本實(shí)用新型涉及一種飽水地層掌子面土體在三向應(yīng)力下臨界滲透氣壓測試裝置。

背景技術(shù)：

在隧道通過飽水地層進(jìn)行盾構(gòu)法施工過程中，隨著盾構(gòu)刀具的不斷磨損，掘進(jìn)效率不斷降低，需要對刀具進(jìn)行更換。若進(jìn)行常壓換刀，掌子面在水壓與土壓的共同作用下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重危及換刀作業(yè)人員安全，影響施工進(jìn)程。帶壓換刀技術(shù)利用空氣壓縮機(jī)將空氣加壓，并注入穩(wěn)壓艙室，使氣壓與艙內(nèi)泥土壓達(dá)到動態(tài)平衡的同時逐步排出艙內(nèi)土體，并通過在穩(wěn)壓艙室內(nèi)建立合理的氣壓進(jìn)一步平衡刀盤前方水、土壓力，使開挖面達(dá)到穩(wěn)定并防止地下水涌入艙室內(nèi)部，增強(qiáng)了掌子面穩(wěn)定性，極大地提高了換刀人員的安全性和工作效率。因此帶壓換刀技術(shù)現(xiàn)在廣泛用于跨江越海隧道、城市地鐵隧道施工建設(shè)中。目前模擬帶壓換刀施工的相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備的主要問題是(1)試驗(yàn)無法通過同一裝置實(shí)現(xiàn)試樣的飽和以及后續(xù)滲透氣壓測定，由于試樣完全飽和到套上橡膠模、安裝透水并放入試驗(yàn)儀器中，會對原狀試樣造成很多不必要的人為擾動，造成試樣結(jié)構(gòu)破壞，使得試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確；(2)現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備大多采用有側(cè)限的方法，隨著軸壓的增加，側(cè)限壓力亦會增加且無法定量的控制，試驗(yàn)中土體隨著氣體的進(jìn)入，土體圍壓亦會發(fā)生變化，這些都是與實(shí)際帶壓換刀環(huán)境具有較大區(qū)別，無法真實(shí)模擬土體在實(shí)際環(huán)境中的三維應(yīng)力狀態(tài)和水-氣二相流過程，造成試驗(yàn)結(jié)果失真。

因此如果按照原有試驗(yàn)設(shè)備所得的滲透氣壓與氣體損失率的試驗(yàn)結(jié)果直接用于盾構(gòu)隧道帶壓換刀施工，要么氣壓小于實(shí)際需要?dú)鈮?，造成地下水大量涌出，?yán)重影響掌子面以及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，危及換刀人員安全、嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；要么氣壓大于實(shí)際需要?dú)鈮?，極大的增加了帶壓換刀難度，施工成本，減低施工速度，對進(jìn)行帶壓換刀人員的身體健康也會帶來嚴(yán)重影響；即使氣壓接近實(shí)際需要值，也因氣體損失率預(yù)測的不準(zhǔn)確亦會極大地增加施工成本，危及帶壓換刀人員安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供飽水地層掌子面土體在三向應(yīng)力下臨界滲透氣壓測試裝置，該裝置能準(zhǔn)確的測試出飽水地層掌子面不同孔隙比的土體在不同三向應(yīng)力下的臨界滲透氣壓以及滲透氣壓與氣體損失率的定量關(guān)系，從而為飽水地層盾構(gòu)法隧道帶壓換刀施工提供可靠的關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)及依據(jù)，在有效保證掌子面穩(wěn)定性的前提下，降低施工成本，提供施工進(jìn)度，確保施工安全。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：

一種飽水地層掌子面土體在三向應(yīng)力下臨界滲透氣壓測試裝置，包括試樣飽和單元、臨界滲透氣壓測試單元、軸向壓力模擬單元，徑向圍壓模擬單元；

試樣飽和單元：包括側(cè)壁(7)、上透水石(1)、下透水石(2)和上蓋(6)及底座 (9)，原狀試樣(4)套上隔水橡膠膜(3)裝入側(cè)壁(7)中，側(cè)壁(7)與隔水橡膠膜 (3)緊密貼合，原狀試樣(4)上部與底部分別與高滲透性上透水石(1)、下透水石(2) 緊密貼合，下透水石(2)與底座(9)的凹槽中的加載活塞(16)密封嵌置連接，上透水石(1)與上蓋(6)的凹槽嵌置密封連接；上蓋(6)中部設(shè)置上蓋通道(5)，底座 (9)中部設(shè)置有底座通道(10)；

臨界滲透氣壓測試單元：利用試樣飽和單元對原狀試樣進(jìn)行飽和以后，進(jìn)行臨界滲透氣壓測試，將試樣飽和單元中的側(cè)壁(7)、上透水石(1)、下透水石(2)替換為承壓壁(27)、止水透氣的上陶土板(12)和下陶土板(13)，飽和試樣的上部與底部分別與上陶土板(12)、下陶土板(13)緊密貼合，下陶土板(13)和加載活塞(16)密封嵌置連接，上陶土板(12)和承壓板(24)嵌置密封連接，承壓板(24)位于上蓋(6) 下部，承壓壁(27)和上蓋(6)及底座(9)密封嵌置構(gòu)成壓力室(21)；底座(9)中部的凹槽中固定有油缸(22)，油缸(22)內(nèi)部的加載桿(25)與加載活塞(16)相連，加載活塞(16)向上伸入壓力室(21)；底座(9)位于壓力室(21)內(nèi)腔與油缸(22) 之間的部位設(shè)有向壓力室(21)注水的進(jìn)水閥(18)；上蓋通道(5)與氣液壓力-流量測試系統(tǒng)(14)相連，底座通道(10)與氣液壓力-流量控制系統(tǒng)(11)相連，底座通道(10)貫穿加載活塞(16)；氣液壓力-流量控制系統(tǒng)(11)連接底部通道(10)，上蓋通道(5)與氣液壓力-流量測試系統(tǒng)(14)相連；

軸向壓力模擬單元包括GDS軸壓控制系統(tǒng)(19)、進(jìn)油接頭(17)、出油接頭(20)、油缸(22)、加載活塞(16)，GDS軸壓控制系統(tǒng)通過與進(jìn)油接頭(17)、出油接頭(20) 相連，控制底座(9)中部的凹槽中固定的油缸(22)內(nèi)的壓力，油缸(22)內(nèi)部的加載桿(25)與加載活塞(16)相連；GDS軸壓控制系統(tǒng)(19)通過加載活塞(16)向原狀試樣(4)施加設(shè)定的軸向壓力以模擬隧道的軸向壓力；

徑向圍壓模擬單元：包括壓力室(21)，底座(9)位于壓力室(21)內(nèi)腔與油缸(22) 之間的部位設(shè)有向壓力室(21)注水的進(jìn)水閥(18)，上蓋(6)設(shè)有與壓力室(21)連通的排氣閥(15)，進(jìn)水閥(18)與徑向圍壓控制系統(tǒng)(26)相連。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

1、實(shí)現(xiàn)了試樣從飽和到滲透氣壓測試等相關(guān)試驗(yàn)的一體化操作，使得試樣在無人為擾動的前提下在同一裝置中實(shí)現(xiàn)了試樣的飽和與滲透氣壓測試等相關(guān)試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)精度；

2、通過向壓力室注水，在壓力室內(nèi)試樣四周形成水壓以模擬隧道圍巖的徑向壓力，通過油缸向試樣的端面施加壓力以模擬隧道圍巖的軸向壓力；

3、使用氣液壓力-流量控制系統(tǒng)通過底座通道對試樣施加并維持不同的氣壓值，并對穿過試樣的氣體通過上蓋通道的氣液壓力-流量測試系統(tǒng)，同步測量、記錄氣體的壓力、流量以及流速；

4、試驗(yàn)時，試樣的應(yīng)力場環(huán)境以及水氣二相流過程與實(shí)際隧道非常接近，對固、液、氣多相耦合能夠完整、合理的模擬?？梢酝ㄟ^運(yùn)用該裝置以及對應(yīng)方法，可以較準(zhǔn)確的得到不同孔隙比不同三向應(yīng)力下土體臨界滲透氣壓以及滲透氣壓與氣體滲透速度的定量關(guān)系，從而為飽水地層盾構(gòu)法隧道帶壓換刀施工提供可靠的關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)及依據(jù)，在有效保證掌子面穩(wěn)定性的前提下，降低施工成本，提供施工進(jìn)度，確保施工安全。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型試樣飽和單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型臨界滲透氣壓測試單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為壓力室的放大示意圖。

1上透水石，2下透水石，3隔水橡膠膜，4原狀試樣，5上蓋通道，6上蓋，7側(cè)壁，8拉桿，9底座，10底座通道，11氣液壓力-流量控制系統(tǒng)，12上陶土板，13下陶土板，14氣液壓力-流量測試系統(tǒng)，15排氣閥，16加載活塞，17進(jìn)油接頭，18進(jìn)水閥， 19GDS軸壓控制系統(tǒng)，20出油接頭，21壓力室，22油缸，24承壓板，25加載桿，26 徑向圍壓控制系統(tǒng)，27承壓壁；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1、圖2、圖3示出，一種飽水地層掌子面土體在三向應(yīng)力下臨界滲透氣壓測試裝置，包括試樣飽和單元、臨界滲透氣壓測試單元、軸向壓力模擬單元，徑向圍壓模擬單元；

試樣飽和單元：包括側(cè)壁7、上透水石1、下透水石2和上蓋6及底座9，側(cè)壁7 為無底圓筒狀，原狀試樣4套上隔水橡膠膜3裝入側(cè)壁7中，并使側(cè)壁7與隔水橡膠膜 3緊密貼合，并將原狀試樣4上部與底部分別與高滲透性上透水石1、下透水石2緊密貼合，最后將下透水石2與底座9的凹槽中的加載活塞16密封嵌置連接，將上透水石1 與上蓋6的凹槽嵌置密封連接；上蓋6中部設(shè)置上蓋通道5，底座9中部設(shè)置有底座通道10；進(jìn)行試樣飽和時，底座通道10與氣液壓力-流量控制系統(tǒng)11相連，上蓋通道5 與大氣相連，打開上蓋通道5與底部通道10，用氣液壓力-流量控制系統(tǒng)11維持一定水壓(50kPa)對原狀試樣4進(jìn)行飽和，待上蓋通道5連續(xù)出水后，原狀試樣4即完全飽和。

臨界滲透氣壓測試單元：將試樣飽和單元中的側(cè)壁7、上透水石1、下透水石2替換為承壓壁27、止水透氣的上陶土板12和下陶土板13，將飽和試樣的上部與底部分別與上陶土板12、下陶土板13緊密貼合，保證密封，再將下陶土板13和加載活塞16密封嵌置連接，將上陶土板12和承壓板24嵌置密封連接，承壓板(24)位于上蓋(6) 下部，承壓壁27和上蓋6及底座9密封嵌置構(gòu)成壓力室21。底座9中部的凹槽中固定有油缸22，油缸22內(nèi)部的加載桿25與加載活塞16相連，加載活塞16向上伸入壓力室 21；底座9位于壓力室21內(nèi)腔與油缸22之間的部位設(shè)有向壓力室21注水的進(jìn)水閥18。上蓋通道5與氣液壓力-流量測試系統(tǒng)14相連，底座通道10與氣液壓力-流量控制系統(tǒng) 11相連，底座通道10貫穿加載活塞16。通過氣液體壓力-流量控制系統(tǒng)11通過底部通道10對原狀試樣4施加并維持制定的氣壓值，上蓋通道5與氣液壓力-流量測試系統(tǒng)14 相連，對穿過原狀試樣4的氣體進(jìn)行同步記錄其壓力、流量以及流速。

軸向壓力模擬單元包括GDS軸壓控制系統(tǒng)19、進(jìn)油接頭17、出油接頭20、油缸22、加載活塞16，GDS軸壓控制系統(tǒng)通過與進(jìn)油接頭17、出油接頭20相連，控制底座9 中部的凹槽中固定的油缸22內(nèi)的壓力，油缸22內(nèi)部的加載桿25與加載活塞16相連。GDS軸壓控制系統(tǒng)19通過加載活塞16向原狀試樣4施加設(shè)定的軸向壓力以模擬隧道的軸向壓力。

徑向圍壓模擬單元：包括壓力室21，底座9位于壓力室21內(nèi)腔與油缸22之間的部位設(shè)有向壓力室21注水的進(jìn)水閥18，上蓋6設(shè)有與壓力室21連通的排氣閥15，進(jìn)水閥18與徑向圍壓控制系統(tǒng)26相連；徑向圍壓控制系統(tǒng)26通過進(jìn)水閥18、壓力室21，向原狀試樣4施加設(shè)定的徑向壓力以模擬隧道的徑向圍壓σ3。

使用本例的飽水地層掌子面土體在三向應(yīng)力下臨界滲透氣壓測試裝置進(jìn)行飽水地層掌子面土體在三向應(yīng)力下臨界滲透氣壓測試試驗(yàn)方法，其具體做法是：

A.將原狀試樣4套上隔水橡膠膜3裝入側(cè)壁7中，并使側(cè)壁7與隔水橡膠膜3緊密貼合，并將原狀試樣4上部與底部分別與高滲透性上透水石1、下透水石2緊密貼合，最后將下透水石2與底座9的凹槽中的加載活塞16密封嵌置連接，將上透水石1與上蓋6的凹槽嵌置密封連接。

B.試樣飽和步驟：打開上蓋通道5與底部通道10，用氣液壓力-流量控制系統(tǒng)11 維持50kPa水壓對原狀試樣4進(jìn)行飽和，待上蓋通道5連續(xù)出水后，原狀試樣4即完全飽和；

C.將裝置中部飽和試樣器替換為由外壁透明的承壓壁27和上蓋6及底座9密封嵌置構(gòu)成的壓力室21，并將原狀試樣4兩端的高滲透性上透水石1、下透水石2拆下，替換為止水、透氣的上陶土板12、下陶土板13，同樣將原狀試樣的上部與底部分別與上陶土板12、下陶土板13緊密貼合，保證密封，再將下陶土板13和加載活塞16密封嵌置連接，將上陶土板12和承壓板24嵌置密封連接；

D.擰緊拉桿8螺母，松開上蓋6的排氣閥15，圍壓控制系統(tǒng)26通過進(jìn)水閥18向壓力室21注水，當(dāng)排氣閥15有水溢出時即關(guān)閉排氣閥15；

E.GDS軸壓控制系統(tǒng)19通過加載活塞16向原狀試樣4施加設(shè)定的軸向壓力以模擬隧道的軸向壓力；圍壓控制系統(tǒng)26通過進(jìn)水閥18、壓力室21，向原狀試樣4施加設(shè)定的徑向壓力以模擬隧道的徑向圍壓；

F.氣液壓力-流量控制系統(tǒng)11通過底部通道10對原狀試樣4施加并維持制定的氣壓值，并對穿過原狀試樣4的氣體通過上蓋通道5的氣液壓力-流量測試系統(tǒng)14相連，同步記錄氣體的壓力、流量以及流速；最終獲得飽水地層隧道掌子面不同孔隙比土體在不同的三向應(yīng)力狀態(tài)下的臨界滲透氣壓、氣體損失率，并建立滲透氣壓與氣體損失率的定量關(guān)系。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。