一种加压的单界面微距旋切测试装置和测试方法与流程

本发明属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及一种加压的单界面微距旋切测试装置和测试方法。

背景技术：

土壤黏附机械现象普遍存在于地下工程中，尤以盾构施工最为突出，盾构刀盘在旋切土体的过程中常遇到黏土堵塞及黏附机械等现象，同时由于盾构刀盘的封闭性，无法快速而准确的获取刀盘表面的黏附情况，只能根据刀盘扭矩变化等进行推测，必然存在诸多技术和理论问题以待解决；目前，实验室关于界面处微距旋切黏附力研究较少，已有旋切装置无法忽略侧摩阻力的影响，或无法测得单旋切面上的剪切应力，且界面黏附特征往往被固定的剪切面破坏掩盖，无法观测到界面残余土样的黏附状态。

目前已有的旋切或剪切力测定方法有十字板剪切试验和直剪试验，但都简化或忽略侧摩阻力和金属界面黏附对旋切的影响，如：闫澍旺等在《用十字板强度推算软黏土抗剪强度指标的方法及应用》指出现有十字板剪切强度计算将侧面和上、下底面的强度假设相等并同时发挥，得到的计算结果偏于保守，且主要反映为竖直面的抗剪强度，无法得到上下底面的剪应力；littleton在《anexperimentalstudyoftheadhesionbetweenclayandsteel》为了得到黏土与钢板间剪切参数，以光滑的钢板代替直剪试验中剪切盒的下半盒，实现了界面黏附力的测定，但无法分析界面残余黏附土样对剪切的影响，且剪切面位置固定，无法调整剪切界面的距离，无法得到真实剪切破坏面的位置和状态，也无法控制剪切过程的加载压力。

综上所述现有技术存在以下缺点：①旋切得到的抗剪强度主要反映竖直面，无法直观反映下底面的剪切黏附力；②剪切破坏面相对固定，无法反映真实剪切面的位置与应力状态；③无法分析界面残余黏附土样对剪切的影响；④旋切时无法持续对土样施加竖向荷载。

技术实现要素：

本发明提出了一种加压的单界面微距旋切测试装置和测试方法，其目的在于解决目前试验手段不能实现微距旋切黏附力测定、竖向加压旋切和单面旋切测定，通过引入金属垫圈和翼型旋切板，改变金属垫圈高度和同步旋切的方式得到不同旋切间距处的界面黏附力值和金属表面土样黏余状况。

一种加压的单界面微距旋切测试装置，包括带槽底座1、金属垫圈2、锥形滚子7、带槽环刀9、加压架11、滚珠15以及翼型旋切板17；

所述带槽底座1通过螺栓6固定金属底板5在凹槽中，金属垫圈2安插在凹槽中，内壁与金属底板5紧密接触；

所述锥形滚子7连接轴承带8与带槽底座1，锥形滚子7的下侧面固定在带槽底座1上，上侧面支撑轴承带8，并能支撑轴承带8在其上旋转；

所述轴承带8与带槽环刀9通过销栓18进行固定连接；

所述翼型旋切板17的叶片上部有突出翼缘，厚度约1-2mm，嵌入带槽环刀9与加压盖板16的卡槽中使三者紧密铆合；翼缘向上嵌入加压盖板16的高度大于加压盖板16厚度约10-15mm，且加压盖板侧面16与带槽环刀9内壁紧贴，允许加压盖板16在加压架11传递的上部荷载作用下可以上下滑动；翼缘向下嵌入带槽环刀9上环口的卡槽中约10-15mm；

所述加压架11经由滚珠15与加压盖板16连接，通过圆环12穿套在旋切板17主轴上，两端的连接钢杆10穿过带槽底座1两侧孔洞与底部的配重砝码4相连；

所述滚珠15设置在加压盖板16的环形凹槽中，滚珠15顶面与加压架11相接触，顶面高度略低于加压盖板16使加压架嵌入到加压盖板16中。

进一步地，所述金属垫圈2上边缘与翼型旋切板底边刚刚接触，不低于金属底板5顶面，并根据高出底板顶面的高度在1～10mm的微小距离变化。

进一步地，所述轴承带8与带槽环刀9通过销栓18进行固定；

翼型旋切板17的翼缘向下嵌入带槽环刀9的上部卡槽中，向上嵌入加压盖板16的卡槽中，允许加压盖板16在加压架11传递的上部荷载作用下可以上下滑动；

安装就位时，翼型旋切板17的底面金属垫圈2的顶面刚刚接触，翼型旋切板17的底面位置与由金属垫圈2的厚度控制；翼型旋切板17的主轴由驱动电源14和扭力计13固定；

翼型旋切板17在旋转过程中其高度不发生变化，通过上述卡槽连接和销栓18固定带动带槽环刀9、轴承带8、加压盖板16与其同步旋转；通过翼型旋切板17的旋转驱动和带槽环刀9和加压盖板16与内部土样3的黏结作用力，使得内部土样3与其发生同步旋转；

旋转过程中轴承带8与锥形滚子7保持光滑接触，锥形滚子7限制其竖向位移来维持装置的旋转稳定。

进一步地，所述带槽环刀9内径为50-60mm，高度在40-70mm，壁厚1-2mm；

所述翼型旋切板17叶片夹角30-60°，叶片厚度为1-2mm；

所述加压盖板16直径与带槽环刀内径相同，高度在10-20mm。

一种加压的单界面微距旋切测试方法，采用上述连接方式，具体步骤如下：

(1)在带槽底座1的凹槽中设置好试验所需的金属垫圈2和金属底板5，并用螺栓6将金属底板5固定；

(2)将带有装满土样3的带槽环刀9压入带槽底座1中，通过销栓18将轴承带8与带槽环刀9紧密连接，将翼型旋切板17从土样3上方垂直插入，上部翼缘插入带槽环刀9上部的卡槽中，随后将加压盖板16通过其中部的圆孔穿套过翼型旋切板17主轴，至下表面与土样3接触，使加压盖板16卡槽与翼型旋切板17翼缘进行咬合；

(3)将加压架11穿过翼型旋切板17的主轴，通过滚珠15与加压盖板16连接，设置试验所需配重砝码4，打开驱动电源14以一定速度旋切土体3，通过扭力计13时刻记录扭力值t1；

(4)旋切结束后，拆卸下旋切装置并取下金属底板5，观察并拍摄记录金属底板5面上的黏附状况，随后清理土样3；

(5)在无土样状态下以相同条件进行旋切，记录修正扭力值t0；

t0为常数，实际扭力值为t＝t1-t0，实际界面黏附应力值按计算，其中d为带槽环刀9内径。

有益效果

本发明提供了一种加压的单界面微距旋切测试装置和测试方法，该装置包括带槽底座、锥形滚子、带槽环刀、加压架、滚珠以及翼型旋切板；所述金属垫圈安插在凹槽中，所述锥形滚子连接轴承带与带槽底座，轴承带与带槽环刀下环口销栓连接；所述加压架经由滚珠与加压盖板连接，所述翼型旋切板的叶片上部翼缘嵌入带槽环刀与加压盖板的凹槽中；该装置通过改变金属垫圈的厚度起到微距旋切时的微小间距变化，通过加压架对土样施加竖向荷载，依靠旋切板、加压盖板以及环刀的相互卡扣咬合，配合底部轴承，可以起到消除侧摩阻力而针对界面黏附力进行测量，为受荷状态下的单界面微距旋切黏附力测量提供了一种有效的检测方法。

本发明的优点如下：

1)可通过改变金属垫圈的高度实现旋切的微距调整；

2)可通过旋切装置的相互卡扣咬合，实现除旋切下底面外其他旋切面的同步旋切，从而测定单界面微距旋切的黏附力；

3)可通过加压架的竖向加载，实现加压状态下的旋切黏附力测定；

4)可在旋切后拆除金属底板以上的装置，实现观察完整保留下的界面残余黏附土样。

附图说明

图1为本发明所述的装置剖面图；

图2为带槽底座俯视图；

图3为本发明所述的翼型旋切板、带槽环刀的加压盖板连接示意图，其中(a)为连接示意图，(b)为连接翼缘部分剖面示意图；

图4为本发明所述的加压架示意图；

图5为本发明所述的锥形滚子的示意图，其中(a)为锥形滚子环形布置俯视图，(b)为锥形滚子形状；

标号说明：带槽底座1，金属垫圈2，土样3，配重砝码4，金属底板5，螺栓6，锥形滚子7，轴承带8，带槽环刀9，连接钢杆10，加压架11，圆环12，扭力计13，驱动电源14，滚珠15，加压盖板16，翼型旋切板17，销栓18。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种加压的单界面微距旋切测试装置，包括带槽底座1、金属垫圈2、锥形滚子7、带槽环刀9、加压架11、滚珠15以及翼型旋切板17；

所述带槽底座1通过螺栓6固定金属底板5在凹槽中，金属垫圈2安插在凹槽中，内壁与金属底板5紧密接触，如图2所示；

所述锥形滚子7连接轴承带8与带槽底座1，锥形滚子7的下侧面固定在带槽底座1上，上侧面支撑轴承带8，并能支撑轴承带8在其上旋转；

所述轴承带8与带槽环刀9通过销栓18进行固定连接；

所述翼型旋切板17的叶片上部有突出翼缘，厚度约1-2mm，嵌入带槽环刀9与加压盖板16的卡槽中使三者紧密铆合；翼缘向上嵌入加压盖板16的高度大于加压盖板16厚度约10-15mm，且加压盖板侧面16与带槽环刀9内壁紧贴，允许加压盖板16在加压架11传递的上部荷载作用下可以上下滑动；翼缘向下嵌入带槽环刀9上环口的卡槽中约10-15mm；

所述加压架11经由滚珠15与加压盖板16连接，通过圆环12穿套在旋切板17主轴上，两端的连接钢杆10穿过带槽底座1两侧孔洞与底部的配重砝码4相连，如图2所示；

所述滚珠15设置在加压盖板16的环形凹槽中，滚珠15顶面与加压架11相接触，顶面高度略低于加压盖板16使加压架嵌入到加压盖板16中；

进一步地，所述金属垫圈2上边缘与翼型旋切板底边刚刚接触，不低于金属底板5顶面，并根据高出底板顶面的高度在1～10mm的微小距离变化。

进一步地，所述轴承带8与带槽环刀9通过销栓18进行固定；

翼型旋切板17的翼缘向下嵌入带槽环刀9的上部卡槽中，向上嵌入加压盖板16的卡槽中，允许加压盖板16在加压架11传递的上部荷载作用下可以上下滑动；

安装就位时，翼型旋切板17的底面金属垫圈2的顶面刚刚接触，翼型旋切板17的底面位置与由金属垫圈2的厚度控制；翼型旋切板17的主轴由驱动电源14和扭力计13固定；

翼型旋切板17在旋转过程中其高度不发生变化，通过上述卡槽连接和销栓18固定带动带槽环刀9、轴承带8、加压盖板16与其同步旋转；通过翼型旋切板17的旋转驱动和带槽环刀9和加压盖板16与内部土样3的黏结作用力，使得内部土样3与其发生同步旋转，如图3；

旋转过程中轴承带8与锥形滚子7保持光滑接触，锥形滚子7限制其竖向位移来维持装置的旋转稳定。

进一步地，所述带槽环刀9内径为50-60mm，高度在40-70mm，壁厚1-2mm；

所述翼型旋切板17叶片夹角30-60°，叶片厚度为1-2mm；

所述加压盖板16直径与带槽环刀内径相同，高度在10-20mm。

一种加压的单界面微距旋切测试方法，具体步骤如下：

a)进行试验土样3的制备，由于带槽环刀9上下环口均带有开口，故试样制备时应将环刀开口填充再用环刀取土，土样3上下表面与环刀口齐平，试样制备完毕后取下带槽环刀9上的填充物；

b)试验准备，用螺栓6将金属底板5固定在带槽底座1的凹槽中，随后将试验所需尺寸的金属垫圈2插入金属底板5外沿的凹槽中，两者内壁紧贴；将装有土样3的带槽环刀9下环口与轴承带8嵌合，并用销栓18使其连接牢固，限制环刀在旋切过程中竖向移动，如图5a所示，锥形滚子单元如图5b所示；金属垫圈2上底面与土样3下边缘接触，外壁与带槽环刀9内壁紧贴；将翼型旋切板17从土样3上方垂直插入，上部翼缘插入带槽环刀9上环口凹槽中卡扣咬合，随后加压盖板16通过中心圆孔穿过翼型旋切板17上杆端覆盖在土样3上表面，同样与旋切板的翼缘卡扣咬合，连接示意图如图3a所示；将滚珠放入加压盖板的凹槽中，滚珠尺寸在5-10mm，加压架11通过中心圆环12穿过旋切板与加压盖板16依靠滚珠15组合，圆环12内径略大于翼型旋切板17主轴直径，两者光滑连接，允许加压架11竖直方向的自由移动，如图4；加压盖板16直径略小于带槽环刀9内径，允许加压盖板16在带槽环刀9内自由移动，旋切板翼缘厚度为带槽环刀9与加压盖板16凹槽厚度之和，如图3b所示；随后将连接钢杆10通过带槽底座1上地孔洞从下部上穿连接加压架11，连接完毕后在连接钢杆10上附上配重砝码4，记录加压荷载m，最后连接翼型旋切板17上方的扭力计13与驱动电源14，试验准备完毕；

c)试验开始：

①打开驱动电源14，以1°/s～10°/s恒定速度带动翼型旋切板17、带槽环刀9和加压盖板16同步旋转，底部由于锥形滚子7的设置可大幅减小旋转时的接触摩阻，上部由于滚珠的14设置，确保加压架11位置相对固定，能稳定提供加压荷载m，记录旋切过程中扭力值最大值为t1，时刻检测扭力值大小，当趋于稳定时此时旋切面上为残余应力，关闭驱动电源；

②拆除装置时由上至下从驱动电源14、扭力计13、加压架11、加压盖板16、翼型旋切板17以及带槽环刀9，卸下螺栓6取下金属底板5以清晰观察金属界面上的残余土样黏附状态；

③观察结束后，由于旋切装置的重量不可忽略，故还需对试验装置旋切时产生的多余扭力值进行测定，从而得到修正后的单界面旋切应力值；清理装置内土样，按b)步骤再次进行无土样旋切试验，得到修正扭力值t0，故实际扭力值为t＝t1-t0，实际界面黏附应力值按计算，其中d为带槽环刀9半径。

以上所述仅是本发明技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。