一种用于模拟土压平衡盾构施工中土体改良的试验装置的制作方法

本实用新型涉及土压平衡盾构隧道施工领域，具体涉及一种用于模拟土压平衡盾构施工中土体改良的试验装置。

背景技术：

土压平衡盾构隧道施工时，开挖范围内的土体在刀盘的切削搅拌作用下进入泥土仓，通过控制螺旋出土器的出土量来使盾构开挖进出土平衡，以控制土仓内的土压力值，从而保持开挖面的稳定性。在此过程中，土体粘性、摩擦性、刀盘扭矩大小是影响盾构机掘进效率的重要因素。对于地质条件不佳的地层(如红黏土地层)，施工过程中会出现许多问题，如刀盘扭矩过大、刀具结泥饼等。这些问题直接影响到盾构机的掘进速度和掘进成本，严重时可以影响到工程的成败，所以对盾构机开挖土体添加合适的土体改良剂进行土体改良具有重要意义。

在土压平衡盾构土体改良实验中，一般通过搅拌实验来测定改良土体的粘性、产生的搅拌扭矩大小。目前常见的土压平衡盾构改良实验中土体搅拌装置，操作繁琐，造价较高，并且对于高粘性土体(粉土、红黏土等)的适应性差，搅拌效率低，测量数据不可靠。因此非常有必要研究一种操作简单，造价低廉，并且能较好的适应粘性土的搅拌，提高搅拌效率，准确测量实验数据的试验装置。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的公开了一种用于模拟土压平衡盾构施工中土体改良的试验装置，它包括搅拌机构和泡沫发生机构；

所述搅拌机构包括底座，所述底座顶部靠左侧设有一竖直的固定支柱，所述固定支柱顶部设有数控开关和数显三相电压电流表，所述固定支柱上滑动安装有一水平的刚悬臂支撑，所述刚悬臂支撑上设有一拧紧装置，用于将所述刚悬臂支撑固定于所述固定支柱上，所述刚悬臂支撑上固定一竖直安装的电机，所述电机通过传动轴设有一搅拌器，所述底座顶部设有一搅拌桶，所述底座顶部前后两端对称设有一螺栓固定器，用于将所述搅拌桶固定于所述底座上；

所述泡沫发生机构包括一三通阀、一空压机和一改良剂溶液罐，所述三通阀包括二进口和一出口，所述空压机通过导管连接其中一所述进口，所述改良剂溶液罐通过一微型水泵和导管连接另外一所述进口，所述出口通过出水管延伸至所述搅拌桶内，所述出水管上设有一流量控制阀，用于调节出水管内溶液的流量大小。

优选地，所述搅拌器为锚框式搅拌器，所述搅拌器包括一搅拌轴和固设于所述搅拌轴底部的锚式叶轮，所述搅拌轴顶部连接所述传动轴，所述锚式叶轮的外廓与所述搅拌桶内壁形状相同，且所述锚式叶轮的底部为锥形。

优选地，所述出水管出口的高度高于所述锚式叶轮顶部的高度。

优选地，所述螺栓固定器包括一螺杆和一螺纹固定座，所述螺杆一端螺纹穿过所述螺纹固定座后固设有一弧形固定座，所述弧形固定座的弧度与所述搅拌桶外壁弧度相同，所述螺杆另一端固设有一调节手柄。

优选地，所述刚悬臂支撑包括一体化设置的移动部和支撑部，所述移动部为包围在所述固定支柱外壁的环状结构，所述移动部内设有一贯穿的螺孔，所述拧紧装置可在所述螺孔内移动，所述支撑部为矩形。

优选地，所述拧紧装置为一手拧螺栓，所述手拧螺栓一端与所述螺孔配合螺纹连接，另一端固设一手柄。

优选地，所述固定支柱的竖直方向上等间距设有若干固定孔，所述固定孔直径与所述手拧螺栓的直径相同。

优选地，所述电机内设有一变速器。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本装置针对粘性土层高粘聚力的特点，搅拌器选择锚式叶轮，可使搅拌实验过程中土样搅拌更加均匀，同时防止壁面附着，提高搅拌质量，更接近土压平衡盾构机刀盘掘进过程的实际情况，从而提高对试验中渣土的搅拌效率。

(2)本装置采用数显三相电压电流表，数据读取方便且精确可靠。在搅拌试验过程通过读取的电压、电流值计算装置做功功率，进而推得出搅拌扭矩，用于评价改良后土体的粘性、刀盘扭矩等性能。

(3)本装置选用电机额定转速为1000rpm，可通过调节电机变速器，降低转速，以适应不同的实例中盾构机的平均转速。

(4)本装置可以通过流量控制器，来精确调控改良剂泡沫注入到搅拌桶内的加入量，即泡沫注入比。

(5)本装置结构简单可靠，造价低廉，且操作简便，便于拆卸搬运，环境适应性好。

附图说明

图1是本实用新型种用于模拟土压平衡盾构施工中土体改良的试验装置的结构示意图；

图2是图1中的局部俯视图。

图中：

1、底座 2、固定支柱 3、数控开关 4、数显三相电压电流表 5、刚悬臂支撑 51、移动部 52、支撑部 6、电机 7、传动轴 8、搅拌器 81、搅拌轴 82、锚式叶轮 9、螺栓固定器 91、螺杆 92、螺纹固定座 93、弧形固定座 94、调节手柄 10、搅拌桶 11、三通阀 12、空压机 13、改良剂溶液罐 14、导管 15、微型水泵 16、出水管 17、流量控制阀 18、手拧螺栓 181、手柄 19、变速器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本实用新型的实施例公开了一种用于模拟土压平衡盾构施工中土体改良的试验装置，它包括搅拌机构和泡沫发生机构；

所述搅拌机构包括底座1，所述底座1顶部靠左侧设有一竖直的固定支柱2，所述固定支柱2上滑动安装有一水平的刚悬臂支撑5，所述刚悬臂支撑5上设有一拧紧装置，所述拧紧装置可将所述刚悬臂支撑5固定于所述固定支柱2上。

在本实施方式中，所述固定支柱2为圆形支柱，所述刚悬臂支撑5包括移动部51和支撑部52，所述移动部51为包围在所述固定支柱2外壁的圆环结构，所述支撑部52为一体化置于所述移动部51外表面的矩形结构，所述支撑部52相对一侧的所述移动部51内壁设有一贯穿的螺孔，所述拧紧装置为一手拧螺栓18，所述手拧螺栓18一端螺纹穿过所述螺孔，另一端固设一手柄181，通过转动手柄181可将所述手拧螺栓18转动穿过所述螺孔并与所述固定支柱2接触，由此可实现所述刚悬臂支撑5在所述固定支柱2的任意高度上固定。

特别地，所述固定支柱2的竖直方向上等间距设有若干固定孔，所述固定孔直径与所述手拧螺栓18的直径相同，由此转动所述手柄181可使所述手拧螺栓18进入至所述固定孔内，这样所述刚悬臂支撑5与所述固定支柱2间的固定效果更佳，同时上下调节所述刚悬臂支撑5的高度时，可以保证调节的高度均相同。

所述刚悬臂支撑5上固定一竖直安装的电机6，所述电机6内设有一变速器19，可实现对于电机6转动速率的调节，本装置选用电机6额定转速为1000rpm，可通过调节变速器19，降低转速，以适应不同的实例中盾构机的平均转速。同时，电机6也可以采用变频电机来调节电机转速，在此不做赘述。所述电机6动力输出端通过传动轴7设有一搅拌器8，所述搅拌器8为锚框式搅拌器，所述底座1顶部设有一搅拌桶10，所述搅拌器8置于所述搅拌桶10内，电机6工作带动搅拌器8转动对搅拌桶10内的溶液进行搅拌，所述搅拌器8包括一搅拌轴81和固设于所述搅拌轴81底部的锚式叶轮82，所述锚式叶轮82的外廓与所述搅拌桶10内壁形状相同，且所述锚式叶轮82的底部为锥形，这样可以增大搅拌范围，还可以带走搅拌桶10壁上的残留物或者液层，使得搅拌实验过程中土样搅拌更加均匀，同时防止壁面附着，提高搅拌质量，更接近土压平衡盾构机刀盘掘进过程的实际情况，从而提高对试验中渣土的搅拌效率。

所述底座1顶部前后两端对称设有一螺栓固定器9，所述螺栓固定器9包括一螺杆91和一螺纹固定座92，所述螺杆91一端螺纹穿过所述螺纹固定座92后固设有一弧形固定座93，所述弧形固定座93的弧度与所述搅拌桶10外壁弧度相同，所述螺杆91另一端固设有一调节手柄94，通过转动调节手柄94可以实现弧形固定座93的前后移动，由此位于所述底座1顶部前后两端的螺栓固定器9可接触并压紧所述搅拌桶10外壁，进而将所述搅拌桶10固定于所述底座1上。

所述泡沫发生机构包括一三通阀11、一空压机12和一改良剂溶液罐13，所述三通阀11包括二进口和一出口，所述空压机12通过导管14连接其中一所述进口，所述改良剂溶液罐13通过一微型水泵15和导管14连接另外一所述进口，微型水泵15可对所述改良剂溶液罐13中的溶液进行抽取，并在空压机12的作用下形成改良剂泡沫，所述出口通过出水管16延伸至所述搅拌桶10内，由此可将上述改良剂泡沫注入至搅拌桶10内与试验土样混合，所述出水管16上设有一流量控制阀17，可精准调控出水管16内改良剂泡沫的泡沫注入比。所述出水管16出口的高度高于所述锚式叶轮82顶部的高度，保证搅拌器8在工作时不会碰到出水管16，保证装置的顺利工作。

所述固定支柱2顶部设有数控开关3和数显三相电压电流表4，所述数控开关3可连接控制电源，作为线路通断的开关，所述数显三相电压电流表4可以实时显示装置工作时的电压值和电流值，数据读取方便且精确可靠，在搅拌试验过程通过读取的电压、电流值计算装置做功功率，进而推得出搅拌扭矩，用于评价改良后土体的粘性、刀盘扭矩等性能。

具体操作步骤如下：

首先通过转动手柄181调节所述刚悬臂支撑5的升降，控制所述电机6和搅拌器8的高度，将所述搅拌桶10内装入土样，并通过所述螺栓固定器9固定在所述底座1上，再将所述刚悬臂支撑5落下，并调整所述搅拌器8至合适位置，调节所述变速器19使电机6转速符合试验要求，同时在所述改良剂溶液罐13内加入调配好的改良剂溶液，开启所述数控开关3，电机6工作带动搅拌器8转动搅拌，所述数显三相电压电流表4实时显示所述电机6的电流值和电压值，随后打开所述微型水泵15和空压机12的开关，待改良剂发泡稳定之后，将泡沫注入至搅拌桶10内中与试验土样混合，同时继续记录电压、电流值。在此过程中，通过流量控制阀17调控泡沫注入比。最后，关闭电机6，提升刚悬臂支撑5，松开螺栓固定器9，取出搅拌桶10，倒出土样(可直接用于塌落度试验)，清洁搅拌桶10，为下一组搅拌实验做准备。

本实用新型中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。