一种倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置与测试方法与流程

本发明属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及一种倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置与测试方法。

背景技术：

随着我国中东部城市人口日益密集，交通状况日益紧张，公共交通系统目前迫待完善，目前我国20余个大中型城市也将在未来几年开始地铁隧道建设。在人口密集的繁华闹市进行地铁隧道挖掘，既不能用明挖法施工，也不能用矿山法施工，最好的选择就是盾构法。盾构机在盾构掘进过程中，由于温度或是不同性质的土层等各个因素的影响，在盾构刀盘上的刀具与开挖面上土体持续作用下，盾构机的刀盘上会产生结泥饼的现象，从而导致刀具切削功能的下降和偏磨的发生，同时还会造成刀盘扭矩的增大，严重时影响掘进进度甚至停工。因此，如何精确测量土壤黏附力，是解决刀盘结泥饼问题的一种有效手段。

目前，国内外已有黏附力测定装置的相关研究，例如：20世纪50年代，foutaine在《investigationintothemechanismofsoiladhesion》文中研制了以金属圆板作为测盘的土壤粘附仪。70年代末至80年代初，潘君拯等老一辈农机专家在《我国南方十三省市水田土壤参数调查》文中研制了sf-1型土壤外附力、内聚力测定仪。1984年，江苏工学院桑正中、张际先等人在《液压电测式土壤粘附力测定仪》文中开发出一种“液压电测式土壤黏附力测定仪”，提出一种采用液压机构和垂直导柱对界面在垂直方向上连续施压和卸载、采用电阻应变片悬臂梁式传感器获取黏附力数据的土壤黏附力测定仪。1993年，吉林工业大学任露泉等人在《土壤粘附力测量仪》的发明专利中开发的“土壤黏附力测量仪”采用组合式测盘解决土壤外附力大于内聚力时真实黏附力测不出或测不准的情况。在90年代中后期，吉林大学卢韶方、石要武等人在《多功能土壤实验台的研制》文中将计算机技术引入到土壤粘附仪的研制中，初步实现了土壤粘附仪的自动化。2002年，吉林大学王柏生在《土壤粘附特性测试系统的研究》文中通过改装电子万能试验机，能够实现在三角波、正弦波等不同运动方式下的土壤黏附力测量，2005年吉林大学孙璐在《土壤粘附特性测试系统采样频率及控制参数的研究》文中又对土壤粘附测试系统的采样频率和控制参数等作了进一步的完善。但这些黏附力测定装置的研究不能有效的进行在特殊曲面的影响下的黏附力的测定，也没有涉及到如何使特殊曲面精确贴合待测土体的情况，无法直接对特殊曲面进行拉拔测试土体黏附力。传统制样方法采用直接将待测物体如锥体和球体直接压入土中，将会对土体产生较大扰动，造成土体发生破坏，土体与固体界面的接触受力不均，界面处水分发生迁移；这种影响对带有特殊曲面的物体更为严重，甚至造成曲面与土体存在大面积脱空的现象，大大影响了特殊曲面与土界面黏附力的测量，与真实黏附力差距较大。

为克服上述不足，本发明提出一种倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置与测试方法，通过倒置法制样并直接对特殊曲面装置进行拉拔，分析土体黏附力大小，从而为刀盘结泥饼的防治提供有效分析依据。

技术实现要素：

本发明提供了一种倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置与测试方法，其目的在于，能够使特殊曲面精确贴合待测土体，便于直接拉拔测量特殊曲面对土体黏附力大小的影响规律，可以应用在刀盘结泥饼的处理工程之中。

一种倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置与测试方法，由试验台1、升降台2、玻璃筒3、憎水木板4、螺栓5、侧壁6、接线木塞7、上盖板8、土体9、吊带10、吊环11、拉力计12和插销13共同组成，用螺栓5连接固定憎水木板4与侧壁5，并将固定好的玻璃筒3倒置置于试验台1的凹槽内，用升降台2支撑玻璃筒3，向木箱内填土并分层击实，土体9击实后固定上盖板形成密闭土箱；将土箱正立并静置特定时间，取出憎水木板4，通过拉力计12施加的拉力使玻璃筒3与土体9分离，直接对玻璃筒3进行拉拔测定土体黏附力大小。通过倒置制样测量特殊曲面下的土体黏附力，为实际工程中刀盘泥饼的去除提供分析依据。

所述倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置，其特征在于，憎水木板4用于临时固定倒置的玻璃筒3，二者连接处用胶水临时固定；憎水木板4通过螺栓5与侧壁6形成临时的倒置土箱，便于在土箱内部进行分层装填土体9和分层击实，保证土体9填筑均匀，并与玻璃筒3底部有较好的接触，避免接触界面处产生不必要的水分迁移；憎水木板4由2块板组成，中间通过对称布置的4个插销13连接固定，避免憎水木板4在分层击实土体9的过程中产生松动。

所述倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置，其特征在于，试验台1中间位置设置凹槽，凹槽中安放可以升降的升降台2；升降台2用于支撑倒置的玻璃筒3，防止土体9在分层击实的过程中对玻璃筒3产生冲击错动。

所述倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置，其特征在于，上盖板8在倒置制样过程中对土体9进行挤压，通过螺栓5与侧壁6形成密闭土箱，将土箱上下颠倒后形成正置的土箱，此时上盖板8成为土箱的底板。

所述倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置，其特征在于，玻璃筒3上部距顶端2cm处对称设置4个吊孔，吊孔中插入接线木塞7。

所述倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置，其特征在于，试将倒置制样完成的玻璃筒3与密闭土箱正立放置，刮除憎水木板4和玻璃筒3间的胶水，取出憎水木板4即可对玻璃筒3进行拉拔测试，确定玻璃筒3底面与土体9间的界面黏附力。

一种倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的测定方法，其特征在于，将设置有采用所述的倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置进行测试，包括以下步骤：

步骤1：将玻璃筒3通过胶水固定于留有相同大小空隙的憎水木板4内，用螺丝5连接并固定憎水木板4与侧壁6；

步骤2：将固定好的玻璃筒3倒置于试验台1的凹槽内，通过旋钮抬升升降机2使其顶面与倒置的玻璃筒3端口紧密接触；

步骤3：向土箱内填土并分层击实，待土体9击实完成后盖上上盖板8，并用螺丝5将上盖板8与侧壁6固定形成密闭土箱；

步骤4：制样完成后，将固定有玻璃筒3的密闭土箱正立并静置特定时间；刮除憎水木板4和玻璃筒3间的胶水，打开插销13并轻轻取出憎水木板4；

步骤5：用吊带10连接玻璃筒3的接线木塞7与吊环11，通过拉力计12施加的拉力直接对玻璃筒3进行拉拔，使玻璃筒3与土体9分离，观测拉力计12所显示数值最大值即为黏附力值。

有益效果

本发明提供了一种倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置与测试方法，该装置包括试验台1、升降台2、玻璃筒3、憎水木板4、螺栓5、侧壁6、接线木塞7、上盖板8、土体9、吊带10、吊环11、拉力计12和插销13。所述憎水木板4用于临时固定倒置的玻璃筒3，二者连接处用胶水临时固定；憎水木板4通过螺栓5与侧壁6形成临时的倒置土箱，便于在土箱内部进行分层装填土体9和分层击实，保证土体9填筑均匀，并与玻璃筒3底部有较好的接触，避免接触界面处产生不必要的水分迁移；所述试验台1中间位置设置凹槽，凹槽中安放可以升降的升降台2；升降台2用于支撑倒置的玻璃筒3，防止土体9在分层击实的过程中对玻璃筒3产生冲击错动；所述上盖板8在倒置制样过程中对土体9进行挤压，通过螺栓5与侧壁6形成密闭土箱，将土箱上下颠倒后形成正置的土箱，此时上盖板8成为土箱的底板；所述玻璃筒3上部距顶端2cm处对称设置4个吊孔，吊孔中插入接线木塞7。通过此装置直接拉拔测试土体黏附力值的方法，具有如下的有益效果：

1)采用倒置法制样时，可以使待测底部与土体完全贴合，制样方法精准，避免直接压入导致土体与待测面不能完全贴合使黏附力的测量存在误差。

2)倒置取样完成后，将试样正立即可对其进行直接拉拔，操作简单方便。

3)采用倒置法可以对不同特殊曲面进行黏附力测定，通过对比不同特殊曲面下黏附力值差异，对实际工程的泥饼防治提供有效的分析依据。

附图说明

图1是本发明提供的倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置图，其中(a)为倒置制样装置剖面图，(b)为土样击实完成剖面图；

图2为直接拉拔装置剖面图；

图3为憎水木板4俯视图；

标号说明：试验台1、升降台2、玻璃筒3、憎水木板4、螺栓5、侧壁6、接线木塞7、上盖板8、土体9、吊带10、吊环11、拉力计12、插销13。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

一种倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置与测试方法，由试验台1、升降台2、玻璃筒3、憎水木板4、螺栓5、侧壁6、接线木塞7、上盖板8、土体9、吊带10、吊环11、拉力计12和插销13共同组成；

所述憎水木板4用于临时固定倒置的玻璃筒3，二者连接处用胶水临时固定；憎水木板4通过螺栓5与侧壁6形成临时的倒置土箱，便于在土箱内部进行分层装填土体9和分层击实，保证土体9填筑均匀，并与玻璃筒3底部有较好的接触，避免接触界面处产生不必要的水分迁移；憎水木板4由2块板组成，中间通过对称布置的4个插销13连接固定，避免憎水木板4在分层击实土体9的过程中产生松动；

所述试验台1中间位置设置凹槽，凹槽中安放可以升降的升降台2；升降台2用于支撑倒置的玻璃筒3，防止土体9在分层击实的过程中对玻璃筒3产生冲击错动；

所述上盖板8在倒置制样过程中对土体9进行挤压，通过螺栓5与侧壁6形成密闭土箱，将土箱上下颠倒后形成正置的土箱，此时上盖板8成为土箱的底板；

所述玻璃筒3上部距顶端2cm处对称设置4个吊孔，吊孔中插入接线木塞7。

一种倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的测定方法，其特征在于，采用倒置制样测量特殊曲面与土界面黏附力的制样装置进行测试，包括以下步骤：

步骤1：将玻璃筒3通过胶水固定于留有相同大小空隙的憎水木板4内，并插上插销13固定憎水木板4，用螺丝5连接并固定憎水木板4与侧壁6；

步骤2：将固定好的玻璃筒3倒置于试验台1的凹槽内，通过旋钮抬升升降机2使其顶面与倒置的玻璃筒3端口紧密接触；

步骤3：向土箱内填土并分层击实，待土体9击实完成后盖上上盖板8，并用螺丝5将上盖板8与侧壁6固定形成密闭土箱；

步骤4：制样完成后，将固定有玻璃筒3的密闭土箱正立并静置特定时间；刮除憎水木板4和玻璃筒3间的胶水，打开插销(13)并轻轻取出憎水木板4；

步骤5：用吊带10连接玻璃筒3的接线木塞7与吊环11，通过拉力计12施加的拉力直接对玻璃筒3进行拉拔，使玻璃筒3与土体9分离，观测拉力计12所显示数值最大值即为黏附力值。

本发明中应用了具体实施例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对发明的限制。