[实用新型]饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置。

背景技术

在隧道通过饱水地层进行盾构法施工过程中，随着盾构刀具的不断磨损，掘进效率不断降低，需要对刀具进行更换。若进行常压换刀，掌子面在水压与土压的共同作用下极易发生失稳破坏，严重危及换刀作业人员安全，影响施工进程。带压换刀技术利用空气压缩机将空气加压，并注入稳压舱室，使气压与舱内泥土压达到动态平衡的同时逐步排出舱内土体，并通过在稳压舱室内建立合理的气压进一步平衡刀盘前方水、土压力，使开挖面达到稳定并防止地下水涌入舱室内部，增强了掌子面稳定性，极大地提高了换刀人员的安全性和工作效率。因此带压换刀技术现在广泛用于跨江越海隧道、城市地铁隧道施工建设中。目前模拟带压换刀施工的相关试验设备的主要问题是(1)试验无法通过同一装置实现试样的饱和以及后续渗透气压测定，由于试样完全饱和到套上橡胶模、安装透水并放入试验仪器中，会对原状试样造成很多不必要的人为扰动，造成试样结构破坏，使得试验结果不准确；(2)现有试验设备大多采用有侧限的方法，随着轴压的增加，侧限压力亦会增加且无法定量的控制，试验中土体随着气体的进入，土体围压亦会发生变化，这些都是与实际带压换刀环境具有较大区别，无法真实模拟土体在实际环境中的三维应力状态和水-气二相流过程，造成试验结果失真。

因此如果按照原有试验设备所得的渗透气压与气体损失率的试验结果直接用于盾构隧道带压换刀施工，要么气压小于实际需要气压，造成地下水大量涌出，严重影响掌子面以及支护结构稳定性，危及换刀人员安全、严重影响施工进度；要么气压大于实际需要气压，极大的增加了带压换刀难度，施工成本，减低施工速度，对进行带压换刀人员的身体健康也会带来严重影响；即使气压接近实际需要值，也因气体损失率预测的不准确亦会极大地增加施工成本，危及带压换刀人员安全。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置，该装置能准确的测试出饱水地层掌子面不同孔隙比的土体在不同三向应力下的临界渗透气压以及渗透气压与气体损失率的定量关系，从而为饱水地层盾构法隧道带压换刀施工提供可靠的关键试验数据及依据，在有效保证掌子面稳定性的前提下，降低施工成本，提供施工进度，确保施工安全。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试装置，包括试样饱和单元、临界渗透气压测试单元、轴向压力模拟单元，径向围压模拟单元；

试样饱和单元：包括侧壁(7)、上透水石(1)、下透水石(2)和上盖(6)及底座 (9)，原状试样(4)套上隔水橡胶膜(3)装入侧壁(7)中，侧壁(7)与隔水橡胶膜 (3)紧密贴合，原状试样(4)上部与底部分别与高渗透性上透水石(1)、下透水石(2) 紧密贴合，下透水石(2)与底座(9)的凹槽中的加载活塞(16)密封嵌置连接，上透水石(1)与上盖(6)的凹槽嵌置密封连接；上盖(6)中部设置上盖通道(5)，底座 (9)中部设置有底座通道(10)；

临界渗透气压测试单元：利用试样饱和单元对原状试样进行饱和以后，进行临界渗透气压测试，将试样饱和单元中的侧壁(7)、上透水石(1)、下透水石(2)替换为承压壁(27)、止水透气的上陶土板(12)和下陶土板(13)，饱和试样的上部与底部分别与上陶土板(12)、下陶土板(13)紧密贴合，下陶土板(13)和加载活塞(16)密封嵌置连接，上陶土板(12)和承压板(24)嵌置密封连接，承压板(24)位于上盖(6) 下部，承压壁(27)和上盖(6)及底座(9)密封嵌置构成压力室(21)；底座(9)中部的凹槽中固定有油缸(22)，油缸(22)内部的加载杆(25)与加载活塞(16)相连，加载活塞(16)向上伸入压力室(21)；底座(9)位于压力室(21)内腔与油缸(22) 之间的部位设有向压力室(21)注水的进水阀(18)；上盖通道(5)与气液压力-流量测试系统(14)相连，底座通道(10)与气液压力-流量控制系统(11)相连，底座通道(10)贯穿加载活塞(16)；气液压力-流量控制系统(11)连接底部通道(10)，上盖通道(5)与气液压力-流量测试系统(14)相连；