1.本发明属于盾构隧道施工领域，特别涉及多年冻土地层中盾构掘进致融与含冰泥饼形成模型试验装置与试验方法。
背景技术：
2.盾构机在掘进过程中，时常会遇到土体黏附或堵塞盾构刀盘的现象。黏附力是土体与结构物通过水分子吸附所产生的吸引力，盾构机刀盘在土体中进行切削和挤压过程中，极易在刀盘中心位置形成高强泥饼，并逐渐向四周扩散，导致刀盘和刀具被包裹，无法有效切削土层，使得盾构掘进效率降低，大大增加了施工周期和施工成本。随着交通基础设施的发展，将会有更多的盾构隧道工程穿越多年冻土区，冻土在盾构掘进荷载作用下会产生融化，进而引起含冰冻土黏结在刀盘上，使得研究盾构掘进致融与含冰泥饼形成变得十分必要。
3.检索发现，肖宇豪在《电渗法降低黏性土黏附力室内试验》中，采用自制的牵引传动黏附力测定装置，测量在不同含水率下黏性土黏附力的最大值；刘成在《土体含水率和金属波纹状表面对界面黏附力影响》中，采用自行设计的黏附力拉拔试验装置，通过缠绕金属丝实现测锥表面波纹凸起效果，分析了不同波纹凸起程度以及土体含水率变化对界面黏附特征的影响。现有试验装置主要针对不同含水率的土体，来测量金属界面与土体之间的黏附情况，不仅缺乏对含冰冻土黏附特性的研究，相关研究更是无法实际解决冻土地层掘进过程中遇到的掘进致融与含冰泥饼形成问题。
4.因此，现有技术无法测定盾构掘进引起的融化情况和刀盘表面黏结含冰泥饼的规律，更不能解决在冻土地层中盾构结泥饼的问题。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于解决现有技术存在的不足和缺陷，盾构掘进致融与含冰泥饼形成模型试验装置与试验方法，通过计算不同因素下冻土的黏性量，统计土体的黏附量与土体的初始含水率、冻结时间、控制温度以及掘进参数的关系，总结得出盾构掘进引起的融化情况和刀盘表面黏结含冰泥饼的规律。
6.盾构掘进致融与含冰泥饼形成模型试验装置，该装置包括支撑架1、螺栓i 2、电机3、转轴4、螺栓ii 5、控温装置6、刀盘7、保温箱8、金属箱9、冻土10、支撑平台11、弹簧12；
7.所述电机3通过螺栓i 2与支撑架1相连；
8.所述电机3下部的转轴4通过螺栓ii 5与刀盘7相连，刀盘可自由拆卸；电机3启动后，通过转轴4带动刀盘7转动；
9.所述控温装置6放置在保温箱8上；控温装置6通过通风管13与外部空调出风口相连，达到控制冻土层外部温度的目的；
10.所述保温箱8置于支撑平台11之上；支撑平台11底部与弹簧12相连，弹簧12的压缩作用可将保温箱8向上顶推，能够让刀盘7完全接触冻土；弹簧12的初始压缩量决定了刀盘
的顶推力。
11.盾构掘进致融与含冰泥饼形成模型试验装置的试验方法，采用上述的盾构掘进致融与含冰泥饼形成模型试验装置连接，具体步骤如下：
12.①
根据实验需求制备不同含水率w0的土样，配置均匀后分层压实装入金属箱；
13.②
将装有土样的金属箱放入冷冻箱中，设定一个冻结温度t，介于-5
°
～-20
°
之间，经t时间的冻结，得到某个冻结程度的冻土10，改变冻结时间t可以得到不同冻结程度的冻土10；
14.③
将装有冻土10的金属箱9，装入保温箱8内，顶部安装上控温装置6，控温装置6温度设定为t’，通过设置不同的t’来模拟不同的外界温度；
15.④
测定刀盘的原始质量m0，随后通过螺栓ii 5安装在电机的转轴下端；
16.⑤
掘进盾构刀盘7，使刀盘7触碰并深入冻土土层，导致冻土内部冰晶结构的破坏，进而冻土发生局部融化现象，含冰冻土产生了黏结作用，黏结在刀盘7的底部表面；掘进参数γ包括掘进时的刀盘顶推力和转速，影响冻土内部冰晶结构的破坏程度；
17.⑥
将刀盘7卸下，测定此时刀盘7的质量m，与原始质量m0相比，得出附着在刀盘7上的黏性土质量：m
黏
，由此来计算刀盘7上的黏附量m
黏
＝m-m0；
18.⑦
调节土体的初始含水率w0、冻结时间t、控制温度t’以及掘进参数γ等参数，重复步骤
①
～
⑥
，得到相应的黏附量m
黏
。
19.进一步地，通过测定刀盘上黏附的含冰冻土质量m
黏
与土体的初始含水率w0、冻结时间t、控制温度t’以及掘进参数γ的关系，得到盾构掘进引起的融化情况和刀盘表面黏结含冰泥饼的规律，从而为冻土地层中盾构结泥饼的预防提供分析依据。
20.有益效果
21.本发明提供了盾构掘进致融与含冰泥饼形成模型试验装置与试验方法，该装置包括支撑架1、螺栓i 2、电机3、转轴4、螺栓ii 5、控温装置6、刀盘7、保温箱8、金属箱9、冻土10、支撑平台11、弹簧12；所述保温箱上部设有一个控温装置，以此来提供一个恒温的环境；电机固定在转轴上；电机带动刀盘将金属箱内含冰冻土块搅拌粘稠；通过测定刀盘上黏附的含冰冻土质量，可以得到不同初始含水率w0的土样经过不同冻结时间在控制温度t’以及掘进参数γ的条件下，与冻土黏附性的关系。
22.本发明的优点如下：
23.1)通过控制稳定的低温环境，保证冰的含量在搅拌前后不会出现较大的变化，准确的测定出对应含冰程度的冻土的黏附量；
24.2)通过测定不同初始含水率、不同含冰程度的冻土，在不同的恒温条件、刀盘掘进参数下，进行测定，得到盾构掘进引起的融化情况和刀盘表面黏结含冰泥饼的规律，从而为冻土地层中盾构结泥饼的预防提供分析依据。
附图说明
25.图1为本发明所述的装置结构示意图；
26.标号说明：支撑架1、螺栓i 2、电机3、转轴4、螺栓ii 5、控温装置6、刀盘7、保温箱8、金属箱9、冻土10、支撑平台11、弹簧12。
具体实施方式
27.下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
28.如图1所示，盾构掘进致融与含冰泥饼形成模型试验装置，该装置包括支撑架1、螺栓i2、电机3、转轴4、螺栓ii 5、控温装置6、刀盘7、保温箱8、金属箱9、冻土10、支撑平台11、弹簧12；
29.所述电机3通过螺栓i 2与支撑架1相连；
30.所述电机3下部的转轴4通过螺栓ii 5与刀盘7相连，刀盘可自由拆卸；电机3启动后，通过转轴4带动刀盘7转动；
31.所述控温装置6放置在保温箱8上；控温装置6通过通风管13与外部空调出风口相连，达到控制冻土层外部温度的目的；
32.所述保温箱8置于支撑平台11之上；支撑平台11底部与弹簧12相连，弹簧12的压缩作用可将保温箱8向上顶推，能够让刀盘7完全接触冻土；弹簧12的初始压缩量决定了刀盘的顶推力。
33.盾构掘进致融与含冰泥饼形成模型试验装置的试验方法，采用上述的盾构掘进致融与含冰泥饼形成模型试验装置连接，具体步骤如下：
34.①
根据实验需求制备不同含水率w0的土样，配置均匀后分层压实装入金属箱；
35.②
将装有土样的金属箱放入冷冻箱中，设定一个冻结温度t，介于-5
°
～-20
°
之间，经t时间的冻结，得到某个冻结程度的冻土10，改变冻结时间t可以得到不同冻结程度的冻土10；
36.③
将装有冻土10的金属箱9，装入保温箱8内，顶部安装上控温装置6，控温装置6温度设定为t’，通过设置不同的t’来模拟不同的外界温度；
37.④
测定刀盘的原始质量m0，随后通过螺栓ii 5安装在电机的转轴下端；
38.⑤
掘进盾构刀盘7，使刀盘7触碰并深入冻土土层，导致冻土内部冰晶结构的破坏，进而冻土发生局部融化现象，含冰冻土产生了黏结作用，黏结在刀盘7的底部表面；掘进参数γ包括掘进时的刀盘顶推力和转速，影响冻土内部冰晶结构的破坏程度；
39.⑥
将刀盘7卸下，测定此时刀盘7的质量m，与原始质量m0相比，得出附着在刀盘7上的黏性土质量：m
黏
，由此来计算刀盘7上的黏附量m
黏
＝m-m0；
40.⑦
调节土体的初始含水率w0、冻结时间t、控制温度t’以及掘进参数γ等参数，重复步骤
①
～
⑥
，得到相应的黏附量m
黏
。
41.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。