CN220982970U - 一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，包括可沿操作平台滑动的加热箱、加热箱上设置的剪切盒、剪力驱动结构、应力施加结构以及数据测量系统，所剪切盒位于加热箱的上方且剪切盒和加热箱的接触面水平设置；剪力驱动结构设置于加热箱一侧，并用于驱动加热箱沿操作平台的水平滑动，应力施加结构与操作平台连接并向剪切盒施加竖直向下的压力；数据测量系统包括测力计和垂直位移传感器，测力计设置于剪切盒远离剪力驱动结构的一侧，垂直位移传感器设置于剪切盒上端。本实用新型可以用于探究温度变化对黏土‑金属界面间黏附力的影响规律，从细观角度揭示泥水盾构掘进过程中摩擦热效应下刀盘的堵塞机理。
Description
技术领域
本实用新型属于土木工程以及隧道工程领域，具体涉及一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置。
背景技术
泥水盾构或土压平衡盾构掘进时，黏结力强的黏土可能会黏在刀盘上，降低机器效率，甚至导致产能完全丧失。与之同理，在钻井作业中，遭遇黏性地层时，经常会发生钻头泥包，黏土颗粒附着在钻头上，会显著降低钻速。黏土与金属的粘连大大降低了工作效率，导致施工能耗高，甚至发生严重的工程事故。此外，在泥水盾构掘进中，黏土-刀盘界面通常会经历复杂的热变化。这些热变化进一步影响这些热活性界面的黏附强度。因此，热变化对黏土-金属界面结合强度的影响值得研究。
中国专利申请号为CN201811457172.6，申请日为2018.11.30公开了一种滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪及测量方法，包括可沿支撑板滑动的剪切仓、剪切动力系统、数据测量系统和控制系统；所述剪切仓具有可变尺寸的内腔，所述内腔用于容纳待测试试样，所述剪切仓包括可相对滑动的固定部和平移部，所述固定部位于平移部的上方且固定部和平移部的接触面水平设置。本实用新型能够解决传统剪切仪只能粗略测量界面宏观抗剪强度，需要手动加载、记录的问题。
但上述的剪切装置有如下不足之处：
1、未考虑温度变化对黏土-刀盘界面间黏附力/强度的影响；
2、未安装配备有测定孔隙水压力的传感器，不能实时监测土体热固结过程中土样的孔隙水压力。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，可以用于探究温度变化对黏土-金属界面间黏附力的影响规律，从细观角度揭示泥水盾构掘进过程中摩擦热效应下刀盘的堵塞机理。
为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是：
一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，包括可沿操作平台滑动的加热箱、加热箱上设置的剪切盒、剪力驱动结构、应力施加结构以及数据测量系统，所述剪切盒位于加热箱的上方且剪切盒和加热箱的接触面水平设置；所述剪力驱动结构设置于加热箱一侧，并用于驱动加热箱沿操作平台的水平滑动，所述应力施加结构与操作平台连接并向剪切盒施加竖直向下的压力；所述数据测量系统包括测力计和垂直位移传感器，所述测力计设置于剪切盒远离剪力驱动结构的一侧，所述垂直位移传感器设置于剪切盒上端。
进一步的，所述数据测量系统还包括孔隙水压传感器，所述孔隙水压传感器设置于剪切盒靠近剪力驱动结构的一侧。
采用垂直位移传感器和孔隙水压传感器记录热固结过程中土样的变形和孔隙水压力；采用测力计记录剪切过程中黏土-金属界面的黏附强度。
进一步的，所述加热箱内包括设置有电加热丝，所述加热箱上表面为加热平台，剪切盒和加热平台的接触面形成剪切面。所述加热箱另一侧通过连接件与温度控制器相连。
进一步的，所述加热箱的一侧与剪力驱动结构连接，所述剪切盒上设有密封顶盖，密封顶盖的上表面设有凹槽，所述凹槽中设有应力施加结构的压力杆，压力杆的顶端与应力施加结构的横梁固定连接。
进一步的，所述剪切盒上的一角处设有位置调节装置，所述位置调节装置包括与剪切盒固定连接的支撑杆，支撑杆上通过活动夹连接有活动杆，活动杆的另一端安装有垂直位移传感器。
进一步的，所述剪切盒内腔中放置有待测试样，所述待测试样上放置设有透水石，所述剪切盒可通过改变透水石的数量来调整内腔的大小，具体实现方式为透水石的放置可以改变内腔高度，从而调节试样的尺寸，采用了透水石来实现剪切盒中内腔规格的调整，调节方便简单。
进一步的，所述剪力驱动结构包括放置于操作平台的直线电动缸，直线电动缸通过线路与电动缸控制柜相连，所述直线电动缸的伸缩端与加热箱的一侧面相连接，从而带动加热箱在操作平台上做往复直线运动。
进一步的，所述操作平台上设有直线导轨，所述加热箱设置于直线导轨的上表面。采用直线导轨与加热箱配合使用的方式，直线导轨可以减少加热箱与操作平台之间的摩擦力，使得加热箱沿着操作平台的滑动更流畅。
进一步的，所述操作平台上设有固定支座，所述固定支座与剪切盒之间设有固定卡位，所述固定卡位上设有所述测力计，所述测力计的一端与剪切盒的侧面接触。
采用固定支座，固定支座能够实现测力计的轴向定位，通过固定支座与固定卡位的配合使用，方便测力计的拆装。
进一步的，所述应力施加结构包括杠杆结构，所述杠杆结构的受力部分为砝码，所述杠杆结构的力臂的一端安装有砝码，另一端与竖直杆铰接，所述竖直杆与操作平台固定连接；所述力臂靠近竖直杆的一侧铰接有支板，所述支板的两端固定有施力杆，所述施力杆的顶端与横梁连接，竖直杆的一侧固定设有配重块，所述配重块的连接杆穿过竖直杆后与挂钩连接，力臂靠近竖直杆的一端设有固定环，所述挂钩与固定环连接，固定环设置于力臂上端面。通过杠杆结构中的砝码可以方便的调节待测试样受到的竖向应力。
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种具有温度调控结构的界面直接剪切装置，可以用于探究温度变化对黏土-金属界面间黏附力的影响规律，从细观角度揭示泥水盾构掘进过程中摩擦热效应下刀盘的堵塞机理。
1、本实用新型的试验结构结构简单、操作方便、造价低廉，同时便于拆卸与运输，可快速、高效地完成不同温度加载变化下黏土-金属界面间黏附力测试试验。
2、本实用新型采用垂直位移传感器和孔隙水压力传感器记录热固结过程中土样的变形和孔隙水压力；用测力计记录剪切过程中黏土-金属界面的黏附强度，操作方便。
3、本实用新型的加热平台可为待测样品持续加热，加热平台温度可在20℃~350℃之间变化，最大加热/冷却速率为10℃·min−1。因此，通过温度控制器以及加热箱足以模拟盾构掘进过程中刀盘的加热/冷却循环过程。
4、通过设置直线电动缸，直线电动缸能够以0.01 ~ 100 mm/s的均匀位移速率发动剪切。
附图说明
图1为本实用新型一种带有温度控制结构的界面直接剪切装置原理图；
图2为本实用新型的部分结构立体示意图；
图3为本实用新型的部分结构的正视图。
图中，1操作平台，2应力施加结构，3横梁，4直线电动缸，5加热平台，6直线导轨，7剪切盒，8加压盖，9透水石，10待测试样，11垂直位移传感器，12孔隙水压传感器，13测力计，14固定支座，15施力杆，16力臂。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1所示，一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，包括可沿操作平台1滑动的加热箱、加热箱上放置的剪切盒7、剪力驱动结构、应力施加结构2以及数据测量系统，剪切盒7位于加热箱的上方且剪切盒7和加热箱的接触面水平设置；剪力驱动结构设置于加热箱一侧，并用于驱动加热箱沿操作平台1的水平滑动，应力施加结构2与操作平台1连接并向剪切盒7施加竖直向下的压力。
剪切盒7内径61.8 mm，高50 mm，加热箱内包括设置有的电加热丝，加热箱上表面为加热平台5，剪切盒7和加热平台5的接触面形成剪切面。加热箱另一侧通过连接件（线路及连接头等）与温度控制器相连。加热箱的加热平台5的面积为200 mm×200 mm，加热箱高度约为50 mm。加热平台5为不锈钢材料制作而成的平面，表面粗糙度为0.20 ~ 0.25 μm。加热平台5的温度可根据温度控制器设定的加热/冷却速率来运行。加热平台5温度可在20℃~350℃之间变化，最大加热/冷却速率为10℃·min−1。
数据测量系统包括测力计13和垂直位移传感器11，测力计13设置于剪切盒7远离剪力驱动结构的一侧，垂直位移传感器11设置于剪切盒7上端，并且垂直位移传感器11的探头与剪切盒7接触。采用垂直位移传感器11测定热固结过程中土样的变形度，数据测量系统还包括孔隙水压传感器12，孔隙水压传感器12设置于剪切盒7靠近于剪力驱动结构的一侧，即孔隙水压传感器12的一端伸入到剪切盒7内。采用孔隙水压传感器12测定热固结过程中土样的孔隙水压力；采用测力计13测定剪切过程中黏土-金属界面的黏附强度。
如图1所示，剪切盒7上设有密封顶盖，密封顶盖的上表面设有凹槽，凹槽中设有应力施加结构2的压力杆，压力杆的顶端与应力施加结构2的横梁3固定连接。剪切盒7内腔中放置有待测试样10，待测试样10上放置设有透水石9，剪切盒7可通过改变透水石9的数量来调整内腔的大小，具体实现方式为透水石9的放置可以改变内腔高度，从而调节试样的尺寸，采用了透水石9来实现剪切盒7中内腔规格的调整，调节方便简单。
如图2所示，加热箱的一侧与剪力驱动结构连接，剪力驱动结构包括放置于操作平台1的直线电动缸4，直线电动缸4通过线路与电动缸控制柜相连，直线电动缸4的伸缩端与加热箱的一侧面相连接，直线电动缸4能够以0.01 ~ 100 mm/s的均匀位移速率发动剪切。从而带动加热箱在操作平台1上做往复直线运动。
如图1所示，操作平台1上设有直线导轨6，加热箱设置于直线导轨6的上表面。采用直线导轨6与加热箱配合使用的方式，直线导轨6可以减少加热箱底部与操作平台1之间的摩擦力，使得加热箱沿着操作平台1的滑动更流畅。
剪切盒7上的一角处设有位置调节装置，位置调节装置可调节垂直位移传感器11在空间的位置。位置调节装置包括与剪切盒7固定连接的支撑杆，支撑杆上通过活动夹连接有活动杆，活动杆的另一端可拆卸安装有垂直位移传感器11，通过位置调节装置，可调节垂直位移传感器11的探头与剪切盒7的接触精度。
如图2所示，操作平台1上设有固定支座14，固定支座14与剪切盒7之间设有固定卡位，固定卡位上设有测力计13，测力计13的一端与剪切盒7的侧面接触。采用固定支座14，固定支座14能够实现测力计13的轴向定位，通过固定支座14与固定卡位的配合使用，方便测力计13的拆装以及调节测力计13的一端（检测头）与剪切盒7的接触精度。
如图3所示，应力施加结构2包括杠杆结构，杠杆结构的受力部分为砝码，杠杆结构的力臂16的一端安装有砝码，另一端与竖直杆铰接，竖直杆与操作平台1固定连接；力臂16靠近竖直杆的一侧铰接有支板，支板的两端固定有施力杆15，施力杆15的顶端与横梁3连接，竖直杆的一侧固定设有配重块（图中未显示），配重块的连接杆穿过竖直杆后与挂钩连接，力臂16靠近竖直杆的一端设有固定环，挂钩与固定环连接，固定环设置于力臂16上端面。通过杠杆结构中的砝码可以方便的调节待测试样10受到的竖向应力，稳定快速地对待测试样10施加法向力。
另外，孔隙水压传感器12、测力计13、垂直位移传感器11、温度控制器以及电动缸控制柜等通过数据线和传输线接口与数据采集控制仪信号连接， 数据采集控制仪通过数据线与计算机信号连接。计算机用于接收数据采集控制仪的数据并进行数据处理。
本实施例提供一种带有温度控制结构的界面直接剪切装置，通过设置加热箱、加热平台5和温度控制器可以用于探究温度变化对黏土-钢界面间黏附力的影响规律，从细观角度揭示泥水盾构掘进过程中摩擦热效应下刀盘的堵塞机理。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，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变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，包括可沿操作平台滑动的加热箱、加热箱上设置的剪切盒、剪力驱动结构、应力施加结构以及数据测量系统，所述剪切盒位于加热箱的上方，且剪切盒与加热箱的接触面水平设置；所述剪力驱动结构设置于加热箱一侧，并用于驱动加热箱沿操作平台的水平滑动，所述应力施加结构与操作平台连接并向剪切盒施加竖直向下的压力；所述数据测量系统包括测力计和垂直位移传感器，所述测力计设置于剪切盒远离剪力驱动结构的一侧，所述垂直位移传感器设置于剪切盒的上端。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，所述数据测量系统还包括孔隙水压传感器，所述孔隙水压传感器设置于剪切盒靠近剪力驱动结构的一侧。
3.根据权利要求1所述的一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，所述加热箱内包括设置有电加热丝，所述加热箱上表面为加热平台，剪切盒和加热平台的接触面形成剪切面。
4.根据权利要求3所述的一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，所述加热箱另一侧通过连接件与温度控制器相连。
5.根据权利要求1所述的一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，所述剪切盒上设有密封顶盖，密封顶盖的上表面设有凹槽，所述凹槽中设有应力施加结构的压力杆，压力杆的顶端与应力施加结构的横梁固定连接；所述剪切盒内腔中放置有待测试样，所述待测试样上铺设有透水石。
6.根据权利要求5所述的一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，所述剪切盒上的一角处设有位置调节装置，所述位置调节装置包括与剪切盒固定连接的支撑杆，支撑杆上通过活动夹连接有活动杆，活动杆的另一端安装有垂直位移传感器。
7.根据权利要求5所述的一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，所述应力施加结构包括杠杆结构，所述杠杆结构的受力部分为砝码，所述杠杆结构的力臂的一端安装有砝码，另一端与竖直杆铰接，所述竖直杆与操作平台固定连接；所述力臂靠近竖直杆的一侧铰接有支板，所述支板的两端固定有施力杆，所述施力杆的顶端与横梁连接。
8.根据权利要求1所述的一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，所述加热箱的一侧与剪力驱动结构连接，所述剪力驱动结构包括放置于操作平台的直线电动缸，直线电动缸通过线路与电动缸控制柜相连，所述直线电动缸的伸缩端与加热箱的一侧面相连接，从而带动加热箱在操作平台上做往复直线运动。
9.根据权利要求1所述的一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，所述操作平台上设有直线导轨，所述加热箱设置于直线导轨的上表面。
10.根据权利要求1所述的一种具有温度调控结构的界面直接剪切测试装置，其特征在于，所述操作平台上设有固定支座，所述固定支座与剪切盒之间设有固定卡位，所述固定卡位上设有所述测力计，所述测力计的一端与剪切盒的侧面接触。
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