本发明专利技术公开了一种模拟超重力下三维动态泥浆渗透试验装置及方法。渗透动力系统、泥浆供应系统、监测系统均与渗透柱连接，隔板将工作舱划分为气垫舱和泥水舱，连通管两端分别与气垫舱和泥水舱连通，主轴的一端与刀盘连接，另一端与驱动电机连接，渗透壳两端分别设有用于密封的左顶板和右底板，地层土样放置在渗透壳中，地层土样两端分别与左顶板和滤层接触，排水管穿设过右底板后与滤层接触，排水管与监测系统连接，舱壳中设有泥水舱的一端穿设过左顶板上的通孔后伸入到地层土样中。本发明专利技术可以还原真实工况下的双舱式泥水平衡盾构动态泥浆渗透情况，通过监测系统监测地层土样中的超静孔隙水压力和滤水量，获取泥浆压力在开挖面前的传递规律。前的传递规律。前的传递规律。
【技术实现步骤摘要】
一种模拟超重力下三维动态泥浆渗透试验装置及方法
[0001]本专利技术属于泥水平衡盾构泥浆渗透领域的动态泥浆渗透试验模拟装置及方法，尤其是涉及了一种模拟超重力下三维动态泥浆渗透试验装置及方法。
技术介绍
[0002]泥水平衡盾构目前作为跨海越江隧道工程中常用的施工工具，可以适应很多复杂地层。它是利用泥浆压力将泥浆压出渗透地层，在开挖面前形成泥膜，泥浆压力以面力的形式作用在泥膜上，进而平衡掌子面前方的水土压力，实现开挖面的稳定。而泥膜的形成过程是一个泥浆渗透的动态过程，伴随着刀盘的切削，其始终处于形成
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破坏
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再形成的循环中。目前，关于如何掌握大埋深、高水压下泥浆渗透压力的变化规律和开挖面稳定性的控制机理是亟待解决的问题。
[0003]关于泥浆动态渗透的研究装置目前多采用渗透柱组装刀盘的形式。现已有研究将渗透柱装置改进为横向放置，这样可以解决自重应力的影响，但装置一直解决的是二维动态泥浆渗透问题，不能反映三维动态泥浆扩散渗透的情况；并且现有渗透柱装置不能实现拆卸自由，很难实现分层制样与分层取样的高效便捷化；以及地层的应力水平与实际不符，很难验证常重力缩尺模型试验得到的泥浆渗透规律适用于大埋深、高水压下泥水平衡盾构泥浆渗透的实际情况。
技术实现思路
[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种模拟超重力下三维动态泥浆渗透试验装置及方法。利用土工离心机产生的超重力环境，根据相似比尺关系，可以使装置中的泥水舱、气垫舱以及刀盘还原真实的泥水平衡盾构规模，地层的应力水平还原真实情况，这样就可以还原实际工程中泥水平衡盾构三维动态泥浆渗透的工况。同时，本专利技术的渗透柱是利用多组连接法兰拼装而成，可以实现分层制样与分层取样的高效、便捷性。
[0005]本专利技术技术方案如下：
[0006]一、一种模拟超重力下三维动态泥浆渗透试验装置：
[0007]包括泥浆渗透模块、土工离心机和控制中枢；泥浆渗透模块放置在土工离心机上，泥浆渗透模块与控制中枢之间电连接，泥浆渗透模块包括渗透动力系统、渗透柱、监测系统和泥浆供应系统，渗透动力系统的输出端和泥浆供应系统的输出端均与渗透柱的输入端连接，渗透柱的输出端与监测系统连接，渗透动力系统、渗透柱、监测系统和泥浆供应系统均固定在底板上。
[0008]所述的渗透动力系统包括内部设有工作舱的舱壳、连通管、设有通孔的隔板、刀盘、主轴、扭矩传感器和驱动电机；隔板位于舱壳的内部并将工作舱划分为气垫舱和泥水舱，连通管位于舱壳内部，且连通管的一端与气垫舱连通，连通管的另一端穿设过隔板上的通孔后与泥水舱连通，刀盘位于靠近泥水舱的一侧，主轴的一端依次穿设过气垫舱、隔板和
泥水舱后与刀盘同轴连接，主轴的另一端与驱动电机的输出轴连接，主轴中靠近驱动电机的一侧的外表面还设有扭矩传感器，刀盘位于渗透柱中；
[0009]所述的渗透柱包括两端开口的渗透壳、地层土样、滤层和排水管；渗透壳的两端分别设有用于密封的左顶板和右底板，地层土样放置在渗透壳中，地层土样的一端与左顶板接触，地层土样的另一端和右底板之间设有滤层，左顶板和右底板上均设有通孔，排水管的输入端穿设过右底板的通孔后与滤层接触，排水管的输出端与监测系统的输入端连接，且排水管中靠近监测系统的一端设有排水阀；舱壳中设有泥水舱的一端穿设过左顶板上的通孔后伸入到地层土样中，使得泥水舱和地层土样连通，刀盘设置在地层土样中。
[0010]所述的监测系统包括集水桶、液位摄像头和图像获取设备；集水桶与排水管的输出端连通，液位摄像头安装在集水桶的外侧壁的顶部，图像获取设备安装在土工离心机上，液位摄像头和图像获取设备均通过电缆线与控制中枢相连；
[0011]所述的土工离心机包括第一吊篮、第二吊篮和离心机机座；第一吊篮和第二吊篮分别通过转臂固定安装在离心机机座的两侧，第一吊篮内部放置有配重块，驱动电机、渗透柱、集水桶和泥浆供应系统均与底板刚性连接，底板固定安装在第二吊篮上，第二吊篮和离心机机座连接的转臂上设有图像获取设备。
[0012]所述的泥浆供应系统包括气源、调压设备和储浆罐；气源的输出端通过调压设备与储浆罐的输入端连接，储浆罐的输出端通过送浆管与气垫舱连通。
[0013]所述的渗透壳包括渗透内壳和渗透外壳，渗透内壳同轴设置在渗透外壳的内部，渗透内壳的两端和渗透外壳的两端分别通过左顶板和右底板连接，地层土样和滤层分别放置在渗透内壳的两侧，渗透内壳的侧壁上设有若干个孔压传感器接口，孔压传感器穿设过孔压传感器接口后伸入到地层土样中，孔压传感器通过电缆线与控制中枢相连。
[0014]所述的渗透内壳包括若干个渗透子壳，各个渗透子壳之间通过连接法兰连接成一体式结构。
[0015]二、一种进行超重力下三维动态泥浆渗透的试验方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1：按照预设比例的膨润土和水制备泥浆，然后将泥浆注入到储浆罐中，接通气源并通过气源提供的气体压力将泥浆持续注入到工作舱中，当泥水舱充满泥浆且气垫舱中的液位达到舱壳管径的2/3液位处时，通过调压设备将气源提供的气体压力归零；
[0017]步骤2：将渗透内壳从渗透柱中取出并竖向放置在试验台上，拆开渗透内壳上的连接法兰，分层制备地层土样并在地层土样中埋设孔压传感器，对地层土样进行压实处理，然后利用连接法兰将渗透内壳重新进行组装；
[0018]步骤3：利用饱和缸对地层土样进行反向饱和，然后将刀盘安装到主轴上，并将渗透柱的左顶板与渗透内壳利用螺栓进行连接，将排水管穿设过渗透柱的右底板且与滤层连接；
[0019]步骤4：将泥浆渗透模块吊入土工离心机的第二吊篮中并固定，在第一吊篮中安装配重块，将孔压传感器、液位摄像头和图像获取设备通过电缆线连接到控制中枢中，然后打开排水阀；
[0020]步骤5：启动土工离心机，将土工离心机的离心加速度逐渐提高至预设的Ng并持续15min，利用调压设备将气源提供的气体压力调控到预设的压力值，排水管中有水滤出后开始进行泥浆渗透成膜试验以得到泥浆的渗透规律；
[0021]步骤6：泥浆渗透成膜试验结束后，将土工离心机的离心加速度逐渐减小至0，取出渗透柱并拆卸连接法兰，并对地层土样进行微观测试以得到地层土样在不同位置处的微观特性，进而还原真实工况下的双舱式泥水平衡盾构动态泥浆的渗透情况，获取泥浆压力在开挖面前的传递规律。
[0022]所述步骤5中的泥浆渗透成膜试验具体为：
[0023]步骤5.1：当排水管中不再有水滤出时，打开驱动电机控制刀盘旋转切削地层土样使得排水管再次有水滤出，当排水管中不再由水滤出后，则利用调压设备将气体压力进行再次调控并重复步骤5.1；
[0024]步骤5.2：利用控制中枢获得不同气体压力下地层土样中孔隙水压力的变化，滤水量的变化，刀盘的转动参数和试验过程中的录像，然后分析超重力下泥浆的渗透规律。
[0025]本专利技术的技术方案原理如下所示；
[0026]对于原型土样：σ＝ρgh
[0027本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种模拟超重力下三维动态泥浆渗透试验装置，其特征在于：包括泥浆渗透模块、土工离心机(4)和控制中枢(5)；泥浆渗透模块放置在土工离心机(4)上，泥浆渗透模块与控制中枢(5)之间电连接，泥浆渗透模块包括渗透动力系统(1)、渗透柱(2)、监测系统(3)和泥浆供应系统(6)，渗透动力系统(1)的输出端和泥浆供应系统(6)的输出端均与渗透柱(2)的输入端连接，渗透柱(2)的输出端与监测系统(3)连接，渗透动力系统(1)、渗透柱(2)、监测系统(3)和泥浆供应系统(6)均固定在底板(7)上。2.根据权利要求1所述的一种模拟超重力下三维动态泥浆渗透试验装置，其特征在于：所述的渗透动力系统(1)包括内部设有工作舱的舱壳、连通管(102)、设有通孔的隔板(103)、刀盘(105)、主轴(106)、扭矩传感器(107)和驱动电机(108)；隔板(103)位于舱壳的内部并将工作舱划分为气垫舱(101)和泥水舱(104)，连通管(102)位于舱壳内部，且连通管(102)的一端与气垫舱(101)连通，连通管(102)的另一端穿设过隔板(103)上的通孔后与泥水舱(104)连通，刀盘(105)位于靠近泥水舱(104)的一侧，主轴(106)的一端依次穿设过气垫舱(101)、隔板(103)和泥水舱(104)后与刀盘(105)同轴连接，主轴(106)的另一端与驱动电机(108)的输出轴连接，主轴(106)中靠近驱动电机(108)的一侧的外表面还设有扭矩传感器(107)，刀盘(105)位于渗透柱(2)中；所述的渗透柱(2)包括两端开口的渗透壳、地层土样(202)、滤层(204)和排水管(206)；渗透壳的两端分别设有用于密封的左顶板(201)和右底板(205)，地层土样(202)放置在渗透壳中，地层土样(202)的一端与左顶板(201)接触，地层土样(202)的另一端和右底板(205)之间设有滤层(204)，左顶板(201)和右底板(205)上均设有通孔，排水管(206)的输入端穿设过右底板(205)的通孔后与滤层(204)接触，排水管(206)的输出端与监测系统(3)的输入端连接，且排水管(206)中靠近监测系统(3)的一端设有排水阀(207)；舱壳中设有泥水舱(104)的一端穿设过左顶板(201)上的通孔后伸入到地层土样(202)中，使得泥水舱(104)和地层土样(202)连通，刀盘(105)设置在地层土样(202)中。3.根据权利要求2所述的一种模拟超重力下三维动态泥浆渗透试验装置，其特征在于：所述的监测系统(3)包括集水桶(302)、液位摄像头(303)和图像获取设备(305)；集水桶(302)与排水管(206)的输出端连通，液位摄像头(303)安装在集水桶(302)的外侧壁的顶部，图像获取设备(305)安装在土工离心机(4)上，液位摄像头(303)和图像获取设备(305)均通过电缆线(304)与控制中枢(5)相连；所述的土工离心机(4)包括第一吊篮(401)、第二吊篮(403)和离心机机座；第一吊篮(401)和第二吊篮(403)分别通过转臂(404)固定安装在离心机机座的两侧，第一吊篮(401)内部放置有配重块(402)，驱动电机(108)、渗透柱(2)、集水桶(302)和泥浆供应系统(6)均与底板(7)刚性连接，底板(7)固定安装在第二吊篮(403)上，第二吊篮(403)和离心机机座连接的转臂(404)上设有图像获取设备(305)。4.根据权利要求2所述的一种模拟超重力下三维动态泥浆渗透试验装置，其特征在于：所述的泥浆供应系统(6)包括气源(601)、调压设备(602)和储浆罐(603)；气源(6...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈延博，吕延栋，刘昊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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