1.一种承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,其特征在于,包括如下步骤:S1搭设系统:组装盛样测试筒,将渗透测试模块、注浆加压模块和滤失量测量模块分别与盛样测试筒连接;
S2承压含水层铺设:将土体和孔隙水压传感器铺设在盛样测试筒内,土体铺设完成后洒水至出水孔;
S3承压含水层初始渗透系数测试:通过渗透测试模块使水在土体内进行自下而上的单向渗透,计算获得承压含水层初始渗透系数;
S4触变泥浆浆液制备:制备触变泥浆,将触变泥浆装至储浆箱内;
S5承压含水层水压施加:利用注浆加压模块使土体上方的水排向滤失量测量模块,并使土体处于稳定的承压水状态;
S6触变泥浆滤失成膜测试:利用注浆加压模块向盛样测试筒内土体上方的空间注满触变泥浆浆液,触变泥浆滤失渗透进土体内;
S7承压含水层渗滤加固体渗透系数测试:通过渗透测试模块使水在土体内进行自下而上的单向渗透,计算获得承压含水层渗滤加固体的渗透系数;
S8触变泥浆滤失成膜特性评价:分别绘制触变泥浆滤失过程中滤失深度、液面下降高度、液体滤失体积与滤失时间的关系曲线,建立拟合方程,获得触变泥浆的滤失速率。
2.根据权利要求1所述的承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,其特征在于,在所述步骤S3中,设置下水压控制器的水压力为P1,设置上水压控制器的水压力为P2,P1>P2,通过下水压控制器和上水压控制器使蒸馏水在土体内进行自下而上的单向渗透,记录稳定状态下上水压控制器时间内流入的蒸馏水的水量V,采用下式计算获得承压含水层初始渗透系数ki;
公式(1)
在公式(1)中,V为时间内流入上水压控制器的水量;H2为土体的高度;ρ为蒸馏水的密度;R2为承压筒的内径;为下水压控制器和上水压控制器的压力差,;为蒸馏水流入上水压控制器的时间;
在所述步骤S4中,在触变泥浆内添加红色墨水以便观测滤失成膜效果,触变泥浆以水的质量为基准,其余成分相对于水质量的百分比为:8.0%~10%膨润土、0.20%~0.30%纯碱、0.10%~0.20%羧甲基纤维素和0.018%~0.072%聚丙烯酰胺;
在所述步骤S5中,注浆加压模块的加压泵向储浆箱内提供的气压为P2,土体上方的水在P2的气压下排向滤失量测量模块的排液箱,待盛样测试筒内液面降至土体上表面后,启动并控制滤失量测量模块的压力泵的压力为P2,使土体处于P2压力下的稳定的承压水状态;
在所述步骤S6中,注浆加压模块的加压泵为储浆箱提供的注浆压力为P3,加压泵与压力泵之间的压力差为,;
通过观察第一标尺和孔隙水压传感器的读数,记录触变泥浆向土体内滤失的深度d、触变泥浆液面下降高度h、排液箱内的液体体积V1,待触变泥浆滤失稳定后,用钢尺测量出触变泥浆在土体上成膜的厚度H;
在所述步骤S7中,设置下水压控制器的水压力为P1,设置上水压控制器的水压力为P2,记录稳定状态下上水压控制器在时间内流入的蒸馏水的水量,采用下式计算获得承压含水层渗滤加固体的渗透系数:公式(2)
在公式(2)中,为时间内流入上水压控制器的水量;为土体经过触变泥浆滤失后的高度;ρ为蒸馏水的密度;R2为承压筒的内径;为下水压控制器和上水压控制器的压力差,;为蒸馏水流入上水压控制器的时间;
在所述步骤S8中,滤失速率v采用如下公式计算获得:
公式(3)
在公式(3)中,ki为土体渗透系数;;d为触变泥浆滤失深度;n为土体孔隙率;为流径的曲折系数,取1.5;
比较土体在触变泥浆滤失前后渗透系数ki与,评价土体滤失加固效果;
在所述步骤S3和所述步骤S7中,下水压控制器的水压力P1和上水压控制器的水压力P2满足如下关系:公式(4)。
3.根据权利要求2所述的承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,其特征在于,按照不同对照工况调整不同的浆液配比、不同的土体性质和不同的承压压力并重复所述步骤S2~所述步骤S8,进行多次对比试验;
在进行多次对比试验时,盛样测试筒通过耐压软管自上而下依次与压浆孔连接,每次压入相邻压浆孔之间对应的触变泥浆,找到滤失速度最快且成膜厚度最大的一组情况即为最优情况。
4.根据权利要求1所述的承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,所述评价方法利用测试系统实施,其特征在于,所述测试系统包括盛样测试筒、渗透测试模块、注浆加压模块、滤失量测量模块、数据采集模块和计算机,其中,所述盛样测试筒内容纳有土体;
所述渗透测试模块能够为所述土体提供稳定水压力或稳定水量;
所述注浆加压模块能够向所述盛样测试筒内的所述土体的上方空间注入触变泥浆,所述触变泥浆注入所述盛样测试筒后能够向所述土体内部渗滤,所述触变泥浆向所述土体内部渗滤后在所述土体表面形成泥皮;
所述滤失量测量模块能够对所述触变泥浆的滤失量进行测量;
所述数据采集模块用于采集测试数据,所述数据采集模块与所述计算机连接。
5.根据权利要求4所述的承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,其特征在于,所述测试系统还包括钢支架,所述盛样测试筒置于所述钢支架上,所述钢支架包括支撑圆盘和四条支撑腿,所述支撑腿的顶端与所述支撑圆盘连接,所述支撑腿的轴线与地面的夹角α为60°~80°,所述支撑圆盘的厚度d1为10mm~15mm;
所述盛样测试筒包括承压筒、顶部法兰盘、底部法兰盘、第一法兰盘和第二法兰盘,所述底部法兰盘与所述承压筒的下端连接,所述第一法兰盘覆盖在所述承压筒的下端,所述第一法兰盘和所述底部法兰盘通过螺栓连接;
所述顶部法兰盘与所述承压筒的上端连接,所述第二法兰盘覆盖在所述承压筒的上端,所述第二法兰盘和所述顶部法兰盘通过螺栓连接,所述第一法兰盘和所述第二法兰盘能够确保所述盛样测试筒的内部密封;
所述盛样测试筒的材质为亚克力,所述承压筒的高度H1为200mm~400mm、内径R2为125mm,所述顶部法兰盘的厚度d2为10mm~15mm,所述底部法兰盘的厚度与所述顶部法兰盘的厚度一致;
所述顶部法兰盘的外径R1为150mm,所述底部法兰盘的外径与所述顶部法兰盘的外径一致,所述支撑圆盘的直径与所述承压筒的外径一致;
在所述底部法兰盘和所述第一法兰盘的相对位置均设置有环形的第一凹槽,两个所述第一凹槽内设置有第一密封圈,所述第一密封圈用于对所述底部法兰盘和所述第一法兰盘之间进行密封,在所述顶部法兰盘和所述第二法兰盘的相对位置均设置有环形的第二凹槽,两个所述第二凹槽内设置有第二密封圈,所述第二密封圈用于对所述顶部法兰盘和所述第二法兰盘之间进行密封;
所述承压筒的外表面竖向贴有第一标尺,所述盛样测试筒内的土体的高度为H2,H2=(2/3~3/4)H1;
所述第一法兰盘的上表面设置有圆形的第三凹槽,所述第三凹槽的轴线与所述盛样测试筒的轴线共线,所述第三凹槽的内径与所述承压筒的内径一致,所述第三凹槽内铺设有透水石,所述透水石的厚度与所述第三凹槽的深度相同,所述透水石的上方设置有滤纸,所述土体铺设在所述滤纸上;
所述第一法兰盘的圆心处设置有滤失排液嘴,所述滤失排液嘴设置有第一自锁阀门,所述支撑圆盘设置有用于所述滤失排液嘴穿过的通孔,所述滤失排液嘴的下端穿过所述通孔后延伸至所述支撑圆盘的下方。
6.根据权利要求5所述的承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,其特征在于,所述渗透测试模块包括上水压控制器和下水压控制器,所述承压筒的侧壁上设置有出水孔,所述出水孔内设置有第二自锁阀门,所述上水压控制器通过所述第二自锁阀门与所述出水孔连接;
所述土体的上表面与所述第二法兰盘的下表面之间的距离为H3,所述出水孔与所述第二法兰盘的下表面之间的距离为H4,H4=1/2H3;
所述下水压控制器通过第一连通管与所述滤失排液嘴连接,所述第一连通管上设置有第一阀门。
7.根据权利要求5所述的承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,其特征在于,所述注浆加压模块包括加压泵和储浆箱,所述储浆箱为上端敞开的箱体结构,所述储浆箱的材质为不锈钢,所述储浆箱的长度L1为100mm~150mm、宽度L2为100mm~150mm、高度H5为150mm~200mm;
所述储浆箱的上端覆盖有第一盖板,所述第一盖板与所述储浆箱的连接处设置有第三密封圈,所述第一盖板与所述储浆箱之间通过第一卡扣连接;
所述第二法兰盘上设置有注浆孔,所述储浆箱的侧壁上设置压浆孔,所述注浆孔通过耐压软管与所述压浆孔连接,所述压浆孔内设置有第三自锁阀门,所述第三自锁阀门能够在需要结束注浆时及时关闭;
所述第一盖板上设置有加压孔,所述加压泵通过耐压软管与所述加压孔连接,所述加压泵能够向所述储浆箱内施加气压,进而将所述触变泥浆压入所述盛样测试筒内;
所述第一盖板上设置有第一压力表,所述第一压力表能够显示所述储浆箱内部的压力。
8.根据权利要求7所述的承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,其特征在于,所述压浆孔设置有多个,多个所述压浆孔在所述储浆箱的侧壁上竖向均匀分布,相邻的两个所述压浆孔间的所述储浆箱内的所述触变泥浆正好能够注满所述盛样测试筒内的所述土体至所述第二法兰盘之间的空间,利用多个所述压浆孔能够开展多次对比试验;
在进行多次对比试验时,所述盛样测试筒通过耐压软管自上而下依次与多个所述压浆孔连接,每次压入相邻所述压浆孔之间对应的所述触变泥浆,确保所述触变泥浆性能的一致性;
相邻的两个所述压浆孔的圆心之间的距离为d3,d3满足如下公式:
公式(5)
在公式(5)中,R2为所述承压筒的内径;H3为所述土体的上表面与所述第二法兰盘的下表面之间的距离;L1为所述储浆箱的长度;L2为所述储浆箱的宽度。
9.根据权利要求5所述的承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,其特征在于,所述滤失量测量模块包括压力泵和排液箱,所述排液箱为上端敞开的罐体结构,所述排液箱的材质为亚克力,所述排液箱的上端覆盖有第二盖板,所述第二盖板与所述排液箱的连接处设置有第四密封圈,所述第二盖板通过第二卡扣与所述排液箱连接;
所述第二盖板上设置有储水孔,所述储水孔通过第二连通管与所述滤失排液嘴连接,所述第二连通管上设置有第二阀门;
所述第二盖板上设置有压力孔,所述压力泵通过耐压软管与所述压力孔连接,所述压力泵能够向所述排液箱内施加气压,进而保证在滤失过程中所述盛样测试筒内的所述土体的底部的水压力恒定;
所述第二盖板上设置有第二压力表,所述第二压力表能够显示所述排液箱内部的压力;
所述排液箱的侧壁竖向贴有第二标尺。
10.根据权利要求5所述的承压含水层顶管触变泥浆滤失成膜特性评价方法,其特征在于,所述数据采集模块包括孔隙水压传感器和数据采集仪,在所述承压筒的内壁上设置有若干所述孔隙水压传感器,所述底部法兰盘的侧壁上设置有出线孔,所述孔隙水压传感器的数据线穿过所述出线孔与所述数据采集仪连接,所述数据采集仪与所述计算机连接;
所述孔隙水压传感器由所述土体的上端至所述土体的下端均匀设置有3~5圈,每圈设置有若干所述孔隙水压传感器。