CN110806380A - 一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置和测试方法，该装置包括传动链带、圆柱滚子、铰接底座、带槽环刀、加压杠杆以及转动锥；所述传动链带水平环绕带槽环刀侧面与扭力计连接；所述圆柱滚子固定在带槽底座上，与带槽环刀滑动连接，所述铰接底座与倒置的旋切板杆端相铰接；所述带槽环刀内壁设有凹槽，以便旋切板通过凹槽嵌入带槽环刀中，所述加压杠杆通过转动锥与加压盖板连接；该装置通过铰接底座实现旋切板与金属界面的旋切距离控制，通过旋切板与带槽环刀的相互嵌合实现整体式旋切，同时点接触式的加压杠杆保证稳定的加压荷载，并依靠传动装置提供并记录扭力值，是测量受荷状态下黏附界面附近的剪切应力的一种有效检测方法。
Description
技术领域
本发明属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及一种杠杆加压的下穿式整体旋 切测试装置和测试方法。
背景技术
土压平衡盾构以其高效、清洁被广泛地应用在城市地下交通建设中，但和诸多触土机械 一样，都不可避免地会遇到土壤黏附问题，在富黏土地层中尤其严重，大量的土壤黏附刀盘 会导致刀盘扭矩增大，破坏开挖面稳定和降低开挖效率，无疑给盾构施工增加了难度；目前， 实验室关于界面附近旋切的剪切应力研究较少，已有旋切装置无法忽略竖直面上剪切应力， 或无法测得旋切底面上剪切应力，且界面黏附特征往往被固定的剪切面破坏掩盖，无法观测 到界面残余土样的黏附状态。
目前已有的旋切或剪切力测定方法有十字板剪切试验和直剪试验，但都简化或忽略竖直 向的剪切应力和界面黏附对旋切的影响，如：邓如勇在《盾构刀盘结泥饼的机理及处置措施 研究》指将直剪试验仪改装以研究金属与土体界面的剪切黏附力，对比界面试块表面黏附情 况可知，直剪试验的固定剪切面会破坏金属界面表面土样的黏附状态，且剪切面人为固定， 无法得到真实剪切面的位置；Liu在《Tangential adhesion strengthbetween clay and steel for various soil softnesses》中将金属圆盘放置在圆柱土样中测定界面剪切黏附力，避免了竖直侧 面剪切黏附力的影响，但无法忽略土样容器内壁对剪切黏附力的影响，同时圆盘与土体接触 容易产生真空负压，与土体表面接触不良等问题。
综上所述现有技术存在以下缺点：①剪切破坏面相对固定，无法反映真实剪切面的位置 与应力状态②无法分析界面残余黏附土样对剪切的影响③旋切时无法持续对土样施加竖向荷 载④无法实现整体旋切，导致存在内壁摩擦阻力等干扰因素。
发明内容
本发明提出了一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置和测试方法，其目的在于解决目 前试验手段不能实现黏附界面处附近的剪切应力测定、竖向加压旋切和整体式旋切，通过引 入铰接底座、加压杠杆和带槽环刀，改变铰接底座高度和竖向荷载，以整体式旋切来得到不 同旋切间距处的界面黏附力值和金属表面土样黏余状况。
一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置，包括传动链带1、圆柱滚子5、铰接底座7、 带槽环刀10、加压杠杆12以及转动锥13；
所述传动链带1水平环绕带槽环刀10侧面，连接至驱动电机3上方的扭力计2；
所述圆柱滚子5固定在带槽底座4上环形凹槽中，上表面与带槽环刀10滑动连接，可减 少带槽环刀10旋切时在接触面的摩擦阻力，同时维持装置的水平稳定；
所述铰接底座7位于带槽底座4正下方，与倒置的旋切板15杆端相铰接，限制其竖向位 置但不限制水平旋转；
所述带槽环刀10内壁设有与旋切板15叶片数量和厚度相同的凹槽，以便旋切板15通过 凹槽嵌入带槽环刀10中；旋切板15进入土样并与带槽环刀进行嵌合，实现整体式旋切；
所述加压杠杆12通过转动锥13与加压盖板14连接，转动锥13与加压盖板14为点接触； 加压杠杆12的竖向转动距离与加压盖板14的竖向位移一致；杆上连接砝码11形成单臂杠杆， 加压杠杆12上的配重11与转动锥13的力臂比在1-2.5左右，杆件为轻质杠杆，对试验无影 响。
进一步地，所述传动链带1由驱动电机3提供传动动力，上部设置扭力计2时刻记录扭 力值变化，传动链带1与带槽环刀10侧面齿合连接，旋切开始之前带槽环刀10与传动链带 1被驱电机3固定，不发生转动。
进一步地，所述铰接底座7设由不同的高度范围为1-20mm，通过更换不同尺寸的铰接底 座7以改变旋切板15与金属底板(8)的旋切间距，减小旋转的摩擦阻力。
进一步地，所述带槽环刀9内径为60-80mm，高度在40-70mm，壁厚5-10mm，凹槽深度在2-4mm；
所述旋切板16叶片夹角30-60°，叶片厚度为1-2mm；
所述加压盖板15直径与带槽环刀10内径相同，高度在10-20mm，且质量较小旋切时与 装置同步旋转；
所述圆柱滚子5为钢制圆杆，高度在2-5mm；金属底板直径与带槽环刀内径一致，厚度 在5-10mm。
一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试方法，采用以上连接方式，具体实施步骤如下：
(1)在带槽底座4的凹槽中设置金属底板8，并用螺栓9将金属底板8固定；
(2)将带有装满土样6的带槽环刀10压入带槽底座4的凹槽中，并使圆柱滚子5与带槽环刀10滑动连接，通过传动链带1连接带槽环刀10与扭力计2，再下推土样6至下表面 与金属底板8刚刚接触，随后将旋切板16从土样6上方垂直插入，杆端下穿装置与试验所需 尺寸的铰接底座7相铰接；
(3)将加压盖板14装入带槽环刀10覆于土样6上方，通过转动锥13与加压杠杆12连接，在杆端连接试验所需配重11，先后打开扭力计2和驱动电源3，以一定速度旋切土体6，通过扭力计2时刻记录扭力值T1；
(4)旋切结束，拆除时按照传动链带1、加压杠杆12、加压盖板14、旋切板15以及带槽环刀10的顺序拆除，卸下螺栓9取下金属底板8以清晰观察并拍摄记录金属底板上的残余土样黏附状态随后清理土样6；
(5)在无土样状态下以相同条件进行旋切，记录修正扭力值T0；
T0为常数，实际扭力值为T＝T1-T0，实际界面黏附应力值按
计算，其中D为 带槽环刀10内径，d为旋切板15杆端直径。
有益效果
本发明提供了一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置方法，该装置包括传动链带、圆 柱滚子、铰接底座、带槽环刀、加压杠杆以及转动锥；所述传动链带水平环绕带槽环刀侧面 与扭力计连接；所述圆柱滚子固定在带槽底座上，与带槽环刀滑动连接，所述铰接底座与倒 置的旋切板杆端相铰接；所述带槽环刀内壁设有凹槽，以便旋切板通过凹槽嵌入带槽环刀中， 所述加压杠杆通过转动锥与加压盖板连接；该装置通过铰接底座实现旋切板与金属界面的旋 切距离控制，通过旋切板与带槽环刀的相互嵌合实现整体式旋切，同时点接触式的加压杠杆 保证稳定的加压荷载，并依靠传动装置提供并记录扭力值，是测量受荷状态下黏附界面附近 的剪切应力的一种有效检测方法。
本发明的优点如下：
1)可通过改变铰接底座的高度改变旋切板的旋切位置，同时约束竖直位移并能够水平旋 转；
2)可通过旋切板与带槽环刀的相互嵌合，实现柱状旋切面的各面的同步旋切，对黏附界 面附近的剪切黏附力进行测定；
3)可通过转动锥连接加压杠杆与加压盖板，实现加压状态下的水平无摩擦转动；
4)可更换金属底板并在旋切后拆除上覆装置，实现观察完整保留下的界不同金属界面残 余黏附土样。
附图说明
图1本发明所述的装置结构剖面图；
图2为本发明所述的转动锥连接示意图；
图3为本发明所述的旋切板、加压盖板和传动链带连接示意图；
图4为本发明所述的旋切板意图；
图5为本发明所述的圆柱滚子示意图，其中，(a)为圆柱滚子俯视图，(b)为圆柱滚子单元；
标号说明：传动链带1，扭力计2，驱动电机3，带槽底座4，圆柱滚子5，土样6，铰接 底座7，金属底板8，螺栓9，带槽环刀10，砝码11，加压杠杆12，转动锥13，加压盖板14， 旋切板15。
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的说明。
如图1所示，一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置，包括传动链带1、圆柱滚子5、 铰接底座7、带槽环刀10、加压杠杆12以及转动锥13；
所述传动链带1水平环绕带槽环刀10侧面，连接至驱动电机3上方的扭力计2；
所述圆柱滚子5固定在带槽底座4上环形凹槽中，上表面与带槽环刀10滑动连接，可减 少带槽环刀10旋切时在接触面的摩擦阻力，同时维持装置的水平稳定；
所述铰接底座7位于带槽底座4正下方，与倒置的旋切板15杆端相铰接，限制其竖向位 置但不限制水平旋转；
所述带槽环刀10内壁设有与旋切板15叶片数量和厚度相同的凹槽，以便旋切板15通过 凹槽嵌入带槽环刀10中；旋切板15进入土样并与带槽环刀进行嵌合，实现整体式旋切；
所述加压杠杆12通过转动锥13与加压盖板14连接，转动锥13与加压盖板14为点接触； 加压杠杆12的竖向转动距离与加压盖板14的竖向位移一致；杆上连接砝码11形成单臂杠杆， 加压杠杆12上的配重11与转动锥13的力臂比在1-2.5左右，杠杆为轻质杆件，对试验无影 响。
进一步地，所述传动链带1由驱动电机3提供传动动力，上部设置扭力计2时刻记录扭 力值变化，传动链带1与带槽环刀10侧面齿合连接，旋切开始之前带槽环刀10与传动链带 1被驱电机3固定，不发生转动。
进一步地，所述铰接底座7设由不同的高度范围为1-20mm，通过更换不同尺寸的铰接底 座7以改变旋切板15与金属底板(8)的旋切间距，减小旋转的摩擦阻力。
进一步地，所述带槽环刀9内径为60-80mm，高度在40-70mm，壁厚5-10mm，凹槽深度在2-4mm；
所述旋切板16叶片夹角30-60°，叶片厚度为1-2mm；
所述加压盖板15直径与带槽环刀10内径相同，高度在10-20mm，且质量较小旋切时与 装置同步旋转；
所述圆柱滚子5为钢制圆杆，高度在2-5mm；金属底板直径与带槽环刀内径一致，厚度 在5-10mm。
一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置和测试方法，具体实施步骤如下：
a)进行土样6的制备，由于带槽环刀10内壁有凹槽且凹槽较窄，故试验制备时应在环内 内壁涂抹凡士林填充凹槽，土样6上下表面与环刀口齐平；
b)试验准备，用螺栓9将试验所需金属底板8固定在带槽底座上的凹槽中，如图5a，给 图5b中的圆柱滚子5涂上润滑油，滚子上下底面大小略微不同，间存在较小的间隙，允许其环绕相对滚动，如图5b，随后将装有土样6的的带槽环刀10的下环口安装至圆柱滚子5 上方，与圆柱滚子5组成一个环形轴承带，以减小转动摩擦并限制其竖向位移；随后将传动 链带1围绕带槽环刀10侧面一周齿轮咬合，将带槽环刀10与扭力计2和驱动电机3连接， 此时电机3与扭力计2处于关闭状态，传动链带1起到限制带槽环刀的水平转动，如图3； 通过加压盖板14将土样6向下压入带槽底座4的凹槽中，使土样6下底面与金属底板8相接 触，随后取出加压盖板14，将旋切板15杆端向下压入土样6中，使旋切叶片外缘嵌入带槽 环刀10内壁的凹槽中，利用与旋切板15杆端直径相同的杆件继续下推旋切板15，直至旋切 板15下杆端与铰接支座7安装连接，旋切板15如图4；随后附上加压盖板14到带槽环刀内 10，将加压杠杆12的转动锥13压入加压盖板14的弧形凹槽中微微接触，使加压盖板14在 旋切时与带槽环刀10同步旋转，如图2；随后在加压杠杆上连接砝码11，试验准备完毕；
c)试验开始：
①打开驱动电机3，以1°/s～10°/s较小的恒定速度通过传动链带1带动带槽环刀10以及内部嵌合 的旋切板15同步旋切土体6，底部由于圆柱滚子5的设置可大幅减小旋切时的接触摩阻，上部由于加压盖 板14与土体6接触，受到转动锥13点接触式的加压荷载且质量较小，加压盖板14与旋切装置同步旋切， 且转动约束较小，记录加压杠杆上的力距比N以及加压荷载M，记录旋切过程中的扭力值最大值为T1， 时刻记录扭力值大小，当扭力值趋于稳定时，此时旋切面上为残余应力较小，关闭驱动电机；
②旋切结束，拆除时按照传动链带1、加压杠杆12、加压盖板14、旋切板15以及带槽环刀10的顺序拆除，卸下螺栓9取下金属底板8以清晰观察并拍摄记录金属底板上的残余土样黏附状态，随后清理土样，在无土样状态下以相同条件进行旋切，记录修正扭力值T0
③T0为常数，实际扭力值为T＝T1-T0，实际界面黏附应力值按
计算，其中D 为带槽环刀10内径，d为旋切板15杆端直径。
以上所述仅是本发明技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也 应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置，其特征在于，包括传动链带(1)、圆柱滚子(5)、铰接底座(7)、带槽环刀(10)、加压杠杆(12)以及转动锥(13)；
所述传动链带(1)水平环绕带槽环刀(10)侧面，连接至驱动电机(3)上方的扭力计(2)；
所述圆柱滚子(5)固定在带槽底座(4)上环形凹槽中，上表面与带槽环刀(10)滑动连接，可减少带槽环刀(10)旋切时在接触面的摩擦阻力，同时维持装置的水平稳定；
所述铰接底座(7)位于带槽底座(4)正下方，与倒置的旋切板(15)杆端相铰接，限制其竖向位置但不限制水平旋转；
所述带槽环刀(10)内壁设有与旋切板(15)叶片数量和厚度相同的凹槽，以便旋切板(15)通过凹槽嵌入带槽环刀(10)中；旋切板(15)进入土样并与带槽环刀进行嵌合，实现整体式旋切；
所述加压杠杆(12)通过转动锥(13)与加压盖板(14)连接，转动锥(13)与加压盖板(14)为点接触；加压杠杆(12)的竖向转动距离与加压盖板(14)的竖向位移一致；杆上连接砝码(11)形成单臂杠杆，加压杠杆(12)上的配重(11)与转动锥(13)的力臂比在1-2.5左右，杆件为轻质杠杆，对试验无影响。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传动链带(1)由驱动电机(3)提供传动动力，上部设置扭力计(2)时刻记录扭力值变化，传动链带(1)与带槽环刀(10)侧面齿合连接，旋切开始之前带槽环刀(10)与传动链带(1)被驱电机(3)固定，不发生转动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铰接底座(7)设由不同的高度范围为1-20mm，通过更换不同尺寸的铰接底座(7)以改变旋切板(15)与金属底板(8)的旋切间距，减小旋转的摩擦阻力。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述带槽环刀(9)内径为60-80mm，高度在40-70mm，壁厚5-10mm，凹槽深度在2-4mm；
所述旋切板(16)叶片夹角30-60°，叶片厚度为1-2mm；
所述加压盖板(15)直径与带槽环刀(10)内径相同，高度在10-20mm，且质量较小旋切时与装置同步旋转；
所述圆柱滚子(5)为钢制圆杆，高度在2-5mm；金属底板直径与带槽环刀内径一致，厚度在5-10mm。
5.一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置开展模型试验，具体步骤如下：
(1)在带槽底座(4)的凹槽中设置金属底板(8)，并用螺栓(9)将金属底板(8)固定；
(2)将带有装满土样(6)的带槽环刀(10)压入带槽底座(4)的凹槽中，并使圆柱滚子(5)与带槽环刀(10)滑动连接，通过传动链带(1)连接带槽环刀(10)与扭力计(2)，再下推土样(6)至下表面与金属底板(8)刚刚接触，随后将旋切板(16)从土样(6)上方垂直插入，杆端下穿装置与试验所需尺寸的铰接底座(7)相铰接；
(3)将加压盖板(14)装入带槽环刀(10)覆于土样(6)上方，通过转动锥(13)与加压杠杆(12)连接，在杆端连接试验所需配重(11)，先后打开扭力计(2)和驱动电源(3)，以一定速度旋切土体(6)，通过扭力计(2)时刻记录扭力值T1；
(4)旋切结束，拆除时按照传动链带(1)、加压杠杆(12)、加压盖板(14)、旋切板(15)以及带槽环刀(10)的顺序拆除，卸下螺栓(9)取下金属底板(8)以清晰观察并拍摄记录金属底板上的残余土样黏附状态随后清理土样(6)；
(5)在无土样状态下以相同条件进行旋切，记录修正扭力值T0；
T0为常数，实际扭力值为T＝T1-T0，实际界面黏附应力值按
计算，其中D为带槽环刀(10)内径，d为旋切板(15)杆端直径。
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