本发明属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及一种上推挤土和接触面积可调的黏土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，随着推进距离的增加，刀盘表面黏结的土体迁移和逐渐加厚，最终在刀盘表面形成泥饼，从而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防治刀盘结泥饼，具有重要的指导意义。
目前关于黏性土与金属表面的黏附力研究，大多采用面积一定、表面光滑的测盘，施加预定的荷载保持一段时间，然后卸载并拉脱测盘，进而测出黏性土的黏附力，但是这种测盘仅能测量黏附力小于内聚力条件下的黏性土黏附力，而对于黏附力大于内聚力的情况，则会导致测盘底面黏结土体，进而测不出真实的黏附力。例如，我国学者桑正中在其论文《液压电测式黏性土粘附力测定仪》中提出了一种测盘，在试验过程中就出现测盘底面与侧面黏结土体的问题。在2016年amirkhsbbazibasmenj在其论文《assessmentoftheadhesionpotentialofkaoliniteandmontmorilloniteusingapull-outtestdevice》提出了一种黏附力测试装置，虽然这一装置在试验过程中一定程度上减轻了金属测盘底面与侧面黏结土体的问题，但始终没有被完全解决。同时对于目前已存在的黏附力测试装置，在进行黏附力试验过程中仍然不能实现不同接触面积下，测定黏性土与金属表面黏附力的功能。
为克服上述不足，本发明提出一种上推挤土和接触面积可调的黏土黏附力测试装置，分析黏性土与金属接触面上的黏附力、不同接触面积下黏性土与金属表面黏附力的变化情况、以及不同土样参数下黏性土与金属接触面上的黏附力的情况，从而为黏性土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上推挤土和接触面积可调的黏土黏附力测试装置与测试方法，解决黏性土黏附力测试模型试验中，测盘底面与侧面黏结土体和黏性土与金属测盘接触面积无法改变的问题，确定黏性土与金属接触面上黏附性的变化规律，其具有防止测盘底面与侧面黏结土体、调节土样与测盘接触面积的优点，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。
一种上推挤土和接触面积可调的黏土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、定滑轮组、储水瓶、供水瓶、流量计、天平、空压机、供水桶、控压阀、压力表、水囊、阀门、软管和尼龙绳共同组成，通过空压机设置恒定压力对供水桶进行加载，使水囊在恒定水压下膨胀产生上推挤土作用，均匀地对土样进行加载，通过更换不同环形截面面积的环形金属垫板，实现土盒盖板与不同接触面积下的土样黏附力测试功能，环形金属垫板的使用有效解决了黏附力测试试验中不同接触面下黏附力测定与测盘底面黏结土样的问题。
所述的测定黏附力的装置，其特征在于，环形金属垫板通过螺栓固定在圆柱形土盒上，圆柱形土盒与环形金属垫板接触的位置设置橡胶圈，防止加载过程中土样中的颗粒或水进入环形金属垫板与圆柱形土盒的接触缝隙；
土盒盖板在环形金属垫板上方，通过螺栓固定在圆柱形土盒上，环形金属垫板与土盒盖板接触面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土盒盖板与环形金属垫板的接触缝隙；
圆柱形土盒底部中心位置开有圆孔，水囊底面用强力胶粘接在圆柱形土盒内部底面；
水囊的进水口贯穿圆柱形土盒底部中心位置的圆孔通过软管与供水桶底部连接，在供水桶底部与圆柱形土盒之间的软管上设置压力表与阀门；
供水桶的顶端通过软管与空压机连接，在供水桶顶部与空压机之间的软管上设置控压阀与阀门。
所述的测定黏附力的装置，其特征在于，圆柱形土盒的外径为23cm～25cm，内径为22cm～24cm，圆桶部分高度为20cm～21cm，腿高10cm～15cm，圆柱形土盒上部边缘厚度为0.8cm～1cm，在距离圆柱形土盒内壁2cm～3cm处厚度突变为0.5cm～0.7cm，减小厚度为环形金属垫板的厚度；
圆柱形土盒侧面同一水平面上均匀开有4-6个透气孔，透气孔的直径为0.5cm～0.6cm，透气孔内侧嵌有橡胶圈，圆柱形土盒内侧透气孔处粘贴滤水网，该滤水网只允许土样中水的流出；
圆柱形土盒底部中心位置开有圆孔，圆孔内壁通过强力胶与水囊进水口粘接，水囊底面与圆柱形土盒内部底面用强力胶粘接，其中，水囊的形状为半椭球形；
压力表的一个端口通过软管与圆柱形土盒内水囊的进水口连接，另一个端口通过软管连接阀门，用于测量试验过程中水囊内的压力。
所述的测定黏附力的装置，其特征在于，环形金属垫板设定，实现了恒定面积a0下黏性土黏附力的测试，环形金属垫板具有一定的厚度，在环形金属垫板内圆区域的土样受力将大于内圆外部区域，从而解决了测盘底面与测盘外侧边缘黏结土样的问题；
试验过程中可根据测试不同测试面积的需要，更换不同环形截面面积的环形金属垫板，实现黏附力测试装置面积可调的功能；
所述黏附力测试装置，其特征在于，黏附力测试装置的测试过程分为水囊上推土体加载和拉拔土盒盖板进行黏附力测试两个阶段。
所述黏附力测试装置，其特征在于，控压阀的设置，可以设定不同级别的恒定压力对土样均匀加载；
通过控压阀设定恒定的压力，使底部水囊上推挤土的测试方法，实现对土样的均匀加载的功能，让土样与土盒盖板底面接触应力更为均匀。
所述黏附力测试装置，其特征在于，通过供水瓶减少的水的质量提供拉拔土盒盖板的拉拔力，供水瓶中水的质量变化可以准确反映土盒盖板与土样之间黏附力的变化过程。
所述黏附力测试装置，其特征在于，所述装置土盒内的上推挤土部件为水囊、活塞中的一种。
一种上推挤土和接触面积可调的黏土黏附力测试装置的测试方法，其特征在于，采用所述的一种上推挤土和接触面积可调的黏土黏附力测试装置开展试验，具体步骤如下：
步骤1：连接好该黏附力测试装置，通过挤压完全排出水囊内的空气，并关闭水囊一侧的阀门；
步骤2：按照一定比例配制试验所需的土样，配制完成以后，分层装填于圆柱形土盒内，并分层击实直至装满圆柱形土盒，然后清除圆柱形土盒边缘处多余土样，再用螺栓将环形金属垫板固定在圆柱形土盒翼缘上，固定完毕之后，继续向圆柱形土盒内装填土样，使土样与环形金属垫板上平面平齐，最后将土盒盖板用螺栓固定在圆柱形土盒的翼缘上；
步骤3：试样装填完毕之后，打开空压机和阀门，调节控压阀设定试验所需的初始压力，通过水囊内的恒定水压均匀地对土样上推挤压加载；
步骤4：加载完毕之后，先关闭空压机，再关闭水囊一侧的阀门，最后拆除阀门以下的软管；
步骤5：拆除土盒盖板与圆柱形土盒之间的螺栓，根据根据是否需要消除真空吸力的影响，选择是否拆除圆柱形土盒上透气孔的螺栓；
步骤6：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顶部，其中，储水瓶的质量略小于土盒盖板的质量，两者的质量差为m差；
步骤7：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8：向储水瓶内加水，直至土盒盖板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，在关闭供水瓶端阀门，然后用m水减去土盒盖板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黏性土的问题，具有如下有益的效果：
(1)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。
(2)圆柱形土盒底部水囊上推挤土的测试方法，实现了对土样的均匀加载，让土样与土盒盖板底面的接触应力更加均匀。
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附力测试装置图，(b)为土样与金属界面黏附力测试加载装置图；
图2是圆柱形土盒正截面结构视图；
图3是环形金属垫板结构视图，其中(a)为环形金属垫板正截面结构视图，(b)为环形金属垫板顶面俯视图；
在附图1～附图3中，1为圆柱形土盒；2为环形金属垫板；3为土盒盖板；4为定滑轮；5为储水瓶；6为流量计；7为供水瓶；8为天平；9为空压机；10为供水桶；11为控压阀；12为压力表；13为水囊；14为阀门；15为软管；16为尼龙绳；17为土样；18为透气孔；19、20、23为不同尺寸螺栓；21为橡胶圈；22为滤水网。
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3所示，一种上推挤土和接触面积可调的黏土黏附力测试装置(如图1)，由圆柱形土盒1、环形金属垫板2、土盒盖板3、定滑轮4、储水瓶5、流量计6、供水瓶7、天平8、空压机9、供水桶10、控压阀11、压力表12、水囊13、阀门14、软管15和尼龙绳16共同组成；
其特征在于，环形金属垫板2通过螺栓19固定在圆柱形土盒1上，圆柱形土盒1与环形金属垫板2接触的位置橡胶圈21，防止加载过程中土样中的颗粒以及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3在环形金属垫板2上方，通过螺栓20固定在圆柱形土盒1上，环形金属垫2与土盒盖板3接触面靠近环形金属垫板2内圆位置，设置橡胶圈21，防止加载过程中土样中的颗粒以及水进入土盒盖板3与环形金属垫板2的接触缝隙；
圆柱形土盒1底部中心位置开有圆孔，水囊14底面用强力胶粘接在圆柱形土盒1内部底面；
水囊13的进水口贯穿圆柱形土盒1底部中心位置的圆孔通过软管15与供水桶10底部连接，在供水桶10底部与圆柱形土盒1之间的软管15上设置压力表12与阀门14；
供水桶10的顶端通过软管15与空压机9连接，在供水桶10顶部与空压机9之间的软管15上设置控压阀11与阀门14；
圆柱形土盒1(如图2)的外径为23cm～25cm，内径为22cm～24cm，圆桶部分高度为20cm～21cm，腿高10cm～15cm，圆柱形土盒1边缘厚度为0.8cm～1cm，在距离圆柱形土盒1内壁2cm～3cm处厚度突变为0.5cm～0.7cm，减小厚度为环形金属垫板2的厚度；
圆柱形土盒1侧面同一水平面上均匀开设4-6个透气孔18，试验过程中可根据需要是否要消除真空吸力的影响，选择打开或者堵住部分透气孔18；
透气孔18的直径为0.5cm～0.6cm，透气孔18内侧嵌有橡胶圈21，圆柱形土盒1内侧透气孔18处粘贴滤水网22，只允许土样中水流出；
圆柱形土盒1底部中心位置开有圆孔，圆孔内壁通过强力胶与水囊13进水口粘接，水囊13底面与圆柱形土盒1内部底面用强力胶粘接，其中，水囊13的形状为半椭球形；
压力表12的一个端口通过软管15与圆柱形土盒1内水囊13的进水口连接，另一个端口通过软管15连接阀门14，用于测量试验过程中水囊13内的压力。
环形金属垫板2(如图3)，环形金属垫板2设定，实现了恒定面积a0下黏性土黏附力的测试，环形金属垫板2具有一定的厚度，在环形金属垫板2内圆区域的土样16受力将大于内圆外部区域，从而解决了测盘底面与测盘外侧边缘黏结土样17的问题；
可根据测试不同测试面积的需要，更换不同环形截面面积的环形金属垫板2，实现黏附力测试装置面积可调的功能。
黏附力测试装置的测试过程分为水囊13上推土体加载和拉拔土盒盖板3进行黏附力测试两个阶段。
控压阀12的设置，可以设定不同级别的恒定压力对土样18均匀加载；
通过控压阀12设定恒定的压力，使底部水囊13上推挤土的测试方法，实现对土样17的均匀加载的功能，让土样17与土盒盖板底面接触应力更为均匀。
通过供水瓶7减少的水的质量提供拉拔土盒盖板3的拉拔力，供水瓶7中水的质量变化可以准确反映土盒盖板3与土样17之间黏附力的变化过程。
所述装置土盒1内的上推挤土部件为水囊、活塞中的一种。
一种上推挤土和接触面积可调的黏土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挤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：连接好该黏附力测试装置，通过挤压完全排出水囊13内的空气，并关闭水囊13一侧的阀门14；
步骤2：按照一定比例配制试验所需的土样17，配制完成以后，分层装填于圆柱形土盒1内，并捣实直至装满圆柱形土盒1，然后清除圆柱形土盒1边缘多余土样17，再用螺栓19将环形金属垫板2固定在圆柱形土盒1上，固定完毕之后，继续向圆柱形土盒1内装填土样17，使土样17与环形金属垫板2上平面平齐，最后将土盒盖板3用螺栓20固定在圆柱形土盒1上；
步骤3：试样装填完毕之后，打开空压机(9)和阀门(14)，调节控压阀(11)至试验设定的压力，通过水囊(13)内的恒定水压均匀地对土样(17)上推挤压加载；
步骤4：加载完毕之后，先关闭空压机9，再关闭水囊13一侧的阀门14，最后拆除水阀门14以下的软管15；
步骤5：拆除土盒盖板3与圆柱形土盒1之间的螺栓20，根据是否需要消除真空吸力的影响，选择是否打圆柱形土盒1上透气孔18的螺栓23；
步骤6：尼龙绳16一端连接储水瓶5，另一端绕过两个定滑轮4连接土盒盖板3顶部，其中，储水瓶5的质量略小于土盒盖板3的质量，两者的质量差为m差；
步骤7：通过供水瓶7向储水瓶5内加水，在供水瓶7的软管15上连接流量计6，以保证水流缓慢平稳的流入储水瓶5内；
步骤8：向储水瓶5内加水，直至土盒盖板3与土样17，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，在关闭供水瓶7端阀门14，然后用m水减去土盒盖板3与储水瓶5质量的差值m差，乘以重力加速度g再除以土盒盖板3与土样17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。
一种上推挤土和接触面积可调的黏土黏附力测试装置的测试方法，利用上述的一种上推挤土和接触面积可调的黏土黏附力测试装置，进行黏性土黏附力测定，可以得出黏性土与金属接触面上的黏附力的变化规律、不同接触面积下黏性土与金属表面黏附力的变化情况以及不同黏性土参数下黏性土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。