一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统

本发明属于盾构掘进，尤其涉及一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统。

背景技术：

1、在地下交通建设中，盾构法作为暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，自动化程度高、施工速度快、可一次成洞、不受气候影响，因其经济上的优越性应用广泛。盾构隧道建设过程中遭遇地质情况复杂，尤其当穿越黏性地层时，容易出现刀盘结泥饼、土仓堵塞、排渣不畅等系列工程难题，泥饼形成后往往需要开仓人工清除，不仅威胁施工人员安全、带来施工安全隐患，也极大降低了施工效率，造成经济损失，需及时妥善处理。针对结泥饼、堵塞等难题，目前主要有机械冲刷和化学渣土改良两种处理手段，但是机械冲刷存在占据刀盘空间、无法全盘面清理、处理滞后等弊端。

2、化学渣土改良就是通过盾构机上的专用设备向开挖面或土舱内注入改良剂，将切削下来的土体调整成“塑性流动状态”，改良的渣土要具有良好的可塑性、较低的渗透性和较小的摩擦阻力，从而保证盾构掘进的顺利进行。泡沫剂又称发泡剂，是指能够降低液体表面张力，产生大量均匀稳定的泡沫，在盾构行业作为土体改良剂被大量使用。

3、近年来，电渗法作为土体性质改良的新技术，普遍应用于电渗排水、地基处理等领域。电渗作用通过外加电场可以使黏土中离子推动水分子从阳极向阴极迁移，可以增大黏土与金属界面水膜厚度，从而减少二者之间的黏附性。作为一种新的解决手段，电渗技术与化学改良协同使用，可以显著降低黏土颗粒与金属界面的黏附强度。

4、黏聚力和内摩擦角是评价泡沫改良土改良效果和力学性能的重要指标。通常，黏聚力和内摩擦角通过直剪试验获得，常规直剪试验虽然操作方便，但密封性较差，无法严格控制排水条件，仅适用于流动性一般的饱和土抗剪强度的测定。而泡沫改良土是由土颗粒、水、泡沫组成的固液气三相混合物，其中气相部分对混合体系的力学性能有着显著影响，因此无法将其视为饱和土开展试验。

5、目前，对电渗作用下黏土黏附性能及黏土与金属界面的黏附强度变化的系统性研究还较少见，尤其是对电渗作用下改良土黏聚力及内摩擦角变化规律的研究还存在较大空缺，缺乏相应的试验测试装置，难以针对性地对电渗作用下不同界面(土-土、土-金属)黏附性变化进行比较，并揭示其黏附性随不同金属材料、金属表面粗糙度、土体含水率、电势强度等条件的变化规律差异性。

6、因此，有必要研发一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，以研究电渗作用下改良黏土-黏土/金属界面间的黏附性能变化规律。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，以开展电渗作用对土体界面黏附性能影响规律的研究，达到为实现电渗在黏性地层土压平衡盾构降黏脱附应用提供理论依据和室内试验条件的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，包括

3、剪切盒，所述剪切盒用于盛放黏土；

4、竖向加载系统，所述竖向加载系统用于对所述黏土施加竖向加载力；

5、切向加载系统，所述切向加载系统用于对所述黏土施加切向加载力；

6、电渗系统，所述电渗系统用于对所述黏土施加电流，并调整电压参数；

7、伺服控制系统，所述伺服控制系统用于控制直剪试验进行，并记录直剪试验过程参数；

8、操作架，所述操作架用于固定所述剪切盒、所述竖向加载系统、所述切向加载系统。

9、优选的，所述竖向加载系统包括竖向反力架，所述竖向反力架与所述操作架固定连接，所述竖向反力架内部固定连接有液压装置，所述液压装置活塞端固定连接有竖向加载装置顶端，所述竖向加载装置底端固定连接有竖向加载执行部，所述液压装置活塞端与所述竖向加载装置之间设置有竖向位移传感器，所述竖向加载装置底端与所述竖向加载执行部之间设置有竖向载荷传感器，所述竖向位移传感器和所述竖向载荷传感器与所述伺服控制系统电性连接。

10、优选的，所述竖向加载执行部包括加载板，所述加载板顶端四角分别固定连接有竖直设置的限位杆，所述加载板顶端中部固定连接有滚珠滑轨底端，所述滚珠滑轨顶端固定连接有两个上下叠加设置的连接钢板，位于上方的所述连接钢板与所述竖向加载装置底端固定连接，所述竖向载荷传感器设置在所述连接钢板与所述竖向加载装置之间。

11、优选的，所述切向加载系统包括切向反力架，所述切向反力架与所述操作架固定连接，所述切向反力架内部固定连接有液压装置，所述液压装置活塞端固定连接有切向加载装置一端，所述切向加载装置另一端固定连接有切向加载执行部，所述液压装置活塞端与所述切向加载装置之间设置有切向位移传感器，所述切向加载装置与所述切向加载执行部之间设置有切向载荷传感器，所述切向位移传感器和所述切向载荷传感器与所述伺服控制系统电性连接。

12、优选的，所述切向加载执行部包括切向加载板，所述切向加载板与所述切向加载装置固定连接，所述切向载荷传感器设置在所述切向加载装置与所述切向加载板之间，所述剪切盒外侧壁固定连接有加载壁，所述加载壁与所述切向加载板对应设置。

13、优选的，所述剪切盒包括下剪切盒，所述下剪切盒底端与所述操作架固定连接，所述下剪切盒内部底端设置有阴极金属板，所述下剪切盒外侧壁设置有水箱，所述下剪切盒顶端对应设置有上剪切盒，所述上剪切盒内部顶端设置有阳极金属板，所述阴极金属板和所述阳极金属板均与所述电渗系统电性连接。

14、优选的，所述电渗系统包括数显可调压电源，所述数显可调压电源与所述伺服控制系统电性连接，所述数显可调压电源阴极与所述阴极金属板电性连接，所述数显可调压电源阳极与所述阳极金属板电性连接，所述数显可调压电源阳极与所述阳极金属板之间设置有函数发生器、示波器、固态继电器，所述函数发生器、所述示波器、所述固态继电器均与所述伺服控制系统电性连接。

15、优选的，所述操作架包括操作台，所述操作台顶端固定连接有搭载架。

16、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

17、1、可以开展非饱和改良土不排水快剪试验，克服了常规直剪试验设备密封性较差，无法严格控制排水条件，对于非饱和、流动性大的改良土不适用的弊端。

18、2、可以测得电渗作用下土体粘附力变化情况，首次提出了基于电渗改良渣土的粘附性直剪试验装置。

19、3、不仅可以测得土体(未改良土之间、改良土之间)的粘附力，还能测得土-金属界面间的粘附力。

20、4、可以测得电渗作用对不同金属材料、金属表面粗糙度条件下土-金属界面粘附力的影响规律，从而针对性提出电渗作用对土-金属界面粘附性评价指标，有效解决不同盾构刀盘黏附问题。

技术特征：

1.一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，其特征在于，包括

2.根据权利要求1所述的一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，其特征在于，所述竖向加载系统包括竖向反力架(20)，所述竖向反力架(20)与所述操作架固定连接，所述竖向反力架(20)内部固定连接有液压装置(28)，所述液压装置(28)活塞端固定连接有竖向加载装置(21)顶端，所述竖向加载装置(21)底端固定连接有竖向加载执行部，所述液压装置(28)活塞端与所述竖向加载装置(21)之间设置有竖向位移传感器(22)，所述竖向加载装置(21)底端与所述竖向加载执行部之间设置有竖向载荷传感器(23)，所述竖向位移传感器(22)和所述竖向载荷传感器(23)与所述伺服控制系统(6)电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，其特征在于，所述竖向加载执行部包括加载板(12)，所述加载板(12)顶端四角分别固定连接有竖直设置的限位杆(13)，所述加载板(12)顶端中部固定连接有滚珠滑轨(15)底端，所述滚珠滑轨(15)顶端固定连接有两个上下叠加设置的连接钢板(14)，位于上方的所述连接钢板(14)与所述竖向加载装置(21)底端固定连接，所述竖向载荷传感器(23)设置在所述连接钢板(14)与所述竖向加载装置(21)之间。

4.根据权利要求1所述的一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，其特征在于，所述切向加载系统包括切向反力架(24)，所述切向反力架(24)与所述操作架固定连接，所述切向反力架(24)内部固定连接有液压装置(28)，所述液压装置(28)活塞端固定连接有切向加载装置(25)一端，所述切向加载装置(25)另一端固定连接有切向加载执行部，所述液压装置(28)活塞端与所述切向加载装置(25)之间设置有切向位移传感器(26)，所述切向加载装置(25)与所述切向加载执行部之间设置有切向载荷传感器(27)，所述切向位移传感器(26)和所述切向载荷传感器(27)与所述伺服控制系统(6)电性连接。

5.根据权利要求4所述的一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，其特征在于，所述切向加载执行部包括切向加载板(40)，所述切向加载板(40)与所述切向加载装置(25)固定连接，所述切向载荷传感器(27)设置在所述切向加载装置(25)与所述切向加载板(40)之间，所述剪切盒外侧壁固定连接有加载壁(11)，所述加载壁(11)与所述切向加载板(40)对应设置。

6.根据权利要求1所述的一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，其特征在于，所述剪切盒包括下剪切盒(10)，所述下剪切盒(10)底端与所述操作架固定连接，所述下剪切盒(10)内部底端设置有阴极金属板(18)，所述下剪切盒(10)外侧壁设置有水箱(16)，所述下剪切盒(10)顶端对应设置有上剪切盒(9)，所述上剪切盒(9)内部顶端设置有阳极金属板(19)，所述阴极金属板(18)和所述阳极金属板(19)均与所述电渗系统电性连接。

7.根据权利要求6所述的一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，其特征在于，所述电渗系统包括数显可调压电源(31)，所述数显可调压电源(31)与所述伺服控制系统(6)电性连接，所述数显可调压电源(31)阴极与所述阴极金属板(18)电性连接，所述数显可调压电源(31)阳极与所述阳极金属板(19)电性连接，所述数显可调压电源(31)阳极与所述阳极金属板(19)之间设置有函数发生器(32)、示波器(33)、固态继电器(34)，所述函数发生器(32)、所述示波器(33)、所述固态继电器(34)均与所述伺服控制系统(6)电性连接。

8.根据权利要求1所述的一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，其特征在于，所述操作架包括操作台(7)，所述操作台(7)顶端固定连接有搭载架(8)。

技术总结
本发明属于盾构掘进技术领域，尤其涉及一种测试电渗作用下黏土黏附性能的直剪试验系统，包括剪切盒，剪切盒用于盛放黏土；竖向加载系统，竖向加载系统用于对黏土提供竖向加载力；切向加载系统，切向加载系统用于对黏土提供切向加载力；电渗系统，电渗系统用于对黏土施加电流，并调整电压参数；伺服控制系统，伺服控制系统用于控制直剪试验进行，并记录直剪试验过程参数；操作架，操作架用于固定剪切盒、竖向加载系统、切向加载系统。本发明能够达到为实现电渗在黏性地层土压平衡盾构降黏脱附应用提供理论依据和室内试验条件的目的。

技术研发人员：袁超,王馨,李树忱,王修伟,彭科峰,赵世森,万泽恩,陈祎
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/15