一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置及方法

本发明属于岩土测试，涉及到粗粒土渗透破坏的测试，特别是一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置和方法。

背景技术：

1、当土压平衡盾构在富水砂性地层掘进时，刀盘前方的地下水会涌入土仓内部，盾构易发生喷涌，导致螺旋输送机排土无法有效控制，“土压平衡”难以真正建立，严重时会造成地层失稳、地表塌陷等安全事故。盾构施工时会通过泡沫渣土改良来防治盾构喷涌现象，但是经过泡沫改良之后，螺旋输送机喷涌现象时有发生，泡沫注入量过大，喷涌现象甚至会加剧。盾构螺旋排土器通常是向上倾斜的，盾构喷涌属于倾斜渗流方向下的泡沫—渣土混合物的渗透破坏。传统的渗透破坏研究局限于单一的土颗粒启动迁移，而对于盾构渣土，孔隙中含有大量的改良泡沫，泡沫对渗透破坏的影响规律未被揭示；此外，目前研究渗透破坏的试验装置大多只能考虑垂直渗流方向或者水平垂直渗流，无法观测到其他渗流方向下的渗透破坏现象，并且难以获得渗透破坏全过程土样不同部位的孔隙压力变化情况。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是针对上述现有研究的不足，提供了一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置及方法。

2、本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：

3、一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置，它包括用于土样渗透破坏试验的主体结构、用于提供试验水头的供水系统、用于监测主体结构压力的孔隙压力监测系统和用于调节渗流方向的旋转基座。

4、主体结构包括试验筒、底板、进水阀、下部多孔钢板、滤布、排气阀、上部多孔钢板、排水阀、顶盖和约束螺杆。试验筒为一透明亚克力筒，其高径比为3：1，试验筒底端与底板之间通过螺纹组合连接，底板通过螺栓固定于旋转基座上；进水阀设置在底板上，通过进水管与供水系统的水箱相连；下部多孔钢板带有支撑腿，放置在试验筒底部，用以承载上部土样和分散水流；滤布放置在下部多孔钢板表面，防止细颗粒流失；下部多孔钢板支撑腿架空区域形成一个进水腔，用以缓冲进水口水流；排气阀安装在试验筒侧壁，位置高度与下部多孔钢板表面平齐，排气阀外接排气管，排气管的高度与试样高度相同；泡沫改良土样装填在下部多孔钢板上，上部多孔钢板放置在土样顶面；顶盖与试验筒顶端通过螺栓连接，约束螺杆穿过顶盖顶在上部多孔钢板上；排水阀安装在试验筒上部，接有排水管；试验筒侧壁沿垂直方向等距设置有若干压力监测孔，压力监测孔的间距为4～6cm。

5、供水系统包括水箱、蓄水桶、潜水泵、水箱水位调节部件和水管。水箱采用透明亚克力板制成，分为进水室和排水室，进水室的水经由隔板溢流至排水室；潜水泵可以将蓄水桶内的水抽至水箱进水室，水箱排水室的水通过水管又回流至蓄水桶，形成一个水循环系统；水箱水位调节部件包括金属承力架、定滑轮、手摇式自锁绞盘、钢丝绳和吊篮；水箱放置在吊篮中，悬挂于金属承力架上，通过钢丝绳牵引可实现升降。

6、孔隙压力监测系统包括与压力监测孔对应的高精度孔隙压力传感器，孔隙压力传感器固定在传感器支架上，通过pu管与压力监测孔相连；传感器采集到的信号通过导线传输至数据自动采集仪。

7、旋转基座由调节手柄、旋转轴、传感器支架和承载支架组成。主体结构可以绕着旋转轴在0～90°之间自由旋转；传感器支架焊接在基座侧壁上，可以跟随主体结构同步转动；承载支架的长度和试验筒的高度匹配。

8、进一步地，一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置还包括流量计，流量计安装在所述的进水管和排水管上。

9、进一步地，约束螺杆由一个大的手柄和金属螺杆组成。

10、进一步地，pu管与压力监测孔连接处采用了特制的过滤螺栓，所述过滤螺栓内部设置有亲水性滤网，允许水流通过，但可以阻挡泡沫气泡和土颗粒进入pu管和传感器。

11、一种不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏试验装置的试验方法，包括以下步骤：

12、s1：连接进水管与水箱，将试验筒内注满清水，使连接孔隙压力传感器和试验筒的pu管内充满水，排尽pu管内的空气，检查、标定传感器和数据采集仪，然后排出试验筒中的水。

13、s2：打开潜水泵，开启供水循环系统，通过手摇式自锁绞盘将水箱中的水面高度调节至略高于土样底面，打开试验筒的进水阀和排气阀，使水流预先充满进水腔，待水面到达排气阀位置时，关闭进水阀。

14、s3：开启数据自动采集仪。将制备好的泡沫改良土样分层装填到试验筒中，装样结束时将上部多孔钢板放置在土样表面，调整约束螺杆位置，使其刚好顶住上部多孔板，记录土样的初始高度；松开基座上的调节手柄，将试验筒调节到指定角度后旋紧调节手柄。

15、s4：保持静止一段时间，使泡沫改良土样中的孔隙水在重力作用下充分向下渗流进入排气管中，直到所有孔隙压力值趋于稳定时，关闭排气阀。

16、s5：打开进水阀和排水阀。通过手摇式自锁绞盘逐级抬升水箱，观察并记录试验现象，直至土样出现明显渗透破坏现象时，停止抬升水箱，继续观察并记录试验现象，保持一段时间后，关闭进水阀，关闭数据自动采集仪；拆卸试验筒，清理试验筒内土样。

17、s6：统计整理孔隙压力数据，通过对比分析试验筒中不同部位土样内部的孔隙压力数据和所观察到的渗透破坏现象，最终得到泡沫改良粗粒土渗透破坏全过程的时空演变规律。

18、本发明具有如下有益效果：

19、(1)通过在试验筒侧壁均匀布设高精度孔隙压力传感器可以精准监测泡沫改良土在渗流过程中不同部位处的孔隙压力时变曲线，通过透明亚克力试验筒可以全方位清晰观察孔隙泡沫和土颗粒的迁移情况，为深入了解盾构螺旋排土器喷涌问题提供了参考和依据。本试验设备结构简单，操作方便，试验方法清晰明确。

20、(2)通过可以旋转的基座和专用的约束螺杆，可以研究不同渗流角度下的泡沫改良土渗透破坏特征。

21、(3)供水装置形成一个水循环系统，起到节约用水、绿色低碳的效果。

22、(4)通过特制的过滤螺栓，可以防止泡沫改良土中的泡沫气泡和细颗粒侵入孔隙压力传感器内部，提高试验精度。

技术特征：

1.一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置，它包括用于土样渗透破坏试验的主体结构、用于提供试验水头的供水系统、用于监测主体结构压力的孔隙压力监测系统和用于调节渗流方向的旋转基座。其特征在于：主体结构固定在旋转基座上，通过旋转基座可实现渗流方向的改变；供水系统通过升降水箱高度为主体结构提供水头差，并形成水循环系统；孔隙压力监测系统可实时获取主体结构内部土样不同部位的孔隙压力值。

2.根据权利要求1中所述的一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置，其特征在于：所述主体结构包括试验筒、底板、进水阀、排气阀、下部多孔钢板、滤布、上部多孔钢板、顶盖、约束螺杆、排水阀。所述试验筒为一透明亚克力筒，其高径比为3：1，所述试验筒底端和底板均设置有螺纹，试验筒与底板之间通过螺纹组合连接，所述底板通过螺栓固定于旋转基座上；所述进水阀设置在底板上，通过进水管与供水系统的水箱相连；所述下部多孔钢板带有支撑腿，放置在试验筒底部，用以承载上部土样和分散水流；所述滤布放置在下部多孔钢板上表面，防止细颗粒流失；所述下部多孔钢板支撑腿架空区域形成一个进水腔，用以缓冲进水口水流；所述排气阀安装在试验筒侧壁，位置高度与下部多孔钢板表面平齐，排气阀外接排气管，排气管的高度与试样高度相同；泡沫改良土样装填在下部多孔钢板上，所述上部多孔钢板放置在土样顶面；所述顶盖与试验筒顶端通过螺栓连接，所述约束螺杆穿过顶盖顶在上部多孔钢板上；所述排水阀安装在试验筒上部，接有排水管；试验筒侧壁沿垂直方向等距设置有若干压力监测孔，压力监测孔的间距为4～6cm。

3.根据权利要求1中所述的一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置，其特征在于：所述供水系统包括水箱、蓄水桶、潜水泵、水箱水位调节部件和水管。所述水箱采用透明亚克力板制成，分为进水室和排水室，进水室的水经由隔板溢流至排水室；所述潜水泵可以将蓄水桶内的水抽至水箱进水室，水箱排水室的水通过水管又回流至蓄水桶，形成一个水循环系统；所述水箱水位调节部件包括金属承力架、钢丝绳、手摇式自锁绞盘、定滑轮和吊篮；所述水箱放置在吊篮中，悬挂于金属承力架上，通过钢丝绳牵引可实现升降。

4.根据权利要求1中所述的一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置，其特征在于：所述孔隙压力监测系统包括与压力监测孔对应的高精度孔隙压力传感器，所述孔隙压力传感器固定在传感器支架上的圆孔中，通过pu管与压力监测孔相连；传感器采集到的信号通过导线传输到数据自动采集仪。

5.根据权利要求1中所述的一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置，其特征在于：所述旋转基座由调节手柄、旋转轴、传感器支架、承载支架组成。主体结构可以绕着旋转轴在0～90°之间自由旋转；所述传感器支架焊接在基座侧壁上，可以跟随主体结构同步转动；所述承载支架的长度和试验筒的高度匹配。

6.根据权利要求2中所述的一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置，其特征在于：所述进水管和排水管上均设置有流量计。

7.根据权利要求2中所述的一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置，其特征在于：所述约束螺杆由一个大的手柄和金属螺杆组成。

8.根据权利要求5中所述的一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置，其特征在于：pu管与压力监测孔连接处采用了特制的过滤螺栓，所述过滤螺栓内部设置有亲水性滤网，允许水流通过，但可以阻挡泡沫气泡和土颗粒进入pu管和传感器。

9.一种使用权利要求1所述的一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种用于研究不同渗流方向下盾构泡沫改良粗粒土渗透破坏的试验装置和方法，试验装置包括主体结构、供水系统、孔隙压力监测系统和旋转基座。主体结构包括试验筒、水流控制部件和土样约束部件；供水系统包括水位调节部件和水循环系统；孔隙压力监测系统包括高精度孔隙压力传感器和数据自动采集仪，孔隙压力采用非侵入式监测，并设计特制的过滤螺栓阻止气泡和土颗粒进入传感器；主体结构固定在旋转基座上，通过旋转基座可以调整渗流方向。本发明可以开展不同渗流方向下泡沫改良粗粒土渗透破坏的模拟，可以全面掌握渗透过程中泡沫和细颗粒迁移情况以及土样不同部位的孔隙压力时变曲线，为深入了解盾构螺旋排土器喷涌问题提供参考。

技术研发人员：王斌,王树英,郑响凑,胡涛,朱汉标,汪来,袁潇,杨泽斌
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6