[发明专利]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及试验方法

摘要

本发明公开了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及试验方法，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。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。

主权项

1.一种基于临界渗透气压测试装置进行饱水地层掌子面土体在三向应力下临界渗透气压测试的试验方法，其特征在于，所述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；/n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，并使侧壁(7)与隔水橡胶膜(3)紧密贴合，并将原状试样(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，最后将下透水石(2)与底座(9)的凹槽中的加载活塞(16)密封嵌置连接，将上透水石(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)；进行试样饱和时，底座通道(10)与气液压力-流量控制系统(11)相连，上盖通道(5)与大气相连，打开上盖通道(5)与底部通道(10)，用气液压力-流量控制系统(11)维持一定水压对原状试样(4)进行饱和，待上盖通道(5)连续出水后，原状试样(4)即完全饱和；/n临界渗透气压测试单元：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)，将原状试样(4)的上部与底部分别与上陶土板(12)、下陶土板(13)紧密贴合，保证密封，再将下陶土板(13)和加载活塞(16)密封嵌置连接，将上陶土板(12)和承压板(24)嵌置密封连接，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)；气液体压力-流量控制系统(11)通过底部通道(10)对原状试样(4)施加并维持制定的气压值，上盖通道(5)与气液压力-流量测试系统(14)相连，对穿过原状试样(4)的气体进行同步记录其压力、流量以及流速；/n轴向压力模拟单元包括GDS轴压控制系统(19)、进油接头(17)、出油接头(20)、油缸(22)、加载活塞(16)，GDS轴压控制系统通过与进油接头(17)、出油接头(20)相连，控制底座(9)中部的凹槽中固定的油缸(22)内的压力，油缸(22)内部的加载杆(25)与加载活塞(16)相连；GDS轴压控制系统(19)通过加载活塞(16)向原状试样(4)施加设定的轴向压力以模拟隧道的轴向压力；/n径向围压模拟单元：包括压力室(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(6)设有与压力室(21)连通的排气阀(15)，进水阀(18)与径向围压控制系统(26)相连；径向围压控制系统(26)通过进水阀(18)、压力室(21)，向原状试样(4)施加设定的径向压力以模拟隧道的径向围压σ3/n所述的试验方法，其具体做法是：/nA.将原状试样(4)套上隔水橡胶膜(3)装入侧壁(7)中，并使侧壁(7)与隔水橡胶膜(3)紧密贴合，并将原状试样(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，最后将下透水石(2)与底座(9)的凹槽中的加载活塞(16)密封嵌置连接，将上透水石(1)与上盖(6)的凹槽嵌置密封连接；/nB.试样饱和步骤：打开上盖通道(5)与底部通道(10)，用气液压力-流量控制系统(11)维持一定水压对原状试样(4)进行饱和，待上盖通道(5)连续出水后，原状试样(4)即完全饱和；/nC.将装置中部饱和试样器替换为由外壁透明的承压壁(27)和上盖(6)及底座(9)密封嵌置构成的压力室(21)，并将原状试样(4)两端的高渗透性上透水石(1)、下透水石(2)拆下，替换为止水、透气的上陶土板(12)、下陶土板(13)，同样将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，保证密封，再将下陶土板(13)和加载活塞(16)密封嵌置连接，将上陶土板(12)和承压板(24)嵌置密封连接；/nD.拧紧拉杆(8)螺母，松开上盖(6)的排气阀(15)，围压控制系统(26)通过进水阀(18)向压力室(21)注水，当排气阀(15)有水溢出时即关闭排气阀(15)；/nE.GDS轴压控制系统(19)通过加载活塞(16)向原状试样(4)施加设定的轴向压力以模拟隧道的轴向压力；径向围压控制系统(26)通过进水阀(18)、压力室(21)，向原状试样(4)施加设定的径向压力以模拟隧道的径向围压；/nF.通过气液体压力-流量控制系统(11)通过底部通道(10)对原状试样(4)施加并维持制定的气压值，并对穿过原状试样(4)的气体通过上盖通道(5)的气液压力-流量测试系统(14)相连，同步记录气体的压力、流量以及流速；最终获得饱水地层隧道掌子面不同孔隙比土体在不同的三向应力状态下的临界渗透气压、气体损失率，并建立渗透气压与气体损失率的定量关系。/n