一种泥浆渗透成膜实验装置及方法与流程

本发明涉及隧道及地下工程实验仪器技术领域，尤其涉及一种泥浆成膜实验装置及方法。

背景技术：

泥水平衡式盾构施工中开挖面的稳定主要是通过泥水舱中带压力的泥水来平衡开挖面处的水土压力。为了维持开挖面的稳定，泥水盾构中对泥浆浆液的功能有如下要求：（1）通过泥水压力来平衡土压力和水压力；（2）为使泥水压力能够有效地作用在开挖面上，需在开挖面处形成具有一定结构特性的泥膜；（3）对于具有透水性的开挖地层，由于泥水的渗透，提高了开挖面附近土体的自立性。

泥膜作为一种隔水材料和传力介质，其形成主要受到开挖土体、泥浆和施工参数三者的共同作用。但由于施工条件和监测手段的限制，在施工现场无法通过有效的手段来判断泥膜的形成过程和泥膜自身的特性，所以目前关于泥膜的形成及其性能的研究工作大都是在实验室内完成的。为更好地模拟盾构施工过程中泥膜的形成，如何提高室内模拟装置的复杂地层结构、压力范围等适应性，是非常必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题而提出的一种泥浆渗透成膜实验装置及方法，旨在解决复杂地层结构、高压力环境下泥膜支护机理的研究，为泥水盾构工程提供更切实际的指导。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种泥浆渗透成膜实验装置，特点是：该装置包括筒体、法兰盖板及密封垫圈，所述筒体体身上自上而下依次设有进浆阀、排浆阀及排水阀，筒体体身上设有透视窗；所述法兰盖板上设有进气阀、安全阀及压力表；法兰盖板与筒体通过螺栓连接，密封垫圈设于法兰盖板与筒体连接处。

所述筒体为圆柱形金属筒体；法兰盖板为法兰金属盖板；密封垫圈为石墨密封垫圈。

一种采用上述装置的泥浆渗透成膜实验方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：填土

打开实验装置的法兰盖板，旋紧排水阀，筒体内放置4-5cm的砂滤层；称取实验用土放置在砂滤层上方并分层夯实；

步骤2：饱和土体

将实验用水加入土体中，并打开排水阀，然后盖上法兰盖板并确保法兰盖板和筒体之间密封；通过进气阀对筒体内进行加压，使土体在0.1-1.2mpa压力下饱和；

步骤3：注浆

关闭排浆阀和排水阀，打开注浆阀将泥浆快速注入筒体内；

步骤4：加压

注浆完毕，关闭注浆阀；打开进气阀调整筒体内的气压至0.1-1.2mpa压力，该压力数据由法兰盖板上的压力表读取；

步骤5：实验记录

待筒体内气压至设定压力时，打开排水阀；通过侧窗观察泥膜的形成过程并记录滤液质量即失水量，直至过滤速度稳定；

步骤6：后续处理

关闭进气阀，缓慢打开注浆阀释放筒体内气压；待筒体内气压达到空气压后，打开法兰盖板，取出泥膜并测量厚度；其中：

所述失水量的记录：泥浆在筒体中向土体渗透的过程中，于筒体内底端采用玻璃皿收集滤液，将玻璃皿置于电子天平上，每2min记录一次失水量，以克(g)表示，直至三次测量结果相差在0.1g以内即认为泥膜已形成；

所述过滤速度为：将滤液的质量对其时间求导即得到泥膜的过滤速度；

所述泥膜厚度的测量：泥浆渗透成膜过程中，通过筒体上透视窗观察泥膜的形成过程，并借助视窗刻度实时记录泥膜的厚度，土体与筒壁之间有缝隙，此记录值作为泥膜厚度的参考值，泥膜形成后，打开法兰盖板，取出泥膜，测量多处的厚度并取其平均值，即为泥膜的厚度。

本发明的技术效果：

本发明能观察不同压力、不同地层情况下泥浆的渗透成膜过程，并可依据实验过程中记录的失水量、过滤速度、泥膜厚度等数据和分析得出有效的结论，以指导实际盾构施工项目。

附图说明

图1为本发明实验装置结构示意图；

图2为实验得到的泥膜实物图；

图3为采用本发明实验装置得到的不同压力下的失水量曲线图；

图4为采用本发明实验装置得到的不同压力下的过滤速度曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

参阅图1，本发明的实验装置包括筒体1、法兰盖板2及密封垫圈3，所述筒体1体身上自上而下依次设有进浆阀7、排浆阀8及排水阀9，筒体1体身上对称设有透视窗10；所述法兰盖板2上设有进气阀4、安全阀5及压力表6；法兰盖板2与筒体1通过螺栓连接，密封垫圈3设于法兰盖板2与筒体1连接处。

所述筒体1为圆柱形金属筒体；法兰盖板2为法兰金属盖板；密封垫圈3为石墨密封垫圈。

安全阀4：能承受的最大压力为1.2mpa，当筒体1内气体压力超过1.2mpa时，安全阀4上的金属线将断开，安全阀4自动排气，保证筒体1的安全。

压力表6：用于读取筒体1内气压，打开进气阀4对筒体1内通入压缩氮气，并通过压力表6的示数读出筒体1内的压力，当达到实验用压力值时即可关闭进气阀4，实验过程中当压力表的示数变化时，可通过进气阀4对筒体1内的气体压力进行调整。

注浆阀7：用于向筒体1内注入泥浆，将实验土体装填后，盖上法兰盖板2并密封，将泥浆浆液通过注浆阀注入筒体1内。

排浆阀8：用于排出筒体1内泥浆，实验结束后，打开排浆阀，排出剩余泥浆。

排水阀9：用于收集泥膜失水量，对装填土体进行实验压力下的饱和时用于判断土体的饱和状态，泥浆成膜时打开排水阀，收集泥膜的失水量。

透视窗10：用于观察筒体1内泥膜形成过程，由于筒体1为金属，无法观测筒体内的情况，因此在筒体的两侧对称装上透视窗，便于确定土体和泥浆的用量，并可观察对泥浆浆液加压后泥浆与土体的接触面上泥膜的形成。

本发明实验方法包括以下步骤：

（1）填土：打开筒体1上的法兰盖板2，旋紧排水阀9，放置4-5cm的砂滤层。称取实验用土放置在砂滤层上方并分层夯实。

（2）饱和土体：将实验用水加入土体中并打开排水阀9，然后盖上法兰盖板2并确保法兰盖板2和筒体1之间密封。对筒体1进行加压，使土体在实验压力下饱和。

（3）注浆：关闭排浆阀8和排水阀9，打开注浆阀7将泥浆快速注入筒体1内部。

（4）加压：注浆完毕，关闭注浆阀7。打开进气阀4调整筒体1内的气压至设定压力，其实际压力通过法兰盖板上的压力表6读取。

（5）实验记录：待筒体1内气压至设定压力时，打开排水阀9。通过透视窗观察泥膜的形成过程并记录滤液质量即失水量，直至过滤速度稳定。

（6）后续处理：关闭进气阀4，缓慢打开注浆阀7释放筒体1内气压。待筒体1内气压达到空气压后打开上法兰盖板，取出泥膜并测量厚度。将筒体1底部土层和砂滤层取出并清理干净。

失水量的记录：泥浆在筒体1中向土体渗透的过程中，于筒体底端采用玻璃皿收集滤液，将玻璃皿置于电子天平上，每2min记录一次失水量，以克(g)表示，直至三次测量结果相差在0.1g以内即可认为泥膜已形成。

过滤速度：将滤液的质量对其时间求导即可得到泥膜的过滤速度。

泥膜厚度的测量：泥浆渗透成膜过程中，透过视窗观察泥膜的形成过程，并借助视窗刻度实时记录泥膜的厚度，但由于土体与筒壁之间有缝隙，此记录值只可作为泥膜厚度的参考值，泥膜形成后，打开装置的上法兰板，取出泥膜，测量多处的厚度并取其平均值，此即为泥膜的厚度，用毫米(mm)表示。

从图3、图4可以看出，不同压力下体现了不同的失水量和过滤速度。压力越大，失水量越大，过滤速度越快。