆起或砂沸； 步驟三，形成滲透帶:關(guān)閉排泥閥和穩(wěn)壓閥，從有機(jī)玻璃直角圓筒的頂端注入試驗(yàn)?zāi)酀{，泥漿液位位于有機(jī)玻璃直角圓筒上部的進(jìn)氣管的下方，通過法蘭盤將有機(jī)玻璃直角圓筒的頂端進(jìn)行密封;打開氣壓源，調(diào)節(jié)氣壓源氣壓，將有機(jī)玻璃直角圓筒上部氣壓值調(diào)節(jié)至預(yù)定值，預(yù)定值為有機(jī)玻璃箱中的土水壓力值；然后，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)模型刀盤開口率至20%，泥漿開始滲入試驗(yàn)地層并形成滲透帶;觀察滲透全過程，待形成完整滲透帶，溢流槽處溴化鈣溶液穩(wěn)定的流出或者不流出時(shí)，關(guān)閉氣壓源，滲透結(jié)束，觀測(cè)泥漿在試驗(yàn)地層中各個(gè)方向的滲透距離和滲透帶形式； 步驟四，對(duì)照實(shí)驗(yàn):重復(fù)兩次上述步驟一、二、三，分別調(diào)節(jié)步驟三中模型刀盤的開口率為30%和40%，通過三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)在不同的模型刀盤開口率條件下各方向滲透帶形態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法，其特征在于，步驟一中，所述泥水盾構(gòu)模型刀盤由兩片內(nèi)外緊貼的圓形擋土片組成，外側(cè)擋土片固定在水平玻璃管的前端上，所述外側(cè)擋土片上每間隔30°開設(shè)一轉(zhuǎn)角為30°的扇形開口 ；內(nèi)測(cè)擋土片通過轉(zhuǎn)軸與外側(cè)擋土片同軸連接，并固定在轉(zhuǎn)軸上，所述內(nèi)側(cè)擋土片上每間隔32°開設(shè)一轉(zhuǎn)角為28°的扇形開口。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法，其特征在于，步驟二中，所述試驗(yàn)地層高度不低于25cm，并位于泥漿溢流槽位置下方。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法，其特征在于，步驟三中，所述泥漿為實(shí)際施工工程中擬使用的泥漿，且用量不超過有機(jī)玻璃直角圓筒上端的氣壓源進(jìn)氣口。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法，其特征在于，步驟三中，所述有機(jī)玻璃箱中滲透排出的溴化鈣溶液由溢流槽流出。6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬泥水盾構(gòu)泥漿在地層中滲透的可視化的測(cè)試方法，其特征在于，步驟四中，三組實(shí)驗(yàn)應(yīng)控制試驗(yàn)地層高度、泥漿高度和預(yù)定氣壓值保持相同。
【文檔編號(hào)】E21D9/06GK105863624SQ201610223266
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】杜佳芮, 閔凡路, 王媛, 徐靜波
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)