一種斷層泥本構(gòu)測定裝置及其測定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種斷層泥本構(gòu)測定裝置及其測定方法，包括試驗倉和流量顯示記錄裝置，試驗倉上設(shè)置有用于填入填料的空間、注水口和隧道口，注水口設(shè)置于試驗倉的上方，隧道口設(shè)置于試驗倉的側(cè)面，取樣口與隧道口的大體處于同一平面內(nèi)，將斷層泥填入試驗倉內(nèi)，通過注水口向試驗倉中注入水，使斷層泥逐漸發(fā)生狀態(tài)的改變，促使突泥發(fā)生，突泥從隧道口流出，流量顯示記錄裝置與隧道口連接或設(shè)置于試驗倉的下端，通過稱取單位時間內(nèi)的重量差，顯示記錄突泥的流速。該裝置操作簡單、組裝靈活方便、研究突泥發(fā)生過程中斷層泥本構(gòu)關(guān)系的變化規(guī)律、試驗倉透明易于觀察整個突泥過程、便于觀察分析斷層泥狀態(tài)、本構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)模型的變化規(guī)律的試驗裝置。
【專利說明】
一種斷層泥本構(gòu)測定裝置及其測定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明具體涉及一種斷層泥本構(gòu)測定裝置及其測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隧道及地下工程修建穿越斷層破碎帶過程中，常發(fā)生大規(guī)模的突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，給隧道施工安全和周邊環(huán)境帶來巨大的威脅，制約著隧道建設(shè)的發(fā)展。因此，對隧道斷層破碎帶突水突泥機理等關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行研究，具有重大的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。
[0003]隧道斷層突水突泥機理涉及地質(zhì)學(xué)、地下水動力學(xué)、巖體力學(xué)以及突變理論等多個學(xué)科領(lǐng)域，目前國內(nèi)外對其機理的研究相對較少，相關(guān)領(lǐng)域研究者通過理論研究、數(shù)值計算以及模型試驗等手段，開展了地下工程突水突泥的一系列研究，取得了多方面的成果，為隧道斷層突水突泥機理的研究提供了參考和借鑒。
[0004]目前國內(nèi)外關(guān)于地下工程突水突泥機理等方面的研究取得了較為豐碩的成果，對理論研究和工程實踐具有重要的指導(dǎo)作用。但是仍然存在一定的不足之處:對突水突泥的機理研究主要集中在礦山和巖溶隧道等方面，而對隧道斷層突水突泥機理的研究則相對較少;對隧道斷層突水突泥的研究主要集中在地質(zhì)構(gòu)造因素、地下水運動規(guī)律、突水突泥成因以及突水突泥治理措施等方面，尚未深入揭示其突水突泥機理;對隧道斷層突水突泥機理的研究多是結(jié)合具體工程實踐案例進(jìn)行的，未能很好地將突水突泥各因素有機的結(jié)合起來，所得結(jié)論常缺乏系統(tǒng)性和規(guī)律性，所得研究成果使用范圍受到一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種斷層泥本構(gòu)測定裝置及其測定方法，該裝置操作簡單、組裝靈活方便、研究突泥發(fā)生過程中斷層泥本構(gòu)關(guān)系的變化規(guī)律、試驗倉透明易于觀察整個突泥過程、便于觀察分析斷層泥狀態(tài)、本構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)模型的變化規(guī)律的試驗裝置。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0007]—種斷層泥本構(gòu)測定裝置，包括試驗倉和流量顯示記錄裝置，試驗倉上設(shè)置有用于填入填料的空間、注水口和隧道口，注水口設(shè)置于試驗倉的上方，隧道口設(shè)置于試驗倉的側(cè)面，取樣口與隧道口的大體處于同一平面內(nèi)，將斷層泥填入試驗倉內(nèi)，通過注水口向試驗倉中注入水，使斷層泥逐漸發(fā)生狀態(tài)的改變，促使突泥發(fā)生，突泥從隧道口流出，流量顯示記錄裝置與隧道口連接或設(shè)置于試驗倉的下端，通過稱取單位時間內(nèi)的重量差，顯示記錄突泥的流速。
[0008]加水孔的作用是向裝置中注水，從而使裝置中的斷層泥狀態(tài)由固態(tài)逐漸變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)，即可模擬突泥過程。
[0009]優(yōu)選的，所述試驗倉為局部透明或全部透明。試驗倉透明方便觀察試驗倉內(nèi)的斷層泥的狀態(tài)和突泥過程。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述試驗倉由透明的鋼化玻璃制備而成。
[0011]優(yōu)選的，所述試驗倉的頂部還設(shè)置有取樣口，取樣口上設(shè)置有控制開關(guān)。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選的，控制開關(guān)包括旋轉(zhuǎn)控制桿和隔泥圓板，隔泥圓板固定在旋轉(zhuǎn)控制桿的下端，且固定點偏離隔離圓板的圓心，隔泥圓板蓋合在取樣口上，通過旋轉(zhuǎn)所述旋轉(zhuǎn)控制桿控制隔泥圓板的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而打開或關(guān)閉取樣口。
[0013]在一定的時間間隔下，通過取樣口可以取出一定質(zhì)量的斷層泥，采用液塑限儀測定斷層泥狀態(tài)，并采用流變儀對斷層泥的粘度、剪切速率、剪應(yīng)力進(jìn)行掃描監(jiān)測，或采用剪應(yīng)力測定儀對初具流動性的斷層泥的剪應(yīng)力進(jìn)行測量，從而確定斷層泥在半固態(tài)、可塑狀態(tài)、流動狀態(tài)下的本構(gòu)方程。
[0014]優(yōu)選的，所述試驗倉的頂部還設(shè)置有加速孔，加速孔與氣源連通。
[0015]通過加速孔向試驗倉內(nèi)通入氣體，從而加速斷層泥的流動，進(jìn)而研究斷層泥的不同流速下的突泥規(guī)律。
[0016]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述加速孔上設(shè)置的加速管道向下延伸到試驗倉的底部。加速孔從試驗倉的底部向斷層泥中通入氣體，可以更好地加速斷層泥的流動。
[0017]優(yōu)選的，所述流量顯示記錄裝置為臺秤，臺秤上設(shè)置有顯示屏，流量顯示裝置固定在試驗倉的底部，流量顯示裝置通過顯示記錄試驗倉的重量差，確定突泥流速。
[0018]進(jìn)一步優(yōu)選的，試驗倉與流量顯示裝置之間設(shè)置有支撐架，支架用于固定試驗倉。
[0019]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述臺秤的下端固定有底座，底座上設(shè)置有用于放置取樣控制開關(guān)把手的支架。
[0020]優(yōu)選的，所述流量顯示記錄裝置包括管道、流量傳感器和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)上設(shè)置顯示記錄儀，所述管道與隧道口連通，流量傳感器設(shè)置于管道的內(nèi)部，用于感應(yīng)管道中的突泥的瞬間流量，流量傳感器與控制系統(tǒng)連接。
[0021 ]優(yōu)選的，所述試驗倉的底部設(shè)置有用于增強試驗倉強度的交叉支撐肋。
[0022]上述斷層泥本構(gòu)測定裝置的測定方法，包括如下步驟:
[0023]I)將斷層泥裝填于試驗倉中，使其沒過隧道口，通過注水口向試驗倉中注水；
[0024]2)當(dāng)取樣孔底部位置的斷層泥開始泥化的時候，連續(xù)不間斷地進(jìn)行取樣，對樣品的參數(shù)進(jìn)行測定，確定斷層泥在半固態(tài)、可塑狀態(tài)、流動狀態(tài)下的本構(gòu)方程；
[0025]3)當(dāng)水加入至一定程度，對隧道口進(jìn)行開挖過程，促使突泥過程的發(fā)生，并用顯示記錄裝置顯示記錄突泥的流速，研究不同流速下的突泥規(guī)律；
[0026]4) —次試驗結(jié)束后，改變斷層泥的組成成分，重新填料，改變注入水的水溫，重復(fù)以上步驟研究斷層泥組成成分及溫度對斷層泥狀態(tài)變化和本構(gòu)模型的影響。
[0027]優(yōu)選的，步驟I)中，向試驗倉中注水時，保證其他開口處于關(guān)閉狀態(tài)。
[0028]優(yōu)選的，步驟I)中，向試驗倉中注水的速度為0_0.6m/s。
[0029]優(yōu)選的，步驟I)中，向試驗倉中注水的同時，向試驗倉中通入氣體，以加速突泥過程。
[0030]優(yōu)選的，步驟2)中，對樣品的參數(shù)進(jìn)行測定的方式為采用液塑限儀測定斷層泥狀態(tài)，并采用流變儀對斷層泥的粘度、剪切速率、剪應(yīng)力進(jìn)行掃描監(jiān)測；或采用剪應(yīng)力測定儀對初具流動性的斷層泥的剪應(yīng)力進(jìn)行測量。
[0031 ] 優(yōu)選的，步驟4)中，注入水的水溫范圍為20-80 °C。
[0032]本發(fā)明的有益效果為:
[0033]1、本發(fā)明的試驗倉能夠成功地模擬隧道突泥過程，繼而研究突泥發(fā)生過程中斷層泥本構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)模型的變化規(guī)律，為富水?dāng)鄬铀淼劳凰荒鄼C理的研究提供有效參考依據(jù)；
[0034]2、試驗倉為局部透明或全部透明，尤其采用透明鋼化玻璃制備而成，能夠清晰地觀察到斷層泥的狀態(tài)和突泥過程；
[0035]3、試驗倉的密封性好，強度和剛度大，能夠承受較大的壓力，保證試驗臺架的穩(wěn)定性；
[0036]4、試驗倉底部的臺秤設(shè)實時顯示裝置，可以實時顯示記錄重量隨時間變化，從而計算出不同時間段突泥過程中突泥物的流速;或?qū)⒐艿琅c隧道口連通，將突泥導(dǎo)出，并通過管道中的流量傳感器記錄突泥流速，可以研究不同速度下的突泥規(guī)律；
[0037]5、通過加速孔向試驗倉內(nèi)通入氣體，從而加速斷層泥的流動；通過開挖擾動隧道促使突泥過程的發(fā)生，研究斷層泥在不同流速下突泥規(guī)律；
[0038]6、整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于組裝操作，便于做填料、取料，可以改變斷層泥的組成成分重新填料來研究斷層泥組成成分對斷層泥狀態(tài)變化及本構(gòu)模型的影響。
【附圖說明】
[0039]圖1為斷層泥本構(gòu)測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]其中:1、試驗倉，2、托架，3、立柱，4、臺秤，5、底座，6、鋼架，7、取樣孔，8、注水孔，9、加速孔，10、隧道口，11、實時顯示裝置，12、控制開關(guān)。
【具體實施方式】
[0041 ]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明:
[0042]實施例1
[0043]如圖1所示，本發(fā)明的一種斷層泥本構(gòu)測定裝置，包括由透明玻璃塑鋼制備的試驗倉1、不銹鋼材質(zhì)的托架2、不銹鋼材質(zhì)的立柱3、臺秤4、底座5、剛架6、液塑限儀和流變儀。試驗倉I上設(shè)置取樣孔7、注水孔8、加速孔9和隧道口 10，取樣孔7、注水孔8和加速孔9均設(shè)置在試驗倉I的頂端，試驗倉I頂部可打開，用于填料，取樣孔7上設(shè)控制開關(guān)12，方便打開和關(guān)閉取樣孔，臺秤4 一側(cè)設(shè)實時顯示裝置11、能夠記錄重量和時間的數(shù)據(jù)變化，計算出不同時刻突泥過程中突泥物的流速。
[0044]一種斷層泥本構(gòu)測定裝置的組裝及使用方法，包括以下步驟:
[0045]A.進(jìn)行試驗倉I的加工，預(yù)留取樣孔7、注水孔8、加速孔9和隧道口 10;剛架6與底座5通過螺栓固定在一起，將不銹鋼立柱3與不銹鋼托架2焊接在一起，并將其與透明塑鋼試驗倉I固定起來，平穩(wěn)的放置在臺秤4的中心位置，臺秤4置于底座5中心之上。
[0046]B.開始試驗，將斷層材料填于裝置中(取樣孔7和加速孔9處于關(guān)閉狀態(tài)，隧道口 10處于封堵狀態(tài))，填料完成后，逐漸通過注水孔8向裝置內(nèi)注入水，隨著含水量的變化，斷層泥的狀態(tài)開始改變，從固態(tài)逐漸向流動狀態(tài)轉(zhuǎn)化;試驗過程中為加速斷層泥的流動，可打開加速孔9，向裝置內(nèi)通過空氣，從而加速突泥過程，改變突泥物流動速率。
[0047]C.待取樣孔底部位置的斷層泥開始泥化的時候，連續(xù)不間斷地進(jìn)行取樣，取樣時，通過控制開關(guān)12打開取樣孔7，取出一定質(zhì)量的斷層泥，采用液塑限儀測定斷層泥狀態(tài)，并采用流變儀對斷層泥的粘度、剪切速率、剪應(yīng)力進(jìn)行掃描監(jiān)測，或采用剪應(yīng)力測定儀對初具流動性的斷層泥的剪應(yīng)力進(jìn)行測量，從而確定斷層泥在半固態(tài)、可塑狀態(tài)、流動狀態(tài)下的本構(gòu)方程。
[0048]D.待水加至一定程度，便進(jìn)行開挖過程，將封堵的隧道口 10打開，開挖至一定深度停下，開挖即是對隧道口進(jìn)行擾動，促使突泥過程的發(fā)生，斷層泥從隧道口 10流出，臺秤設(shè)實時顯示裝置11，可以顯示記錄重量和時間的數(shù)據(jù)變化，從而計算得出突泥過程中斷層泥的流速，研究不同流速下突泥規(guī)律。
[0049]E.試驗結(jié)束后，可以改變斷層泥組成成分，重新填料，改變注入水的水溫，重復(fù)以上步驟研究斷層泥組成成分及溫度對斷層泥狀態(tài)變化和本構(gòu)模型的影響。
[0050]實施例2
[0051]本發(fā)明的一種斷層泥本構(gòu)測定裝置，包括由透明玻璃塑鋼制備的試驗倉1、不銹鋼材質(zhì)的托架2、不銹鋼材質(zhì)的立柱3、臺秤4、底座5、剛架6、液塑限儀和流變儀。試驗倉I上設(shè)置取樣孔7、注水孔8、加速孔9和隧道口 10，取樣孔7、注水孔8和加速孔9均設(shè)置在試驗倉I的頂端或側(cè)面，試驗倉I頂部可打開，用于填料，取樣孔7上設(shè)控制開關(guān)12，方便打開和關(guān)閉取樣孔，隧道口 10與管道連接，所將管道的開口設(shè)置于隧道口的下方，留出開挖隧道的空間。管道入口起到承接突泥，并導(dǎo)送突泥的作用。管道中設(shè)置流量感應(yīng)裝置，用于測量記錄管道中的突泥的流速信號，將流速信號傳遞到控制系統(tǒng)，并在控制系統(tǒng)顯示和記錄。
[0052]其他的測量方法與實施例1的測量方法相同。
[0053]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，但并非對發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種斷層泥本構(gòu)測定裝置，其特征在于:包括試驗倉和流量顯示記錄裝置，試驗倉上設(shè)置有用于填入填料的空間、注水口和隧道口，注水口設(shè)置于試驗倉的上方，隧道口設(shè)置于試驗倉的側(cè)面，取樣口與隧道口的大體處于同一平面內(nèi)，將斷層泥填入試驗倉內(nèi)，通過注水口向試驗倉中注入水，使斷層泥逐漸發(fā)生狀態(tài)的改變，促使突泥發(fā)生，突泥從隧道口流出，流量顯示記錄裝置與隧道口連接或設(shè)置于試驗倉的下端，通過稱取單位時間內(nèi)的重量差，顯示記錄突泥的流速。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定裝置，其特征在于:所述試驗倉為局部透明或全部透明。試驗倉透明方便觀察試驗倉內(nèi)的斷泥層的狀態(tài)和突泥過程； 優(yōu)選的，所述試驗倉由透明的鋼化玻璃制備而成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定裝置，其特征在于:所述試驗倉的頂部還設(shè)置有取樣口，取樣口上設(shè)置有控制開關(guān)； 優(yōu)選的，控制開關(guān)包括旋轉(zhuǎn)控制桿和隔泥圓板，隔泥圓板固定在旋轉(zhuǎn)控制桿的下端，且固定點偏離隔離圓板的圓心，隔泥圓板蓋合在取樣口上，通過旋轉(zhuǎn)所述旋轉(zhuǎn)控制桿控制隔泥圓板的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而打開或關(guān)閉取樣口。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定裝置，其特征在于:所述試驗倉的頂部還設(shè)置有加速孔，加速孔與氣源連通； 優(yōu)選的，所述加速孔所在的加速管道向下延伸到斷層泥的下端。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定裝置，其特征在于:所述流量顯示記錄裝置為臺秤，臺秤上設(shè)置有顯示屏，流量顯示裝置固定在試驗倉的底部，流量顯示裝置通過顯示記錄試驗倉的重量差，確定突泥流速； 優(yōu)選的，試驗倉與流量顯示裝置之間設(shè)置有支撐架，支架用于固定試驗倉； 優(yōu)選的，所述臺秤的下端固定有底座，底座上設(shè)置有用于放置取樣控制開關(guān)把手的支架。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定裝置，其特征在于:所述流量顯示記錄裝置包括管道、流量傳感器和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)上設(shè)置顯示記錄儀，所述管道與隧道口連通，流量傳感器設(shè)置于管道的內(nèi)部，用于感應(yīng)管道中的突泥的瞬間流量，流量傳感器與控制系統(tǒng)連接； 優(yōu)選的，所述試驗倉的底部設(shè)置有用于增強試驗倉強度的交叉支撐肋。7.權(quán)利要求1-6任一所述的測定裝置的測定方法，其特征在于:包括如下步驟: 1)將斷層泥裝填于試驗倉中，使其沒過隧道口，通過注水口向試驗倉中注水； 2)當(dāng)取樣孔底部位置的斷層泥開始泥化的時候，連續(xù)不間斷地進(jìn)行取樣，對樣品的參數(shù)進(jìn)行測定，確定斷層泥在半固態(tài)、可塑狀態(tài)、流動狀態(tài)下的本構(gòu)方程； 3)當(dāng)水加入至一定程度，對隧道口進(jìn)行開挖過程，促使突泥過程的發(fā)生，并用顯示記錄裝置顯示記錄突泥的流速，研究不同流速下的突泥規(guī)律； 4)一次試驗結(jié)束后，改變斷層泥的組成成分，重新填料，改變注入水的水溫，重復(fù)以上步驟研究斷層泥組成成分及溫度對斷層泥狀態(tài)變化和本構(gòu)模型的影響。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測定方法，其特征在于:步驟I)中，向試驗倉中注水時，保證其他開口處于關(guān)閉狀態(tài)； 或，步驟I)中，向試驗倉中注水的速度為0-0.6m/S ； 或，步驟I)中，向試驗倉中注水的同時，向試驗倉中通入氣體，以加速突泥過程。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測定方法，其特征在于:步驟2)中，對樣品的參數(shù)進(jìn)行測定的方式為采用液塑限儀測定斷層泥狀態(tài)，并采用流變儀對斷層泥的粘度、剪切速率、剪應(yīng)力進(jìn)行掃描監(jiān)測;或采用剪應(yīng)力測定儀對初具流動性的斷層泥的剪應(yīng)力進(jìn)行測量。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測定方法，其特征在于:步驟4)中，注入水的水溫范圍為20-80。。。
【文檔編號】G01N33/24GK105929130SQ201610247092
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】張乾青, 劉善偉, 譚英華, 張健, 成帥, 袁永才, 陳迪楊, 柳尚
【申請人】山東大學(xué)