一种土壤盾构黏附强度特性测试设备

1.本实用新型属于隧道与地下空间工程技术领域，具体涉及一种土壤盾构黏附强度特性测试设备。


背景技术：

2.盾构法作为一种重要的隧道建造方法，由于其所具有的相对安全快速经济等特性，在地下空间工程建设中发挥出巨大潜力。然而盾构法隧道施工工程中存在刀盘容易堵塞问题。盾构机在黏性土层中掘进时，刀盘切削下来的土体极易黏附在刀盘上形成泥饼，使刀盘推力和扭矩增大、掘进效率降低，甚至可能会造成刀盘堵塞卡死，通过停机拆卸刀盘来清理泥饼更换刀具，将不可避免的延误盾构施工工期。
3.在正常工作情况下，盾构机刀盘温度一般为40～50℃，但当盾构机在复杂地层中掘进时，随着泥饼的形成，刀盘扭矩不断增大，刀盘温度急剧升高至400～500℃，黏土与刀盘之间的黏附加剧，刀盘结泥饼的现象进一步加重，形成恶性循环。了解盾构机刀盘温度与黏土-刀盘黏附强度之间的作用规律和作用原理极为重要。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种土壤盾构黏附强度特性测试设备。本实用新型的土壤盾构黏附强度特性测试设备通过压力加载系统、扭矩系统、控制器、架体、底座和可供承装土样的试样仓实现土壤盾构黏附强度特性测试，可有效获得不同刀盘温度条件下黏土与刀盘之间的切向黏附强度，具有测试准确度高的特点。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种土壤盾构黏附强度特性测试设备，其特征在于，包括：压力加载系统、扭矩系统、控制器、架体、底座和可供承装土样的试样仓，所述架体固定于底座上，所述试样仓位于所述底座上且位于架体内；所述压力加载系统和扭矩系统均与控制器连接；
6.所述压力加载系统包括可向所述土样施加压力的压力加载板，所述压力加载板位于试样仓内且位于所述土样上；所述扭矩系统包括旋转液压缸、刀盘、刀盘加热系统和可供测量刀盘扭矩的扭矩传感器，所述刀盘套设于所述旋转液压缸的液压杆上，所述刀盘加热系统包括可加热刀盘的加热电阻丝和可检测刀盘温度的温度传感器。
7.上述的一种土壤盾构黏附强度特性测试设备，其特征在于，所述压力加载系统还包括向压力加载板施加压力的压力加载器，所述压力加载器与控制器电连接。
8.上述的一种土壤盾构黏附强度特性测试设备，其特征在于，所述压力加载器安装于试样仓上。
9.上述的一种土壤盾构黏附强度特性测试设备，其特征在于，所述旋转液压缸与控制器电连接。
10.上述的一种土壤盾构黏附强度特性测试设备，其特征在于，所述旋转液压缸设置
于架体上。
11.上述的一种土壤盾构黏附强度特性测试设备，其特征在于，所述刀盘加热系统还包括导电滑环和导线，所述导线一端连接于所述导电滑环上，所述导线另一端连接于加热电阻丝上。
12.上述的一种土壤盾构黏附强度特性测试设备，其特征在于，所述导电滑环与控制器电连接。
13.上述的一种土壤盾构黏附强度特性测试设备，其特征在于，所述加热电阻丝盘设于刀盘刀面上。
14.本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
15.1、本实用新型的土壤盾构黏附强度特性测试设备通过压力加载系统、扭矩系统、控制器、架体、底座和可供承装土样的试样仓实现土壤盾构黏附强度特性测试，可有效获得不同刀盘温度条件下黏土与刀盘之间的切向黏附强度，具有测试准确度高的特点。
16.2、本实用新型的土壤盾构黏附强度特性测试设备，包括扭矩系统，通过包括旋转液压缸、刀盘、刀盘加热系统和扭矩传感器实现模拟不同温度的刀盘循环载荷，实现不同温度状态和不同温度状态切换条件下的刀盘扭矩-粘附强度间关系的测定。
17.3、本实用新型的土壤盾构黏附强度特性测试设备，包括控制刀盘旋转推进的旋转液压缸，利用旋转液压缸积聚高扭矩的特性，实现刀盘旋转推进切削，测试过程可控性更高。
18.4、本实用新型的土壤盾构黏附强度特性测试设备，创造性地利用扭矩系统实现“旋转式”试验方法，相较于传统的“拉拔式”试验方法，可更加真实地展示盾构掘进过程土壤和刀盘的切向黏附行为，获得不同稠度土壤工况中，刀盘切削的应力-应变关系规律。
19.下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
20.图1为本实用新型的土壤盾构黏附强度特性测试设备的结构示意图。
21.图2为导线与加热电阻丝的连接关系示意图。
22.图3为加热电阻丝与刀盘的位置关系示意图。
23.附图标记说明
24.1—控制器；
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2—架体；
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3—试样仓；
25.4—底座；
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5—压力加载板；
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6—刀盘；
26.7—旋转液压缸；
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8—扭矩传感器；
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10—温度传感器；
27.11—压力加载器；
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12—加热电阻丝；
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13—导线；
28.14—导电滑环内层；
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15—导电滑环滑动层；
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16—导电滑环外层。
具体实施方式
29.实施例1
30.如图1～3所示，本实施例提供一种土壤盾构黏附强度特性测试设备，包括：压力加载系统、扭矩系统、控制器1、架体2、底座4和可供承装土样的试样仓3，所述架体2固定于底座4上，所述试样仓3位于所述底座4上且位于架体2内；所述压力加载系统和扭矩系统均与
控制器1连接；
31.所述压力加载系统包括可向所述土样施加压力的压力加载板5，所述压力加载板5位于试样仓3内且位于所述土样上；
32.所述扭矩系统包括旋转液压缸7、刀盘6、刀盘加热系统和可供测量刀盘6扭矩的扭矩传感器8，所述刀盘6套设于所述旋转液压缸7的液压杆上，所述刀盘加热系统包括可加热刀盘6的加热电阻丝12和可检测刀盘6 温度的温度传感器10。
33.本实施例的土壤盾构黏附强度特性测试设备，所述压力加载系统还包括向压力加载板5施加压力的压力加载器11，所述压力加载器11与控制器 1电连接；所述压力加载器11为气压驱动的压力加载器，通过压缩空气实现加压和减压。
34.本实施例的土壤盾构黏附强度特性测试设备，所述压力加载器11安装于试样仓3上。
35.本实施例的土壤盾构黏附强度特性测试设备，所述旋转液压缸7与控制器1电连接。所述扭矩传感器8为gts200型扭矩传感器，购买自西安盖文电子科技有限公司。旋转液压缸7可以为型号为da-h40*180的旋转液压缸，购买自泉州柏乐自动化工程有限公司。
36.本实施例的土壤盾构黏附强度特性测试设备，所述旋转液压缸7设置于架体2上。
37.本实施例的土壤盾构黏附强度特性测试设备，所述刀盘加热系统还包括导电滑环和导线13，所述导线13一端连接于所述导电滑环上，所述导线13另一端连接于加热电阻丝12上，所述导电滑环与控制器1电连接；所述导电滑环包括由内到外依次设置的导电滑环内层19、导电滑环滑动层 20和导电滑环外层21，所述导电滑环内层19可随加载杆10轴向移动，导电滑环内层19与导电滑环外层21联动，导电滑环滑动层20与加载杆10 联动，可通过设置与加载杆10平行的滑槽，使联动的导电滑环内层19与导电滑环外层21沿所述滑槽滑动，实现导电滑环内层19与导电滑环外层 21随加载杆10轴向移动；导线22连接于导电滑环滑动层20上，加载杆 10转动伸缩时，导电滑环滑动层20带动导线22旋转并轴向移动，保证当刀盘14和加载杆10旋转时避免导线22绕线。
38.本实施例的土壤盾构黏附强度特性测试设备，所述加热电阻丝12盘设于刀盘6刀面上。
39.采用本实用新型的土壤盾构黏附强度特性测试设备研究土壤盾构黏附强度特性的方法，包括：
40.步骤一、制备土样，具体包括：按照预设黏粒含量和预设含水率将试样土和水进行混合，充分搅拌后放入密闭容器中静置24h，得到土样；所述预设黏粒含量可以为5％、12％和20％；所述预设含水率可以为稠度指数在0、0.5和1下的含水率；所述稠度指数ic计算公式如下：
41.ic＝(ω
l
–
ωn)/(ω
l
–
ω
p
)
42.其中，ic为土样的稠度指数，ω
p
为土样的塑限，ω
l
为土样的液限，ωn为土样的含水率；
43.步骤二、将所述土样放入试样仓3中，安装刀盘6；
44.步骤三、按照预设压力、预设液压力、预设刀盘转速和预设刀盘温度，向所述土样施加压力和液压力；所述预设压力可以为300kpa，所述预设液压力为2kn，所述预设刀盘转速为0.5rpm，所述预设刀盘温度为40℃；
45.步骤四、启动旋转液压缸7，使刀盘6在预设温度条件下旋转推进切削土样，观察记录扭矩传感器8示数，绘制扭矩-时间曲线；
46.步骤五、待扭矩传感器8示数稳定，控制刀盘温度升温至温度t1，观察记录扭矩传感器8示数，绘制温度t1条件下扭矩-时间曲线；t1可以为 40℃；
47.步骤六、待扭矩传感器8示数稳定，控制刀盘温度升温至温度t2，观察记录扭矩传感器8示数，绘制温度t2条件下扭矩-时间曲线，待扭矩传感器8示数稳定，控制刀盘温度升温至t3，绘制温度t3条件下扭矩-时间曲线；所述t2可以为80℃，所述t3可以为120℃。
48.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何限制，凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。