土体泥水劈裂伸展过程的可视化模拟试验装置的制作方法

本实用新型涉及土体劈裂试验技术领域，尤其涉及一种土体泥水劈裂伸展过程的可视化模拟试验装置和方法。

背景技术：

泥水盾构在软土隧道施工时，为了保证施工的质量和工程安全，需要通过设定一定的泥水压力平衡掌子面的水土压力，特别是在江海中段掘进时，由于覆土厚度一般较小，水压较大，极限支护压力难以确定，而极限支护压力偏大时，极易发生泥水劈裂，造成开挖面失稳坍塌，海水倒灌的严重后果。

现有技术研究土体劈裂的室内试验装置主要是基于常规三轴仪进行改装的，由于常规三轴仪试样尺寸较小(直径为31.9mm)，试验过程中一旦发生劈裂便立即贯通到试样边界，因此无法观察到劈裂发生后的伸展过程，更监测不到劈裂伸展时的流量和压力等特性。针对土体劈裂伸展过程难以模拟的难题，因此，设计一种有效的大型可视化土体泥水劈裂伸展过程模拟试验方法是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供了一种土体泥水劈裂伸展过程的可视化模拟试验装置，以克服现有技术的缺点。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。

一种土体泥水劈裂伸展过程的可视化模拟试验装置，包括：试验平台、注浆系统、加压系统、激光照射系统和呈像系统；

所述试验平台包括试验模型箱，所述试验模型箱与加压系统、注浆系统相连通，在所述试验模型箱中的围压室中放置带有开孔的土体试样，所述围压室的外壁上设置注浆孔和注水孔；

所述注浆系统包括互相连接的活塞式注浆管、注浆泵和泥浆箱，所述活塞式注浆管穿过所述注浆孔插入所述土体试样的开孔中，所述注浆泵通过所述活塞式注浆管将所述泥浆箱中的泥浆浇注到所述土体试样的内部；

所述加压系统包括互相连接的蓄水箱和围压加载装置，所述蓄水箱通过所述注水孔往围压室注水，所述围压加载装置往所述围压室加载围压；

所述激光照射系统中的激光仪发射片状激光束，所述片状激光束在所述土体试样的内部传输，形成粒子散斑图像，所述呈像系统中的相机对所述粒子散斑图像进行采集。

优选地，所述试验平台还包括反力架，所述反力架支撑所述试验模型箱。

优选地，所述实验模型箱包括围压室透明侧壁、围压室、围压室顶板、围压室注水孔、围压室底座、注浆孔、溢流阀、橡胶膜、轴压杆、轴压传感器和试样顶帽，所述围压室由围压室透明侧壁、围压室顶板和围压室底座围成，所述围压室透明侧壁为亚克力透明壳体，所述围压室底座与所述围压室透明侧壁之间通过橡胶膜进行密封，所述溢流阀用于控制围压室中的围压，当围压大于指定压力时，溢流阀自动打开进行减压，所述轴压杆通过试样顶帽对试样施加轴压，所述轴压传感器用于监测轴压的大小。

优选地，所述注浆系统包括活塞式注浆管、泥浆压力变送器、质量流量计、注浆泵和泥浆箱，所述泥浆压力变送器与所述注浆泵连接，调节所述注浆泵的泥浆输出压力，所述质量流量计与所述注浆管连接，监测所述注浆管中的泥浆的流量。

优选地，所述加压系统包括第一液压油缸、蓄水箱、围压加载装置、第二液压油缸和加载控制系统，所述第一液压油缸与注浆系统连通，给注浆泵提供动力，所述第二液压油缸与所述轴压杆相连，为施加轴压提供动力，围压由所述蓄水箱、围压加载装置进行控制，所述加压系统中的所有装置均通过加载控制系统进行调控与配合。

优选地，所述呈像系统中的相机的轴线与所述激光仪的轴线相交于位于试件中心处的一点。

优选地，所述呈像系统包括互相连接的ccd数码相机和图像采集装置，所述ccd数码相机设置于所述激光仪的下方，对激光仪形成的粒子散斑图像数据进行连续拍摄，并将拍摄得到的数据传输给所述图像采集装置。

优选地，所述激光照射系统包括互相连接的激光仪和光线聚焦透镜，所述激光仪发射出的激光通过所述光线聚焦透镜后产生共面集中的激光，所述激光照射透明的土体试样。

由上述本实用新型的实施例提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例可以实现不同土体中泥水劈裂伸展过程的模拟，获得泥水在土体中劈裂的伸展压力与流量及其时空演化规律等特征。本实用新型实现了土体中泥水劈裂伸展过程的可视化，解决了目前研究土体中劈裂伸展过程手段匮乏的问题，为研究泥水在土体中劈裂伸展规律及其发展特征提供试验设备。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种土体泥水劈裂伸展过程的可视化模拟试验装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中试验平台的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中注浆系统的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中加压系统的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中激光照射系统和呈像系统的结构示意图；

附图标记如下：

i试验平台ii注浆系统iii加压系统iv激光照射系统v呈像系统

1.围压室透明侧壁2.围压室3.围压室顶板4.围压室注水孔5.围压室底座6.注浆孔7.溢流阀8.透明土试样9.橡胶膜10.轴压杆11.轴压传感器12.试样顶帽13.反力架14.围压室拉杆15.活塞式注浆管16.高精度ccd数码相机17.大功率激光仪18.光纤聚焦透镜19.图像采集装置20.泥浆压力变送器21.质量流量计22.注浆泵23.泥浆箱24.高精度液压油缸25.蓄水箱26.围压加载装置27.液压油缸28.加载控制系统。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。

本实用新型实施例提供了一种有效的大型土体泥水劈裂伸展过程的可视化模拟试验装置和方法，本实用新型对土体劈裂伸展过程及其特性进行监测，这对盾构泥水劈裂的伸展机理及压力流量等相关参数的研究具有重要意义。

图1为本实用新型实施例提供的一种土体泥水劈裂伸展过程的可视化模拟试验装置的结构示意图，包括试验平台i、注浆系统ii、加压系统iii、激光照射系统iv以及呈像系统v。图2为本实用新型中试验平台的结构示意图，图3为本实用新型中注浆系统的结构示意图，图4为本实用新型中加压系统的结构示意图，图5为本实用新型中激光照射系统和呈像系统的结构示意图。

所述的试验模型箱通过刚性试验台架即反力架13进行支撑，并与注浆系统ii和加压系统iii相连通，在所述试验模型箱中的围压室中放置带有开孔的土体试样，所述围压室的外壁上设置注浆孔和注水孔；所述加压系统iii主要通过高精度第一液压油缸24进行控制，所述激光照射系统iv使大功率激光仪17发射出的激光通过光线聚焦透镜18后产生共面集中的激光，该激光照射透明土试样8，对透明土试样8进行激光切片，形成切面的粒子散斑图像；所述的呈像系统v利用实验模型箱前的高精度数码相机16对透明土试样8进行动态拍摄，以捕捉泥水伸展过程及其对土体内部结构产生的变化。

所述的试验平台i由试验模型箱和反力架13组成，其中试验模型箱包括围压室透明侧壁1、围压室2、围压室顶板3、围压室注水孔4、围压室底座5、注浆孔6、溢流阀7、透明土试样8、橡胶膜9、轴压杆10、轴压传感器11和试样顶帽12，其中围压室2由围压室透明侧壁1、围压室顶板3和围压室底座5围成，围压室透明侧壁1为亚克力透明壳体，围压室底座5与围压室透明侧壁1之间通过橡胶膜9进行密封。其中试验台架长2m，宽1.5m，高2.2.m，围压室底面直径1.2m，高1m。

溢流阀7用于控制围压室2中的围压，当围压大于指定压力时，溢流阀自动打开进行减压。轴压杆10通过试样顶帽12对试样1施加轴压，轴压传感器11用于监测轴压的大小。

注浆系统ii由活塞式注浆管15、泥浆压力变送器20、质量流量计21、注浆泵22和泥浆箱23组成，所述泥浆压力变送器20与所述注浆泵22连接，调节所述注浆泵22的泥浆输出压力，所述质量流量计21与所述注浆管15连接，监测所述注浆管15中的泥浆的流量。活塞式注浆管15与注浆泵22、泥浆箱23连接，所述活塞式注浆管15穿过所述注浆孔插入所述土体试样的开孔中，所述注浆泵22通过所述活塞式注浆管15将所述泥浆箱中的泥浆浇注到所述土体试样的内部。

加压系统iii中由高精度第一液压油缸24、蓄水箱25、围压加载装置26、第二液压油缸27和加载控制系统28组成。其中高精度第一液压油缸24控制泥浆注射的压力，围压由蓄水箱25及围压加载装置26进行控制，轴压由第二液压油缸27控制，加压系统iii中的所有装置均通过加载控制系统28进行调控与配合。高精度第一液压油缸24与注浆系统连通，给注浆泵提供动力。第二液压油缸27与轴压杆10相连，为施加轴压提供动力。加载控制系统28就是用于控制加载的，包括围压和油缸的控制。

激光照射系统iv由大功率激光仪17和光纤聚焦透镜18配合使用，激光仪的轴线与高精度数码相机16的轴线相交于一点，并且该点位于试件中心处附近。所述激光仪发射片状激光束，片状激光束在透明土体内部传播，对透明土体进行激光切片，形成切面的粒子散斑图像。

所述呈像系统v由高精度ccd数码相机16和图像采集装置19组成。所述高精度ccd数码相机16设置于上述大功率激光仪17的下方，对激光仪17形成的粒子散斑图像数据进行连续采集，并将采集的数据传输给图像采集装置19。

制备透明土样时，采用符合试验方案粒径级配的硼硅酸玻璃或其它透明土颗粒混合具有相应折射率的孔隙流体及荧光染料组成。

上述大型土体泥水劈裂伸展过程的可视化模拟试验装置的使用方法的具体步骤包括：

1.根据所要研究的土的性质，选择相应的透明土颗粒材料模拟自然土体颗粒，利用透明土颗粒材料制作土试样8，在土试样8中设置有开孔。按一定比例配比泥浆，并在浆液中添加示踪荧光颗粒。上述一定比例根据实际情况来设定，不同的土体比例不同。

2.在试验模型箱中放置模具，橡皮膜紧贴模具内壁，在橡皮套中直接浇筑透明土试样8到指定高度，待透明土试样8凝结后拆卸模具。

3.安装围压室透明侧壁1，通过围压注水孔4往围压室注满水，通过注浆孔6往试样开孔里浇注泥浆，而后以相同的速度同时施加围压与注浆压力，稳定至指定压力值后停止加压。

4.打开大功率激光仪17，使试样内部呈现清晰的粒子散斑，调整高精度ccd数码相机16，使试样内部的粒子散斑成像清晰。

5.围压室内的围压与注浆压力保持平衡后，通过注浆泵22开始以一定的速率增加注浆压力，实时监测泥浆压力变送器20及质量流量计21的数据显示，同时利用高精度ccd数码相机16进行图像的实时采集，观察泥浆在土体内的劈裂伸展过程，采集图片和图像，获取透明土试样8不同截面的骨架轮廓。

综上所述，本实用新型实施例可以实现不同土体中泥水劈裂伸展过程的模拟，获得泥水在土体中劈裂的伸展压力与流量及其时空演化规律等特征。为研究土体中泥水劈裂伸展提供试验基础。

本实用新型实现了土体中泥水劈裂伸展过程的可视化，解决了目前研究土体中劈裂伸展过程手段匮乏的问题，为研究泥水在土体中劈裂伸展规律及其发展特征提供试验设备。

本实用新型能够监测泥水在土体中劈裂伸展的流量及压力。

本实用新型所述方法原理简单、步骤明确。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。