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原文传递土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统和方法

专利名称：	土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统和方法
摘要：	本发明提供了一种土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统和方法，试验系统包括水平设置的试验筒、模拟盾构机顶推机构的轴向加载装置、模拟螺旋输送机排土机制的径向挤压环囊、施加不同水压的供水系统、采集土样强度的剪切杆及孔隙水压力的试验仓压力传感器等。本发明的试验方法包括在控制不同水压条件下排土速度、顶推压力中任意一项发生变化或两者同步变化的模拟工况下对土样工作性进行综合测试。其中，土样的工作性测试包括渗透性、强度与变形特性中的任意一项或多项内容。本发明的试验系统和试验方法测得的数据更为科学和客观，具备一定的自动控制智能化，特别适用于模拟富水等特殊工况条件下的土压平衡盾构渣土工作性相关试验研究。
专利类型：	发明专利
申请人：	中南大学
发明人：	张沛然;杨果林;刘欢;肖洪波;吕涛
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T15:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T15:00:00+0805
申请号：	CN202010042497.9
公开号：	CN111157363A
代理机构：	长沙欧诺专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	欧颖;张文君
分类号：	G01N3/24;G01N3/12;G01N15/08;G;G01;G01N;G01N3;G01N15;G01N3/24;G01N3/12;G01N15/08
申请人地址：	410083 湖南省长沙市麓山南路932号
主权项：	1.一种土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统和方法，其特征在于，采用土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统对对盾构机的工况进行模拟，在模拟工况中对土样的工作性进行测试，所述土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统包括试验筒(1)、剪切杆(4)、剪切传动杆(41)、轴向加载装置(5)、轴向位移传感器(32)、径向挤压环囊(6)与试验仓压力传感器(60)；所述试验筒的轴向方向沿水平方向设置，试验筒内设置有试验仓(15)，所述剪切传动杆的一端位于试验仓内，所述剪切杆连接在剪切传动杆的位于试验仓内的一端，剪切传动杆的另一端伸至试验筒外并与传动机构连接，所述传动机构上设置有扭矩传感器(42)，扭矩传感器用于测试不同模拟工况下不同土样的剪切强度τ；所述径向挤压环囊设置在试验仓中且位于土样外围，径向挤压环囊内部填充有流体压力介质，在流体压力介质的压力作用下，径向挤压环囊的外壁与试验仓内壁贴合，径向挤压环囊的内壁用于对土样施加径向的挤压力，所述径向挤压环囊的体积与厚度可随着充入的流体流量变化而变化，进而使土样的体积发生变化，以用于模拟盾构机螺旋输送机构的不同排土速度；所述轴向加载装置的加载力用于模拟盾构机的轴向顶推机构对土仓施加的顶推力，轴向加载装置包括沿试验筒轴向方向抵设在端盖与活动板之间的加压气缸，轴向位移传感器用于测量土样沿试验筒轴向方向的长度变化x，进而对土样的变形特性进行测试；所述试验仓压力传感器设置在径向挤压环囊的内壁上，且所述试验仓压力传感器为沿试验筒轴向方向间距设置的若干个；试验仓压力传感器用于监测在不同的水压、不同的顶推力与不同的排土速度中任意一项或多项工况组合下的试验仓中的土样的孔隙水压力；并进而用于结合加压气缸的加载力P计算试验仓中的土样的有效应力σ′；所述土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验方法包括在以下三种模拟工况中的任意一种中对土样的工作性进行测试，三种模拟工况具体为：模拟工况一，控制径向挤压环囊中流体压力介质的体积不变，改变轴向加载装置的加压气缸的进气压力，模拟轴向顶推机构对盾构机土仓施加不同的顶推力，在该模拟工况下对土样的工作性进行测试；模拟工况二，保持轴向加载装置的加压气缸的进气压力不变，改变径向挤压环囊中流体压力介质的体积大小，模拟盾构机的螺旋输送机构排土速度变化，在该模拟工况下对土样的工作性进行测试；模拟工况三，使轴向加载装置的加压气缸的进气压力与径向挤压环囊中流体压力介质的体积同步变化，模拟盾构机的顶推力与螺旋输送机构排土速度同步变化，在该模拟工况下对土样的工作性进行测试；所述土样的工作性测试包括土样的渗透性、土样的剪切强度τ与土样的变形特性中的任意一项或多项；所述土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验方法还包括在所述三种模拟工况中，对试验仓中的土样施加不同压力的水流，即施加不同的水压，同步测试土样的渗透特性并应用于有效应力σ'和有效强度参数的计算；所述土样的剪切强度τ采用式1计算：其中，M为所述扭矩传感器测得的由传动机构施加给剪切传动杆的扭矩，a为剪切杆的横向尺寸，θ为剪切杆与剪切传动杆之间的夹角，H为剪切杆的长度乘以θ角的正弦值，L为剪切杆的长度乘以θ角的余弦值；所述土样的渗透性测试包括采用式2计算土样的渗透系数KT：其中，ρw为水的密度，t为渗透时间，Q为时间t内的渗水量，g为重力加速度；所述土样的有效应力σ′采用式3计算：其中，m为加压气缸个数，d为试验仓内径，h0为加载前土样的轴向初始长度尺寸，x为土样沿试验筒轴向方向的长度变化量，Qh为径向挤压环囊的充水体积，S为相邻两个试验仓压力传感器沿试验筒轴向方向的间距，n为试验仓压力传感器的个数，P′n为第n个试验仓压力传感器测得的孔隙水压力；所述土样的变形特性测试包括采用式4计算土样的孔隙率e及用式5计算土样的压缩模量E0：其中，w为改良前的渣土土样含水率，m为改良前的渣土土样质量，ρs为改良前的渣土土样的颗粒密度。 2.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统和方法，其特征在于，所述土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统还包括设置在试验筒内的固定板(21)、活动板(22)、透水垫一(23)与透水垫二(24)，试验筒轴向左端通过其封板(11)封闭，试验筒轴向右端设有开口，且右端开口通过可拆除的端盖(12)封闭，所述固定板与活动板上均设有透水孔(13)且两者的板面均沿竖直方向设置，固定板与活动板之间沿试验筒轴向方向保持有用于构成所述试验仓(15)的间距二，所述透水垫一用于隔设在固定板与试验仓内的土样之间，所述透水垫二用于隔设在活动板与试验仓内的土样之间。 3.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统和方法，其特征在于，所述加压气缸为呈中心对称式结构分布在剪切传动杆径向外围的m个，m为大于或等于2的整数，所述加压气缸的活塞杆位于活动板一端，加压气缸的缸体与端盖固定在一起，加压气缸缸体无杆腔一端的端壁与端盖一体设置，加压气缸缸体的进气管路直接贯穿端盖通入无杆腔内。 4.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统和方法，其特征在于，所述若干个试验仓压力传感器(60)设置在试验仓内壁的与剪切传动杆处于同一水平面内的横向象限点位置。 5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统和方法，其特征在于，所述土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统还包括改良剂发生装置(71)及改良剂输送管路(72)，所述改良剂输送管路入口端与改良剂发生装置连接，出口端(73)穿过试验筒侧壁后伸入试验仓内或者依次穿过端盖与活动板后伸入试验仓内，改良剂输送管路用于往填充好渣土的试验仓内注入改良剂，所述剪切杆还用于对试验仓中的渣土与改良剂进行搅拌混合；所述土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验方法还包括对一份土样在上述任意一种模拟工况中的工作性测试结束后，通过改良剂添加系统对同一份土样添加改良剂而进行改良优化，再对改良后的土样进行上述任意一种模拟工况试验，以测得同一份土样改良前后的工作性变化试验数据，用于改良方法的评价对比。
所属类别：	发明专利