【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道与地下空间工程，具体涉及测定盾构刀盘与土壤界面土壤粘附特性的设备及方法。
技术介绍
1、土压平衡盾构隧道机械掘进是一种广泛应用的隧道掘进方法，具有影响小、机械化程度高、安全性好、劳动强度低、进度快等优点，但在复杂地形如细粒土或岩石中机械掘进时，土壤常粘在刀具或输送系统上，给开挖和运输带来很大困难。土壤粘附不仅会导致技术问题，如堵塞刀具、挖掘室和输送系统，对经济效益和隧道工程能否成功也有非常大的影响。
2、一般情况下，盾构机刀盘温度为45℃左右，但在复杂地形中，刀盘与土体的持续摩擦作用会造成温升，使刀盘在高温高压的情况下工作，温度最高可达400～500℃，压力可达300kpa，刀盘与土体的粘附特性发生变化，甚至可能形成坚韧和永久粘附。
3、含水率是影响土壤粘附性的决定性因素，而温度对含水率有着较大影响，因此探究土壤的含水量和温度对土壤的特性影响有着重要作用。目前土壤粘附特性测定方法主要为搅拌试验或锥形拔出试验，无法针对切向粘附与法向粘附分别进行量化，同时现有研究鲜少考虑界面上温度的影响。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供测定盾构刀盘与土壤界面土壤粘附特性的设备及方法。本专利技术的测定盾构刀盘与土壤界面土壤粘附特性的设备主要通过上下均开口的土样容器、电热金属板、电机、传力杆、加载器、扭矩传感器和拉力传感器，实现对不同温度条件下盾构刀盘与土层界面包括不同拉力、扭转等工况的模拟和在上述不同工况条件下法向
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，包括：
3、可供承装土样的土样容器、加热系统和加载系统；
4、所述土样容器内设置有可放置于所述土样上的盖板，所述土样容器上下均开口，所述土样容器的上部开口处可拆设置有容器盖体；
5、所述加热系统包括电热金属板，所述电热金属板可拆设置于土样容器下；
6、所述加载系统包括电机、可旋转或拉拔土样容器的传力杆、扭矩传感器、拉力传感器和可向盖板施加压力的加载器，所述传力杆一端安装于电机上，所述传力杆另一端与容器盖体连接，所述扭矩传感器和拉力传感器均安装于传力杆上，所述加载器安装于容器盖体上。
7、上述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，还包括框架体，所述框架体包括间隔设置的底板和顶板，所述电热金属板设置于底板上，所述电机安装于顶板上。
8、上述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，还包括与电机、扭矩传感器、拉力传感器、加载器和电热金属板均连接的显示控制器。
9、上述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，所述加载器为气压加载器。
10、上述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，所述设备还包括，可供将电热金属板固定于框架的底板上的定位器，所述定位器的数量为多个。
11、上述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，所述电热金属板主要材质为铸铝。
12、上述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，所述容器盖体上设置有可供与传力杆固定连接的卡扣组件。
13、此外，本专利技术还提供一种测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的方法，其特征在于，包括：
14、步骤一、提供土样，具体包括：按照预设稠度指数，将土与水混合，充分搅拌后密封静置，得到土样；
15、步骤二、组装设备，具体包括：
16、将土样容器置于电热金属板上，将步骤一所述土样层装至土样容器中，高度在土样容器的2/3处，盖上盖板，安装容器盖体和加载器，将传力杆连接至容器盖体上；
17、步骤三、向土样施加预设的覆土压力，电热金属板加热至预设温度；
18、步骤四、确定土样与金属界面的法向粘附强度或土样与金属界面的切向粘附强度，其中，确定土样与金属界面的法向粘附强度，具体包括：
19、步骤401、设置电机收缩速率，使传力杆按照预设的拔出速率，拔起土样容器，观察并记录拉力传感器示数；
20、步骤402、按照以下公式计算土样与金属界面的法向粘附强度，
21、
22、其中，an为土壤与金属界面的法向粘附强度，单位为kpa；f为拉力，单位为kn，基于拉力传感器显示；m为土样容器、加载板和土样的总重，单位为kg；g为重力加速度；d为土样容器内径，单位为m；
23、确定土样与金属界面的切向粘附强度，具体包括：
24、步骤501、设定电机旋转角速度，使传力杆带动土样容器旋转，观察扭矩传感器示数，绘制扭矩-时间曲线；
25、步骤502、按照以下公式计算土样与金属界面的切向粘附强度，
26、
27、其中，aτ为土样与金属界面的切向粘附强度，单位为kpa；t为扭矩，单位为kn·m；d为土样容器内径，单位为m。
28、上述的方法，其特征在于，步骤一中，所述预设稠度指数为1、0.8、0.6、0.4、0.2或0，所述土为黄土；步骤三中，所述预设的覆土压力包括200kpa，预设温度为25℃～125℃。
29、上述的方法，其特征在于，步骤401中，所述预设的拔出速率包括5mm/min；步骤501中，所述旋转角速度包括0.5rpm。
30、本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
31、1、本专利技术的测定盾构刀盘与土壤界面土壤粘附特性的设备，主要通过上下均开口的土样容器、电热金属板、电机、传力杆、加载器、扭矩传感器和拉力传感器，实现对不同温度条件下盾构刀盘与土层界面包括不同拉力、扭转等工况的模拟，以及在上述不同工况条件下法向粘附和切向粘附特性的确定，可获得盾构工况下土壤粘附特性的全面测定数据，弥补现有研究中土壤粘附特性量测的技术空白。
32、2、本专利技术的测定盾构刀盘与土壤界面土壤粘附特性的设备，包括设置于上下开口的土样容器下部的电热金属板，可在不影响其他电子部件的情况下实现对盾构刀盘温度的精确模拟，既可以通过持续升温模拟长时间作业，也可通过升降温度循环模拟盾构刀盘白夜温度变化工况。
33、3、作为优选，本专利技术的测定盾构刀盘与土壤界面土壤粘附特性的设备，包括气压加载器，通过压缩空气对土样进行加压或减压，可实现在不改变扭矩的情况下对土样施加不同加载压力，有效模拟盾构掘进过程中不同掘进速度对刀盘造成的正向压力，获得更贴近实际的实验数据。
34、4、本专利技术的测定盾构刀盘与土壤界面土壤粘附特性的设备，可同时实现土样与刀盘界面的切向粘附强度和法向粘附强度的确定，操作简单，适于推本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，还包括框架体，所述框架体包括间隔设置的底板(21)和顶板(22)，所述电热金属板(12)设置于底板(21)上，所述电机(1)安装于顶板(22)上。
3.根据权利要求1所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，还包括与电机(1)、扭矩传感器(3)、拉力传感器(5)、加载器(6)和电热金属板(12)均连接的显示控制器(13)。
4.根据权利要求1所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，所述加载器(6)为气压加载器。
5.根据权利要求2所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，所述设备还包括，可供将电热金属板(12)固定于框架的底板(21)上的定位器(10)，所述定位器(10)的数量为多个。
6.根据权利要求1所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备
7.根据权利要求1所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，所述容器盖体(91)上设置有可供与传力杆(14)固定连接的卡扣组件(92)。
8.一种采用如权利要求1～7任一权利要求所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的方法，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤一中，所述预设稠度指数为1、0.8、0.6、0.4、0.2或0，所述土为黄土；步骤三中，所述预设的覆土压力包括200kpa，预设温度为25℃～125℃。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤401中，所述预设的拔出速率包括5mm/min；步骤501中，所述旋转角速度包括0.5rpm。
...【技术特征摘要】
1.一种测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，还包括框架体，所述框架体包括间隔设置的底板(21)和顶板(22)，所述电热金属板(12)设置于底板(21)上，所述电机(1)安装于顶板(22)上。
3.根据权利要求1所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，还包括与电机(1)、扭矩传感器(3)、拉力传感器(5)、加载器(6)和电热金属板(12)均连接的显示控制器(13)。
4.根据权利要求1所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，所述加载器(6)为气压加载器。
5.根据权利要求2所述的测定盾构刀盘与土层界面在温度作用下土壤粘附特性的设备，其特征在于，所述设备还包括，可供将电热金属板(12)固定于框架的底板(21)上的定位器(10)，所述定位器(10)...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑文杰，李鸿泽，白雪冬，武斌，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：
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