含冰冻土黏附性的测定装置与测定方法

1.本发明涉及一种含冰冻土黏附性的测定装置与测定方法，属于含冰冻土黏附性模型试验技术领域。


背景技术：

2.盾构机在掘进过程中，时常会遇到土体黏附或堵塞盾构刀盘的现象。黏附力是土体与结构物通过水分子吸附所产生的吸引力，盾构机刀盘在土体中进行切削和挤压过程中，极易在刀盘中心位置形成高强泥饼，并逐渐向四周扩散，导致刀盘和刀具被包裹，无法有效切削土层，使得盾构掘进效率降低，大大增加了施工周期和施工成本。随着交通基础设施的发展，将会有更多的盾构隧道工程穿越冻土区，使得研究冻土的黏附性变得十分必要。
3.检索发现，肖宇豪在《电渗法降低黏性土黏附力室内试验》中，采用自制的牵引传动黏附力测定装置，测量在不同含水率下黏性土黏附力的最大值；刘成在《土体含水率和金属波纹状表面对界面黏附力影响》中，采用自行设计的黏附力拉拔试验装置，通过缠绕金属丝实现测锥表面波纹凸起效果，分析了不同波纹凸起程度以及土体含水率变化对界面黏附特征的影响。现有试验装置主要针对不同含水率的土体，来测量金属界面与土体之间的黏附情况，缺乏对含冰冻土黏附特性的研究。
4.因此，现有技术无法保持低温环境下测定含冰冻土的黏附性，更不能确定含冰程度对冻土黏附性的影响情况。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于研究冻土中含冰程度对黏附性的影响，提供了含冰冻土黏附性的测定装置与测定方法，采用恒温箱来保持含冰程度、通过电机和搅拌棒进行黏附量测定，持续的转动搅拌棒能够充分与含冰冻土接触，提高了黏附量测定的准确度，解决了含冰冻土黏附性的测定问题。
6.含冰冻土黏附性的测定装置，包括恒温箱、搅拌单元、固定单元、温控单元以及制样单元；
7.所述恒温箱包括箱体2、保温棉层1、保温盖板3以及保温板5；
8.所述搅拌单元包括电机6、搅拌棒7以及钢盆10；
9.所述固定单元包括钢板11、螺丝12以及螺丝16；
10.所述温控单元包括风机4；
11.所述制样单元包括木桶(带孔)13、保鲜膜14以及土15；
12.所述箱体2内设有搅拌单元和风机4；所述风机4固定在箱体2侧壁上；所述搅拌单元由上到下分别是电机6、搅拌棒7、钢盆10，所述电机6底部由螺丝16固定在钢板11上部，所述搅拌棒7与电机6连接且能够取下，所述搅拌棒7上装有叶片17，所述钢盆10固定在箱体2底部，搅拌棒7安装后位于钢盆10内部且高度可调节；所述钢板11由螺丝12固定在箱体2侧壁；所述箱体2的内壁设有保温板5；所述箱体2的顶部设有保温盖板3；所述保温盖板3的顶
部设有保温棉层1；
13.所述木桶(带孔)13内壁铺设有一层保鲜膜14；所述保鲜膜14内部包裹土15。
14.含冰冻土黏附性的测定方法，采用上述的含冰冻土黏附性的测定装置连接，具体步骤如下：
15.①
取下安装在电机6上的搅拌棒7进行初始称重，质量记为m
′
；
16.②
打开风机4，向钢盆10内加入适量的水9，让恒温箱内保持恒温0.1℃；
17.③
制备特定含水率w的土样：将保鲜膜14铺设到木桶(带孔)13内壁；将特定含水率w的土放置于保鲜膜14内，分层击实；待土填满木桶(带孔)13，覆盖保鲜膜14，将土样完全包裹；
18.④
特定含水率w的土样冻结一定时间t后，用切土器将土样切成直径为1cm～2cm的冻土块8；称取质量为m1的冻土块8放入钢盆10中；称取质量为m2的冻土块8进行核磁共振测试。
19.⑤
打开电机6，充分搅拌3min后，取下黏附有含冰冻土的搅拌棒7进行称重，质量记为m
″
；由计算式k＝(m
″‑m′
)/m1，得到单位质量含冰冻土的黏附量k，确定出不同含冰程度的冻土的黏附性。
20.⑥
利用核磁共振技术来测定单位质量冻土样的未冻水含量，从而得到单位质量冻土样的含冰量。
21.⑦
重复步骤
③
～
⑥
，得到不同含水率w的土样经过不同冻结时间t后的单位质量冻土样的含冰量和单位质量含冰冻土的黏附量k。
22.进一步地，根据单位质量冻土样的含冰量和单位质量含冰冻土的黏附量k，可以得到不同含水率w的土样经过不同冻结时间t的冻结的含冰程度与冻土黏附性的关系，从而为冻土地层中盾构结泥饼的预防提供分析依据。
23.有益效果
24.本发明提供了含冰冻土黏附性的测定装置与测定方法，该装置包括保温棉层1、箱体2、保温盖板3、风机4、保温板5、电机6、搅拌棒7、钢盆10、钢板11、螺丝12、木桶(带孔)13、保鲜膜14、螺丝16以及叶片17；所述箱体侧壁安装有风机以及钢板；通过风机制冷提供一个恒温的环境；电机通过螺丝固定在钢板上；电机带动搅拌棒将钢盆内含冰冻土块搅拌粘稠；通过测定搅拌棒上黏附的含冰冻土质量，可以得到不同含水率w的土样经过不同冻结时间t的冻结的含冰程度与冻土黏附性的关系。
25.本发明的优点如下：
26.1)通过控制稳定的低温环境，保证冰的含量在搅拌前后不会出现较大的变化，准确的测定出对应含冰程度的冻土的黏附量；
27.2)对不同含冰程度的冻土进行测定，可研究不同含冰程度对冻土黏附性的影响规律。
附图说明
28.图1为本发明所述含冰冻土黏附性的测定装置的结构示意图；
29.图2为本发明所述冻土制样装置的结构示意图；
30.图3为本发明所述搅拌棒的结构示意图；
31.标号说明：保温棉层1、箱体2、保温盖板3、风机4、保温板5、电机6、搅拌棒7、冻土块8、水9、钢盆10、钢板11、螺丝12、木桶(带孔)13、保鲜膜14、土15、螺丝16以及叶片17。
具体实施方式
32.下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
33.如图1～3所示，含冰冻土黏附性的测定装置，包括恒温箱、搅拌单元、固定单元、温控单元以及制样单元；
34.所述恒温箱包括箱体2、保温棉层1、保温盖板3以及保温板5；
35.所述搅拌单元包括电机6、搅拌棒7以及钢盆10；
36.所述固定单元包括钢板11、螺丝12以及螺丝16；
37.所述温控单元包括风机4；
38.所述制样单元包括木桶(带孔)13、保鲜膜14以及土15；
39.所述箱体2内设有搅拌单元和风机4；所述风机4固定在箱体2侧壁上；所述搅拌单元由上到下分别是电机6、搅拌棒7、钢盆10，所述电机6底部由螺丝16固定在钢板11上部，所述搅拌棒7与电机6连接且能够取下，所述搅拌棒7上装有叶片17，所述钢盆10固定在箱体2底部，搅拌棒7安装后位于钢盆10内部且高度可调节；所述钢板11由螺丝12固定在箱体2侧壁；所述箱体2的内壁设有保温板5；所述箱体2的顶部设有保温盖板3；所述保温盖板3的顶部设有保温棉层1；
40.所述木桶(带孔)13内壁铺设有一层保鲜膜14；所述保鲜膜14内部包裹土15。
41.含冰冻土黏附性的测定方法，采用上述的含冰冻土黏附性的测定装置连接，具体步骤如下：
42.①
取下安装在电机6上的搅拌棒7进行初始称重，质量记为m
′
；
43.②
打开风机4，向钢盆10内加入适量的水9，让恒温箱内保持恒温0.1℃；
44.③
制备特定含水率w的土样：将保鲜膜14铺设到木桶(带孔)13内壁；将特定含水率w的土放置于保鲜膜14内，分层击实；待土填满木桶(带孔)13，覆盖保鲜膜14，将土样完全包裹；
45.④
特定含水率w的土样冻结一定时间t后，用切土器将土样切成直径为1cm～2cm的冻土块8；称取质量为m1的冻土块8放入钢盆10中；称取质量为m2的冻土块8进行核磁共振测试。
46.⑤
打开电机6，充分搅拌3min后，取下黏附有含冰冻土的搅拌棒7进行称重，质量记为m
″
；由计算式k＝(m
″‑m′
)/m1，得到单位质量含冰冻土的黏附量k，确定出不同含冰程度的冻土的黏附性。
47.⑥
利用核磁共振技术来测定单位质量冻土样的未冻水含量，从而得到单位质量冻土样的含冰量。
48.⑦
重复步骤
③
～
⑥
，得到不同含水率w的土样经过不同冻结时间t后的单位质量冻土样的含冰量和单位质量含冰冻土的黏附量k。
49.以上所述仅是本发明技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。