CN106092808A - 一种测定粘土粘附性的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定粘土粘附性的装置及其使用方法，试验台上安装有杠杆加载装置，所述杠杆加载装置包括平衡支架和杠杆架，所述平衡支架通过第一销轴与所述杠杆架连接，所述杠杆架一端设有加载槽，另一端通过第二销轴与设置在试验底座底部的连接板相连，所述试验底座上部设有试样腔，所述试样腔上设有排水孔和位移计，内壁标有刻度，所述试样腔上部设有与其相配合的压板，所述压板与位于其上部的伺服电机的主轴相连接，所述主轴上设有扭矩传感器，所述伺服电机通过电机后座与固定在试验台上的电机支架连接，所述的伺服电机与控制器通信连接。该装置可以测定在不同的压力、剪切速度和固结度条件下粘土的粘附性。

Description

一种测定粘土粘附性的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种粘附性测量装置，尤其涉及一种测定粘土粘附性的装置。本发明还涉及该测定粘土粘附性装置的使用方法。

背景技术

土壤的粘附现象广泛存在生活中，是困扰许多行业的难题。农业生产中，土壤粘附在耕犁上导致牵引阻力增加；自卸车装载粘土时，大量的土壤粘附在车厢内，造成运土量的减少，增加能源消耗；挖掘机、装载机等机械上粘附粘土后，推土阻力增大，机械装土量减小，工作效率大大降低；土压平衡盾构在粘土地层中施工时，粘土粘附在刀盘和刀具上，造成刀盘转动扭矩增大，排土不畅，掌子面易失稳等问题，掘进效率大大降低。

先前许多学者对粘土的粘附性做了研究。FOUNTIANE(1953)研究了干土和湿土的粘附性，从细观角度解释了两种情况下的粘附机理。钱定华(传统犁壁材料——白口铁对重粘土粘附特性的研究[J].农业机械学报,1965,02:145-150.)运用表面能量的方法，提出了粘土对金属的粘附模型。李建桥等(钢的显微组织对其土壤粘附特性影响的研究[J].农业工程学报,1993,03:14-21.)研究了钢材的显微组织对于粘附性的影响。卢韶芳等(土壤—金属界面水膜粘附规律的试验研究[J].农业机械学报,1999,30(2):1-6.)测定了土壤-金属界面水膜对粘附性的影响。Peila等(Laboratory tests on soil conditioning ofclayey soil[J].ActaGeotechnica,2015:1-14.)运用实验装置测定了静态大气压条件下土-金属板间的粘附性。Zumsteg(Tunnelling&Underground Space Technology,2012,31(5):86-96.)将薄金属板埋置在粘土中，在土样上部施加不同压力，运用电机带动金属板转动并实时记录转动扭矩，测定了不同压力、剪切条件下，土-金属板间的粘附强度，但没有考虑排水固结条件，且不能考虑粘土在金属板上的粘附量。粘土粘附在金属板上的过程，即为粘土不断被压缩固结过程，二者紧密相关，因此排水条件是影响粘土粘附性的一个重要因素。粘土粘附金属板是一个不断积累，随着时间的增加其粘附量也逐渐增大，因此粘土的粘附量也是一个评价粘土粘附性的重要指标。而在盾构施工中，刀盘刀具不停转动，粘土的粘附性和剪切速度密切相关。因此，研究压力、剪切速度、固结度与粘土粘附性的关系十分必要。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题就是提供一种能够测定在不同压力、剪切速度和固结度条件下粘土粘附性的测定粘土粘附性的装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供该测定粘土粘附性的装置的使用方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明所提供的测定粘土粘附性的装置，试验台上安装有杠杆加载装置，所述杠杆加载装置包括平衡支架和杠杆架，所述平衡支架通过第一销轴与所述杠杆架连接，所述杠杆架一端设有加载槽，另一端通过第二销轴与设置在试验底座底部的连接板相连，所述试验底座上部设有试样腔，所述试样腔上设有排水孔和位移计，内壁标有刻度，所述试样腔上部设有与其相配合的压板，所述压板与位于其上部的伺服电机的主轴相连接，所述主轴上设有扭矩传感器，所述伺服电机通过电机后座与固定在试验台上的电机支架连接，所述的伺服电机与控制器通信连接。

为了控制排水条件，所述排水孔上设有排水孔开关。

所述杠杆加载装置上设有检验杠杆架平衡的平衡检测装置。

所述平衡检测装置为固定在平衡支架上的平衡刻度盘和与平衡刻度盘相配合的固定在杆架上的平衡指针。

为防止土样从排水孔伴随水流出，试样腔内壁贴有滤纸。

为解决上述第二个技术问题，本发明提供的测定粘土粘附性装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：在试样腔内加入一定质量的土样，振捣密实后，记录此时土样的刻度值，调节杠杆加载装置使其处于平衡状态，降低电机后座，使压板恰好接触试样腔中的土样表面，调节位移计使位移计读数为0，根据实验要求的固结压力p，向加载槽中加入砝码重量为G，G按下式计算：

$G=\frac{{\mathrm{\πpl}}_1{D}^2}{4l_2}---\left(1\right)$

其中：G为加入砝码的重量(N)；

p为土样上部压力(Pa)；

D为压板的直径(m)；

l₁为压板中心至杠杆支点的水平距离(m)；

l₂为加载槽至杠杆支点的水平距离(m)；

步骤二：每隔一定时间记录一次位移计的读数，当每小时的沉降高度小于0.01mm时，即认为固结完成，得土样的最终固结沉降量h。步骤三：根据需要的固结度计算得到压缩沉降量，重复步骤一，当压缩土样至目标固结沉降量后，以指定速度转动压板，记录旋转扭矩M和压板直径D。

步骤四：旋转一定的时间后，停止电机转动，卸下压板，记录压板上粘土的质量m，计算粘土在单位面积钢板上的粘结量和土-钢板界面的粘附强度，计算公式分别如下：

$k=\frac{4m}{{\mathrm{\πD}}^2}---\left(2\right)$

其中：k为单位面积压板上粘土的粘附量(kg/㎡)，

m为压板上粘土的质量(kg)，

D为压板直径(m)，

$\mathrm{\α}=\frac{12M}{{\mathrm{\πD}}^3}---\left(3\right)$

其中：α为土-钢板界面的剪应力(Pa)，

M为修正后的扭矩值(N﹒m)，

D为压板直径(m)。

本发明提供的测定粘土粘附性的装置，结构简单，操作方便，能够测量在不同压力、剪切速度和固结度条件下粘土的粘附性，考虑了排水条件对粘土的粘附性的影响，该装置的底座上面设有试样腔，试样腔横截面为圆形，试样腔外部设有位移计支架，位移计支架上可固定位移计，测定粘土的固结沉降量。为了控制排水条件，该试样腔的周围布设排水孔，试验腔内壁铺设滤纸，防止土样从排水孔伴随水流出。每个排水孔安装一个阀门，控制排水条件。底座下部连接杠杆的一端，通过另一端悬挂不同重量的砝码，控制作用于试样腔中土样上部的压力。土样上部有压板对土样施加压力，压板上部与伺服式电机连接，且压板可拆卸更换。电机能够以不同的恒速转动，电机上装有扭矩传感器，能够实时测定电机的扭矩值。

本发明提供的测定粘土粘附性装置的使用方法，当测定排水固结后粘土的粘附性时，主要步骤如下：试样腔内壁贴上滤纸，称量一定质量的粘土，在试样腔内分层振捣密实，最后抹平土面，记录土样高度。将装土的试样腔放至底座上，向加载槽内加入干砂，调节杠杆平衡。将压板与电机旋转轴连接，使压板与试样腔中的土样接触，对土样施加1kPa的预压力使土样与压板接触，调节位移计使位移计竖杆底端恰好接触压板，调节位移计的读数为0。向加载槽中放入合适的砝码，打开排水孔，使土样排水固结，当每小时的沉降量小于0.01mm时，认为固结完成，卸载并清除试样腔内粘土。称量压板的质量，予以记录。重复上述装土样操作，称取与上述操作等量的粘土，将土样振捣至与上述步骤同样的高度。将盛有土样的试样腔放入底座，调节杠杆平衡，安装压板，预压，固定位移计，将位移计读数调零，对试样加压，观测位移计的读数。当位移计的读数达到实验要求的固结度沉降量时，设定电机转速，启动电机，使电机转动，实时记录电机转动的扭矩，转动一段时间后，关闭电机开关，拆下压板，称量压板与粘结在其上的黏土的总质量，此总质量减去压板的质量，即为粘结在压板上的粘土质量。通过测得的扭矩值M和压板上粘土的粘附质量m，便可换算为土-钢板间的粘附强度α和压板单位面积上的粘土质量k，依此参数评价在不同压力、剪切速度、固结度条件下粘土的粘附性。当测定不排水条件下粘土的粘附性时，只需在实验过程中关闭排水孔开关即可；当需要测定排水固结后不排水剪切条件下粘土的粘附性时，只需在土样固结完成后关闭排水孔开关即可。

附图说明

图1为本发明测定粘土粘附性装置的主视图。

图2为本发明测定粘土粘附性装置的俯视图。

图3为本发明测定粘土粘附性装置的左视图。

图中：1-电机支架，2-电机后座，3-伺服电机，4-主轴，5-压板，6-排水孔，7-试样腔，8-试验底座，9-连接板，10-第二销轴,11-试验台12-平衡刻度盘，13-平衡指针，14-平衡支架，15-杠杆架，16-加载槽，17-排水孔开关，18-扭矩传感器，19-控制器，20-位移计，21-位移计支架。

具体实施方式

下面结合附图，详细介绍本发明提供的测定粘土粘附性的装置及其使用方法。

参见图1、图2和图3，本发明所提供的测定粘土粘附性的装置，试验台11上安装有杠杆加载装置，所述杠杆加载装置包括平衡支架14和杠杆架15，所述平衡支架14通过第一销轴与所述杠杆架15连接，所述杠杆架15一端设有加载槽16，所述加载槽16能够盛放用于初始平衡的干砂和加压的砝码，另一端通过第二销轴10与设置在试验底座8底部的连接板9相连，所述试验底座8上部设有试样腔7，所述试样腔7上设有排水孔6和位移计20，内壁标有刻度，为了控制排水条件，所述排水孔6上设有排水孔开关，为防止土样从排水孔6伴随水流出，试样腔7内壁贴有滤纸，所述试样腔7上部设有与其相配合的压板5，所述压板5与位于其上部的伺服电机3的主轴4相连接，所述主轴4上设有扭矩传感器18，能够实时测定旋转扭矩，所述伺服电机3通过电机后座2与固定在试验台11上的电机支架1连接，所述的伺服电机3与控制器19通信连接。

所述杠杆加载装置上设有检验杠杆架平衡的平衡检测装置，所述平衡检测装置为固定在平衡支架14上的平衡刻度盘12和与平衡刻度盘12相配合的固定在杠杆架15上的平衡指针13。

该装置通过测定压板5旋转的扭矩和粘结在压板5上的粘土质量，计算得到粘附强度和单位面积压板上粘土粘附量，运用这两个指标评价在不同压力、剪切速度、固结度条件下粘土对于金属板的粘附性，两指标可互相校核，确保结果的可靠性。

参见图1、图2和图3，本发明在具体实施中，当测量排水条件下土的粘附性时，由下列步骤来实现：

步骤一：在试样腔7内加入一定质量的土样，振捣密实后，记录此时土样的刻度值，将试样腔7放到试验底座8中，向加载槽16中加入适量的干砂，使平衡指针13指向平衡刻度盘12的中间位置，此时杠杆架15两侧恰好平衡，降低电机后座2，使压板5恰好接触试样腔7中的土样表面，将位移计20固定在位移计支架21上，位移计导杆恰好与压板5接触，调节位移计20使位移计读数为0，首先对试样施加1kPa的预压力使土样与压板接触，(根据实验要求的固结压力p，向加载槽中加入砝码重量为G，G按式下式计算

$G=\frac{{\mathrm{\πpl}}_1{D}^2}{4l_2}---\left(1\right)$

其中：G为加入砝码的重量(N)；

p为土样上部压力(Pa)；

D为压板的直径(m)；

l₁为压板中心至杠杆支点的水平距离(m)；

l₂为加载槽至杠杆支点的水平距离(m)。

步骤二：每隔一定时间记录一次位移计的读数，当每小时的沉降高度小于0.01mm时，即认为固结完成，得土样的最终固结沉降量h。

步骤三：根据实验需要选择合适粗糙度的压板5，称量压板的质量m₁，通过控制器19控制伺服电机3提供初始扭矩M₁，消除由于摩擦等因素引起的实验误差。根据实验要求固结度为U计算得到压缩沉降量，重复步骤一，当沉降量达到U﹒h时，由控制器19控制伺服电机3以实验要求的恒定速度转动，实时记录旋转扭矩M₂。

步骤四：旋转一定的时间后，停止电机转动，卸下压板5，记录粘有粘土的压板质量，记为m₂，m₂减去m₁，即为粘附在压板上粘土的质量m，粘土质量m除以压板的面积，即得到单位面积压板上粘土的量k，计算公式为：

$k=\frac{4m}{{\mathrm{\πD}}^2}---\left(2\right)$

其中：k为单位面积压板上粘土的粘附量(kg/㎡)，

m为压板上粘土的质量(kg)，

D为压板直径(m)，

扭矩M₂减去空转扭矩M₁即为修正后的扭矩值M，土-钢板界面的粘附强度，计算公式如下：

$\mathrm{\α}=\frac{12M}{{\mathrm{\πD}}^3}---\left(3\right)$

其中：α为土-钢板界面的剪应力(Pa)，

M为修正后的扭矩值(N﹒m)，

D为压板直径(m)。

当测定不排水条件下粘土的粘附性时，只需在实验过程中关闭排水孔开关17即可；当需要测定排水固结后不排水剪切条件下粘土的粘附性时，只需在土样固结完成后关闭排水孔开关17即可。

Claims (6)

1.一种测定粘土粘附性的装置，其特征在于：试验台(11)上安装有杠杆加载装置，所述的杠杆加载装置包括平衡支架(14)和杠杆架(15)，所述的平衡支架(14)通过第一销轴与所述杠杆架(15)连接，所述的杠杆架(15)一端设有加载槽(16)，另一端通过第二销轴(10)与设置在试验底座(8)底部的连接板(9)相连，所述的试验底座(8)上部设有试样腔(7)，所述的试样腔(7)上设有排水孔(6)和位移计(20)，内壁标有刻度，所述的试样腔(7)上部设有与其相配合的压板(5)，所述的压板(5)与位于其上部的伺服电机(3)的主轴(4)相连接，所述的主轴(4)上设有扭矩传感器(18)，所述伺服电机(3)通过电机后座(2)与固定在试验台(11)上的电机支架(1)连接，所述的伺服电机(3)与控制器(19)通信连接。

2.根据权利要求1所述的测定粘土粘附性的装置，其特征在于：所述的排水孔(6)上设有排水孔开关(17)。

3.根据权利要求1或2所述的测定粘土粘附性的装置，其特征在于：所述的杠杆加载装置上设有检验杠杆架平衡的平衡检测装置。

4.根据权利要求3所述的测定粘土粘附性的装置，其特征在于：所述的平衡检测装置为固定在所述的平衡支架(14)上的平衡刻度盘(12)和与所述的平衡刻度盘(12)相配合的固定在杠杆架(15)上的平衡指针(13)。

5.根据权利要求1或2所述的测定粘土粘附性的装置，其特征在于：所述的试样腔(7)内壁贴有滤纸。

6.使用权利要求1所述的测定粘土粘附性装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：在试样腔(7)内加入一定质量的土样，振捣密实后，记录此时土样的刻度值，调节杠杆加载装置使其处于平衡状态，降低电机后座(2)，使压板(5)恰好接触试样腔中的土样表面，调节位移计(20)使位移计读数为0，根据实验要求的固结压力p，向加载槽(16)中加入砝码重量为G，G按下式计算：

$G=\frac{{\mathrm{\πpl}}_1{D}^2}{4l_2}$

其中：G为加入砝码的重量(N)；

p为土样上部压力(Pa)；

D为压板的直径(m)；

l₁为压板中心至杠杆支点的水平距离(m)；

l₂为加载槽至杠杆支点的水平距离(m)；

步骤二：每隔一定时间记录一次位移计的读数，当每小时的沉降高度小于0.01mm时，即认为固结完成，得土样的最终固结沉降量h；

步骤三：根据需要的固结度计算得到压缩沉降量，重复步骤一，当压缩土样至目标固结沉降量后，以指定速度转动压板(5)，记录旋转扭矩M和压板直径D；

步骤四：旋转一定的时间后，停止电机转动，卸下压板(5)，记录压板上粘土的质量m，计算粘土在单位面积钢板上的粘结量和土-钢板界面的粘附强度，计算公式分别如下：

$k=\frac{4m}{{\mathrm{\πD}}^2}$

其中：k为单位面积压板上粘土的粘附量(kg/㎡)，

m为压板上粘土的质量(kg)，

D为压板直径(m)，

$\mathrm{\α}=\frac{12M}{{\mathrm{\πD}}^3}$

其中：α为土-钢板界面的剪应力(Pa)，

M为修正后的扭矩值(N﹒m)，

D为压板直径(m)。