一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置及方法

本发明涉及盾构施工渣土改良，尤其是指一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置及方法。

背景技术：

1、近年来，土压平衡盾构技术得到快速发展，该技术通过改进设备、辅助工法等措施已适用于大部分地层；但土压平衡盾构在部分地层条件下掘进时，由于土体流塑性差，刀盘、刀具、螺旋输送机等易磨损，刀盘扭矩和推力增大、开挖面易失稳崩塌、土仓结饼、渣温升高、螺机喷涌等问题不断出现，影响了盾构施工的顺利进行。盾构渣土改良是否合理对盾构掘进参数有重大影响，为减小盾构掘进过程中的喷涌风险以及结泥饼风险，保障盾构安全掘进，需对土压平衡盾构渣土改良技术做更多研究。由于各个工程的地质条件和施工情况不同，渣土改良技术，如添加剂种类的选择、浆液配比、性能参数和指标的确定、注入参数的选定及合理控制等仍无法达到一个统一的标准。因此有必要在具体工程施工之前开展渣土改良实验。

2、目前，对于渣土改良的研究主要分为现场研究和室内试验研究两个方面。在施工现场进行渣土改良时，通常是施工单位依靠经验来确定改良剂的种类和添加量。改良标准以“不结块、易于流动”为改良目标，无法确定最优改良方案，对于改良剂的适应性缺乏深入的研究和定量分析。室内试验能够更好地研究渣土改良剂的最佳配备以实现工程经济效果最大化，但目前已有的盾构渣土改良室内试验装置通常采用人工拌合渣土和改良剂，渣土的改良过程则在常温常压下进行，与实际工程中土仓内的渣土状态存在较大差异。且目前室内的渣土改良实验主要以坍落度实验、剪切试验渗透性实验为主，仅能在常温常压下对改良后渣土的流动性、摩擦性和抗渗性进行评价，且通常忽略刀盘开口率及改良剂混合程度对实验结果的影响。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中无法模拟盾构机实际掘进过程中整体影响下土体改良评价的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，包括：

3、温压模拟系统，其包括实验舱、刀盘组件、调压组件以及调温装置；所述刀盘组件设于实验舱内，并将所述实验舱分隔为第一容纳腔和第二容纳腔两个腔体，所述刀盘组件模拟刀盘的不同开口率；所述调压组件与所述第二容纳腔相连通；所述调温装置设于所述第一容纳腔内，对所述第一容纳腔内实验土体温控调节；

4、进料系统，其包括进料管以及泡沫发生器，所述进料管有多个且均与所述第一容纳腔相连通，至少一个所述进料管与所述泡沫发生器相连通；

5、搅拌系统，其包括变频驱动组件以及搅拌棒，所述变频驱动组件与实验舱相连，所述搅拌棒与变频驱动组件的输出端相连；所述变频驱动组件控制搅拌棒于所述第一容纳腔内变频搅拌；

6、出料系统，其设于所述实验舱外靠近第一容纳腔一侧。

7、在本发明的一个实施例中，所述刀盘组件包括薄膜件、刀盘面板以及刀具，所述薄膜件敷设在所述第一容纳腔内的实验土体上，使第一容纳腔内形成密封腔；所述刀盘面板设于薄膜件上且与所述实验舱相连，所述刀具设于刀盘面板上。

8、在本发明的一个实施例中，所述刀盘面板包括结构架、设于结构架上的刀盘卡扣、以及设于所述结构架上的若干个辐条，所述结构架通过刀盘卡扣与所述实验舱可拆卸相连，所述辐条沿刀盘面板的周向方向呈圆周阵列排布，所述辐条上设有若干个刀具。

9、在本发明的一个实施例中，所述第一容纳腔内还设有土压力传感器。

10、在本发明的一个实施例中，所述调温装置包括设于所述第一容纳腔内的温度棒以及温度传感器，所述温度棒用于加热实验土体。

11、在本发明的一个实施例中，所述调压组件包括空压机、气路以及调压阀，所述气路的两端分别与所述实验舱及空压机相连通，所述调压阀设于所述气路上。

12、在本发明的一个实施例中，所述进料管通过第一螺旋阀门与所述实验舱相连；所述泡沫发生器上设有若干个进料口，其中，至少设有一个水进料口，至少设有一个空气进料口，这少设有一个渣土改良剂进料口。

13、在本发明的一个实施例中，所述变频驱动组件包括变频控制装置、第一驱动装置、转动盘以及扭矩传感器；所述变频控制装置与所述第一驱动装置电连接，所述第一驱动装置与所述实验舱相连，所述转动盘与所述第一驱动装置的输出端相连，所述扭矩传感器设于所述转动盘上。

14、在本发明的一个实施例中，出料系统包括取样组件以及渣土收集器，所述取样组件与第一容纳腔相连通，所述渣土收集器与取样组件相配合。

15、在本发明的一个实施例中，所述取样组件包括第二驱动装置、螺旋传送装置以及出料口；所述螺旋传送装置通过第二螺旋阀门与所述实验舱相连，所述第二驱动装置的输出端与所述螺旋传送装置相连，所述出料口与所述螺旋传送装置相连通，并与所述渣土收集器相配合。

16、在本发明的一个实施例中，所述实验舱内还设有孔隙水压力计。

17、本发明还提供了一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验方法，所述方法如下：

18、步骤一：将称重好的实验土样均匀倒进实验容器中，将模拟刀盘覆压固定于实验土样上；

19、步骤二：向实验容器中持续输入改良剂，形成实验土样混合物；

20、步骤三：将实验土样混合物加热至目标温度，并根据目标工程的实际压力对实验容纳内部进行加压；

21、步骤四：停止输入改良剂，对实验土样混合物充分搅拌，形成改良土样；

22、步骤五：对改良土样进行取样，测定改良土样的特性；

23、步骤六：调整改良剂的类型、用量、配比，重复上述步骤，直至获得最佳改良剂。

24、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

25、本发明通过稳压模拟系统，能够模拟盾构机实际掘进过程中的温度和压力变化，综合考虑盾构开挖过程中土舱内压力对渣土改良的影响，以及由于刀盘切削导致渣土温度上升对渣土改良的影响，使实验条件能够准确控制和灵活调整，以提高实验拟真度，进而提高实验精度；其中的刀盘组件，还可将由于盾构刀盘开口率不同，导致盾构土舱内的渣土压力传导变化考虑在内，进一步提高实验精度。

26、本发明通过搅拌系统，实现对实验舱中搅拌棒的变频转动的精准控制，以模拟不同搅拌速率下的渣土改良情况，综合考虑搅拌速率对渣土改良效果的影响，从而提高了对土体改良效果的全面评价。

27、本发明通过进料系统向实验舱中输送改良剂及泡沫剂，为后续实验提供必要的条件，进料管能够稳定地引入改良剂到模拟渣土中，而泡沫发生器则有效增添泡沫改良剂，改善渣土的流动性和稳定性；相较于传统的人工拌合方式，更加稳定可控，为实验提供了更可靠的基础。

技术特征：

1.一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，其特征在于：所述刀盘组件(12)包括薄膜件、刀盘面板(121)以及刀具(122)，所述薄膜件敷设在所述第一容纳腔(111)内的实验土体上，使第一容纳腔(111)内形成密封腔；所述刀盘面板(121)设于薄膜件上且与所述实验舱(11)相连，所述刀具(122)设于刀盘面板(121)上。

3.根据权利要求2所述的一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，其特征在于：所述刀盘面板(121)包括结构架、设于结构架上的刀盘卡扣、以及设于所述结构架上的若干个辐条，所述结构架通过刀盘卡扣与所述实验舱(11)可拆卸相连，所述辐条沿刀盘面板(121)的周向方向呈圆周阵列排布，所述辐条上设有若干个刀具(122)。

4.根据权利要求2所述的一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，其特征在于：所述第一容纳腔(111)内还设有土压力传感器(113)。

5.根据权利要求1所述的一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，其特征在于：所述调温装置(14)包括设于所述第一容纳腔(111)内的温度棒以及温度传感器，所述温度棒用于加热实验土体。

6.根据权利要求1所述的一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，其特征在于：所述进料管(21)通过第一螺旋阀门(211)与所述实验舱(11)相连；所述泡沫发生器(22)上设有若干个进料口(221)，其中，至少设有一个水进料口(221)，至少设有一个空气进料口(221)，这少设有一个渣土改良剂进料口(221)。

7.根据权利要求1所述的一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，其特征在于：所述变频驱动组件(31)包括变频控制装置(311)、第一驱动装置(312)、转动盘(313)以及扭矩传感器(314)；所述变频控制装置(311)与所述第一驱动装置(312)电连接，所述第一驱动装置(312)与所述实验舱(11)相连，所述转动盘(313)与所述第一驱动装置(312)的输出端相连，所述扭矩传感器(314)设于所述转动盘(313)上。

8.根据权利要求1所述的一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，其特征在于：所述实验舱(11)内还设有孔隙水压力计(114)。

9.根据权利要求1所述的一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，其特征在于：出料系统(40)包括取样组件(41)以及渣土收集器(42)，所述取样组件(41)与第一容纳腔(111)相连通，所述渣土收集器(42)与取样组件(41)相配合。

10.一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验方法，其特征在于，所述方法如下：

技术总结
本发明提供了一种模拟土压平衡盾构渣土改良的室内实验装置，包括：温压模拟系统，其包括实验舱、刀盘组件、调压组件以及调温装置；进料系统，其包括进料管以及泡沫发生器；搅拌系统，其包括变频驱动组件以及搅拌棒；出料系统，其设于所述实验舱外靠近第一容纳腔一侧。本发明能够模拟盾构机实际掘进过程中的温度和压力变化，综合考虑盾构开挖过程中土舱内压力对渣土改良的影响，以及由于刀盘切削导致渣土温度上升对渣土改良的影响，使实验条件能够准确控制和灵活调整，以提高实验精度；其中刀盘组件，还可将由于盾构刀盘开口率不同，导致盾构土舱内的渣土压力传导变化考虑在内，进一步提高实验精度。

技术研发人员：刘维,周显成,唐强,史培新
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17