CN210863501U - 一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，由带槽底座、金属垫圈、土样、销栓I～III、金属底板、螺栓、环刀、护壁圆筒、滤纸、透水板、扭力计、驱动电源、加压盖板、旋切板和滑动圆环共同组成，通过金属垫圈改变旋切板与金属底板的距离，通过驱动电源以不同恒定速率驱动旋切板，并通过扭力计记录剪切荷载，实现在不同旋切距离下以不同速率剪切土样的剪切荷载的测试功能，金属垫圈的设置有效解决了改变旋切板与金属底板微小旋切间距的问题，护壁圆筒的设置有效解决了在试验结束后观察金属底板上土样剪切破坏特征的问题，约束体变的界面附近黏附力分层测试装置是研究界面附近旋切黏附力和黏附差异性特征的一种有效手段。
Description
技术领域
本实用新型属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置。
背景技术
土壤黏附现象普遍存在于地下工程的施工作业中，尤以城市隧道的施工机械最为突出，盾构刀盘在旋切土体的过程中常遇到黏土堵塞及黏附机械等现象，从而导致刀盘扭矩增大，损伤机械，降低盾构掘进可控性并延缓施工进度。
如何减少盾构施工中的刀盘黏附现象，是亟待研究和解决的重要课题。研究黏性土与金属接触界面附近旋切黏附力和黏附差异性特征，不仅对实际施工具有重要的指导意义，同样对如何研究微距差异下的黏附力，亟需一套相对可靠的试验装置与理论依据。
目前已有的旋切或剪切力测定方法为十字板剪切试验或直剪试验两种方法，但都未涉及微距旋切和金属面残余土样对旋切力的影响，如：邓念东等在其论文《中细砂与有机玻璃界面剪切行为》中利用直剪仪改装进行相关界面剪切试验，将剪切破坏面设定在干燥砂土与有机玻璃的接触面，从而测定其剪切强度等参数。此方法选用干燥砂土以减少界面黏附的影响，缺少对界面黏附的考虑，且此方法中剪切破坏面相对固定，无法反映剪切面的位置以及界面附近的应力应变状态；Littleton在《An experimental study of theadhesion between clay and steel》为了得到黏土与钢板间剪切参数，以光滑的钢板代替直剪试验中剪切盒的下半盒，实现了界面黏附力的测定，但无法分析界面残余黏附土样对剪切的影响，且剪切面位置固定，无法调整剪切界面的距离，无法得到真实剪切破坏面的位置和状态。
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忽略了界面层附近残余土层对黏附力的影响③无法测量较小旋切距离下的界面分层黏附力，或无法良好控制旋切深度在较小误差内保持恒定。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种可以在约束体变得情况下，测量与土体一金属接触界面相隔微小距离处的旋切黏附力的测量装置，同时还可以清晰观察旋切后金属界面上的黏附状况，所获结果给研究盾构刀盘作业时的黏附力学性质和黏附特征提供可靠参考。
为进一步实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，由带槽底座、金属垫圈、土样、销栓I、金属底板、螺栓、环刀、护壁圆筒、滤纸、透水板、扭力计、驱动电源、加压盖板、销栓II、旋切板、销栓III和滑动圆环共同组成；
所述旋切板侧边紧靠环刀内侧滑动圆环，消除了旋切时环刀对旋切板的黏附阻力，且叶片间夹角较小，在旋切结束后能带走大量土以清晰观察金属底板上土样的黏附情况，向下与金属垫圈紧密接触，向上依次穿过土样、滤纸、透水板和加压盖板，直至通过扭力计与驱动电源连接，以达到控制旋切速度和读取扭力的目的；
所述护壁圆筒通过销栓III安装在带槽底座上，通过销栓II固定上部加压盖板，在试验结束后，同步拆卸下护壁圆筒和旋切板可以清晰地观察残留在金属底板上的土样黏附特征；
所述透水板下底面与环刀接触，其间夹带有滤纸、板上预留孔洞以方便试验时旋切板进入土样，在放置土样前将透水板上条缝堵塞，并将土样从环刀压入带槽底座直至与金属底板紧密接触，至旋切前，通过透水板孔洞将旋切板压入土样，并利用销栓II固定透水板上方的加压盖板以维持土样体积恒定，约束旋切过程中的土样发生体变；
所述金属垫圈内径略大于金属底板，安装在凹槽底面的开口中，金属底板被销栓I固定在带槽底座上，通过改变金属垫圈高度以达到改变金属底板与旋切板间微小的旋切间距。
有益效果
1.本实用新型通过改变金属垫圈的高度来改变微小旋切间距，实现了旋切间距的微小变化，并能保证旋切板离金属面的距离在旋切过程中保持恒定。
2.本实用新型采用的金属底板可拆卸更换，满足了不同金属界面材料与光洁度的要求。
3.本实用新型采用采用加压盖板和透水板，以约束土样在旋切过程中的体积变化
4.本实用新型采用的滑动圆环减少了土样与旋切板与环刀内侧的摩擦，以及旋切板上下底面的等效计算，实现了针对微小旋切距离处的黏附力测定。
附图说明
图1为本实用新型结构剖面图；
图2为本实用新型的旋切板示意图；
图3为本实用新型的透水板示意图；
图4为本实用新型的环刀、环刀垫圈和滑动圆环示意图以及对称剖面图，其中(a)为环刀、环刀垫圈和滑动圆环示意图，(b)为环刀、环刀垫圈和滑动圆环的对称剖面图；
其中在图1～图4中，1为带槽底座；2为金属垫圈；3为土样；4为销栓I；5为金属底板； 6为螺栓；7为环刀；8为护壁圆筒；9为滤纸；10为透水板；11为扭力计；12为驱动电源；13为加压盖板；14为销栓II；15为旋切板；16为滑动圆环；17为销栓III；18为环刀垫圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作更进一步的说明。
一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置(如图1)，包括带槽底座1、金属垫圈2、土样3、销栓I4、金属底板5、螺栓6、环刀7、护壁圆筒8、滤纸9、透水板10、扭力计11、驱动电源12、加压盖板13、销栓II14、旋切板15、滑动圆环16和销栓III17共同组成；
旋切板15(如图2)侧边紧靠环刀7内侧滑动圆环16(如图4)，消除了旋切时环刀7对旋切板15的黏附阻力，且叶片间夹角较小，在旋切结束后能带走大量土以清晰观察金属底板5上土样3的黏附情况，向下与金属垫圈2紧密接触，向上依次穿过土样3、滤纸9、透水板10和加压盖板13，直至通过扭力计11与驱动电源12连接，以达到控制旋切速度和读取扭力的目的；
护壁圆筒8通过销栓III17安装在带槽底座1上，通过销栓II14固定上部加压盖板13，在试验结束后，同步拆卸下护壁圆筒8和旋切板15可以清晰地观察残留在金属底板5上的土样3黏附特征；
透水板10(如图3)下底面与环刀7接触，其间夹带有滤纸9、板上预留孔洞以方便试验时旋切板15进入土样3，在放置土样3前将透水板10上条缝堵塞，并将土样3从环刀7压入带槽底座1直至与金属底板5紧密接触，至旋切前，通过透水板10孔洞将旋切板15压入土样3，并利用销栓II14固定透水板10上方的加压盖板13以维持土样3体积恒定，约束旋切过程中的土样3发生体变；金属垫圈2内径略大于金属底板5，安装在凹槽底面的开口中，金属底板5被销栓I4固定在带槽底座1上，通过改变金属垫圈2高度以达到改变金属底板 5与旋切板15间微小的旋切间距。
金属垫圈2被安装在带槽底座1的凹槽中，旋切时与旋切板15的底边刚刚接触，接触力较小，金属垫圈2上边缘不低于金属底板5的顶面高度；
更换不同高度的金属垫圈2，设置微小的高度变化如：1mm、2mm、3mm、4mm、6mm、 8mm和10mm七种尺寸，满足测试微小距离的改变所引起的旋切力变化的功能。
金属底板5通过两个销栓I4固定在带槽底座1上，并通过加压盖板13施加的压力保证在旋切时金属底板5与带槽底座1紧密接触，通过更换不同材料和光洁度的金属底板5，实现不同金属与光洁度下的旋切黏附力测定的功能。
护壁圆筒8通过销栓III17被固定在带槽底座1上，在试验结束后，可同步拆卸下护壁圆筒 8和旋切板15以方便观察金属底板5上的黏附差异性特征。
加压盖板13中心位置留有上下贯通的圆孔；当旋切板15插入土中后，允许加压盖板13通过中心圆孔穿过旋切板15上部的连杆下移，此连杆可以在其后与扭力计11相连。
驱动电源12通过扭力计11与旋切板15上部的连杆相连接，提供不同的恒定旋切速度以测试在不同旋切速度下的旋切荷载。
扭力计11设置在驱动电源12与旋切板15之间，既可以起到连接键的作用，方便旋切板 15的安装与拆卸，同时也时刻记录旋切荷载的扭力值大小。
透水板10厚度为10mm～15mm，直径与环刀7和内径相同，均为50mm～60mm，且环刀7高度为40mm～60mm，透水板10外边缘与环刀7内侧的滑动圆环16紧密接触。
透水板10设有条缝以便旋切板15穿过透水板10向下压入土样(3)进入土样，在旋切板 15完全进入土样3后，用与旋切板15相同的材料将透水板10的条缝堵塞，防止土颗粒在旋切过程中进入透水板10，条缝数量与旋切板15的叶片数量一致。
滑动圆环16设置在环刀7内侧(如图4(b))，且圆环与环刀7的接触面相对光滑且涂有润滑油，圆环内侧与旋切板15和土样3接触，以减少旋切时土样3侧面与环刀7内侧的摩擦阻力对试验结果的影响。旋切板15叶片夹角为45°～60°，钢制叶片厚度为1mm～2mm，较小的叶片夹角保证护壁圆筒8和旋切板15同步拆卸过程中能夹带较多的土样3，以清晰观察残留在金属底板5上的黏附差异性征。
本实用新型的工作过程如下：
步骤1：按照所需比例配置试验土样3，土样3配置完成以后，将环刀7与环刀垫圈18组装(如图4(a))，在内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，将环刀7与环刀垫圈18垂直下压，用切土刀沿环刀外侧切削土样3，边压边削至土样3上下表面与环刀7与环刀垫圈18口齐平；
步骤2：通过调节螺栓6的高度将带槽底座1水平固定，再将护壁圆筒8通过栓III17固定在带槽底座1上，安装完毕以后，将试验所需金属底板5通过销栓I4固定在带槽底座1上，并将试验所需规格的金属垫圈2安插在金属底板5外围的凹槽中；
步骤3：取下环刀垫圈18，将装有土样3的环刀7刃口向下放入护壁圆筒8，在土样3上表面铺设滤纸9，再将透水板10中的条缝堵塞，并用透水板10将环刀7内的土样3与滤纸9压入金属垫圈2，直至土样3下底面与金属底板5紧密接触；
步骤4：取出透水板10中的条缝堵塞，将旋切板15从土样3上方，垂直向下穿过透水板10的条缝插入土样3，直至无法继续向下移动，使旋切板15下边缘与金属垫圈2刚刚接触，接触压力不大；
步骤5：旋切板15安装完毕后，通过加压盖板13中心位置预留的孔洞，将加压盖板13 整个穿过旋切板15至护壁圆筒8上方，轻微挤压土样3，使透水板10上表面与加压盖板13下表面紧密接触，并通过销栓II14固定在护壁圆筒8上；
步骤6：将扭力计11一端与旋切板15上部的连杆相连，另一端与驱动电源12相连，驱动电源12根据试验需要设置不同的旋切速度，试验开始后，先打开扭力计11，记录旋切板15因旋切土样3所带来的扭力值，确定旋切黏附力的变化曲线和峰值Pmax，再打开驱动电源12，观察扭力值大小，当扭力值开始减小并趋于恒定值Pf时，关闭驱动电源12，旋切试验结束，当旋切间距较大时(10mm)对旋切黏附力影响较小，此时可认为旋切板旋切柱体上下底面旋切应力相同为P10，同时因滑动圆环的设置，旋切柱体侧面旋切应力可忽略，故切应力
r为旋切叶片单侧半径；
步骤7：旋切结束后，拆除扭力计11，随后拆除销栓III17，将护壁圆筒8连同其中的土样3一并移除，观察并拍摄记录金属底板5上的土样黏附情况。
一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，利用上述装置，进行在不同微小旋切距离下以不同速率剪切土样的剪切黏附力的测定，可以得出土壤与金属接触面外微小间距处的黏附力变化、不同金属材质和光洁度下的黏附力与不同旋切速率下的旋切黏附力的情况。
本实用新型中应用了具体实施例对实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对实用新型的限制。
以上所述仅是本实用新型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，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，由带槽底座(1)、金属垫圈(2)、土样(3)、销栓I(4)、金属底板(5)、螺栓(6)、环刀(7)、护壁圆筒(8)、滤纸(9)、透水板(10)、扭力计(11)、驱动电源(12)、加压盖板(13)、销栓II(14)、旋切板(15)、滑动圆环(16)和销栓III(17)共同组成；
所述旋切板(15)侧边紧靠环刀(7)内侧滑动圆环(16)，消除了旋切时环刀(7)对旋切板(15)的黏附阻力，且叶片间夹角较小，在旋切结束后能带走大量土以清晰观察金属底板(5)上土样(3)的黏附情况，向下与金属垫圈(2)紧密接触，向上依次穿过土样(3)、滤纸(9)、透水板(10)和加压盖板(13)，直至通过扭力计(11)与驱动电源(12)连接，以达到控制旋切速度和读取扭力的目的；
所述护壁圆筒(8)通过销栓III(17)安装在带槽底座(1)上，通过销栓II(14)固定上部加压盖板(13)，在试验结束后，同步拆卸下护壁圆筒(8)和旋切板(15)可以清晰地观察残留在金属底板(5)上的土样(3)黏附特征；
所述透水板(10)下底面与环刀(7)接触，其间夹带有滤纸(9)、板上预留孔洞以方便试验时旋切板(15)进入土样(3)，在放置土样(3)前将透水板(10)上条缝堵塞，并将土样(3)从环刀(7)压入带槽底座(1)直至与金属底板(5)紧密接触，至旋切前，通过透水板(10)孔洞将旋切板(15)压入土样(3)，并利用销栓II(14)固定透水板(10)上方的加压盖板(13)以维持土样(3)体积恒定，约束旋切过程中的土样发生体变；
所述金属垫圈(2)内径略大于金属底板(5)，安装在凹槽底面的开口中，金属底板(5)被销栓I(4)固定在带槽底座(1)上，通过改变金属垫圈(2)高度以达到改变金属底板(5)与旋切板(15)间微小的旋切间距。
2.根据权利要求1所述的一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，金属垫圈(2)被安装在带槽底座(1)的凹槽中，旋切时与旋切板(15)的底边刚刚接触，接触力较小，金属垫圈(2)上边缘不低于金属底板(5)的顶面高度；
更换不同高度的金属垫圈(2)，设置微小的高度变化如：1mm、2mm、3mm、4mm、6mm、8mm和10mm七种尺寸，满足测试微小距离的改变所引起的旋切力变化的功能。
3.根据权利要求1所述的一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，金属底板(5)通过两个销栓I(4)固定在带槽底座(1)上，施加的压力保证在旋切时金属底板(5)与带槽底座(1)紧密接触，通过更换不同材料和光洁度的金属底板(5)，实现不同金属与光洁度下的旋切黏附力测定的功能。
4.根据权利要求1所述的一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，护壁圆筒(8)通过销栓III(17)被固定在带槽底座(1)上，在试验结束后，可同步拆卸下护壁圆筒(8)和旋切板(15)以方便观察金属底板(5)上的黏附差异性特征。
5.根据权利要求1所述的一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，加压盖板(13)中心位置留有上下贯通的圆孔；当旋切板(15)插入土中后，允许加压盖板(13)通过中心圆孔穿过旋切板(15)上部的连杆下移，此连杆可以在其后与扭力计(11)相连。
6.根据权利要求1所述的一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，驱动电源(12)通过扭力计(11)与旋切板(15)上部的连杆相连接，提供不同的恒定旋切速度以测试在不同旋切速度下的旋切荷载。
7.根据权利要求1所述的一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，扭力计(11)设置在驱动电源(12)与旋切板(15)之间，既可以起到连接键的作用，方便旋切板(15)的安装与拆卸，同时也时刻记录旋切荷载的扭力值大小。
8.根据权利要求1所述的一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，透水板(10)直径与环刀(7)内径相同，透水板(10)外边缘与环刀(7)内侧的滑动圆环(16)紧密接触；
透水板(10)设有条缝以便旋切板(15)穿过透水板(10)向下压入土样(3)进入土样，在旋切板(15)完全进入土样(3)后，用与旋切板(15)相同的材料将透水板(10)的条缝堵塞，防止土颗粒在旋切过程中进入透水板(10)，条缝数量与旋切板(15)的叶片数量一致。
9.根据权利要求1所述的一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，滑动圆环(16)设置在环刀(7)内侧，且圆环与环刀(7)的接触面相对光滑且涂有润滑油，圆环内侧与旋切板(15)和土样(3)接触，旋切板(15)旋转带动滑动圆环(16)同步旋转；滑动圆环(16)的设置消除了旋切时环刀(7)对旋切板(15)的黏附阻力，可以忽略旋切板(15)旋切过程中的侧向阻力。
10.根据权利要求1所述的一种约束体变的界面附近黏附力分层旋切测试装置，其特征在于，所述局部黏附力测试装置适用于测试具有良好可塑性的黏性土，旋切板(15)叶片夹角较小，保证护壁圆筒(8)和旋切板(15)同步拆卸过程中能夹带较多的土样(3)，以清晰观察残留在金属底板(5)上的黏附差异性特征。
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| CN109765177A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-05-17 | 华中农业大学 | 一种水田土壤黏附力测量仪 |
| CN109765177B (zh) * | 2019-03-14 | 2022-06-28 | 华中农业大学 | 一种水田土壤黏附力测量仪 |
| CN114397337A (zh) * | 2022-01-29 | 2022-04-26 | 江苏徐工工程机械研究院有限公司 | 土壤粘附力测试装置及方法 |
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| CN114577512A (zh) * | 2022-02-27 | 2022-06-03 | 南京林业大学 | 测定刀盘界面起始减黏含水率的取样装置与取样方法 |
| CN114577512B (zh) * | 2022-02-27 | 2023-08-15 | 南京林业大学 | 测定刀盘界面起始减黏含水率的取样装置与取样方法 |
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