申请/专利权人：中铁隧道局集团有限公司;盾构及掘进技术国家重点实验室

申请日：2018-09-29

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN109307628B

主分类号：G01N3/24

分类号：G01N3/24;G01N15/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2019.03.05#实质审查的生效;2019.02.05#公开

摘要：本发明公开了一种泥膜抗剪强度试验仪器及其测量泥膜抗剪强度的方法，该仪器包括空气加压模块、泥膜试样剪切模块、压力监测传感器、出水量监测模块。泥膜试样剪切模块由上端盖、下底座、圈型密封垫、泥膜试验环刀、试样环型支座、固定杆组成。泥膜试样放置于试样环型支座上，通过空气加压装置对试样上层面加压实现泥膜试样上下层面压差，在试样环型支座内壁形成剪切作用。出水量监测模块由加水漏斗、出水量测筒、烧杯、天平秤等组成，通过出水量测筒内水头变化或烧杯内滤水量计算剪切泥膜位移量。本发明使用方便、简单，可有效测取泥膜荷载‑位移关系，确定泥膜抗剪强度值以及最大闭气压力。

主权项：1.一种泥膜抗剪强度试验仪器测量泥膜抗剪强度的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：A、用泥膜试验环刀（3）切取泥膜试样（14），并用切土刀削平泥膜试样下层面；B、在下底座（5）上依次放置透水石（7）、试样环形支座（6）、圈型密封垫（2），并将切取有泥膜试样（14）的泥膜试验环刀（3）下部套装在试样环形支座（6）上；C、将空气加压仪器（9）、压力传感器（8）连接至上端盖（1）上；D、将圈型密封垫（2）贴到泥膜试验环刀（3）上沿面上，将上端盖（1）放置于圈型密封垫（2）上；然后插入固定杆（4），并旋紧两端螺帽，使上端盖和下底座与泥膜试验环刀之间充分压紧密封；E、通过加水漏斗（13）向泥膜试样下层加水，直至在出水量测筒（10）内部达到的一定刻度值；或通过加水漏斗（13）向泥膜试样下层加水，直至从弯管流出水至烧杯（12）；F、通过空气加压仪器（9）向泥膜试样（14）上层面以一定速度缓慢加压，观察出水量测筒（10）内的水头变化，气泡产生情况，并记录水头的最大值；或通过称量烧杯（12）的重量变化，观察气泡产生情况，记录滤水量；G、通过记录压力传感器（8）与出水量测筒（10）、烧杯（12）计算的泥膜试样变形量，绘制荷载-变形曲线，确定泥膜抗剪强度与闭气性；其中，所述泥膜抗剪强度试验仪器包括由上端盖（1）、下底座（5）、以及通过多根固定杆（4）压装在上端盖和下底座之间的泥膜试验环刀（3）所组成的主体框架结构；在所述下底座（5）上面中部设置有试样环形支座（6），所述泥膜试验环刀（3）的内腔中切取有泥膜试样（14），泥膜试验环刀的下部套装在试样环形支座（6）的外圆面上，使泥膜试样（14）坐落在试样环形支座（6）的上表面；在所述上端盖（1）上分别设置有用于向泥膜试验环刀上部内腔中加压的空气加压仪器（9）以及用于测量泥膜试验环刀上部内腔中压力的压力传感器（8）；所述下底座（5）的下面中心部位通过管路连接有出水量测筒（10）；所述出水量测筒（10）的筒壁上设置有刻度，出水量测筒（10）的上端均通过设置有阀门的管路连通有加水漏斗（13）和烧杯（12）；所述烧杯（12）放置于天平秤（15）上；所述下底座（5）的中部设置有凹槽，所述凹槽内放置有透水石（7）；所述透水石（7）的表面面积大于试样环形支座（6）的内腔截面面积；所述出水量测筒（10）的整体高度高于下底座（5）的高度；所述出水量测筒（10）与烧杯（12）之间相连通的管路出水口的高度大于试样环形支座（6）的整体高度；所述泥膜试验环刀（3）的上、下沿面与上端盖（1）和下底座（5）之间均设置有圈型密封垫（2）。

全文数据：一种泥膜抗剪强度试验仪器及其测量泥膜抗剪强度的方法技术领域本发明涉及一种泥膜抗剪强度试验仪器及测量泥膜抗剪强度的方法，尤其涉及城市地铁、跨江越海隧道等采用泥水平衡式盾构中泥浆渗透地层成膜抗剪强度试验仪器。背景技术相比于土压平衡盾构，泥水平衡盾构更适用于复杂地质环境，如高水位地层、强透水砂卵石地层等。泥水仓中泥浆属性与泥水仓压力设定是泥水盾构维持开挖面稳定的重要控制要素。因此，配制地质适应性强的泥浆，形成高质量泥膜至关重要。传统的泥浆配制仅仅考虑泥浆本身的比重、粘度、滤失量等参数，却很少考虑泥浆对地层的渗透特性，导致泥浆对地层的渗透效果并不理想。泥浆与地质条件的适应性差常常表现出泥浆或无法渗入地层，或渗入流失量过大，形成的泥皮太薄，强度太低，无法维持开挖面稳定性。因此，泥浆对地层的渗透特性必须作为评价泥浆地质适应性的重要控制要素。目前，国内的几家科研机构，如河海大学、西南交通大学等，可以开展泥浆对地层渗透试验，但对实验结果的描述仅限于泥膜的外观描述，或采用刻度尺量测泥膜厚度，并未对泥膜的力学属性进行试验，更不能通过泥膜的力学属性评价成膜质量。但是，泥膜的力学性质对有效传递泥水仓压力，增强开挖面强度，维持开挖面稳定具有重大影响。由于泥浆渗透地层形成的泥膜强度不高，易发生扰动变形而影响其本身力学性质，因此，获取不受扰动的泥膜试样，设计合理的泥膜抗剪强度试验仪器成为必要。发明内容针对泥浆渗透地层成膜抗剪强度不能有效测取的问题，本发明提供一种泥膜抗剪强度试验仪器，具有对泥膜扰动小、试验方便、准确可靠、适用性强等优点，能够有效监测泥膜的荷载-变形曲线，获取抗剪强度值。同时，可有效测取泥膜的最大闭气压力。为实现有效测取泥膜抗剪强度和闭气压力的功能，本发明所采取的技术方案是：一种泥膜抗剪强度试验仪器，它包括由上端盖、下底座、以及通过多根固定杆压装在上端盖和下底座之间的泥膜试验环刀所组成的主体框架结构；在所述下底座中部设置有试样环形支座，所述泥膜试验环刀的内腔中切取有泥膜试样，泥膜试验环刀的下部套装在试样环形支座的外圆面上，使泥膜试样坐落在试样环形支座的表面；在所述上端盖上分别设置有用于向泥膜试验环刀上部内腔中加压的空气加压仪器以及用于测量泥膜试验环刀上部内腔中压力的压力传感器；所述下底座的中心部位通过管路连接有出水量测筒；所述出水量测筒的筒壁上设置有刻度，出水量测筒的上端通过设置有阀门的管路连通有加水漏斗和烧杯；所述烧杯放置于天平秤上。进一步的，本发明在所述下底座的中部设置有凹槽，所述凹槽内放置有透水石；进一步的，本发明所述透水石的表面面积大于试样环形支座的内腔截面面积。进一步的，本发明所述泥膜试验环刀的上、下沿面与上端盖和下底座之间均设置有圈型密封垫。进一步的，本发明所述出水量测筒的整体高度高于下底座的高度。进一步的，本发明所述出水量测筒与烧杯之间相连通的管路出水口的高度大于试样环形支座的整体高度。利用上述泥膜抗剪强度试验仪器测量泥膜抗剪强度的方法的步骤如下：A、用泥膜试样环切装置切取泥膜试样，并用切土刀削平泥膜试样下层面；B、在下底座上依次放置透水石、试样环形支座、圈型密封垫，并将切取有泥膜试样的泥膜试验环刀下部套装在试样环形支座上；C、将空气加压仪器、压力传感器连接至上端盖上；D、将圈型密封垫贴到泥膜试验环刀上沿面上，将上端盖放置于圈型密封垫上；然后插入固定杆，并旋紧两端螺帽，使上端盖和下底座与泥膜试验环刀之间充分压紧密封；E、通过加水漏斗向泥膜试样下层加水，直至在出水测量筒内部达到的一定刻度值；或通过加水漏斗向泥膜试样下层加水，直至从弯管流出水至烧杯；F、通过空气加压装置向泥膜试样上层面以一定速度缓慢加压，观察出水量测筒内的水头变化，气泡产生情况，并记录水头的最大值；或通过称量烧杯的重量变化，观察气泡产生情况，记录滤水量；G、通过记录压力传感器与出水量测筒、烧杯计算的泥膜试样变形量，绘制荷载-变形曲线，确定泥膜抗剪强度与闭气性。具体说：本发明的泥膜抗剪强度试验仪器，该仪器包括空气加压模块、泥膜试样剪切模块、压力监测传感器、出水量监测模块等。泥膜试样剪切模块可分为主体框架结构和试验对象，主体框架结构由上端盖、下底座、圈型密封垫、固定杆组成，试验对象直接利用泥膜试样环切仪器的试验环刀环切泥膜，避免了对泥膜的二次扰动；出水量监测模块由加水漏斗、出水量测筒、烧杯、天平秤组成。加水漏斗用于泥膜试样下层面加水。出水量测筒侧面标有刻度，监测水头变化。试验前，在下底座上依次放置透水石、试样环形支座、圈型密封垫、泥膜试验环刀、泥膜试样、上端盖，上端盖连接至空气加压仪器、压力传感器，下底座连接出水量测筒、加水漏斗，并向通过加水漏斗向泥膜下层面加水至一定水头。试验过程中，通过空气加压仪器对泥膜上层面缓慢加压，实现泥膜上下层面压差，实现试样环形支座内壁对泥膜的剪切作用。观测出水量测筒水头变化或烧杯内滤水量变化。本发明的有益效果是：本发明的泥膜抗剪强度试验装备结构简单，功能明确，能够有效测取泥膜抗剪强度、闭气性，用于评价泥浆对各类地层条件的适应性。附图说明图1是本发明泥膜抗剪强度试验仪器的原理图。具体实施方式下面结合附图和仪器结构介绍，对本发明实施方式做进一步的说明：如图1所示，本发明的泥膜抗剪强度试验仪器，它包括由上端盖1、下底座5、以及通过多根固定杆4压装在上端盖和下底座之间的泥膜试验环刀3（其实质为圆筒）所组成的主体框架结构；在所述下底座5上面中部设置有试样环形支座6，所述泥膜试验环刀3的内腔中切取有泥膜试样14，泥膜试验环刀的下部套装在试样环形支座6的外圆面上，使泥膜试样14坐落在试样环形支座6的表面；在所述上端盖1上分别设置有用于向泥膜试验环刀上部内腔中加压的空气加压仪器9以及用于测量泥膜试验环刀上部内腔中压力的压力传感器8；所述下底座5的下面中心部位通过管路连接有出水量测筒10；所述出水量测筒10的筒壁上设置有刻度，出水量测筒10的上端均通过设置有阀门11的管路连通有加水漏斗13和烧杯12；所述烧杯12放置于天平秤15上。较佳的，本实施例在所述下底座5的上面中部设置有凹槽，所述凹槽内放置有透水石7；所述透水石7的表面面积大于试样环形支座6的内腔截面面积。较佳的，所述泥膜试验环刀3的上、下沿面与上端盖1和下底座5之间均设置有圈型密封垫2。较佳的，所述出水量测筒10的整体高度高于下底座5的高度；所述出水量测筒10与烧杯12之间相连通的管路出水口的高度大于试样环形支座6的整体高度。具体说，本实施例的泥膜抗剪强度试验仪器包括由上端盖1、下底座5、圈型密封垫2、固定杆4组成的主体框架结构，下底座5上依次放置透水石7、试样环形支座6、圈型密封垫2、泥膜试验环刀3和泥膜试样14。上端盖1连接空气加压仪器9、压力传感器8。下底座5连接出水量测筒10、加水漏斗13，可以向试样底部加水以及监测水头变化、滤水量。本实施例的泥膜抗剪强度试验仪器测量泥膜抗剪强度的方法步骤如下：A、用泥膜试样环切装置3切取泥膜试样14，并用切土刀削平泥膜试样下层面；B、在下底座5上依次放置透水石7、试样环形支座6、圈型密封垫2，并将切取有泥膜试样14的泥膜试验环刀3下部套装在试样环形支座6上；C、将空气加压仪器9、压力传感器8连接至上端盖1上；D、将圈型密封垫2贴到泥膜试验环刀3上沿面上，将上端盖1放置于泥膜试验环刀3上；然后插入固定杆4，并旋紧两端螺帽，使上端盖和下底座与泥膜试验环刀之间充分压紧密封；E、通过加水漏斗13向泥膜试样下层加水，直至在出水测量筒10内部达到的一定刻度值；或通过加水漏斗13向泥膜试样下层加水，直至从弯管流出水至烧杯12；F、通过空气加压装置9向泥膜试样14上层面以一定速度缓慢加压，观察出水量测筒10内的水头变化，气泡产生情况，并记录水头的最大值；或通过称量烧杯12的重量变化，观察气泡产生情况，记录滤水量；G、通过记录压力传感器8与出水量测筒10、烧杯12计算的泥膜试样变形量，绘制荷载-变形曲线，确定泥膜抗剪强度与闭气性。

权利要求：1.一种泥膜抗剪强度试验仪器，其特征在于：它包括由上端盖（1）、下底座（5）、以及通过多根固定杆（4）压装在上端盖和下底座之间的泥膜试验环刀（3）所组成的主体框架结构；在所述下底座（5）上面中部设置有试样环形支座（6），所述泥膜试验环刀（3）的内腔中切取有泥膜试样（14），泥膜试验环刀的下部套装在试样环形支座（6）的外圆面上，使泥膜试样（14）坐落在试样环形支座（6）的上表面；在所述上端盖（1）上分别设置有用于向泥膜试验环刀上部内腔中加压的空气加压仪器（9）以及用于测量泥膜试验环刀上部内腔中压力的压力传感器（8）；所述下底座（5）的下面中心部位通过管路连接有出水量测筒（10）；所述出水量测筒（10）的筒壁上设置有刻度，出水量测筒（10）的上端均通过设置有阀门的管路连通有加水漏斗（13）和烧杯（12）；所述烧杯（12）放置于天平秤（15）上。2.根据权利要求1所述泥膜抗剪强度试验仪器，其特征在于：在所述下底座（5）的中部设置有凹槽，所述凹槽内放置有透水石（7）。3.根据权利要求2所述泥膜抗剪强度试验仪器，其特征在于：所述透水石（7）的表面面积大于试样环形支座（6）的内腔截面面积。4.根据权利要求1所述泥膜抗剪强度试验仪器，其特征在于：所述泥膜试验环刀（3）的上、下沿面与上端盖（1）和下底座（5）之间均设置有圈型密封垫（2）。5.根据权利要求1所述泥膜抗剪强度试验仪器，其特征在于：所述出水量测筒（10）的整体高度高于下底座（5）的高度。6.根据权利要求1所述泥膜抗剪强度试验仪器，其特征在于：所述出水量测筒（10）与烧杯（12）之间相连通的管路出水口的高度大于试样环形支座（6）的整体高度。7.一种利用权利要求1所述泥膜抗剪强度试验仪器测量泥膜抗剪强度的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：A、用泥膜试样环切装置（3）切取泥膜试样（14），并用切土刀削平泥膜试样下层面；B、在下底座（5）上依次放置透水石（7）、试样环形支座（6）、圈型密封垫（2），并将切取有泥膜试样（14）的泥膜试验环刀（3）下部套装在试样环形支座（6）上；C、将空气加压仪器（9）、压力传感器（8）连接至上端盖（1）上；D、将圈型密封垫（2）贴到泥膜试验环刀（3）上沿面上，将上端盖（1）放置于圈型密封垫（2）上；然后插入固定杆（4），并旋紧两端螺帽，使上端盖和下底座与泥膜试验环刀之间充分压紧密封；E、通过加水漏斗（13）向泥膜试样下层加水，直至在出水测量筒（10）内部达到的一定刻度值；或通过加水漏斗（13）向泥膜试样下层加水，直至从弯管流出水至烧杯（12）；F、通过空气加压装置（9）向泥膜试样（14）上层面以一定速度缓慢加压，观察出水量测筒（10）内的水头变化，气泡产生情况，并记录水头的最大值；或通过称量烧杯（12）的重量变化，观察气泡产生情况，记录滤水量；G、通过记录压力传感器（8）与出水量测筒（10）、烧杯（12）计算的泥膜试样变形量，绘制荷载-变形曲线，确定泥膜抗剪强度与闭气性。

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