用于泥水劈裂试验内外压同步加载的装置及方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910060396.1 (22)申请日 2019.01.22 (71)申请人 北京交通大学 地址 100044 北京市海淀区西直门外上园 村3号 (72)发明人 袁大军王滕罗维平韩冰宇 金大龙李兴高吴俊沈翔 许丽群 (74)专利代理机构 北京市商泰律师事务所 11255 代理人 黄晓军 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 用于泥水劈裂试验内外压同步加载的装置 及方法 (57)摘要 本发明提供了

2、一种用于泥水劈裂试验内外 压同步加载的装置及方法， 包括： 底座、 外压室、 橡胶膜、 试样、 顶板、 轴压杆、 活塞缸、 第一三通接 头、 第二三通接头和四通接头； 底座的中部设置 有高于底座的试样台座， 用于放置试样， 试样台 座的中心设置有注浆孔， 底座上还设置有注水 孔， 注水孔设置于试样台座外边缘与底座的外边 缘之间； 四通接头的下端还安装有单向阀， 用于 将泥浆单方向注入注浆孔； 第一三通接头的上端 与注水孔相连， 下端与活塞缸的出口端相连， 第 二三通接头的上端与活塞缸入口端相连， 第二三 通接头的左端与四通接头下端的单向阀相连， 四 通接头的上端与注浆孔相连。 本发明可以避免常

3、 规劈裂试验中外压加载时内外压差过大导致试 样破坏。 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 CN 109752250 A 2019.05.14 CN 109752250 A 1.一种用于泥水劈裂试验内外压同步加载的装置， 包括： 底座、 外压室、 橡胶膜、 试样、 顶板和轴压杆， 其特征在于， 还包括： 活塞缸、 第一三通接头、 第二三通接头和四通接头； 所述底座的中部设置有高于底座的试样台座， 用于放置试样， 所述试样台座的中心设 置有注浆孔， 所述底座上还设置有注水孔， 所述注水孔设置于试样台座外边缘与底座的外 边缘之间； 所述四通接头的下端还安装有单向阀， 用于将泥浆单方向注入注浆孔；

4、所述第一三通接头的上端与所述注水孔相连， 下端与所述活塞缸的出口端相连， 所述 第二三通接头的上端与所述活塞缸入口端相连， 所述第二三通接头的左端与所述四通接头 下端的单向阀相连， 所述四通接头的上端与所述注浆孔相连。 2.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述的四通接头的左右两端分别连接有压 力表和泄压孔。 3.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述外压室的顶部设置有排气孔和压力 表， 所述外压室顶部中心设有圆孔， 该圆孔的内径与所述轴压杆的外径相等， 用于插入所述 轴压杆， 圆孔内侧设有密封圈， 用于密封所述轴压杆与所述外压室。 4.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于，

5、 所述的试样为中间包含有通孔的圆柱型试 样， 试样外径与试样台座外径相等， 所述通孔的直径与所述注浆孔的直径相等。 5.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述的顶板为圆型板， 所述顶板的外径与 所述试样的外径相等， 所述顶板上部中心设置有凹槽， 用于通过外压室插入所述轴压杆至 所述顶板的凹槽， 使轴压杆的轴力垂直于所述顶板。 6.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述的橡胶膜为两端开口的圆筒状， 两端 分别箍套在顶板的外缘和试样台座的外缘， 所述橡胶膜为透明材质， 内径与所述试样的外 径相等。 7.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述的第一三通接头的右端还连接有注水

6、管， 所述第二三通接头的右端还连接有注浆管。 8.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述的活塞缸的缸体为不锈钢材质， 所述 活塞缸中活塞为橡胶材质， 所述底座为金属材质， 所述轴压杆为金属材质。 9.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述底座的边缘设有密封槽， 密封槽内还 放置有橡胶密封圈， 底座的外圈和所述外压室的外圈还设置有螺栓孔， 用于通过螺栓固定 所述外压室与底座。 10.一种应用上述权利要求1-9任一项装置进行泥水劈裂试验的内外压同步加载方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 1)将制备好的中间包含有通孔的圆柱型试样放到底座的试样台座上， 将顶板带有凹槽 的一侧朝上放置

7、在试样的顶部， 在试样外侧套上橡胶膜， 橡胶膜上下两端分别箍套在顶板 和试样台座的外缘； 2)在底座的密封槽内放置好密封圈， 将轴压杆插入外压室顶部中心的圆孔中， 之后将 外压室罩在底座上， 同时确保轴压杆的下端与顶板上部的凹槽对齐， 用螺栓将外压室与底 座固定压紧； 3)打开外压室顶部的排气孔， 同时打开活塞缸底部的阀门， 通过第一三通接头右侧连 接的注水管向外压室和活塞缸的上部注水， 直至外压室内的水从排气孔排出， 此时活塞缸 权利要求书 1/2 页 2 CN 109752250 A 2 中的活塞处于最底部； 4)关闭排气孔和注水管的阀门， 关闭四通接头右侧的泄压孔， 从第二三通接头右侧的

8、 注浆管注入泥浆， 泥浆首先充满试样的通孔， 之后泥浆开始通过第二三通接头流入活塞缸 的底部， 此时外压室的压力和通孔的压力通过活塞缸保持同步增长， 直至外压室的压力达 到设定外压值， 关闭活塞缸底部阀门， 此时通孔的压力与外压室的压力相等； 5)继续注浆， 试样的通孔压力逐渐增大， 外压室的压力保持不变， 直至试样劈裂， 停止 注浆； 6)同时打开四通接头右侧的内压泄压孔和第一三通接头右侧的注浆管进行内外同步 泄压。 权利要求书 2/2 页 3 CN 109752250 A 3 用于泥水劈裂试验内外压同步加载的装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及隧道修建技术领域， 尤其涉及一种用于泥水

9、劈裂试验内外压同步加载 的装置及方法。 背景技术 0002 目前盾构法以其机械化程度高、 施工速度快和对地层扰动小等优点广泛的应用于 隧道工程的修建， 尤其是泥水平衡盾构在水下隧道使用最多。 泥水盾构隧道施工过程中， 泥 水仓压力的设定是保证开挖面稳定的前提。 压力过高会导致掌子面发生劈裂， 发生工程事 故。 0003 目前对地层劈裂压力的研究主要是在常规三轴仪上进行的， 试样采用中空圆柱试 样， 试样的外压通过围压施加， 通孔内压通过反压加压系统施加， 常规三轴的围压加载系统 和反压加载系统分开， 外压和内压无法实现同步加载。 由于试样较小， 施加内外压时， 压差 较大容易导致试样压坏， 从

10、而影响实验的成功率。 发明内容 0004 本发明提供了一种用于泥水劈裂试验内外压同步加载的装置及方法， 以实现劈裂 试验过程中内外压同步加载。 0005 为了实现上述目的， 本发明采取了如下技术方案。 0006 本发明的一方面提供了一种用于泥水劈裂试验内外压同步加载的装置， 包括： 底 座、 外压室、 橡胶膜、 试样、 顶板和轴压杆， 其特征在于， 还包括： 活塞缸、 第一三通接头、 第二 三通接头和四通接头； 0007 所述底座的中部设置有高于底座的试样台座， 用于放置试样， 所述试样台座的中 心设置有注浆孔， 所述底座上还设置有注水孔， 所述注水孔设置于试样台座外边缘与底座 的外边缘之间；

11、 0008 所述四通接头的下端还安装有单向阀， 用于将泥浆单方向注入注浆孔； 0009 所述第一三通接头的上端与所述注水孔相连， 下端与所述活塞缸的出口端相连， 所述第二三通接头的上端与所述活塞缸入口端相连， 所述第二三通接头的左端与所述四通 接头下端的单向阀相连， 所述四通接头的上端与所述注浆孔相连。 0010 优选地， 四通接头的左右两端分别连接有压力表和泄压孔。 0011 优选地， 外压室的顶部设置有排气孔和压力表， 所述外压室顶部中心设有圆孔， 该 圆孔的内径与所述轴压杆的外径相等， 用于插入所述轴压杆， 圆孔内侧设有密封圈， 用于密 封所述轴压杆与所述外压室。 0012 优选地， 试

12、样为中间包含有通孔的圆柱型试样， 试样外径与试样台座外径相等， 所 述通孔的直径与所述注浆孔的直径相等。 0013 优选地， 顶板为圆型板， 所述顶板的外径与所述试样的外径相等， 所述顶板上部中 心设置有凹槽， 用于通过外压室插入所述轴压杆至所述顶板的凹槽， 使轴压杆的轴力垂直 说明书 1/5 页 4 CN 109752250 A 4 于所述顶板。 0014 优选地， 橡胶膜为两端开口的圆筒状， 两端分别箍套在顶板的外缘和试样台座的 外缘， 所述橡胶膜为透明材质， 内径与所述试样的外径相等。 0015 优选地， 第一三通接头的右端还连接有注水管， 所述第二三通接头的右端还连接 有注浆管。 00

13、16 优选地， 活塞缸的缸体为不锈钢材质， 所述活塞缸中活塞为橡胶材质， 所述底座为 金属材质， 所述轴压杆为金属材质。 0017 优选地， 底座的边缘设有密封槽， 密封槽内还放置有橡胶密封圈， 底座的外圈和所 述外压室的外圈还设置有螺栓孔， 用于通过螺栓固定所述外压室与底座。 0018 本发明的另一方面还提供了一种应用内外压同步加载的装置进行泥水劈裂试验 的内外压同步加载方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 0019 1)将制备好的中间包含有通孔的圆柱型试样放到底座的试样台座上， 将顶板带有 凹槽的一侧朝上放置在试样的顶部， 在试样外侧套上橡胶膜， 橡胶膜上下两端分别箍套在 顶板和试样台座的

14、外缘； 0020 2)在底座的密封槽内放置好密封圈， 将轴压杆插入外压室顶部中心的圆孔中， 之 后将外压室罩在底座上， 同时确保轴压杆的下端与顶板上部的凹槽对齐， 用螺栓将外压室 与底座固定压紧； 0021 3)打开外压室顶部的排气孔， 同时打开活塞缸底部的阀门， 通过第一三通接头右 侧连接的注水管向外压室和活塞缸的上部注水， 直至外压室内的水从排气孔排出， 此时活 塞缸中的活塞处于最底部； 0022 4)关闭排气孔和注水管的阀门， 关闭四通接头右侧的泄压孔， 从第二三通接头右 侧的注浆管注入泥浆， 泥浆首先充满试样的通孔， 之后泥浆开始通过第二三通接头流入活 塞缸的底部， 此时外压室的压力和

15、通孔的压力通过活塞缸保持同步增长， 直至外压室的压 力达到设定外压值， 关闭活塞缸底部阀门， 此时通孔的压力与外压室的压力相等； 0023 5)继续注浆， 试样的通孔压力逐渐增大， 外压室的压力保持不变， 直至试样劈裂， 停止注浆； 0024 6)同时打开四通接头右侧的内压泄压孔和第一三通接头右侧的注浆管进行内外 同步泄压。 0025 由上述本发明的用于泥水劈裂试验内外压同步加载的装置及方法提供的技术方 案可以看出， 本发明通过将保证试验中施加内外压时， 内外压同步加载， 避免了常规劈裂试 验中外压加载时内外压差过大导致试样破坏， 并且装置的结构简单， 操作方便， 不受场地限 制， 数据采集方

16、便。 0026 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出， 这些将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明 0027 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本 领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的 说明书 2/5 页 5 CN 109752250 A 5 附图。 0028 图1为本发明实施例一的用于泥水劈裂试验内外压同步加载的装置的结构示意 图。 0029 附图标记： 0030 1-轴压杆 2-排气孔

17、 3-外压室 4-试样 5-注水口 6-注水管 7-活塞缸 8-阀门 9-注浆管 10-四通接头 11-第一三通接头 12-泄压口 13-单向阀 14-压力表 15-注浆孔 16-底座 17-橡胶膜 18-顶板 19-压力表 20-密封圈 21-第二三通接头 22-通孔 具体实施方式 0031 下面详细描述本发明的实施方式， 所述实施方式的示例在附图中示出， 其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参 考附图描述的实施方式是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能解释为对本发明的限制。 0032 本技术领域技术人员可以理解， 除非特意声明， 这里使

18、用的单数形式 “一” 、“一 个” 、“所述” 和 “该” 也可包括复数形式。 应该进一步理解的是， 本发明的说明书中使用的措 辞 “包括” 是指存在所述特征、 整数、 步骤、 操作、 元件和/或组件， 但是并不排除存在或添加 一个或多个其他特征、 整数、 步骤、 操作、 元件、 组件和/或它们的组。 应该理解， 当我们称元 件被 “连接” 或 “耦接” 到另一元件时， 它可以直接连接或耦接到其他元件， 或者也可以存在 中间元件。 此外， 这里使用的 “连接” 或 “耦接” 可以包括无线连接或耦接。 这里使用的措辞 “和/或” 包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。 0033 本

19、技术领域技术人员可以理解， 除非另外定义， 这里使用的所有术语(包括技术术 语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。 还应该 理解的是， 诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意 义一致的意义， 并且除非像这里一样定义， 不会用理想化或过于正式的含义来解释。 0034 为便于对本发明实施例的理解， 下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步 的解释说明， 且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。 0035 实施例一 0036 图1为本实施例的用于泥水劈裂试验的内外压同步加载装置的结构示意图， 参照 图1， 该装置包括： 底座16、

20、外压室3、 橡胶膜17、 试样4、 顶板18和轴压杆1、 活塞缸7、 第一三通 接头11、 第二三通接头21和四通接头10。 0037 其中， 底座的中部设置有高于底座16的试样台座， 用于放置试样， 所述试样台座的 中心设置有注浆孔15， 所述底座上还设置有注水孔5， 所述注水孔5设置于试样台座外边缘 与底座16的外边缘之间。 0038 四通接头10的下端还安装有单向阀13， 用于将泥浆单方向注入注浆孔。 0039 第一三通接头11的上端与所述注水孔5相连， 下端与所述活塞缸7的出口端相连， 所述第二三通接头21的上端与所述活塞缸7入口端相连， 所述第二三通接头21的左端与所 述四通接头10

21、下端的单向阀13相连， 所述四通接头10的上端与所述注浆孔15相连。 0040 第二三通接头21的上端与所述活塞缸7入口端之间还安装有阀门8。 0041 四通接头的左右两端分别连接有压力表14和泄压孔12。 0042 外压室3的顶部设置有排气孔2和压力表19， 排气孔2用于注入水时将外压室的空 说明书 3/5 页 6 CN 109752250 A 6 气排出。 外压室3顶部中心设有圆孔， 圆孔内径与所述轴压杆1的外径相等， 用于插入所述轴 压杆1， 圆孔内侧设有密封圈， 用于密封所述轴压杆1与所述外压室3。 0043 试样为中间包含有通孔22的圆柱型试样， 试样外径与试样台座外径相等， 所述通

22、 孔22的直径与所述注浆孔15的直径相等。 单向阀13可以确保试样中通孔内泥浆不会回流， 使内孔压保持相对稳定。 0044 顶板18为圆型板， 所述顶板的外径与所述试样的外径相等， 所述顶板18上部中心 设置有凹槽， 用于通过外压室3插入所述轴压杆1至所述顶板18的凹槽， 使轴压杆1的轴力垂 直于所述顶板18。 0045 橡胶膜为两端开口的圆筒状， 所述橡胶膜为透明材质， 内径与所述试样的外径相 等。 橡胶膜放置试样外侧， 上端箍套在所述顶板18的外缘， 下端箍套在所述试样台座的外 缘。 橡胶膜用来将试样和围压室的水隔开。 0046 第一三通接头11的右端还连接有注水管6， 第二三通接头21的

23、右端还连接有注浆 管9。 0047 活塞缸7的缸体为不锈钢材质， 所述活塞缸中活塞为橡胶材质， 所述底座为金属材 质， 所述轴压杆为金属材质。 试验时， 活塞缸内上部为水， 下部为泥浆。 0048 底座的边缘设有密封槽， 密封槽内还放置有橡胶密封圈20， 所述底座的外圈和所 述外压室的外圈还设置有螺栓孔， 用于通过螺栓固定所述外压室与底座。 0049 实施例二 0050 本实施例提供了一种用于泥水劈裂试验的内外压同步加载方法， 包括以下步骤： 0051 1)将制备好的中间包含有通孔的圆柱型试样放到底座的试样台座上， 将顶板带有 凹槽的一侧朝上放置在试样的顶部， 在试样外侧套上橡胶膜， 橡胶膜上

24、下两端分别箍套在 顶板和试样台座的外缘； 0052 2)在底座的密封槽内放置好密封圈， 将轴压杆插入外压室顶部中心的圆孔中， 之 后将外压室罩在底座上， 同时确保轴压杆的下端与顶板上部的凹槽对齐， 用螺栓将外压室 与底座固定压紧； 0053 3)打开外压室顶部的排气孔， 同时打开活塞缸底部的阀门， 通过第一三通接头右 侧连接的注水管向外压室和活塞缸的上部注水， 直至外压室内的水从排气孔排出， 此时活 塞缸中的活塞处于最底部； 0054 4)关闭排气孔和注水管的阀门， 关闭四通接头右侧的泄压孔， 从第二三通接头右 侧的注浆管注入泥浆， 泥浆首先充满试样的通孔， 由于单向阀的存在， 通内的泥浆不会

25、回 流， 继续注浆， 泥浆开始通过第二三通接头流入活塞缸的底部， 此时外压室的压力和通孔的 压力通过活塞缸保持同步增长， 直至外压室的压力达到设定外压值， 关闭活塞缸底部阀门， 此时通孔的压力与外压室的压力相等； 0055 5)继续注浆， 试样的通孔压力逐渐增大， 外压室的压力保持不变， 直至试样劈裂， 停止注浆。 0056 6)同时打开四通接头右侧的内压泄压孔和第一三通接头右侧的注浆管进行内外 同步泄压。 0057 综上所述， 本发明的用于泥水劈裂试验内外压同步加载的装置结构简单， 方法操 作方便， 可以实现劈裂试验过程中内外压同步加载， 避免了常规劈裂试验中外压加载时内 说明书 4/5 页

26、 7 CN 109752250 A 7 外压差过大导致试样破坏。 0058 本领域普通技术人员可以理解： 实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分 布于实施例的装置中， 也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。 上 述实施例的部件可以合并为一个部件， 也可以进一步拆分成多个子部件。 0059 本领域普通技术人员可以理解： 附图只是一个实施例的示意图， 附图中的模块或 流程并不一定是实施本发明所必须的。 0060 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述， 各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可， 每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。 尤其， 对于方法实 施例

27、而言， 由于其基本相似于装置实施例， 所以描述得比较简单， 相关之处参见方法实施例 的部分说明即可。 以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的， 可以根据实际的需要 选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。 本领域普通技术人员在不付出 创造性劳动的情况下， 即可以理解并实施。 0061 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。 说明书 5/5 页 8 CN 109752250 A 8 图1 说明书附图 1/1 页 9 CN 109752250 A 9