一种渣土改良效果评价的试验装置及试验方法与流程

1.本发明属于盾构施工渣土改良技术领域，具体涉及一种渣土改良效果评价的试验装置及试验方法。


背景技术：

2.由于土压平衡盾构具有机械化程度高、泥浆污染少、对环境影响小、施工安全等诸多优势，目前结合渣土改良技术已广泛应用于各种地层隧道的掘进作业，成为城市地铁建设的首选方式。
3.土压平衡盾构是将土舱内渣土作为稳定掌子面水土压力的介质，因此，土舱内的渣土力的传递效率对实际施工的安全、地层沉降控制尤为重要。为保证渣土具有良好的流塑性、均质性及力的传递性，需要对其加入添加剂（泡沫、膨润土、聚合物、分散剂等）进行改良，因此需要一种合理、高效的改良渣土效果评价方法。
4.目前，对于改良渣土效果评价方法多基于坍落度试验、剪切试验、渗透试验，通过坍落度值评价渣土流动性，剪切强度评价渣土摩擦性，渗透系数评价渣土抗渗性。上述方法都是基于少体量渣土通过室内试验对改良效果进行评价，未能体现改良渣土在实际有压条件中掘进与排渣过程中的整体特性。因此常会出现渣土坍落度、渗透性、剪切强度都满足要求，但实际盾构掘进速度慢、掌子面压力不稳，因此根据上述三种方法评价实际土舱中渣土改良效果是不准确的。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种渣土改良效果评价的试验装置。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种渣土改良效果评价的试验装置包括螺旋出渣系统、加压系统、连续加渣系统、压力传感器系统和密封土舱；所述螺旋出渣系统包括渣土输送装置、排渣端口和渣土输送端口，所述渣土输送装置通过所述渣土输送端口与所述密封土舱连接，所述排渣端口与所述渣土输送装置连接；所述加压系统与所述密封土舱连接，并用于调节所述密封土舱内的气压；所述压力传感器系统包括土压力传感器，设于所述密封土舱；所述连续加渣系统包括加渣输送装置、加渣端口和加渣输送端口，所述加渣输送装置通过所述加渣输送端口与所述密封土舱连接，所述加渣端口与所述加渣输送装置连接。
7.优选的，所述渣土输送装置包括渣土输送筒、螺旋杆、调频电机和第一支架，所述渣土输送筒的一端与所述密封土舱连接，所述渣土输送端口设于所述渣土输送筒与所述密封土舱的连接处，所述调频电机设于所述渣土输送筒的另一端，所述螺旋杆设于所述渣土
输送筒内并与所述调频电机的驱动端连接，所述第一支架设于所述渣土输送筒。
8.优选的，所述第一支架和排渣端口靠近所述渣土输送筒的另一端。
9.优选的，所述加压系统包括空气压缩机、调压阀、压缩空气管路和气压表，所述压缩空气管路的两端分别连接所述密封土舱、空气压缩机的输出端，所述调压阀设于所述压缩空气管路，所述气压表设于所述密封土舱。
10.优选的，所述加渣输送装置包括输送装置本体、密封推土活塞、液压油缸、顶推杆和反力墙，所述输送装置本体包括加渣输送腔体，所述加渣输送腔体的两端分别与所述密封土舱、密封推土活塞连接，所述加渣输送端口设于所述加渣输送腔体与所述密封土舱的连接处，所述加渣端口与所述加渣输送腔体相通，所述液压油缸设于所述反力墙，所述顶推杆分别与所述密封推土活塞、液压油缸的驱动端连接。
11.优选的，还包括支撑架，所述支撑架分别与所述密封土舱、输送装置本体连接。
12.优选的，所述密封土舱设有密封土舱加渣口和密封土舱清洗口。
13.优选的，所述土压力传感器设于所述密封土舱的内腔，所述密封土舱的内腔的截面为圆形，所述土压力传感器的数量为两个以上且对称设于所述密封土舱的内腔中心线的两侧。
14.优选的，处于所述密封土舱的内腔中心线的一侧的所述土压力传感器数量为三个且上下设置，上下设置的所述土压力传感器之间的距离为0.33m，处于最顶端的所述土压力传感器距离所述密封土舱的内腔的距离为0.17m。
15.本方案还公开了一种渣土改良效果评价的试验装置的试验方法，基于上述的渣土改良效果评价的试验装置，包括以下步骤：s1、配置渣土并通过密封土舱加渣口以及加渣端口装入密封土舱、输送装置本体中，关闭螺旋出渣系统的排渣端口的闸门；s2、调节加压系统使密封土舱顶部的气压表的气压值达到0.2-0.3 兆帕；s3、启动渣土输送装置进行排渣，打开闸门，调节调频电机的转速与液压油缸的推进速度，实现出渣与加渣动态平衡，模拟盾构掌子面开挖与排渣过程；s4、观察排渣端口的渣土是否排渣通畅、均匀，渣土流动性是否符合要求；s5、通过密封土舱内的土压力传感器所测土压力值与气压表所测气压值进行比较，单位均为兆帕，评价改良渣土压力是否传递均匀及传递效率,压力传递效率用压力传递系数表示，；s6、土压力传感器的数量为六个，将土压力传感器所测土压力值进行计算得到掌子面垂直压力梯度，为水平土压力，单位为兆帕，z为土压力传感器与掌子面的垂直距离，单位为米，进一步推导得到渣土表观密度，单位为吨每立方米，密封土舱上部渣土表观密度、密封土舱下部渣土表观密度与理想渣土密度进行比较，单位为吨每立方米，评价渣土在土舱内的改良效果，为密封土舱上部的土压力传感器的间距，单位为米，
为密封土舱下部的土压力传感器的间距，单位为米，为重力加速度，单位为米/秒2。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果包括有：本方案与现有室内渣土改良效果评价装置相比存在如下优势：可模拟实际盾构开挖及排渣过程中渣土的物理力学性能，直观评价渣土排土通畅程度；能够模拟盾构土舱实际压力值，从渣土力的传递效率及表观密度这一新角度评价改良渣土是否均质、流塑性好；此套装置设计合理，操作性强，在实际盾构施工前进行小规模模型试验，可提高施工效率、保证盾构安全掘进。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
18.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的密封土舱内壁面与土压力传感器的连接示意图；图3为本发明的土压力传感器排布示意图；图4为本发明的连续加渣系统加渣口与密封土舱清洗口的位置结构示意图；图5为本发明的密封土舱加渣口、气压表与压缩空气管路的安装位置示意图；其中：1-调频电机，2-第一支架，3-排渣端口，3-1-闸门，4-渣土输送筒，4-1-渣土输送端口，5-支撑架，5-1-支撑架与密封土舱的连接部位，6-土压力传感器，6-1-第一土压力传感器，6-2-第二土压力传感器，6-3-第三土压力传感器，6-4-第四土压力传感器，6-5-第五土压力传感器，6-6-第六土压力传感器，7-密封土舱，8-气压表，9-压缩空气管路，10-调压阀，11-空气压缩机，12-加渣端口，13-密封推土活塞，14-液压油缸，15-反力墙，16-内腔，16-1-密封土舱加渣口，16-2-连续加渣系统加渣口，16-3-密封土舱清洗口。
具体实施方式
19.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
20.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
21.实施例：如图1-5所示，本实施例中提供一种渣土改良效果评价的试验装置，包括螺旋出渣系统、加压系统、连续加渣系统、压力传感器系统和密封土舱7；螺旋出渣系统包括渣土输送装置、排渣端口3和渣土输送端口4-1，渣土输送装置通过渣土输送端口与密封土舱7连接，排渣端口3与渣土输送装置连接；加压系统与密封土舱7连接，并用于调节密封土舱7内的气压；
压力传感器系统包括土压力传感器6，设于密封土舱7；连续加渣系统包括加渣输送装置、加渣端口12和加渣输送端口，加渣输送装置通过加渣输送端口与密封土舱7连接，加渣端口12与加渣输送装置连接。
22.在本实施例中，具体的，渣土输送装置包括渣土输送筒4、螺旋杆、调频电机1和第一支架2，渣土输送筒4的一端与密封土舱7连接，渣土输送端口设于渣土输送筒4与密封土舱7的连接处，调频电机1设于渣土输送筒4的另一端，螺旋杆设于渣土输送筒4内并与调频电机1的驱动端连接，第一支架2设于渣土输送筒4。
23.具体的，第一支架2和排渣端口3靠近渣土输送筒4的另一端。
24.具体的，加压系统包括空气压缩机11、调压阀10、压缩空气管路9和气压表8，压缩空气管路9的两端分别连接密封土舱7、空气压缩机11的输出端，调压阀10设于压缩空气管路9，气压表8设于密封土舱7。
25.具体的，加渣输送装置包括输送装置本体、密封推土活塞13、液压油缸14、顶推杆和反力墙15，输送装置本体包括加渣输送腔体，加渣输送腔体的两端分别与密封土舱7、密封推土活塞13连接，加渣输送端口设于加渣输送腔体与密封土舱7的连接处，加渣端口12与加渣输送腔体相通，液压油缸14设于反力墙15，顶推杆分别与密封推土活塞13、液压油缸14的驱动端连接。
26.具体的，还包括支撑架5，支撑架5分别与密封土舱7、输送装置本体连接。
27.具体的，密封土舱7设有密封土舱加渣口16-1和密封土舱清洗口16-3。
28.具体的，土压力传感器6设于密封土舱7的内腔16，密封土舱7的内腔16的截面为圆形，土压力传感器6的数量为两个以上且对称设于密封土舱7的内腔16中心线的两侧。
29.具体的，处于密封土舱7的内腔16中心线的一侧的土压力传感器6数量为三个且上下设置，上下设置的土压力传感器6之间的距离为0.33m，处于最顶端的土压力传感器6距离密封土舱7的内腔16的距离为0.17m。
30.在图2、图4中，半圆形虚线结构为模拟盾构机的圆形刀盘，便于理解。
31.本方案的工作原理如下：通过调节渣土输送装置和加渣输送装置实现排渣和加渣动态平衡，根据渣土输送装置的排渣是否顺畅、密封土舱7的土压力监测值与气压表8气压值比较得出渣土力传递系数，表观密度与理想渣土密度是否差异较大，实现对改良渣土综合效果评价。将改良后的渣土装入密封土舱7中，通过加压系统调节入密封土舱7内的压力值；加渣系统通过加渣口装入改良渣土，再通过调节渣土输送装置和加渣输送装置实现排渣和加渣动态平衡，通过排渣是否顺畅可评价渣土改良流动性是否符合要求也；土压力传感器6通过数据传输线与pc端数据采集仪相连，通过密封土舱7壁土压力传感器6所测的压力值与密封土舱7的顶部的压力值比较，判断改良渣土压力的传递效率，同时还可根据压力值计算出掌子面压力梯度，推导出渣土表观密度，与理想渣土密度进行比较，从而评价改良渣土效果；其中空气压缩机11容积为0.3m3、额定气压为0.8兆帕。整个土舱模型装置可从流动性、压力传递效率和表观密度三方面综合评价改良渣土是否符合盾构施工要求。
32.本方案还包括一种渣土改良效果评价的试验装置的试验方法，包括以下步骤：s1、配置渣土并通过密封土舱加渣口16-1以及加渣端口12装入密封土舱7、输送装置本体中，关闭螺旋出渣系统的排渣端口3的闸门3-1；
s2、调节加压系统使密封土舱7顶部的气压表8的气压值达到0.2-0.3 兆帕；s3、启动渣土输送装置进行排渣，打开闸门3-1，调节调频电机1的转速与液压油缸14的推进速度，实现出渣与加渣动态平衡，模拟盾构掌子面开挖与排渣过程；s4、观察排渣端口3的渣土是否排渣通畅、均匀，渣土流动性是否符合要求；s5、通过密封土舱内的土压力传感器所测土压力值与气压表所测气压值进行比较，单位均为兆帕，评价改良渣土压力是否传递均匀及传递效率,压力传递效率用压力传递系数表示，；s6、土压力传感器的数量为六个，将土压力传感器所测土压力值进行计算得到掌子面垂直压力梯度，为水平土压力，单位为兆帕，z为土压力传感器与掌子面的垂直距离，单位为米，进一步推导得到渣土表观密度，单位为吨每立方米，密封土舱上部渣土表观密度、密封土舱下部渣土表观密度与理想渣土密度进行比较，单位为吨每立方米，评价渣土在土舱内的改良效果，为密封土舱上部的土压力传感器的间距，单位为米，为密封土舱下部的土压力传感器的间距，单位为米，为重力加速度，单位为米/秒2。
33.土压力传感器6包括：第一土压力传感器6-1、第二土压力传感器6-2、第三土压力传感器6-3、第四土压力传感器6-4、第五土压力传感器6-5、第六土压力传感器6-6，其对应测得的土压力传感器所测土压力值为，以上的压力值参考图3，以处于密封土舱的内腔中心线的右侧最高点位置的土压力传感器以顺时针方向依次测量得到。
34.本方案与现有室内渣土改良效果评价装置相比存在如下优势：可模拟实际盾构开挖及排渣过程中渣土的物理力学性能，直观评价渣土排土通畅程度；能够模拟盾构土舱实际压力值，从渣土力的传递效率及表观密度这一新角度评价改良渣土是否均质、流塑性好；此套装置设计合理，操作性强，在实际盾构施工前进行小规模模型试验，可提高施工效率、保证盾构安全掘进及节约原材料性。
35.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。