获取盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的试验装置的制作方法

本发明提出的是一种获取盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的试验装置，属于隧道与地下工程实验仪器技术领域。

背景技术：

泥浆平衡式盾构法施工在浅埋软土地层中修建地铁、道路隧道或大直径跨海越江隧道工程中被广泛采用，大量的工程实践和理论表明：在开挖面上形成一层有效的泥膜作为支护介质是确保其稳定的关键；关于泥膜形成机理、形成条件、有效性评价指标等问题，国内外学者对此进行了一系列的研究，并且取得了一定成果。但泥浆盾构开挖面稳定的机理十分复杂，影响泥膜形成的因素以及地层参数、施工参数、泥浆特性等之间的相互作用关系，目前复杂地层上泥浆成膜机制的研究仍有待进一步深入，目前盾构泥浆渗透成膜模型试验是揭示相关机理的主要试验手段，但由于传统有机玻璃筒等泥浆成膜装置取样扰动大，如何得到泥浆颗粒在地层土体孔隙中填充分布形式面临极大的困难，制约了相关研究的深入开展。

确定泥浆颗粒在地层中的填充分布形式，需要将玻璃筒中的试验地层逐层取出，进行泥浆颗粒在孔隙中堆积形态观测，然后进行颗粒分析，确定泥浆颗粒含量，传统的整体式有机玻璃筒容器直径相对较小、高度较大的特点，取土器从地层顶面取土易受到玻璃筒边界的约束，取样的有效面积小，传统方法采用取土器从地层顶面压入地层内部，必然对所取土样及周围地层均产生较大扰动甚至破坏，影响了后续取土的有效性，取样器拔出时，土样容易松散破坏，对应不同高度的土样容易交叉混合，难以保证取土率和地层土体原始结构，无法进行泥浆颗粒在地层孔隙填充分布分析和泥浆颗粒含量分析，对于盾构泥浆成膜模型试验，不同地层深度的泥浆颗粒填充分布具有较为明显的梯度变化，上述传统取样方法产生的取样扰动直接影响了试验结果的有效性；因此，如何将取土扰动降至最低，保证砂土地层取样的完整性，使能够进行泥浆颗粒在地层内部不同位置的填充分布形式的分析。

技术实现要素：

本发明提出的是一种获取盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的试验装置，其旨在解决整体式有机玻璃筒直径小、取土器难以放入、容易扰动地层、取样容易松散、无法从侧面分层取土等难题。

本发明的技术解决方案：获取盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的试验装置，其结构包括A有机玻璃板1、B有机玻璃板2、C有机玻璃板3、接合缝4、橡胶条6、弧形金属板7、金属环形套箍8、顶盖11、顶部法兰盘12、螺栓13、底部法兰盘14、拉杆15、支座16、滤层22、地层23、泥皮24、渗透带分界面25、承托固定支架26；其中，A有机玻璃板1、B有机玻璃板2、C有机玻璃板3拼接形成三瓣式试验筒主体，A有机玻璃板1的B端与B有机玻璃板2的C端、B有机玻璃板2的D端与C有机玻璃板3的E端、C有机玻璃板3的F端与A有机玻璃板1的A端依次对接拼装，有机玻璃板两两相接合各形成1道接合缝4，接合缝4外设置橡胶条6 ，橡胶条6外设置弧形金属板7，三道金属环形套箍8分别设置在三瓣式试验筒主体上、中、下三个位置，三道金属环形套箍8内侧与弧形金属板7及三瓣式试验筒主体外壁紧密贴合，顶盖11通过螺栓13与顶部法兰盘12相接，顶部法兰盘12固定在三瓣式有机玻璃筒主体的上部，支座16通过底部法兰盘14固定在三瓣式有机玻璃筒的下部，顶部法兰盘12和底部法兰盘14之间通过拉杆15连接，拉杆15底部有螺栓拧紧；承托固定支架26连接在B有机玻璃板2和C有机玻璃板3接缝处；三瓣式试验筒主体内从底部往上依次是滤层22、地层23、泥皮24，地层中有泥浆渗透形成的渗透带分界面25。

本发明的优点：

（1）本装置比较显著的优点在于可以通过拆解三瓣式试验筒，将地层土样取出（必要时需要经过冷冻处理），然后切开土样直接观察试验现象，能够实现现有试验装置无法实现的功能，在泥浆渗流力和泥膜传递的有效应力作用下，土样得到较好的压实，具有一定的结构性，可以从地层顶部至底部直接进行侧向逐层慢慢切除而保持土样结构的完整性，达到观察泥浆颗粒在地层孔隙中填充分布特征的目的；

（2）可以通过在多个位置测量泥膜厚度，从而取得一个比较可信的数值，而不是只测量估读筒壁一周的泥膜厚度；

（3）切开土样后，不仅可以通过直接观察试验地层内部泥浆颗粒的填充形式，而且可以根据取样分析结果获得泥浆颗粒在地层中的沿深度变化的填充分布特征，根据地层空间泥浆颗粒浓度相等的点连成曲面，绘制地层空间内泥浆颗粒浓度等值面，确定泥浆渗透带真实曲面。

附图说明

附图1是获取盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的试验装置结构示意图。

附图2是A有机玻璃板、B有机玻璃板、C有机玻璃板各端两两连接结构示意图。

附图3是三瓣式有机玻璃板和套箍连接横截面示意图。

附图4是金属环形套箍结构示意图。

附图5是获取盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的试验装置水平放置和拆解取样顺序侧视图。

附图6是获取盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的试验装置水平放置和拆解取样顺序正视图。

附图7是泥浆颗粒质量含量C沿地层深度z变化规律图。

附图8是地层空间内泥浆颗粒浓度等值面图和渗透带曲面图。

附图9是获取盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的试验装置组装拆解取样流程图。

附图中1是A有机玻璃板、2是B有机玻璃板、3是C有机玻璃板、4是接合缝、5是橡胶圈、6是橡胶条、7是弧形金属板、8是金属环形套箍、9是螺栓、10是螺母及垫片、11是顶盖、12是顶部法兰盘、13是螺栓、14是底部法兰盘、15是拉杆、16是支座、17是进浆口、18是测压接口、19是排气口、20是出浆口、21是滤板、22是滤层、23是地层、24是泥皮、25是渗透带分界面、26是承托固定支架。

具体实施方式

对照附图，获取盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的试验装置，其结构包括A有机玻璃板1、B有机玻璃板2、C有机玻璃板3、接合缝4、橡胶圈5、橡胶条6、弧形金属板7、金属环形套箍8、螺栓9、螺母及垫片10、顶盖11、顶部法兰盘12、螺栓13、底部法兰盘14、拉杆15、支座16、进浆口17、测压接口18、排气口19、出浆口20、滤板21、滤层22、地层23、泥皮24、渗透带分界面25、承托固定支架26；其中，A有机玻璃板1、B有机玻璃板2、C有机玻璃板3拼接形成三瓣式试验筒主体，A有机玻璃板1的B端与B有机玻璃板2的C端、B有机玻璃板2的D端与C有机玻璃板3的E端、C有机玻璃板3的F端与A有机玻璃板1的A端依次对接拼装，玻璃板两两相接合各形成1个接合缝4，接合缝4外设置橡胶条6 ，橡胶条6外设置弧形金属板7，三道金属环形套箍8分别设置在三瓣式试验筒主体上、中、下三个位置，三道金属环形套箍8内侧与弧形金属板7及三瓣式试验筒主体外壁紧密贴合，顶盖11通过顶部法兰盘12固定在三瓣式有机玻璃筒主体的上部，支座16通过底部法兰盘14固定在三瓣式有机玻璃筒的下部，顶部法兰盘12和底部法兰盘14之间设置有拉杆15，地层表面形成泥皮24，泥浆在地层中渗透形成渗透带分界面25，承托固定支架26作为玻璃筒水平放置的支撑和固定装置。

所述的A有机玻璃板1的B端与B有机玻璃板2的C端、B有机玻璃板2的D端与C有机玻璃板3的E端、C有机玻璃板3的F端与A有机玻璃板1的A端均为阶梯形构造，拼接时，阶梯形构造接合部位接合缝4内设置有橡胶圈5，橡胶圈5与端部紧密贴合，这一阶梯形设计改善了装置的密封性能，避免筒内浆液、气体或颗粒材料加压时从接缝处渗出。

所述的金属环形套箍8为一个环形形状的整体金属部件，套箍一侧设置四个螺栓孔，通过螺栓孔用螺母及垫片10和螺栓9加以固定，从而达到稳固整个三瓣式试验筒主体的作用，拧紧和拧松螺母可以实现金属环形套箍8的锁紧和放松，完成三瓣式试验筒主体的组装和拆卸工作，金属环形套箍8表面为格栅型，保证金属环形套箍结构刚度的同时，减少对试验地层的遮挡，便于观测泥浆渗流和渗透带发展情况。

所述三道金属环形套箍8内侧与弧形金属板7及三瓣式试验筒主体紧密贴合，相当于通过对弧形金属板7施加压力达到对整个装置固定的效果，以保证试验装置的完整性和接缝处的密封性；上部金属环形套箍8布置的位置在试验地层以上一定的高度，避免对试验地层的遮挡，同时也可以观察地层上部泥皮的形成情况，下部金属环形套箍8布置的位置在试验地层下部的滤层处，虽然对滤层有部分遮挡，但避免对试验重点关注的地层区域的遮挡。

所述的弧形金属板7外表面与三瓣式试验筒主体外壁表面平齐，弧形金属板7与三瓣式试验筒主体长度相同；这一设计既能保证装置的密封性能，又能保证筒壁能够承载环形金属套箍8施加的压力，起到了固定整个装置以及加强装置整体性的作用。

所述的顶盖11设置有泥浆进浆口17、测压接口18、排气口19。

所述底部法兰盘14设置有泥浆出浆口20。

所述三瓣式试验筒主体底部设置有滤板21。

所述承托固定支架26用于拆解步骤时的固定与支撑。

所述本试验装置的具体拆解方法如下：

①拆除试验装置顶盖上部的接口上的管线，拧开顶盖和顶部法兰盘的连接螺栓，拆除顶盖，将试验筒中覆盖在泥皮上方多余的泥浆吸出，观察泥皮状态和厚度；

②将三瓣式试验筒水平放置在承托固定支架上，A有机玻璃板位于B有机玻璃板2和C有机玻璃板3接缝正上方，拧开拉杆底部的螺栓，卸下拉杆，拆除与三瓣式玻璃试验筒连接的顶部法兰盘和底部法兰盘；

③拧开金属环形套箍一侧的螺栓，松开三瓣式试验筒上中下部的金属环形套箍，但不拆除金属环形套箍，让金属环形套箍对三瓣式玻璃试验筒保持一定的约束性，但可以推动A有机玻璃板；

④采用分步推动A有机玻璃板和分层切向切割地层的方法进行取样，分n步将A有机玻璃板缓慢向地层深度增加方向推动，将A有机玻璃板顶面分别推至L₁和L₂、L₂和L₃、…、L_n-1和L_n各分界线位置，L₁、L₂、…、L_n各段长度相等，根据地层粒径配比大小和成膜情况调整n值的大小，改变各段的长度。

所述的切土取样步骤如下：

1）将L₁、L₂、…、L_n各段分三个部分切割，其中L₁分①、②和③三个部分，L₂分④、⑤和⑥三个部分，以此类推；

2）A有机玻璃板顶面分别推至L₁和L₂分界线位置，L₀区域和L₁区域裸露出来，先切割地层表面泥皮（即L₀区域），再分Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅻ共12层切割①部分，然后按照同样的分层方法，切割②部分和③部分；

3）A有机玻璃板顶面分别推至L₂和L₃分界线位置，L₂区域裸露出来，按照同样的分层方法，切割④、⑤和⑥三个部分；

4）以此类推，边推动A有机玻璃板顶面至L_i和L_i+1分界面，边分层切割分界面前方裸露区域L_i，直至将L_n区域切割完成，所有试验地层均取样完毕；

5）将各层取出的土样分为5段，即ⅰ、ⅱ、…、ⅴ，其中Ⅰ层和Ⅻ层分为3段，即ⅱ、ⅲ和ⅳ。根据取样位置用编号对各段进行标记，如试样④-Ⅲ-ⅱ代表取样位置为第④部分第Ⅲ层第ⅱ段，方便后续分析。

所述取样后分析测定步骤如下：

① 对所取各段土样进行形态观测，包括肉眼观测、放大镜和电镜扫描观测；

② 将各段试样分别放入已称量质量的铝盒中，称量铝盒质量变化得到该段试样总质量m₁，m₁为该段地层砂土颗粒、泥浆颗粒和水三者质量之和；

③ 烘干该段试样得到烘干后质量m₂，m₂为该段地层砂土颗粒和泥浆颗粒干质量之和，m₁- m₂为该段地层中水的质量，（m₁- m₂）/ m₂为该段地层含水率；

④ 将烘干完毕的试样放入盆中清洗，去除砂土中的含有的泥浆颗粒，获得该段地层中的砂土颗粒，将其放入烘箱中烘干，烘干后质量m₃，m₃为该段地层砂土颗粒干质量，m₂- m₃为该段地层中泥浆颗粒干质量，（m₂- m₃）/ m₂为该段地层泥浆颗粒干质量与该段地层砂土颗粒和泥浆颗粒干质量之和的比值，用质量含量C表示；

⑤ 根据取样分析结果获得泥浆颗粒在地层中的沿深度变化的填充分布特征，确定泥浆颗粒质量含量C沿地层深度z变化规律，根据渗透带长短与地层长度L的关系可以分为不同的曲线类型，如C-z曲线和C´-z曲线，分别对应完全渗透型和不完全渗透型的曲线；

⑥ 根据取样分析结果获得泥浆颗粒填充分布在地层空间连续性变化特征，根据地层空间泥浆颗粒浓度相等的点连成曲面，绘制地层空间内泥浆颗粒浓度等值面图，确定泥浆渗透带真实曲面。

所述颗粒填充形式：泥浆侵入地层成膜，泥浆颗粒残留在地层孔隙中，泥浆颗粒在地层孔隙中填充、堆积和分布形式。

所述渗透带：泥浆侵入地层成膜，从地层开挖面到最大侵入距离间的泥浆渗透区域。

对于成膜效果较差、特别松散的土样，辅助采用低温冷冻处理一段时间，使得地层土体形成一定的胶结性后再进行拆解仪器、土样切割等工作；本发明在保持了原有试验功能的基础上，还能从同一个试验中得到更有效、更精确、更丰富的试验成果。

如附图5所示将泥皮和地层分成L₀至L_n份进行分层取样切割，其中L₀为泥皮厚度区域，纵向分Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅻ共12层自上而下切割，根据地层粒径配比大小和成膜情况调整n值的大小，改变各段的长度，其中虚线部分是A有机玻璃板，箭头为板1的推动方向。

如附图6所示地层纵向分Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅻ共12层自上而下切割，横向分为5段，即ⅰ、ⅱ、…、ⅴ，其中Ⅰ层和Ⅻ层分为3段，即ⅱ、ⅲ和ⅳ。

如附图7所示，图中曲线是根据泥浆颗粒质量含量C沿地层深度z的变化而确定，其中C是该段地层泥浆颗粒干质量与该段地层砂土颗粒和泥浆颗粒干质量之和的比值，C₀是地层顶部泥浆颗粒质量含量，C_L是地层底部泥浆颗粒质量含量，根据渗透带长度L´与地层长度L的关系可以分为不同的曲线类型，例如C-z曲线和C´-z曲线分别对应完全渗透型和不完全渗透型的曲线，L´小于L时为不完全渗透型。

如附图8所示，图中曲面是地层空间内泥浆颗粒浓度等值面，是将地层空间泥浆颗粒浓度相等的点连成曲面绘制成图，以确定泥浆渗透带真实曲面。当渗透带长度L´小于地层长度L时，泥浆侵入地层成膜为不完全渗透型，L´位置对于的平面为假想的渗透带锋面，实际渗透带锋面为曲面型，需要根据取样分析结果确定。

如附图9所示，仪器组装步骤是三瓣式玻璃板拼接、三个套箍组装、地层制备、顶盖组装、管线连接；成膜试验步骤是泥浆压力设定、泥浆侵入地层试验、卸除压力；仪器拆除步骤是管线拆除、顶盖拆除、顶部法兰盘和底部支座拆除、仪器水平放置、三个套箍放松；切土取样步骤是平推玻璃板1顶面至L₁和L₂分界线位置、分层切土L₀区域、分层切土①区域、分层切土②区域、分层切土③区域、取样分析，再将玻璃板1顶面推至L₂和L₃分界线位置，重复前述取样步骤直至取样完毕。

下面结合实施例对本发明做作一步说明。

实施例1

一种盾构泥浆颗粒在地层填充分布及成膜特征的获取方法：

a) 首先完成三瓣式试验筒主体的组装，将三瓣式试验筒的主体部件即三块有机玻璃板B端对接C端，D端对接E端，F端对接A端拼接好，将三块通常金属板7分别嵌入三瓣式试验筒主体的凹槽处，使之与玻璃板紧密贴合。再将三个金属环形套箍8先后套于拼接好的三瓣式试验筒主体外，拧紧螺栓9和螺母及垫片10，确保套箍对三瓣式试验筒主体施加了足够的压力使之固定；将支座16拧入底部法兰盘14中，把已经组装好的三瓣式试验筒主体固定在底部法兰盘14上，将滤板21放入试筒底部；再将三根拉杆拧入顶部法兰盘12的螺纹口中，把拉杆15穿插入底部法兰盘14的预留孔洞中，使得顶部法兰盘口和三瓣式试验筒口对准，此时在底部法兰盘14预留孔处配合拧紧螺母加以固定，此时筒内净高40cm，内径15cm的三瓣式试验筒组装完毕；

b) 往三瓣式试验筒主体内添加5cm滤层材料以及30cm地层材料，顶层顶部刻度35cm，过水饱和后，用螺栓13将顶盖11和顶部法兰盘12固定在一起；连接各管线，泥水盾构模型试验开始；

c) 试验过程中的分级加压和数据记录步骤不加赘述，待试验结束后，对试筒中的土样进行低温处理，处理完毕后进行装置拆解，拆除试验筒顶盖上部的接口上的管线，拧开顶盖和顶部法兰盘的连接螺栓，拆除顶盖，将试验筒中覆盖在泥皮上方多余的泥浆吸出，使泥皮得以被观察；将三瓣式试验筒水平放置在承托固定支架上，A有机玻璃板板面朝正上方，拧开拉杆底部的螺栓，卸下拉杆，拆除与三瓣式玻璃试验筒连接的顶部法兰盘和底部法兰盘；拧开金属环形套箍一侧的螺栓，松开三瓣式试验筒上中下部的金属环形套箍，但不拆除金属环形套箍，让金属环形套箍对三瓣式玻璃试验筒保持一定的约束性，但能推动A有机玻璃板；

d) 将地层分为L₁、L₂、…、L₅共5段，各段分三个部分切割，其中L₁分①、②和③三个部分，L₂分④、⑤和⑥三个部分，以此类推，L5分⑬、⑭和⑮三个部分，将A有机玻璃板顶面推至L₁和L₂分界线位置，L₀区域和L₁区域裸露出来，先切割地层表面泥皮（即L₀区域），再分Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅻ共12层切割①部分，然后按照同样的分层方法，切割②部分和③部分，以此类推，推动A有机玻璃板顶面至L₄和L₅分界面，边分层切割分界面前方裸露区域L₄的⑬、⑭和⑮部分，直至将L₅区域切割完成，所有试验地层均取样完毕；将各层取出的土样分为5段，即ⅰ、ⅱ、…、ⅴ，其中Ⅰ层和Ⅻ层分为3段，即ⅱ、ⅲ和ⅳ并根据取样位置用编号对各段进行标记。

在一定时间内对所取试样进行分析，通过对试样称量—烘干称量—清洗烘干称量的方法获得试样中各组分的质量，根据取样分析结果获得泥浆颗粒颗粒在地层中的沿深度变化的填充分布特征，确定泥浆颗粒质量含量C沿地层深度z变化规律；根据地层空间泥浆颗粒浓度相等的点连成曲面，绘制地层空间内泥浆颗粒浓度等值面图，确定泥浆渗透带真实曲面。