一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置与测试方法与流程

本发明属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置与测试方法。

背景技术

盾构法施工由于掘进速度快、安全性能高、沉降利于控制、对周边环境影响小的特点，广泛应用于城市隧道施工。由于地下地质情况复杂，盾构机在富含黏土的地层中施工，被切削下来的破碎土体容易黏结在刀盘表面，并随着推进距离的加长发生迁移并逐渐增厚，最终在刀盘表面形成泥饼，造成刀盘的掘进速度急剧下降，同时还会造成刀盘油温过高使盾构无法掘进，大大降低了开挖效率。因此，研究黏性土与金属表面的黏附力对黏性土黏附机理的研究，具有重要的指导意义。

目前关于土壤与金属表面的黏附力测定多是采用表面光滑且面积一定的测盘，施加预定的荷载保持一段时间，然后卸载并拉脱测盘，进而测出土壤的黏附力，但是这种测盘仅能测量黏附力小于内聚力条件下的土壤黏附力，而对于黏附力大于内聚力的情况，则会导致测盘底面会黏结土样，进而测不出真实的黏附力。例如，桑正中在其论文《液压电测式土壤粘附力测定仪》中提出了一种测盘，在试验过程中就出现了测盘底面黏结土样问题。针对这个缺陷，任露泉在其论文《土壤粘附仪组合测盘测力原理的试验研究》中提出一种组合测盘，测盘由内盘和外盘两部分组成，内盘以一定的配合锥度与外盘组合，能够有效的测量各种土壤条件下的黏结力，虽然这种组合测盘解决了测盘底面黏结土体的问题，但是试验过程中仍然不能实现不同接触面积下，黏性土与金属表面黏附力测定的功能。

为克服上述不足，本发明提出一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置，分析黏性土与金属接触面上的黏附力、不同接触面积下土壤与金属表面黏附力的变化情况、以及不同土壤参数下土壤与金属接触面上的黏附力的情况，从而为土壤在金属表面的黏附机理研究提供有效的分析依据。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置与测试方法，解决黏性土与金属接触面黏附力测试过程中，无法改变黏性土与金属的接触面积以及试验过程中金属测盘底面黏结土体的问题，确定黏性土与金属接触面上黏附性的变化规律以及黏性土的黏附机理，其具有控制黏性土与金属接触面积以及测盘底面不黏结土体的优点，可以应用在揭示黏性土黏附机理以及刀盘结泥饼的形成机理研究的科研领域。

一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置与测试方法，由圆柱形土盒、环形金属垫板、土盒盖板i、土盒盖板ii、定滑轮、储水瓶、供水瓶、流量计、天平、空压机、压力表、控压阀、阀门、软管和尼龙绳共同组成；

通过空压机产生的压缩空气，实现对土样的下压加载，环形金属垫板固定在圆柱形土盒与土盒盖板i之间，通过改变环形金属垫板环形截面的面积，实现土盒盖板i与不同截面面积的土样黏附力的测试功能，环形金属垫板的设置有效解决了黏附力测试试验中不同接触面积下黏附力测定与测盘底面黏结土样的问题，提供了黏性土与金属接触面上黏附性的变化规律以及黏性土的黏附机理的分析依据。

所述的黏附力测试装置，环形金属垫板通过螺栓固定在圆柱形土盒上，在环形金属垫板圆柱形土盒之间设置橡胶圈，防止加载过程中的土样中的颗粒或水进入环形金属垫板与圆柱形土盒的接触缝隙；

土盒盖板i通过螺栓固定在圆柱形土盒上，在环形金属垫板与土盒盖板i之间靠近环形金属垫板内圆位置，设置橡胶圈，防止加载过程中土样中的颗粒或水进入环形金属垫板与土盒盖板i的接触缝隙；

土盒盖板ii通过螺栓固定在土盒盖板i上，在土盒盖板ii和土盒盖板i之间设置橡胶圈，防止加载过程中的土样中的颗粒或水进入土盒盖板ii与土盒盖板i之间的接触缝隙；

土盒盖板ii上端通过软管与空压机连接，在空压机与土盒盖板ii之间通过软管连接压力表、控压阀和阀门以达到读取和控制圆柱形土盒内压力大小的目的。

所述的黏附力测试装置，圆柱形土盒高度为20cm～25cm，顶部内径为15cm～20cm，底部内径为25cm～30cm，在距圆柱形土盒顶端5cm处其内侧偏移45度角，实现在加载过程中土样与圆柱形土盒内壁紧密接触；

圆柱形土盒的上边缘厚度为0.5cm～0.7cm，宽度为5cm～7cm，在距离上边缘外边界3cm～4cm处，上边缘厚度突减为0.3cm～0.5cm，突减厚度为环形金属垫板的厚度。

可根据不同测试面积的需要，通过更换不同内径的环形金属垫板，实现黏附力测试装置面积可控的功能，其中环形金属垫板的面积为圆柱形土盒顶部开口面积的1/4～2/3倍；

由于环形金属垫板具有一定的厚度，环形金属垫板内圆区域的土样受力将大于内圆外部区域，从而解决测盘底面黏土的问题。

所述的黏附力测试装置，土盒盖板i直径为30cm～35cm，在其中心位置为一直径为1.5cm～2cm的竖向金属圆管，竖向金属圆管的高度为10cm～15cm，土盒盖板i上围绕竖向金属圆管一周均匀开有4～6个直径为0.5cm～0.8cm的透气孔，透气孔内侧嵌有橡胶圈，试验过程中可根据是否需要消除真空吸力的影响，选择打开或堵住部分透气孔。

所述的黏附力测试装置，土盒盖板ii直径为3cm～4cm，在其中心位置开有上下贯通的圆孔，圆孔内壁通过强力胶与水囊进水口粘接，试验过程中水囊装入土盒盖板i的竖向金属圆管内，水囊外径与土盒盖板i的竖向金属圆管内径一致，高度为5cm～7cm，材质为橡胶材质。

所述的黏附力测试装置，其加载方式为，空压机内产生的压缩空气对水囊进行加载，水囊膨胀对土盒盖板i金属管内的土样进行下压加载，由金属管内的土样将压力传递至圆柱形土盒土样，从而实现对土样的均匀加载。

所述的黏附力测试装置，控压阀的设置可以提供不同的挤压力，从而能够较好的控制土样的变形，保证土样与土盒盖板i紧密接触；

所述的黏附力测试装置，其测试方式为，加载完毕之后，拆除土盒盖板i与圆柱形土盒之间的螺栓，通过储水瓶增加的水的质量提供土盒盖板i向上的拉拔力，因此，供水瓶中水的质量变化可以准确反映土盒盖板i与土样之间黏附力的变化过程。

所述黏附力测试装置适用于具有良好可塑变形的黏性土的黏附力测试，保证土样在下压荷载作用下，可以在竖向金属管内自由向下移动。

一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置的测试方法，其特征在于，采用所述的一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置开展试验，具体步骤如下：

步骤1：按照一定比例配制试验所需的土样，土样配制完成以后，分层装入圆柱形土盒并分层击实均匀，土样装满之后，用螺栓将环形金属垫板固定在圆柱形土盒上，固定完毕之后，继续装填土样，使土样与环形金属盖板在同一平面，然后将土盒盖板i固定在圆柱形土盒的上，固定完毕之后，向土盒盖板i的竖向金属圆管内继续加入土样，加入土样距离竖向金属圆管顶部5cm～7cm时停止添加土样；

步骤2：从土盒盖板ii中心圆孔上端向水囊加水，加水高度为水囊高度的4/5，加水完毕之后，将水囊装入土盒盖板i的竖向金属圆管内，然后用螺栓将土盒盖板ii固定在土盒盖板i；

步骤3：土盒盖板ii上端通过软管连接空压机，其中控压阀用于控制所需加载的压力，压力用于表读取圆柱形土盒内的压力大小；

步骤4：装置连接完毕之后，打开空压机和阀门，调节控压阀至设定的压力，通过水囊内的恒定水压均匀地对土样下压加载；

步骤5：加载完毕之后，不需要卸载，先关闭空压机，再关闭土盒盖板ii一侧阀门，最后拆除阀门以上的软管；

步骤6：拆除土盒盖板i与圆柱形土盒之间的螺栓，根据是否需要消除真空吸力的影响，选择是否打开土盒盖板i上透气孔的螺栓；

步骤：7尼龙绳一端连接储水瓶，另一端绕过两个定滑轮连接土盒盖板ii顶部，其中，储水瓶的质量略小于土盒盖板i的质量，两者的质量差值为m差；

步骤8：通过供水瓶向储水瓶内加水，在供水瓶的软管上连接流量计，让水流缓慢平稳的流入储水瓶内；

步骤9：向储水瓶内加水，直至土盒盖板i与土样界面完全脱开，记录此时供水瓶的质量，确定供水瓶内水的质量变化m水，再关闭供水瓶端阀门，然后减去土盒盖板i与储水瓶质量的差值m差，乘以重力加速度g再除以土盒盖板i与土样的接触面积s，即p＝(m水-m差)g/s，其中，p即为所测黏附力，m水是不断变化的，通过p＝(m水-m差)g/s即可确定黏附力随时间的变化过程，确定黏附力的峰值pmax。

有益效果

本发明解决了解决了金属与土样接触面黏附力测试模型试验中，无法改变接触面测试接触面黏附力与测盘黏结土壤的问题，具有如下有益的效果：

(1)通过使用不同内径的环形金属垫板，可以达到控制土样与土盒盖板接触面积的目的，便于研究不同接触面积对金属与土样接触界面黏附力的影响。

(2)水囊竖向加载以及环形金属垫板的使用，有效解决了金属测盘底面黏结土样，无法准确测量土样与金属界面黏附力的问题。

(3)控压阀的设置可以提供不同的挤压力，从而能够较好的控制土样的变形，保证土样金属测盘能够紧密接触。

附图说明

图1是土样与金属界面黏结力测试与加载装置图，其中(a)为土样与金属界面黏结力测试装置图，(b)为土样与金属界面黏结力测试加载装置图；

图2是圆柱形土盒结构视图，其中(a)为环形金属桶正截面结构视图，(b)为环形金属桶结构俯视图；

图3是环形金属垫板结构俯视图；

图4是土盒盖板i结构视图，其中(a)为土盒盖板i正截面结构视图，(b)为土盒盖板i结构俯视图；

图5是土盒盖板ii结构试图，该结构由土盒盖板ii和水囊两部分组成，其中(a)为土盒盖板ii结构俯视图，(b)为土盒盖板ii正截面结构视图。

在附图1～附图5中，1为圆柱形土盒；2为环形金属垫板；3为土盒盖板i；4为土盒盖板ii，5为定滑轮；6为储水瓶；7为供水瓶；8为流量计；9为天平；10为空压机；11为压力表；12为控压阀；13为阀门；14为软管；15为尼龙绳；16为土样；17为水囊；18为透气孔；19为橡胶圈；20、21、22、23为不同尺寸的螺栓。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

如图1-如图5所示，一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置(如图1)，由圆柱形土盒1、环形金属垫板2、土盒盖板i3、土盒盖板ii4、定滑轮5、储水瓶6、供水瓶7、流量计8、天平9、空压机10、压力表11、控压阀12、阀门13、软管14和尼龙绳15共同组成；

环形金属垫板2通过螺栓20固定在圆柱形土盒1上，在环形金属垫板2圆柱形土盒1之间设置橡胶圈19，防止加载过程中的土样中的颗粒或水进入环形金属垫板2与圆柱形土盒1的接触缝隙；

土盒盖板i3通过螺栓21同样固定在圆柱形土盒1上，在土盒盖板ii4和土盒盖板i3之间设置橡胶圈19，防止加载过程中的土样中的颗粒或水进入土盒盖板i3与土盒盖板ii4的接触缝隙；

土盒盖板ii4通过螺栓23固定在土盒盖板i3上，在土盒盖板ii4和土盒盖板i3之间设置橡胶圈19，防止加载过程中的土样中的颗粒或水进入土盒盖板i3与环形金属垫板2的接触缝隙；

土盒盖板ii4上端通过软管14与空压机10连接，在空压机10与土盒盖板ii4之间通过软管连接压力表11、控压阀12和阀门13以达到读取和控制圆柱形土盒1内压力大小的目的。

圆柱形土盒1(如图2(a))高度为20cm～25cm，顶部内径为15cm～20cm，底部内径为25cm～30cm，在距圆柱形土盒1顶端5cm处其内侧偏移45度角，实现在加载过程中土样与圆柱形土盒1内壁紧密接触；

圆柱形土盒1的上边缘宽度为5cm～7cm，厚度为0.5cm～0.7cm，在距离上边缘外边界3cm～4cm处，上边缘厚度减小为0.3cm～0.5cm，高度差值为环形金属垫板2的厚度。

可根据不同测试面积下测试黏性土黏附力的需要，更换不同内径的环形金属垫板(如图3)，实现黏附力测试装置面积可控的功能，其中环形金属垫板2的面积为圆柱形土盒1顶部开口面积的1/4～2/3倍；

由于环形金属垫板2具有一定的厚度，环形金属垫板2内圆区域的土样16受力将大于内圆外部区域，从而解决测盘底面黏土的问题。

土盒盖板i3的直径为30cm～35cm(如图4(a))，在其中心位置为一直径为1.5cm～2cm的竖向金属圆管，竖向金属圆管的高度为10cm～15cm，土盒盖板i3上围绕竖向金属圆管一周为4-6个直径0.5cm～0.8cm的透气孔18，透气孔18内侧嵌有橡胶圈19(如图4(b))，试验过程中可根据需要是否需要消除真空吸力的影响，选择打开或堵住部分透气孔18。

土盒盖板ii4直径为3cm～4cm(如图5(a))，在其中心位置开有上下贯通的圆孔，圆孔内壁通过强力胶与水囊17进水口粘接(如图5(b))，试验过程中水囊17填充于土盒盖板i3的竖向金属圆管内，水囊17内径与土盒盖板i3的竖向金属圆管内径一致，高度为5cm～7cm，材质为柔性橡胶。

黏附力测试装置的加载方式为，空压机10内产生的压缩气体对水囊17进行加载，水囊17膨胀对土盒盖板i3金属管内的土样16进行下压加载，由金属管内的土样16将压力传递至圆柱形土盒1土样16，从而实现对土样16的均匀加载。

控压阀12的设置可以根据需要提供相应的挤压力，从而能够较好的控制土样16的变形，保证土样16与土盒盖板i3紧密接触；

黏附力测试装置的测试方式为，加载完毕之后，拆除土盒盖板i3与圆柱形土盒1的螺栓21，通过储水瓶6增加的水的质量提供土盒盖板i3向上的拉拔力，因此，供水瓶7中水的质量变化可以准确反映土盒盖板i3与土样16之间黏附力的变化过程。

黏附力测试装置适用于具有良好可塑变形的黏性土的黏附力测试，保证土样16在下压荷载作用下可以在竖向金属管内自由向下移动。

一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置的测试方法，其特征在于，采用所述的一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置开展试验，具体步骤如下：

步骤1：按照一定比例配制试验所需的土样16，土样16配制完成以后，分层装入圆柱形土盒1并分层击实均匀，土样16装满之后，用螺栓20将环形金属垫板2固定在圆柱形土盒上，固定完毕之后，继续装填土样16，使土样16与环形金属盖板2在同一平面，然后将土盒盖板i3用螺栓21固定在圆柱形土盒1上，固定完毕之后，向土盒盖板i3的竖向金属圆管内继续加入土样16，加入土样16距离竖向金属圆管顶部5cm～7cm时停止添加土样；

步骤2：从土盒盖板ii4中心圆孔上端向水囊17加水，加水高度为水囊17高度的4/5，加水完毕之后，将水囊18装入土盒盖板i3的竖向金属圆管内，然后用螺栓23将土盒盖板ii4固定在土盒盖板i3；

步骤3：土盒盖板ii4关心圆孔上端通过软管14连接空压机10，其中控压阀12控制所需加载的压力，压力表11用于读取水囊17内的压力大小；

步骤4：装置连接完毕之后，打开空压机10和阀门13，调节控压阀12至设定的试验压力，通过水囊17内的恒定水压均匀地对土样16下压加载；

步骤5：加载完毕之后，不需要卸载，先关闭空压机10，再关闭土盒盖板ii4一侧阀门13，最后拆除阀门13以上的软管14；

步骤6：拆除土盒盖板i3与圆柱形土盒1之间的螺栓21，根据是否需要消除真空吸力的影响，选择是否拆除土盒盖板i3上透气孔19的螺栓22；

步骤7：尼龙绳15一端连接储水瓶6，另一端绕过两个定滑轮5连接土盒盖板ii4顶部，其中，储水瓶6的质量略小于土盒盖板i3的质量，两者的质量差为m差；

步骤8：通过供水瓶7向储水瓶6内加水，在供水瓶7的软管14上连接流量计8，让水流缓慢平稳的流入储水瓶6内；

步骤9：向储水瓶6内加水，直至土盒盖板i3与土样16界面完全脱开，记录此时供水瓶7的质量，确定供水瓶7内水的质量变化m水，再关闭供水瓶7端阀门13，然后用m水减去土盒盖板i3与储水瓶6质量的差值m差，乘以重力加速度g再除以土盒盖板i3与土样16的接触面积s，即p＝(m水-m差)g/s，其中，p即为所测黏附力，m水是不断变化的，通过p＝(m水-m差)g/s即可确定黏附力随时间的变化过程，确定黏附力的峰值pmax。

一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置的测试方法，利用上述的一种面积可控和下压加载的盖板式黏附力测试装置，进行土样与金属接触面上黏附力测定，可以得出土壤与金属接触面上的黏附力的变化规律、不同接触面积下土壤与金属表面黏附力的变化情况以及不同土壤参数下土壤与金属接触面上的黏附力的情况。

本发明中应用了具体实施例对发明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发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。