CN109708987B - 一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法 - Google Patents

一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法，先现场取样筛分土颗粒按照现场土颗粒的配合比配置土样，加入相应的泡沫剂与膨润土，试验装置采用砂浆搅拌机，将砂浆搅拌机的三个叶片分别打孔，将螺栓安装在搅拌机的三个叶片上。试验时，将配好的土样放入搅拌桶内，旋转搅拌，螺栓在试验前后发生了明显的磨损，螺栓表面被磨平而变得光滑，周边棱角几乎被磨平。螺栓的质量发生变化，螺栓试验前后的质量差可以直观的反映出不同土体在不同情况下的磨蚀性强弱，以此来衡量土体对刀具的磨蚀性大小。

Description

一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法
技术领域
本发明属于盾构施工技术领域，具体涉及一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法。
背景技术
盾构机是当前世界上先进的地下工程与隧道掘进超大型专用设备，盾构刀盘旋转切削土体时会产生磨损，不同的土体刀具的磨损率也不一样。由于我国地质情况千变万化，盾构掘进时经常会遇到砂卵石地层，该地层特点为粘聚力很小，内摩擦角大，石英含量高，切削土体时对刀具的磨损大，针对砂卵石地层，为减小土体对刀具的磨损常常加入泡沫剂和膨润土对掌子面前方的土体进行渣土改良，而加入何种体积参入比下的泡沫剂和膨润土为最优参入比，是目前工程上难以确定的问题。本发明通过调研结合现场工程实际情况，总结出渣土改良后土体特性的控制指标如表1所示，包括塌落度、渗透系数及土体磨系数，前两者属于常规试验，而对于磨蚀性试验，目前国内外对硬质岩石的磨蚀性试验CAI(CercharAbrasion Index)研究较多，该试验主要用于衡量岩石对TBM刀具的磨蚀性，用于指导TBM选型及刀具更换频率而适用于土体的磨蚀性试验较少，主要有法国的LCPC(LaboratoireCentral des Ponts et Chaussees)磨蚀性试验(试验仪器如图4所示)和挪威科技大学SAT(Soil Abrasion Test)试验(试验仪器如图5所示)，而国外的两种试验有专门的试验仪器国内难以获得且操作方法复杂。而该试验在国内尚没有统一的指导规范。
表1渣土改良控制指标
控制指标 塌落度(cm) 渗透系数(cm/s) 土体磨蚀系数(g/t)
控制作用 保持土体流动性，防止结饼 防止喷涌事故 降低刀具磨耗
控制范围 10～16 10<sup>-5</sup>数量级 尽可能低
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法，结构简单，检测方便，成本低，工作效率高。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法，包括以下步骤：
(1)准备土样：现场取样，取天然砂卵石土，将所得样品通过烘干机烘干，再通过筛分试验筛分出不同粒径的土颗粒，将土颗粒中大于40mm粒径的超径料等量替换为40mm以下和粒径大于5mm的土颗粒，每次试验所用土样为3kg，配好土样之后，采用量筒量取土样体积；
(2)准备砂浆搅拌机，在砂浆搅拌机的搅拌叶片上分别打孔，每组试验前取N个尺寸相同的测试螺栓清洗干净，烘干后使用精密天平称量并记录质量，将测试螺栓安装在不同搅拌叶片的相同位置，测试螺栓数量与搅拌叶片数量相同；
(3)选用盾构现场使用的发泡剂，浓度为3％，通过泡沫发生器发泡后加入该土样体积5-15％的泡沫并搅拌均匀；
(4)现场将膨润土与水按照1：6的比例配置膨润土泥浆，加入该土样体积10-20％的膨润土泥浆；
(5)将搅拌均匀的一份土样放入搅拌桶内，将搅拌桶安装在砂浆搅拌机上，开启主电机转动搅拌叶片进行试验，试验时间为15min；
(6)试验结束后，停止主电机，取下螺杆，清洗、烘干、称量、记录每根测试螺杆试验前后的质量差，为减小试验误差取平均值作为螺栓的磨损量；通过计算求得砂卵石土磨蚀性试验的磨蚀性系数AC值。
(7)采用SPSS统计分析软件拟合出不同泡沫剂和膨润土体积参入比下磨蚀系数的计算公式：
进一步的，所述砂浆搅拌机的搅拌叶片的数量为3片。
进一步的，所述螺栓采用8.8级六角螺栓。
进一步的，所述螺栓的螺栓头设置在搅拌叶片下方，所述螺栓的螺纹端设置在搅拌叶片上方。
进一步的，所述砂浆搅拌机的转速为1000rpm。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法，结构简单，检测方便，螺栓在试验后发生了明显的磨损，螺栓的质量发生了变化，螺栓试验前后的质量差可以直观的反映出不同土体在不同情况下的磨蚀性强弱，以此来衡量土体对刀具的磨蚀性大小。
附图说明
图1为本发明的工作状态示意图。
图2不同实验组下的磨蚀系数图。
图3为三维拟合曲线与实际试验所得数据对比图。
图4为法国LCPC磨损试验仪器图。
图5为挪威SAT试验仪器图。
附图标记列表：
1、砂浆搅拌机，2、搅拌桶，3、搅拌叶片，4、测试螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图所示，本发明所述的一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法，试验装置采用砂浆搅拌机，将砂浆搅拌机的三个叶片中间分别打孔，将螺栓安装在搅拌机的三个叶片上。螺栓采用8.8级六角螺栓(抗拉强度为800MPa,屈服强度为640MPa)，重量为7.0g左右。螺栓的螺栓头设置在搅拌叶片下方，所述螺栓的螺纹端设置在搅拌叶片上方。搅拌机叶片模拟盾构刀盘，螺栓头模拟盾构刀具。
试验步骤
(1)准备土样
现场取样，将所得样品通过烘干机烘干之后通过筛分试验筛分出不同粒径的土颗粒，每次试验所用土样为3kg，将超径料等量替换为小土颗粒，配好土样之后，采用量筒量取土样体积。现场勘探的土样颗粒级配如表2所示。
表2天然砂卵石颗粒级配表
Figure GDA0002947055510000031
等量替代的方法是：选取5-40mm的颗粒，按比例等质量替换超粒径颗粒(大于40mm)。计算等量替代法法各粒组取土数量计算公式：
Figure GDA0002947055510000032
式中：Pdmax——超粒径颗粒(超过试验仪器允许的粒径40mm)含量，％；
Poi——原级配某粒组含量，％；
Pi——替代后粗粒某粒组含量，％；
P5——大于5mm粒径土的颗粒含量，％。
此方法按比例等量替换超粒径颗粒，优点是代替后的级配仍保持原来的粗粒含量，细料含量和性质不变。
本试验研究主要针对卵石土，采用等量替代法将天然砂卵石土中大于40mm粒径的超径料剔除后的颗粒级配如表3所示。
表3试验室颗粒试验级配表
Figure GDA0002947055510000033
按照表3所示的比例配置9组土样，每组土样3kg，同时测量土样的体积；
(2)准备砂浆搅拌机1，在砂浆搅拌机的三个搅拌叶片上分别打孔，每组试验前取3个尺寸相同的测试螺栓4清洗干净，烘干后使用精密天平称量并记录质量，将测试螺栓安装在不同搅拌叶片3的相同位置，
(3)选用盾构现场使用的发泡剂，配比浓度为3％，通过泡沫发生器发泡后按照不同水平的FIR加入土样体积5-15％体积的泡沫，搅拌均匀，
(4)现场按照1：6的比例配置膨润土泥浆，加入该土样体积10-20％的膨润土泥浆；
分别按5％、10％、15％不同外参比加入泡沫，按体积外参比10％、15％、20％加入膨润土，取9组式样，做磨耗试验，数据记录表格如下。
表4砂卵石层渣土改良试验表格
Figure GDA0002947055510000041
(5)将搅拌均匀的其中一份土样快速放入搅拌桶2内，将搅拌桶2安装在砂浆搅拌机1上，开启主电机转动搅拌叶片进行试验，考虑到泡沫剂的半衰期，转速为1000rpm，试验时间为15min；
(6)试验结束后，停止主电机，取下螺杆，清洗、烘干、称量、记录每根测试螺杆试验前后的质量差，为减小试验误差取平均值作为螺栓的磨损量；通过计算求得砂卵石土磨蚀性试验的磨蚀性系数AC值。
通过称量钢块在试验前后的质量差与土样质量的比值，可求得砂性土磨蚀性试验的磨蚀性系数AC值(Abrasiveness Coefficient)，AC值的大小直观的衡量了砂性土对刀具磨蚀性大小的，计算公式为：
Figure GDA0002947055510000042
式中：AC—磨蚀系数(g/t)
mpb—试验前螺栓质量(g)
mpa—试验后螺栓质量(g)
M—土样质量(t)。
磨蚀性试验结果如表5所示：
表5螺栓试验前后质量差
Figure GDA0002947055510000051
图2不同实验组下的磨蚀系数图。
由图2可知，砂卵石地层土体磨蚀性系数随着泡沫剂和膨润土体积参入量的增加而减小，具体采用何种配比需结合塌落度试验和渗透试验进一步确定。
采用SPSS统计分析软件拟合出不同泡沫剂和膨润土体积参入比下磨蚀系数的计算公式：
AC＝-0.463V1-0.513V2+25.667 R2＝0.951 (3)
式中：AC—磨蚀系数g/t；
V1—泡沫剂体积参入比，％；
V2—膨润土体积参入比，％。
计算公式(2)是原始的计算方法，与螺栓前后质量和所配土体的质量有关。
计算公式(3)是根据试验数据拟合出来的计算公式，可以根据泡沫剂和膨润土体积参入量直接计算出来。
图3为三维拟合曲线与实际试验所得数据对比图。由该图可以看出所拟合出来的计算公式与原始数据有很好的相关性。
试验原理是：本发明描绘了在砂卵石地层土体中进行的磨蚀性试验，测试螺栓4在试验前后发生了明显的磨损，螺栓表面被磨平而变得光滑，周边棱角几乎被磨平。可以预见，螺栓的质量发生变化，通过螺栓试验前后的质量差可以直观的反映出不同土体在不同情况下的磨蚀性强弱，以此来衡量土体对刀具的磨蚀性大小，结构简单，检测方便，工作效率高。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)准备土样：现场取样，取天然砂卵石土，将所得样品通过烘干机烘干，再通过筛分试验筛分出不同粒径的土颗粒，将土颗粒中大于40mm粒径的超径料等量替换为40mm以下和粒径大于5mm的土颗粒，每次试验所用土样为3kg，配好土样之后，采用量筒量取土样体积；
等量替代法各粒组取土数量计算公式：
Figure FDA0002819561990000011
式中：Pdmax——超粒径颗粒，％；
Poi——原级配某粒组含量，％；
Pi——替代后粗粒某粒组含量，％；
P5——大于5mm粒径土的颗粒含量，％；
(2)准备砂浆搅拌机，在砂浆搅拌机的搅拌叶片上分别打孔，每组试验前取N个尺寸相同的测试螺栓清洗干净，烘干后使用精密天平称量并记录质量，将测试螺栓安装在不同搅拌叶片的相同位置，测试螺栓数量与搅拌叶片数量相同；
(3)选用盾构现场使用的发泡剂，浓度为3％，通过泡沫发生器发泡后加入该土样体积5-15％的泡沫并搅拌均匀；
(4)现场将膨润土与水按照1：6的比例配置膨润土泥浆，加入该土样体积10-20％的膨润土泥浆；
(5)将搅拌均匀的一份土样放入搅拌桶内，将搅拌桶安装在砂浆搅拌机上，开启主电机转动搅拌叶片，以转速为1000rpm进行试验，试验时间为15min；
(6)试验结束后，停止主电机，取下螺杆，清洗、烘干、称量、记录每根测试螺杆试验前后的质量差，为减小试验误差取平均值作为螺栓的磨损量；通过计算求得砂卵石土磨蚀性试验的磨蚀性系数AC值；
计算公式为：
Figure FDA0002819561990000012
式中：AC—磨蚀系数(g/t)
mpb—试验前螺栓质量(g)
mpa—试验后螺栓质量(g)
M—土样质量(t)；
(7)采用SPSS统计分析软件拟合出不同泡沫剂和膨润土体积参入比下磨蚀系数的计算公式：
AC＝-0.463V1-0.513V2+25.667，R2＝0.951 (3)
式中：AC—磨蚀系数g/t；
V1—泡沫剂体积参入比，％；
V2—膨润土体积参入比，％。
2.根据权利要求1所述的一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法，其特征在于：所述砂浆搅拌机的搅拌叶片的数量为3片。
3.根据权利要求1所述的一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法，其特征在于：所述螺栓采用8.8级六角螺栓。
4.根据权利要求1所述的一种砂卵石地层渣土改良后土体磨蚀性系数的试验方法，其特征在于：所述螺栓的螺栓头设置在搅拌叶片下方，所述螺栓的螺纹端设置在搅拌叶片上方。
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