一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样装置与方法、及其测量方法与流程

本发明属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样装置与方法、及其测量方法。

背景技术：

随着经济发展以及工业化水平不断提高，地下铁道建设的施工方法也经历了很大的发展，特别是盾构法施工，以其地层适应性强、施工速度快、对周边环境干扰少等特点而得到广泛应用。但是目前对高渗透性、大粒径地层中泥水盾构开挖面稳定性的研究较少，尤其缺乏对开挖面稳定性起极为重要作用的泥浆特性方面的研究。因此，针对典型的大粒径、高渗透性的砂卵石地层，对泥浆组成材料性质、配比优化以及所需泥浆特性参数等问题进行系统深入的研究，具有重要的学术价值和现实意义。

目前关于泥浆悬浮砂粒能力的测定仅限于将泥浆与砂混合后静置一段时间，再倒出上层泥浆后称量底层砂的质量，以沉淀于底部的砂的质量大小来判定泥浆悬浮砂能力的大小，如：蒋龙在其论文《砂卵石地层泥水盾构泥浆材料选择及配比优化分析》中以沉淀的细砂质量占加入总量的百分比来判定泥浆的砂粒悬浮能力，百分比越大表明该泥浆的砂粒悬浮能力越强。此方法测定沉淀砂质量时是将泥浆筒中泥浆直接倒出，泥浆倒出速度对底层砂的带出有很大影响，实验结果不准确，且此方法无法直接分层测定泥浆中不同深度砂粒含量。

综上所述，现有技术存在以下缺点：①以倾倒形式来去除仪器中顶层泥浆的人为操作误差较大，泥浆的流出会带动部分底层砂粒的流出导致砂粒损失，且砂粒损失量难以进行量化；②仅仅提取底层沉淀的砂粒，无法直接分层测定泥浆中不同深度砂粒含量。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样装置与方法、及其测量方法，其目的在于，为了解决目前关于泥浆悬浮砂粒能力测定的问题，通过引入分层取土器，对不同深度泥浆中的砂粒含量测定来判定泥浆悬浮砂粒的能力，可以测量不同配比泥浆悬浮砂粒能力和经历不同时间砂粒在泥浆中的沉降情况。

一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样装置，包括泥浆筒1和分层取土器3；

所述分层取土器3可拆卸安装于泥浆筒1中；

所述分层取土器3包括弧形底板、分层隔板6、连接线8、分层隔板开关件以及隔板连接弹簧9；

所述分层隔板包括固定分层隔板和活动分层隔板，设置在弧形底板上，其中，固定分层隔板设置于弧形底板两端，活动分层隔板铰接设置在弧形底板上，相邻分层隔板之间的距离大于分层隔板的宽度；

所述连接线依次连接分层隔板的连接点，连接线的一端与分层隔板开关件相连，另一端固定在最底端的活动分层隔板的连接点上；

所述分层隔板开关件嵌装在顶端的固定分层隔板上；

所述隔板连接弹簧一端固定在底端的固定分层隔板的末端，另一端连接在最底端的活动分层隔板的连接点上；

所述泥浆筒上设有顶盖，顶盖的中线上依次开设有3个排泥浆孔和1个开关件孔洞，排泥浆孔配有密封塞，开关件孔洞四周设有密封圈。

孔A、孔B和孔C为排泥浆孔，分别位于顶盖中线1/3,1/2和3/4，配有密封木塞，仪器水平放置时，依次打开木塞可放掉各孔的上层泥浆，孔D为分层隔板开关件孔洞。

在连接线处于松弛状态时，隔板连接弹簧9的拉力使活动分层隔板6全部保持竖直状态不晃动；

活动分层隔板6可围绕弦边转动且隔板面积较小，对泥浆中的砂粒沉降及水平迁移的影响可忽略；

进一步地，所述弧形底板凹陷侧设置有与活动分层隔板匹配的格档条，且活动分层隔板处于水平位置时，格档条位于分层隔板上表面。

所述格档条的设置防止活动分层隔板从下至上摆动时，超过水平位置继续往上摆动；

进一步地，所述泥浆筒内设置限位槽。

分层取土器3边沿有3mm的延长，以保证能够插入到限位槽10与A筒1内壁的卡槽中。

进一步地，还包括用于水平放置泥浆筒的支架11，且支架上设置有定位槽12，所述泥浆筒外侧设置有与支架上的定位槽匹配的定位块5。

定位块位于分层取土器弧形底板中线处。

进一步地，所述分层隔板为7-13片，等间距分布在弧形底板上。

进一步地，所述泥浆筒1的内部周长为分层取土器3弧边长的4-6倍，泥浆筒直径D为6-8cm。

进一步地，所述分层隔板开关件为活塞4，活塞卡装在分层取土器的顶端的固定分层隔板上，所述连接线连接在活塞的活动部。

拉动连接线8使得活塞上下滑动，从而带动活动分层隔板在竖直状态和水平状态中切换，且活塞处于密封状态不会漏浆。

一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样方法，采用上述的用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样装置进行取样，包括以下步骤：

步骤1：将分层取土器3插入泥浆筒1中，开启分层隔板开关件，使得顶端连接线处于松弛状态，弹簧拉动活动分层隔板6使其全部保持竖直状态，将事先准备好的泥浆和砂粒混合物倒入泥浆筒1中，盖紧顶盖2；

步骤2：将装满泥浆的泥浆筒1上下左右晃动10～20次，使砂粒在泥浆中分散均匀，接着竖直放置泥浆筒1，让砂粒在泥浆中自由沉降；

步骤3：待沉降时间t₁后，关闭分层隔板开关件，向上拉动连接线8，牵动活动分层隔板6至水平，活动分层隔板6弧边沿紧贴格挡条7；

步骤4：将定位块5对准定位槽12将泥浆筒1水平放置于支架11上，让砂粒分别沉降在分层取土器3中对应高度的分段处；

步骤5：待沉降时间30min后，依次拔出排泥浆孔上的密封塞，使泥浆依次从泥浆筒顶盖上的排泥浆孔流出，取下顶盖后，从泥浆筒中水平抽出分层取土器(3)；

拔掉顶盖孔A的塞子，放掉孔A的上部的泥浆，然后拔掉顶盖孔B的塞子，放掉孔B的上部的泥浆，再次拔掉顶盖孔C的塞子，放掉孔C的上部的泥浆；最后将顶盖从泥浆筒1上部拿掉，水平抽出分层取土器3；

步骤6：分别取出分层取土器3中每个格栏内的含有砂粒的泥浆，完成取样。

一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样的测量方法，利用上述的一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样方法进行取样，将取出的含有砂粒的泥浆用清水洗净，将洗净的砂粒分别放置在不同的铝盒中，烘干24h，称出烘干后各层砂粒干质量m，完成测量。改变砂粒粒径、质量和沉降时间t₁，上述的测量方法，可以得到不同沉降时间t₁对应的各层砂粒质量m，可绘制出经过时间t₁的沉降泥浆中不同深度砂粒含量与隔板分段的关系曲线，以不同深度砂粒的含量来确定泥浆的悬浮砂粒能力。

有益效果

本发明提供了一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样装置与方法、及其测量方法，该取样装置包括泥浆筒1和分层取土器3；所述分层取土器3可拆卸安装于泥浆筒1中；所述分层取土器3包括弧形底板、分层隔板6、连接线8、分层隔板开关件以及隔板连接弹簧9；所述分层隔板包括固定分层隔板和活动分层隔板，设置在弧形底板上，其中，固定分层隔板设置于弧形底板两端，活动分层隔板铰接设置在弧形底板上，相邻分层隔板之间的距离大于分层隔板的宽度；通过活动分层隔板的设置，使得泥浆中不同深度处的砂粒能够同时收集在对应高度的分层格子中，有效地解决目前试验手段无法直接分层测定泥浆中不同深度砂粒含量问题；该取样方法操作简单，使用方便，大大的降低了将泥浆从仪器中倒出带出砂土的人为操作误差的影响。

附图说明

图1为本发明所述的装置的分层取土器插入泥浆筒筒中的示意图，其中，(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为顶盖俯视图；

图2为分层取土器；

图3为支架图；

图4为分层取土器隔板竖直放置时活塞、分层隔板和弹簧剖面图；

图5为分层取土器隔板水平放置时活塞、分层隔板和弹簧剖面图；

图6为不同层干砂质量折线图，分层取土器竖直放置时最底层为第一层，顶层为第8层；

标号说明：泥浆筒1、顶盖2、分层取土器3、活塞4、定位块5，活动分层隔板6、格挡条7、连接线8、弹簧9、限位槽10、支架11、定位槽12。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

如图1-图3所示，一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样装置，包括泥浆筒1和分层取土器3；

所述分层取土器3可拆卸安装于泥浆筒1中；

所述分层取土器3包括弧形底板、分层隔板6、连接线8、分层隔板开关件以及隔板连接弹簧9；

所述分层隔板包括固定分层隔板和活动分层隔板，设置在弧形底板上，其中，固定分层隔板设置于弧形底板两端，活动分层隔板铰接设置在弧形底板上，相邻分层隔板之间的距离大于分层隔板的宽度；

所述连接线依次连接分层隔板的连接点，连接线的一端与分层隔板开关件相连，另一端固定在最后一个的活动分层隔板的连接点上；

所述分层隔板开关件嵌装在顶端的固定分层隔板上；

所述隔板连接弹簧一端固定在底端的固定分层隔板的末端，另一端连接在最底端的活动分层隔板的连接点上；

所述泥浆筒上设有顶盖，顶盖的中线上依次开设有3个排泥浆孔和1个开关件孔洞，排泥浆孔配有密封塞，开关件孔洞四周设有密封圈。

孔A、孔B和孔C为排泥浆孔，分别位于顶盖中线1/3,1/2和3/4，配有密封木塞，仪器水平放置时，依次打开木塞可放掉各孔的上层泥浆，孔D为分层隔板开关件孔洞。

在连接线处于松弛状态时，隔板连接弹簧9的拉力使活动分层隔板6全部保持竖直状态不晃动；

活动分层隔板6可围绕弦边转动且隔板面积较小，对泥浆中的砂粒沉降及水平迁移的影响可忽略；

所述弧形底板凹陷侧设置有与活动分层隔板匹配的格档条，且活动分层隔板处于水平位置时，格档条位于分层隔板上表面。

所述格档条的设置防止活动分层隔板从下至上摆动时，超过水平位置继续往上摆动；

所述泥浆筒内设置限位槽。

分层取土器3边沿有3mm的延长，以保证能够插入到限位条10与A筒1内壁的卡槽中。

还包括用于水平放置泥浆筒的支架11，且支架上设置有定位槽12，所述泥浆筒外侧设置有与支架上的定位槽匹配的定位块5。

定位块位于分层取土器弧形底板中线处。

所述分层隔板为7-13片，等间距分布在弧形底板上。

所述泥浆筒1的内部周长为分层取土器3弧边长的4-6倍，泥浆筒直径D为6-8cm。

所述分层隔板开关件为活塞4，活塞卡装在分层取土器的顶端的固定分层隔板上，所述连接线连接在活塞的活动部。

拉动连接线8使得活塞上下滑动，从而带动活动分层隔板在竖直状态和水平状态中切换，且活塞处于密封状态不会漏浆。

一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样方法，采用上述的用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样装置进行取样，包括以下步骤：

步骤1：将分层取土器3插入泥浆筒1中，开启分层隔板开关件，使得顶端连接线处于松弛状态，如图4所示，弹簧拉动活动分层隔板6使其全部保持竖直状态，将事先准备好的泥浆和砂混合物倒入泥浆筒1中，盖紧顶盖2；

步骤2：将装满泥浆的泥浆筒1上下左右晃动10～20次，使砂粒在泥浆中分散均匀，接着竖直放置泥浆筒1，让砂粒在泥浆中自由沉降；

步骤3：待沉降时间t₁后，关闭分层隔板开关件，向上拉动连接线8，牵动活动分层隔板6至水平，活动分层隔板6弧边沿紧贴格挡条7，如图5所示；

步骤4：将定位块5对准定位槽12将泥浆筒1水平放置于支架11上，让砂粒分别沉降在分层取土器3中对应高度的分段处；

步骤5：待沉降时间30min后，依次拔出排泥浆孔上的密封塞，使泥浆依次从泥浆筒顶盖上的排泥浆孔流出，取下顶盖后，从泥浆筒中水平抽出分层取土器3；

拔掉顶盖孔A的塞子，放掉孔A的上部的泥浆，然后拔掉顶盖孔B的塞子，放掉孔B的上部的泥浆，再次拔掉顶盖孔C的塞子，放掉孔C的上部的泥浆；最后将顶盖从泥浆筒1上部拿掉，水平抽出分层取土器3；

步骤6：分别取出分层取土器3中每个格栏内的含有砂粒的泥浆，完成泥浆取样。

一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样的测量方法，利用上述的一种用于确定泥浆悬浮砂粒能力的分层取样方法，进行泥浆取样，将取出的含有砂粒的泥浆用清水洗净，将洗净的砂粒分别放置在不同的铝盒中，烘干24h，称出烘干后各层砂粒质量m，完成测量。

改变砂粒粒径、质量和沉降时间t₁，上述的测量方法，可以得到不同沉降时间t₁对应的各层砂粒质量m，可绘制出经过时间t₁的沉降泥浆中不同深度砂粒含量与隔板分段的关系曲线，如图6所示，以不同深度砂粒的含量来确定泥浆的悬浮砂粒能力。

本发明中应用了具体实施例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对发明的限制。