CN112763365A - 一种模拟渣土改良运移的试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种模拟渣土改良运移的试验系统及方法，涉及渣土改良模拟领域，包括土仓和输送组件，土仓内安装有与土仓同轴布置的转动刀盘，驱动机构穿过土仓壁连接刀盘并能够带动刀盘沿土仓轴向往复移动，输送组件包括螺旋输送机构，螺旋输送机构穿过土仓侧壁连通土仓内腔，螺旋输送机构外部布置有多个压力传感器，能够测取螺旋输送机构内部压力场以反馈调节螺旋输送机构的排渣速度，土仓试验装置与螺旋输送机上部搭乘有膨润土、泡沫聚合物混合液注射口可进行渣土改良，并在螺旋输送机管壁外侧布置相应的称重传感器测量机体内部应力曲线以此探究渣土运移规律，从而为拓展土压平衡盾构在高渗透性、低流动性砂砾地层中的应用范围提供技术支持。
Description
技术领域
本公开涉及渣土改良模拟领域，特别涉及一种模拟渣土改良运移的试验系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
土压平衡盾构隧道掘进机开挖隧道因具有工程造价低、施工环境安全、对施工区域地面交通的正常运行干扰小、人机环境友好、掘进效率高等优点，成为了城市地铁隧道开挖的主要工法。但是随着我国隧道建设的发展，在不良地质地区修建隧道工程日益增多。施工过程中若开挖出来的土体处理不当，极易造成塌方、地表塌陷、洞身失稳等工程灾害，严重影响工程的进展，甚至威胁到现场施工人员的生命安全。
土压平衡盾构机开挖隧道时刀盘旋转，带动刀盘刀具切削掌子面，当土仓挡板被千斤顶向前推进时，渣土通过开口进入渣土仓。螺旋输送机从加压土仓中移除挖掘出的渣土。然而渣土运移装置的主要性能取决于所挖掘渣土的性质。当施工地层为淤泥及黏土细颗粒含量较少的砂层或砂砾层，切削下来的渣土缺乏塑性和流动性，且透水性也较大，会导致刀盘扭矩上升，或使渣土或水容易从出渣口喷发而出导致开挖面水土压力失稳，严重影响盾构施工安全。
发明人发现，对于盾构过程中渣土运移试验装置的设计，现有的实验室试验装置侧重于渣土运移系统中螺旋输送机试验模型的设计，探究螺旋输送机试验模块中叶片角度、螺距、螺旋输送机转速对出土量影响及螺旋输送机承压输送特性。然而盾构实际工程中渣土运移过程是由土仓系统、切削系统及螺旋输送机系统共同搭建而成，目前对于土仓系统、刀盘与螺旋输送机联合作用机制研究甚少，其联合作用试验装置更是少之又少，亟需填补此试验装置方面的空白，同时在实际施工中切削下来的渣土往往需要添加泡沫剂、膨润土泥浆和高分子聚合物进行改良，以此使渣土性能满足较低的内摩擦力、较低的透水性、良好的软黏稠度等性质，现有的试验装置往往会忽略渣土改良的问题；另外，市面现有的土仓试验装置与螺旋输送机装置的对接角度一般为水平对接，这与现实工况中螺旋输送机与土仓成一定夹角的实际情况不相符，难以满足试验需求。
发明内容
本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种模拟渣土改良运移的试验系统及方法，螺旋输送机支撑架(可实现角度可调)，土仓试验装置与螺旋输送机上部搭乘有膨润土、泡沫聚合物混合液注射口可进行渣土改良，并在螺旋输送机管壁外侧布置相应的称重传感器测量机体内部应力曲线以此探究渣土运移规律，从而为进一步拓展土压平衡盾构在高渗透性、低流动性砂砾地层中的应用范围提供技术支持。
本公开的第一目的是提供一种模拟渣土改良运移的试验系统，采用以下技术方案：
包括土仓和输送组件，土仓内安装有与土仓同轴布置的转动刀盘，驱动机构穿过土仓壁连接刀盘并能够带动刀盘沿土仓轴向往复移动，输送组件包括螺旋输送机构，螺旋输送机构穿过土仓侧壁连通土仓内腔，螺旋输送机构外部布置有多个压力传感器，能够测取螺旋输送机构内部压力场以反馈调节螺旋输送机构的排渣速度。
进一步地，所述土仓为圆柱形壳体结构，驱动机构安装在土仓上端面，土仓端面上安装有连通土仓内腔的改良液注入口。
进一步地，所述土仓内沿轴线方向布置有刀盘轨道，螺旋输送机构连通土仓内腔远离驱动机构的一端。
进一步地，所述螺旋输送机构一端通过柔性对接段连通土仓内腔，另一端设有出渣口，多个压力传感器沿螺旋输送机构轴向依次间隔布置。
进一步地，所述螺旋输送机构侧壁靠近土仓的一端设有连通螺旋输送机构内部的改良液接口。
进一步地，所述螺旋输送机构安装在支撑组件上，支撑组件包括支撑架、顶升机构、顶升支架，支撑架连接螺旋输送机构对其进行支撑，顶升机构连接支撑架，顶升支架连击螺旋输送机构靠近土仓的一端。
进一步地，所述顶升机构下端连接有万向轮，顶升机构结合顶升支架能够对螺旋输送机构轴线与水平面夹角进行调整。
本公开的第二目的是提供一种模拟渣土改良运移的试验方法，利用如上所述的模拟渣土改良运移的试验系统，包括以下步骤：
试验土体置入土仓内，并向土仓内注入渣土改良液；
刀盘转动的同时沿土仓轴向往复移动切削搅拌混合土体，直至土体与改良液混合均匀；
刀盘沿轴向移动推动改良土体输入螺旋输送机构内，经由螺旋输送机构将改良土体排出。
进一步地，所述压力传感器对螺旋输送机构不同位置处进行称重，获取螺旋输送机构内部压力场以调整螺旋输送机构的运行状态。
进一步地，所述螺旋输送机构连通有改良液接口，向螺旋输送机构内输入渣土改良液对土体进行二次改良。
与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
(1)土仓试验装置与螺旋输送机上部搭乘有膨润土、泡沫聚合物混合液注射口可进行渣土改良，并在螺旋输送机管壁外侧布置相应的称重传感器测量机体内部应力曲线以此探究渣土运移规律，从而为进一步拓展土压平衡盾构在高渗透性、低流动性砂砾地层中的应用范围提供技术支持；
(2)土仓系统上部设有泡沫与聚合物混合液注入口、膨润土注入口，使其泡沫与膨润土能够从刀盘前方注入点向前喷射。其优势在于可将泡沫与聚合物混合液、膨润土两种改良剂与土体进行混合充分，使改良土体满足较低的内摩擦力、较低的透水性、良好的塑流性和良好的粘软稠度；
(3)掘进系统中刀盘可在电机驱动作用下上下移动，刀具在刀盘旋转作用下切削搅拌土体，从而实现将土壤改良液与土体混合均匀的目的。同时由于刀盘与土体具有较大的接触面积，刀盘向下移动时可对土仓内的土体起到挤压向外排出至螺旋输送管的目的，从而实现模拟渣土运移的功效；
(4)螺旋输送机顶部设置有泡沫与聚合物混合液注入口、膨润土注入口，泡沫与聚合物混合液、膨润土从螺旋输送机上部注入口注入到螺旋输送机内部土体中，可保证特殊涂层的土体在螺管机中的改良，实现喷涌防治的目的。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1、2中试验系统的整体结构示意图；
图2为本公开实施例1、2中螺旋输送管与土仓连接的结构示意图；
图3为本公开实施例1、2中支撑组件的结构示意图；
图4是本公开实施例1、2中支撑组件的俯视示意图；
图5是本公开实施例1、2中支撑组件的侧视示意图。
图中，1：电机；2：轴承法兰盘；3：膨润土填充口；4：驱动轴；5：泡沫与聚合物混合液填充：6：土仓；7：运行轨道；8：刀盘；9：连接法兰盘；10：土仓支架；11：软钢管；12：泡沫与聚合物混合液注入口；13：膨润土注入口；14：螺旋杆；15：支撑架；16：土仓圆形限位口；17：千斤顶一；18：螺旋输送机支撑车；19：螺管输送机电机；20：压力称重传感器；21：螺管输送机托盘；22：千斤顶二；23：第一万向轮；24：压力称重传感器；25：压力称重传感器；26：膨润土聚合物注入口；27：出渣口；28：千斤顶三；29：第二万向轮；30：配合螺纹；31：螺纹；32：筒对接法兰盘；33：螺旋输送机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中对于土仓系统、刀盘与螺旋输送机联合作用机制研究甚少，其联合作用试验装置更是少之又少，亟需填补此试验装置方面的空白；针对上述问题，本公开提出了一种模拟渣土改良运移的试验系统及方法。
实施例1
本公开的一种典型的实施方式中，如图所示，提出了一种模拟渣土改良运移的试验系统。
主要包括土仓组件、输送组件、支撑组件和刀盘组件。
土仓组件作为容纳试验土体的结构，其包括土仓6、土仓支架10，土仓为壳体结构，内部设有内腔，能够容纳土体和改良液，作为土体和改良液的混合空间；
具体的，如图1所示，土仓整体呈圆柱形，刀盘安装在土仓内部，与土仓同轴布置且能够绕其轴线自转，刀盘的驱动机构安装在土仓的上端面上，驱动机构的驱动轴4穿过土仓壁连接刀盘，在带动刀盘绕轴线自转的同时，带动刀盘沿土仓轴向往复移动；
土仓系统主要由两个相同的圆筒6通过连接法兰盘9进行对接，可避免由于试验结束后土仓高度过高导致的土仓清理困难等问题，其土仓筒上部具有两个渣土改良液注入口，分别为泡沫与聚合物混合液填充口5、膨润土填充口3，以此可将土壤改良液注射到刀盘前方，从而实现土壤改良目的；土仓下部预留有螺管机软管与土仓连接的螺纹孔，便于螺管输送机与土仓对接；
土仓底部对接土仓支架，将土仓整体安装在土仓支架上。
土仓系统上部设有泡沫与聚合物混合液注入口、膨润土注入口，使其泡沫与膨润土能够从刀盘前方注入点向前喷射。
其优势在于可将泡沫与聚合物混合液、膨润土两种改良剂与土体进行混合充分，使改良土体满足较低的内摩擦力、较低的透水性、良好的塑流性和良好的粘软稠度。
对于驱动组件，由刀盘8、刀盘减速电机构成，电机通过轴承法兰盘2对接驱动轴4，驱动轴带动刀盘转动，其中土仓内沿轴线方向布置有刀盘运行轨道7，螺旋输送机构连通土仓内腔远离驱动机构的一端，刀盘在电机驱动下沿刀具运行轨道可进行上下移动并进行旋转切割，从而完成对土仓内部土体改良搅拌，土体在刀盘下压作用下从土仓与螺管机连接口排出，从而模拟渣土从开挖面排出运移的过程。
掘进系统中刀盘可在电机驱动作用下上下移动，刀具在刀盘旋转作用下切削搅拌土体，从而实现将土壤改良液与土体混合均匀的目的；
同时由于刀盘与土体具有较大的接触面积，刀盘向下移动时可对土仓内的土体起到挤压向外排出至螺旋输送管的目的，从而实现模拟渣土运移的功效。
输送组件包括螺旋输送机构，螺旋输送机构穿过土仓侧壁连通土仓内腔，螺旋输送机构外部布置有多个压力传感器，能够测取螺旋输送机构内部压力场以反馈调节螺旋输送机构的排渣速度；
所述螺旋输送机构一端通过柔性对接段连通土仓内腔，另一端设有出渣口，多个压力传感器沿螺旋输送机构轴向依次间隔布置；
所述螺旋输送机构侧壁靠近土仓的一端设有连通螺旋输送机构内部的改良液接口。
具体的，螺旋输送机构主要包括螺旋输送机33、螺管输送机电机19，螺管输送机电机驱动螺旋杆14转动，螺旋杆外部套设有多节对接的管件，管件与管件通过筒对接法兰盘32实现连接；
螺旋输送机上部留有泡沫与聚合物混合液注入口12、膨胀土注入口13。可将土壤改良液注入至螺旋输送机33内部土体中，实现防止喷涌的目的；
螺旋输送机顶部设置有泡沫与聚合物混合液注入口12、膨润土注入口13，泡沫与聚合物混合液、膨润土从螺旋输送机上部注入口注入到螺旋输送机内部土体中，可保证特殊涂层的土体在螺管机中的改良，实现喷涌防治的目的；
螺管输送机下部设有出料口，以此满足渣土排出功效，螺管输送机内部螺杆旋转是通过减速电机驱动，可以保证螺管输送机以不同转速进行工作。
对于土仓和螺旋输送机的对接，土仓6下部留有与螺旋输送管相连接的圆形限位孔16，螺旋输送机33与土仓6相对接的部分采用软钢管11作为柔性接头，以此可实现角度可变作用，方便整体角度的调节；
对于输送组件，其整体角度可进行调节，以此模拟不同螺旋输送机旋转角度下的渣土运输过程，其螺旋输送机与土仓连接段采用钢软管接头，土仓6与螺旋输送机33采用柔性软钢管11连接，软钢管11外部有螺纹30与土仓开口处进行连接配合；
软钢管内壁同样布置有螺纹31，螺管输送机接口处设置配合螺纹30，两者可进行紧密结合来实现不同管路对接的功能。
螺旋输送机构外部布置有多个压力传感器，能够测取螺旋输送机构内部压力场以反馈调节螺旋输送机构的排渣速度；
螺管输送机33外壁上均匀布置有压力称重传感器20，可将螺旋输送机33内部压力曲线绘制出来，从而较为精准模拟渣土运移过程。
对于支撑组件，所述螺旋输送机构安装在支撑组件上，支撑组件包括支撑架15、顶升机构、顶升支架，支撑架连接螺旋输送机构对其进行支撑，顶升机构连接支撑架，顶升支架连击螺旋输送机构靠近土仓的一端；
所述顶升机构下端连接有万向轮，顶升机构结合顶升支架能够对螺旋输送机构轴线与水平面夹角进行调整。
螺管输送机支撑架可实现对螺旋输送机及配套设施的支撑作用，配置有万向轮，可多方向自由移动。顶升机构为千斤顶二22和千斤顶三28，顶升支架为千斤顶一17，千斤顶二下方安装有第一万向轮23，千斤顶三下方安装有第二万向轮29，可随螺管机角度需求随时进行伸缩以达到角度调整；
在本实施例中，具体的，支撑架配合顶升机构下方的万向轮形成螺旋输送机支撑车18，确保螺旋输送机可任意角度上下移动。
实施例2
本公开的另一典型实施方式中，如图1-图5所示，提出了一种模拟渣土改良运移的试验方法。
包括以下步骤：
试验土体置入土仓内，并向土仓内注入渣土改良液；
刀盘转动的同时沿土仓轴向往复移动切削搅拌混合土体，直至土体与改良液混合均匀；
刀盘沿轴向移动推动改良土体输入螺旋输送机构内，经由螺旋输送机构将改良土体排出；
所述压力传感器对螺旋输送机构不同位置处进行称重，获取螺旋输送机构内部压力场以调整螺旋输送机构的运行状态。
进一步地，所述螺旋输送机构连通有改良液接口，向螺旋输送机构内输入渣土改良液对土体进行二次改良。
具体的，结合实施例1及附图，对上述实验方法进行详细描述：
操作中，试验土体预先放置在土仓6内部，泡沫聚合物混合液与膨润土混合液注入到刀盘8上方；
刀盘8在电机作用下沿着运行轨道7移动切削搅拌土体，从而将土体与土壤改良液搅拌混合均匀，同时在刀盘8的压力作用下，改良土体从土仓下方开口16处排出到螺旋输送机33内部；
螺旋输送机33与土仓6连接处为柔性连接11，可在下部千斤顶17作用下随意调整角度，泡沫聚合物混合液与膨润土聚合物从螺旋输送机33上部的膨润土聚合物注入口26注射到螺旋输送机33内部的土体中，对土体进行二次改良；
螺旋输送机33在电机19的驱动下叶片旋转切削土体，使土体与土体改良液充分混合，压力称重传感器20、24、25布置在螺旋送机外侧，可对螺旋输送机内部压力进行测量。
改良后的土体在螺旋叶片的带动下从排渣口27排出，从而实现模拟渣土改良及渣土运移全过程的功能。
土仓试验装置与螺旋输送机上部搭乘有膨润土、泡沫聚合物混合液注射口可进行渣土改良，并在螺旋输送机管壁外侧布置相应的称重传感器测量机体内部应力曲线以此探究渣土运移规律，从而为进一步拓展土压平衡盾构在高渗透性、低流动性砂砾地层中的应用范围提供技术支持。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟渣土改良运移的试验系统，其特征在于，包括土仓和输送组件，土仓内安装有与土仓同轴布置的转动刀盘，驱动机构穿过土仓壁连接刀盘并能够带动刀盘沿土仓轴向往复移动，输送组件包括螺旋输送机构，螺旋输送机构穿过土仓侧壁连通土仓内腔，螺旋输送机构外部布置有多个压力传感器，能够测取螺旋输送机构内部压力场以反馈调节螺旋输送机构的排渣速度。
2.如权利要求1所述的模拟渣土改良运移的试验系统，其特征在于，所述土仓为圆柱形壳体结构，驱动机构安装在土仓上端面，土仓端面上安装有连通土仓内腔的改良液注入口。
3.如权利要求2所述的模拟渣土改良运移的试验系统，其特征在于，所述土仓内沿轴线方向布置有刀盘轨道，螺旋输送机构连通土仓内腔远离驱动机构的一端。
4.如权利要求1所述的模拟渣土改良运移的试验系统，其特征在于，所述螺旋输送机构一端通过柔性对接段连通土仓内腔，另一端设有出渣口，多个压力传感器沿螺旋输送机构轴向依次间隔布置。
5.如权利要求4所述的模拟渣土改良运移的试验系统，其特征在于，所述螺旋输送机构侧壁靠近土仓的一端设有连通螺旋输送机构内部的改良液接口。
6.如权利要求1所述的模拟渣土改良运移的试验系统，其特征在于，所述螺旋输送机构安装在支撑组件上，支撑组件包括支撑架、顶升机构、顶升支架，支撑架连接螺旋输送机构对其进行支撑，顶升机构连接支撑架，顶升支架连击螺旋输送机构靠近土仓的一端。
7.如权利要求6所述的模拟渣土改良运移的试验系统，其特征在于，所述顶升机构下端连接有万向轮，顶升机构结合顶升支架能够对螺旋输送机构轴线与水平面夹角进行调整。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的模拟渣土改良运移的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
试验土体置入土仓内，并向土仓内注入渣土改良液；
刀盘转动的同时沿土仓轴向往复移动切削搅拌混合土体，直至土体与改良液混合均匀；
刀盘沿轴向移动推动改良土体输入螺旋输送机构内，经由螺旋输送机构将改良土体排出。
9.如权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述压力传感器对螺旋输送机构不同位置处进行称重，获取螺旋输送机构内部压力场以调整螺旋输送机构的运行状态。
10.如权利要求9所述的试验方法，其特征在于，所述螺旋输送机构连通有改良液接口，向螺旋输送机构内输入渣土改良液对土体进行二次改良。
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