CN214224906U - 一种测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，属于测量土壤与固体界面切向粘附力技术领域，包括底板，所述底板上设置有支柱，支柱上设置有顶板，顶板上设置有伺服电机，伺服电机的输出端连接有转动轴，转动轴的底部设置有压锤；所述压锤的下方设置有试样盒，试样盒的底部设置有千斤顶，千斤顶的底部设置有电子秤；所述转动轴的中部设置有扭矩仪。本实用新型主要针对测试土壤与固体界面切向粘附力而设计，其基本思路是在根据试验目的选择土样参数和压锤性质后，使用一定压力使二者接触，操纵伺服电机使二者发生相对转动，在此过程中的最大扭矩即可反映其切向粘附力，二者分离后，土样留在压锤上的质量可反映黏附效果。

Description

一种测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置

技术领域

本实用新型涉及测量土壤与固体界面切向粘附力技术领域，具体涉及一种测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置。

背景技术

盾构法已成为我国城市地下工程建设最主要的施工方法之一，随着盾构技术的发展，其不仅应用于地铁建设领域，还在公路及铁路隧道、水电通道、联络通道、地下综合管廊等多个领域得到了应用。

盾构在粘性颗粒含量较高的软粘土地层中施工时会面临结泥饼问题。泥饼会堆积在刀具周围，使刀具的贯入度降低，使刀具产生偏磨，甚至堵塞刀盘开口，更严重的，泥饼会堵塞排土装置，引起盾构扭矩过大、刀盘磨损严重、盾构掘进姿态控制困难等，严重降低盾构掘进效率，甚至导致地表沉降过大进而带来施工安全问题。

土壤粘附是粘湿土对触土固体表面产生附着的现象，结泥饼主要就是由于盾构机掘削下的土壤颗粒粘附在盾构刀盘表面导致的，故可通过研究土壤与固体界面之间粘附现象，总结不同工况下土壤粘附力规律，对盾构刀盘泥饼的防治措施提供理论指导具有重大意义。

在盾构机运行过程中，刀盘不断旋转，土壤与刀盘之间实际是一种切向运动，而目前土壤粘附力测试装置大多为测试法向方向的粘附力，为了测量土壤与金属界面的粘附力，国内外学者采用了不同的试验装置和方法，由于缺少粘附试验统一标准，试验条件不同，研究得到的结果不具有可比性。

现有国内外相关研究中粘附试验所施加的压力大多只有几十千帕，与实际盾构施工中掌子面压力大小差距较大，且实验装置也较为复杂，参数改变过程繁琐，误差较大，影响土壤与固体界面之间切向粘附力的准确测定，甚至会影响盾构正常施工。

实用新型内容

针对现有技术的上述不足，本实用新型提供一种测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置；该测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置主要针对测试土壤与固体界面切向粘附力而设计，其基本思路是在根据试验目的选择土样参数和压锤性质后，使用一定压力使二者接触，操纵伺服电机使二者发生相对转动，在此过程中的最大扭矩即可反映其切向粘附力，二者分离后，土样留在压锤上的质量可反映黏附效果。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的一种测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，包括底板，所述底板上设置有支柱，支柱上设置有顶板，顶板上设置有伺服电机，伺服电机的输出端连接有转动轴，转动轴的底部设置有压锤；所述压锤的下方设置有试样盒，试样盒内放置有待测土壤，试样盒的底部设置有垫片，垫片的底部设置有千斤顶，千斤顶的底部设置有电子秤；所述转动轴的中部设置有扭矩仪，扭矩仪连接有计算机。

扭矩仪，又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩传感器，分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等；扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测；扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号；扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动(气动，液力)扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。

本实用新型进一步改进中，上述顶板上嵌接有轴承，所述转动轴与轴承连接。

通过上述设计，本方案可更便于转动轴的转动，更便于动力的传输。

本实用新型进一步改进中，上述转动轴的底部设置有螺纹段，螺纹段与压锤螺纹连接。

通过上述设计，本方案可更便于压锤与转动轴的拆装，试验要求不同，压锤的材质就有所不同，因此，压锤和转动轴可拆卸连接，更便于更换不同材质的压锤。

本实用新型进一步改进中，上述试样盒的内径大于压锤的直径。

通过上述设计，本方案可更便于压锤在试样盒内转动，避免压锤与试样盒发生使用干涉。

本实用新型进一步改进中，上述电子秤的四周均布有反力柱，反力柱与试样盒活动套接。

通过上述设计，本方案可更便于试样盒的稳定放置。

本实用新型进一步改进中，上述试样盒的盒缘上设置有通孔，通孔可活动套接在反力柱上。

通过上述设计，本方案可更便于试样盒的稳定放置，单纯的将试样盒放置在垫片上，可能会导致试样盒在试验过程发生位移，不利于试验的顺利进行，因此，本申请通过支撑柱(上述的反力柱)将试样盒进行位置相对固定，避免试样盒在试验中发生位移，影响试验的进行。

本实用新型进一步改进中，上述反力柱的数量至少设置有四个；所述通孔的数量与反力柱的数量相等。

通过上述设计，本方案可更便于稳定支撑试样盒，避免试样盒受力不均发生位移。

本实用新型进一步改进中，上述千斤顶上设置有垫片，垫片上放置有试样盒。

通过上述设计，本方案可更便于避免试样盒在高压作用下出现应力集中而过度变形。

本实用新型进一步改进中，上述伺服电机连接有开关，开关连接有电源或者蓄电池。

通过上述设计，本方案可更便于控制伺服电机的开关。

一种测量土壤与固体界面切向粘附力的测定方法，包括以下步骤：

(1)将测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置放置于水平面上；

(2)制备土样放置于试样盒中；

(3)将试样盒盒缘上的通孔穿过反力柱并将试样盒放置在垫片上；

(4)将压锤称重后连接到转动轴上；

(5)将电子秤校准清零；

(6)上升千斤顶，土体和固体界面产生相互作用力由电子秤读出，直至达到预设要求为止；

(7)启动伺服电机，转动轴带动压锤在待测土壤内开始转动，计算机实时记录扭矩数值，得到扭矩最大值；

(8)下降千斤顶，拆卸下压锤，测量压锤的质量；

(9)更换试样，重复步骤2～8。

通过上述设计，本方案可更便于实施。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型主要针对测试土壤与固体界面切向粘附力而设计，利用底板、支柱、顶板、伺服电机、转动轴、压锤、试样盒、千斤顶、电子秤、扭矩仪和计算机进行土壤与固体界面切向粘附力的测定，其基本思路是在根据试验目的选择土样参数和压锤性质后，使用一定压力使二者接触，操纵伺服电机使二者发生相对转动，在此过程中的最大扭矩即可反映其切向粘附力，二者分离后，土样留在压锤上的质量可反映黏附效果。

附图说明

为更清楚地说明背景技术或本实用新型的技术方案，下面对现有技术或具体实施方式中结合使用的附图作简单地介绍；显而易见地，说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1是本实用新型具体实施方式结构示意图。

图2是本实用新型试样盒通孔结构示意图。

图中所示：1-伺服电机；2-顶板；3-支柱；4-底板；5-转动轴；6-扭矩仪；7-压锤；8-反力柱；9-试样盒；10-垫片；11-千斤顶；12-电子秤；13-开关；14-计算机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

同时，本说明书中所引用的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

同时，在本说明书的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1和2所示，一种测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，包括底板4，所述底板4上设置有支柱3，支柱3上设置有顶板2，顶板2上设置有伺服电机1，伺服电机1的输出端连接有转动轴5，转动轴5的底部设置有压锤7；所述压锤7的下方设置有试样盒9，试样盒9内放置有待测土壤，试样盒9的底部设置有垫片10，垫片10的底部设置有千斤顶11，千斤顶11的底部设置有电子秤12；所述转动轴5的中部设置有扭矩仪6，扭矩仪6连接有计算机14。

所述顶板2上嵌接有轴承，所述转动轴5与轴承连接；所述转动轴5的底部设置有螺纹段，螺纹段与压锤7螺纹连接；所述试样盒9的内径大于压锤7的直径；所述电子秤12的四周均布有反力柱8，反力柱8与试样盒9活动套接；所述试样盒9的盒缘上设置有通孔，通孔可活动套接在反力柱8上；所述反力柱8的数量至少设置有四个；所述通孔的数量与反力柱8的数量相等；所述千斤顶11上设置有垫片10，垫片10上放置有试样盒9；所述伺服电机1连接有开关13，开关13连接有电源或者蓄电池。

一种测量土壤与固体界面切向粘附力的测定方法，包括以下步骤：

(1)将测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置放置于水平面上；

(2)制备土样放置于试样盒中；

(3)将试样盒盒缘上的通孔穿过反力柱并将试样盒放置在垫片上；

(4)将压锤称重后连接到转动轴上；

(5)将电子秤校准清零；

(6)上升千斤顶，土体和固体界面产生相互作用力由电子秤读出，直至达到预设要求为止；

(7)启动伺服电机，转动轴带动压锤在待测土壤内开始转动，计算机实时记录扭矩数值，得到扭矩最大值；

(8)下降千斤顶，拆卸下压锤，测量压锤的质量；

(9)更换试样，重复步骤2～8。

所述开关采用调速开关，用于调整伺服电机的转速，计算机可以实时读取扭矩数值；所述的电子秤在千斤顶下方，可反映出土体与压锤之间的作用力；

扭矩仪连接计算机，可实时监测转动轴的扭矩变化，通过读取扭矩最大值，可计算出土壤与固体界面切向粘附力为6T/πD³，其中T为扭矩最大值，D为压锤7直径，比较压锤7试验前后的质量，可评价土壤的粘附效果。

目前缺少一种可方便快捷对土壤与固体界面切向粘附力进行测试的技术，以实现不同压力，转速，土体参数和固体界面性质情况下，土壤与固体界面之间切向粘附力的测定，得到不同条件下土壤与固体界面之间的切向粘附规律。

而本实用新型通过操控电机，使压锤在一定压力下于土体表面发生扭转，计算机实时监测扭矩仪的读数，记录最大值后可计算出土壤与固体界面切向粘附力，对压锤试验前后称重可评价粘附效果；本实用新型可实现不同压力，转速，土体参数和固体界面性质情况下，土壤与固体界面之间切向粘附力的测定；本装置便于制作，各项参数可快捷选取比较，测试方法简单易行，且可实现定量分析。

在多次重复试验中，可便捷改变接触压力，压锤转速，土体参数(成分、粒径分布、含水率、孔隙率等)和固体界面性质(材料种类、表面形状、粗糙度、开口率等)等各项属性，有利于总结复杂条件下土壤与固体界面之间的切向粘附规律。

试验装置构造简约，大部分组成部件常见于一般的土工试验室，便于试验的开展和部件的替换。

试验条件更接近实际盾构施工中的情况，使测得的粘附力更接近实际数值，从而能对实际盾构施工提供有效支持。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本实用新型进行了详细描述，但本实用新型并不限于此，在不脱离本实用新型的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本实用新型的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本实用新型的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内，因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，其特征在于：包括底板，所述底板上设置有支柱，支柱上设置有顶板，顶板上设置有伺服电机，伺服电机的输出端连接有转动轴，转动轴的底部设置有压锤；所述压锤的下方设置有试样盒，试样盒内放置有待测土壤，试样盒的底部设置有垫片，垫片的底部设置有千斤顶，千斤顶的底部设置有电子秤；所述转动轴的中部设置有扭矩仪，扭矩仪连接有计算机。

2.根据权利要求1所述的测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，其特征在于：所述顶板上嵌接有轴承，所述转动轴与轴承连接。

3.根据权利要求1所述的测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，其特征在于：所述转动轴的底部设置有螺纹段，螺纹段与压锤螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，其特征在于：所述试样盒的内径大于压锤的直径。

5.根据权利要求1所述的测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，其特征在于：所述电子秤的四周均布有反力柱，反力柱与试样盒活动套接。

6.根据权利要求5所述的测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，其特征在于：所述试样盒的盒缘上设置有通孔，通孔可活动套接在反力柱上。

7.根据权利要求6所述的测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，其特征在于：所述反力柱的数量至少设置有四个；所述通孔的数量与反力柱的数量相等。

8.根据权利要求1所述的测量土壤与固体界面切向粘附力的试验装置，其特征在于：所述伺服电机连接有开关，开关连接有电源或者蓄电池。

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