测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备及测试方法

1.本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备及测试方法。


背景技术：

2.为缓解路面交通压力，地下空间的开发与利用逐渐成为城市建设发展的重点。这其中，由于地层适应性好、安全性强和环境扰动小等特点，盾构法被广泛应用于城市轨道交通、隧道与公路工程等领域。当盾构机在黏性较高地层掘进时，具有强吸附性和吸水膨胀性的黏土颗粒在刀盘前方逐渐聚集成团，并在掘进压力作用下黏附于刀盘上形成泥饼，在磨损开挖刀具的同时也显著降低了掘进效率，同时盾构机舱体内较高黏附性的渣土也会增加排土过程发生堵塞的风险。
3.对于盾构渣土减黏的措施，目前工程实践中以泡沫剂、分散剂和其他土壤添加剂的处理方法为主。而电渗法在黏性土的相关应用，多始于农业领域的机械脱土方面，如cn021092028公开的仿生表面电渗脱附方法因为有效提高了铲斗的脱土性能而被广泛应用，为后续的盾构黏性渣土处理提供了新思路；cn2019109707383公开的加固软黏土地基的强化电渗系统利用电极形成水平和竖直电场，将水分转移至阴极浅层区域的土体以达到地基加固的目的；而cn2022102259759公开的研究电渗减黏的模拟盾构掘进试验设备则将电渗方法应用于盾构减黏方面，将阴阳电极同时分布于刀盘掘进面，测试电渗前后黏土对旋转刀盘的黏滞变化。电渗效果的影响因素繁杂，宏观上的土粒种类、颗粒级配、密实度和电极材料、排布、电压，微观上的矿物成分、孔隙水性质，涉及大量物理化学反应，为了研究各因素对电渗减黏效果的影响规律，需要在相对稳定电极布置和电场作用下对比分析，并通过观测试样的孔隙水迁移规律解释电渗减黏的作用机理。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备及测试方法，该设备通过控温金属平台装置、测力装置、电渗装置和用于承装试样的试样容器实现黏性土与金属界面电渗减黏效果的测试，同时可以通过改变控制条件，得到土样密实度、界面温度、试样ph等宏观和微观影响因素对电渗减黏效果的影响，确定不同作用环境下试样的电渗减黏效果规律，为盾构掘进中刀盘的机械升温工况提供数据参考。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，其特征在于，包括：控温金属平台装置、测力装置、电渗装置和用于承装试样的试样容器；
6.所述控温金属平台装置包括可供放置所述试样容器的金属平板和可供控制所述金属平板温度的温控装置；
7.所述测力装置包括可供测试所述试样横向力的横向测力部件和/或可供测试所述
试样竖向力的竖向测力部件，所述横向测力部件可拆卸地设置于所述控温金属平台装置的侧方，所述横向测力部件包括横向力测力计、螺纹丝杠和安装于螺纹丝杠端部可控制螺纹丝杠旋转的手轮，所述螺纹丝杠包括丝杠和螺母，所述螺母上安装有可随所述螺母移动的横向力测力计座体，所述横向力测力计可拆卸地安装于所述横向力测力计座体上；所述竖向测力部件包括竖向力测力计；
8.所述电渗装置包括直流稳压电源，所述直流稳压电源上连接有阳极电源接线和阴极电源接线，所述阳极电源接线远离直流稳压电源的一端连接有阳极板，所述阴极电源接线远离直流稳压电源的一端连接有阴极板，所述阳极板与所述试样容器的开口匹配，所述阴极板固定于金属平板上；
9.所述试样容器上下均开口，所述试样容器包括第一试样容器和/或第二试样容器，所述第一试样容器侧壁中部固定有第一拉环，所述第二试样容器开口处设置有第二拉环，所述第一拉环的数量为一个，所述第二拉环的数量为四个，四个第二拉环均匀分布于所述第二试样容器上部开口处的侧壁上。
10.上述的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，其特征在于，所述金属平板为不锈钢平板。
11.上述的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，其特征在于，所述温控装置包括温度控制面板和温度数显屏，所述温度控制面板和温度数显屏电连接。
12.上述的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，其特征在于，所述横向测力部件还包括滑杆和底座，所述螺纹丝杠和滑杆均安装于所述底座上且所述滑杆平行设置于所述螺纹丝杠下方，所述横向力测力计座体可滑动地设置于所述滑杆上。
13.上述的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，其特征在于，所述横向力测力计座体上表面与金属平板上表面平行。
14.上述的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，其特征在于，所述阳极板材质和阴极板材质均为黄铜。
15.上述的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，其特征在于，所述阴极板胶黏于金属平板上，胶黏所用胶布为矽胶布。
16.上述的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，其特征在于，所述第一试样容器的材质和第二试样容器的材质均为聚四氟乙烯。
17.此外，本发明还提供一种利用上述测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备研究温度与土壤性质影响电渗效果的方法，其特征在于，包括：
18.步骤一、配制试样，具体包括：将高岭土和钠基膨润土按照预设质量比混合，加入ph调节剂，使体系稠度指数ic和ph为预设值，静置，将土样按照相同密实程度切削，压入试样容器，得到试样；
19.步骤二、设置金属平板温度为预设温度，将盛装有试样的试样容器置于金属平板上的阴极板上，在试样上表面盖设阳极板；
20.步骤三、启动直流稳压电源，设定输出电压，进行预电渗；
21.步骤四、按照预设测力需要进行试样横向力和/或竖向力测试，具体包括，当仅需要测试横向力时，通过步骤401进行测试，当仅需要测试竖向力时，通过步骤402进行测试，当需要测试横向力和竖向力时，同时或者先后通过步骤401和402进行测试，步骤401和402
的步骤可以调换；
22.步骤401、维持直流稳压电源开启以继续电渗，转动手轮，使横向力测力计座体距离金属平板最近，将横向力测力计与第一拉环连接，转动手轮，使横向力测力计带动试样在阴极板上匀速滑动，通过横向力测力计的拉力获得横向力拉力曲线，根据横向力拉力曲线得到最大摩阻力f
max
，根据以下公式计算电渗处理土样与金属界面的切向黏附强度和摩擦系数：
[0023][0024][0025]
式中，α
τ
为土样与金属界面的切向黏附强度，单位为pa；f
max
为横向力测力计输出的最大摩阻力，单位为n；d1为第一试样容器内径，单位为m；tanθ为试样与阴极板的摩擦系数；f1为施压砝码的重力，单位为n；g1为阳极板、第一试样容器和试样的总重量，单位为n；
[0026]
步骤402、维持直流稳压电源开启以继续电渗，将竖向力测力计连接至第二试样容器的第二挂环上，竖直缓慢提升竖向力测力计，至第二试样容器离开阴极板表面，记录竖向力测力计拉力示数，记录最大拉力示数，记为f
max
，计算电渗处理土样与金属界面的法向黏附强度，公式如下：
[0027][0028]
其中，αn为土壤界面的法向黏附强度，单位为pa；f
max
为竖向力测力计最大拉力示数，单位为n；g2为阳极板、第二试样容器和试样的总重，单位为n；f2为施压砝码的重力，单位为n；d2为第二试样容器底面内径，单位为m。
[0029]
上述的方法，其特征在于，步骤一中，所述试样的体系稠度指数ic为0～1，ph为5～9；步骤二中，所述预设温度为室温～200℃。
[0030]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0031]
1.本发明测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备及测试方法，该设备通过控温金属平台装置、测力装置、电渗装置和用于承装试样的试样容器实现黏性土与金属界面电渗减黏效果的测试，同时可以通过改变控制条件，得到土样密实度、界面温度、试样ph等宏观和微观影响因素对电渗减黏效果的影响，确定不同因素作用下试样的电渗减黏效果变化规律。
[0032]
2.本发明的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，包括电渗装置和试样容器，可实现土样与金属接触面不同粗糙度的模拟，以及电渗作用下土壤水分迁移的量测分析，便于后续结合试样表面形貌和黏附力相关微观试验的结果，解释盾构刀盘电渗减黏的物理和电化学内在影响机理，为该技术在工程领域的发展与应用提供理论依据。
[0033]
3.本发明的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，包括耐腐蚀试样容器，充分考虑随着土壤组分、黏粒含量变化和酸碱度表现出不同的化学性质差异，可获得在不同因素作用下电渗减黏处理效率，进而探究不同ph值、电解质种类比如不同含量氯化钠、氯化钙、硫酸镁、硫酸铝等土壤电解质环境下的试样在电渗处理后的黏性土与金属界面的黏
附力变化规律，以揭示土壤化学环境对电渗减黏效率的内在影响规律，充分丰富不同物性条件土壤电渗减黏效果数据库。
[0034]
4.本发明的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，通过砝码模拟工程实际中盾构掘进中推力，以反映黏性土与金属界面在不同法向压力下的黏附特性和减黏效果，模拟似真度可靠，操作简单方便。
[0035]
5.本发明的原理可靠，设备操作性强，具有很高的研究意义和推广应用价值。
[0036]
6.本发明采用测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备进行测试的方法包括将配制好的试样置于试样容器中，在电渗的同时进行力学测试，有利于保证始终在电渗作用下测量力学指标，更准确的反映和评估电渗处理黏性土效果。
[0037]
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0038]
说明书附图
[0039]
图1为本发明实施例1的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备结构示意图。
[0040]
图2为控温金属平台装置、电渗装置和试样容器连接关系示意图。
[0041]
图3为试样容器结构示意图。
[0042]
附图标记
[0043]
11—金属平板；
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12—温度控制面板；
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13—温度数显屏；
[0044]
21—横向力测力计座体； 22—滑杆；
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23—螺纹丝杠；
[0045]
24—手轮；
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25—底座；
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3—直流稳压电源；
[0046]
31—阴极电源接线；
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32—阳极电源接线；
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33—阴极板；
[0047]
34—阳极板；
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4—第一试样容器；
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41—第一拉环；
[0048]
5—第二试样容器；
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51—第二拉环；
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6—砝码；
[0049]
7—竖向力测力计；
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71—第二测力挂线；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
8—横向力测力计；
[0050]
81—第一测力挂线。
具体实施方式
[0051]
实施例1
[0052]
参见图1、图2和图3，本实施例提供一种测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，包括：控温金属平台装置、测力装置、电渗装置和用于承装试样的试样容器；
[0053]
所述控温金属平台装置包括可供放置所述试样容器的金属平板11和可供控制所述金属平板11温度的温控装置；
[0054]
所述测力装置包括可供测试所述试样横向力的横向测力部件和/或可供测试所述试样竖向力的竖向测力部件，所述横向测力部件可拆卸地设置于所述控温金属平台装置的侧方，所述横向测力部件包括横向力测力计8、螺纹丝杠23和安装于螺纹丝杠23端部可控制螺纹丝杠23旋转的手轮24，所述螺纹丝杠23包括丝杠和螺母，所述螺母上安装有可随所述螺母移动的横向力测力计座体21，所述横向力测力计8可拆卸地安装于所述横向力测力计座体21上；所述竖向测力部件包括竖向力测力计7；
[0055]
所述电渗装置包括直流稳压电源3，所述直流稳压电源3上连接有阳极电源接线32和阴极电源接线31，所述阳极电源接线32远离直流稳压电源3的一端连接有阳极板34，所述阴极电源接线31远离直流稳压电源3的一端连接有阴极板33，所述阳极板34与所述试样容
器的开口匹配，所述阴极板33固定于金属平板11上；阳极电源接线32连接电源正极，阴极电源接线31连接电源负极；所述阳极板34的数量为多个；所述阴极板33与金属平板11上表面长度相等，所述阴极板33宽度＞试样容器底部直径；所述阴极板33设置于金属平板11中部，且所述阴极板33长度方向正对横向测力部件。
[0056]
所述试样容器上下均开口，所述试样容器包括第一试样容器4和/或第二试样容器5，所述第一试样容器4侧壁中部固定有第一拉环41，所述第二试样容器5开口处设置有第二拉环51，所述第一拉环41的数量为一个，所述第二拉环51的数量为四个，四个第二拉环51均匀分布于所述第二试样容器5上部开口处的侧壁上。
[0057]
本实施例中，所述金属平板11为不锈钢平板。
[0058]
本实施例中，所述温控装置包括温度控制面板12和温度数显屏13，所述温度控制面板12和温度数显屏13电连接。所述温度控制面板12可用来预设金属平板11加热温度，并通过温度数显屏13实时监测反馈。
[0059]
本实施例中，所述横向测力部件还包括滑杆22和底座25，所述螺纹丝杠23和滑杆22均安装于所述底座25上且所述滑杆22平行设置于所述螺纹丝杠23下方，所述横向力测力计座体21可滑动地设置于所述滑杆22上；所述横向测力部件还包括砝码6，所述砝码6质量为0～3000g，砝码质量为0即为不施加砝码。
[0060]
本实施例中，所述横向力测力计座体21上表面与金属平板11上表面平行。
[0061]
本实施例中，所述横向力测力计8包括可供与第一拉环41连接的第一测力挂线81；所述竖向力测力计7包括可供与第二拉环51连接的第二测力挂线71，所述第二测力挂线71数量为4根。四根第二测力挂线71等长，保证了竖向力测力计7在试样中心垂直提拉。优选的，本实施例中砝码和测力计均购买自南京苏测计量仪器有限公司。
[0062]
本实施例中，所述横向测力部件测力行程200mm，最大负载100n。利用丝杠传动，拖拽速度稳定，测力准确。优选的，该横向测力部件加工自东莞市富马电子设备有限公司。
[0063]
本实施例中，所述横向力测力计8和竖向力测力计7均为可输出测力曲线的sh-iii数显式测力计，精度为0.5％，最小分辨率0.01n；所述横向力测力计8和竖向力测力计7可以为同一测力计；
[0064]
本实施例中，所述阳极板34材质和阴极板33材质均为黄铜，厚度为2mm。金属平板11作用在于传热，通过该含有金属平板11的测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备，实现不同温度下黄铜与黏性土界面电渗减黏效果的测试。
[0065]
本实施例中，所述阴极板33胶黏于金属平板11上，胶黏所用胶布为矽胶布。在绝缘的同时具有良好导热性能。
[0066]
本实施例中，所述第一试样容器4形状为柱筒状，所述第二试样容器5形状为锥筒状；所述阳极板34的形状为圆形，所述阴极板33形状为矩形；所述第一试样容器4和第二试样容器5的底面内径均为79.8mm，所述第二试样容器5侧壁倾角为60
°
；所述第一试样容器4和第二试样容器5均包括三种型号，三种型号的第一试样容器4和第二试样容器5高度分别为20mm、40mm和60mm。
[0067]
本实施例中，所述第一试样容器4的材质和第二试样容器5的材质均为聚四氟乙烯。本发明采用聚四氟乙烯材质的第一试样容器4的材质和第二试样容器5，具有耐高温、绝缘、抗腐蚀的性能；本实施例中第一试样容器4的材质和第二试样容器5加工制作自三禾塑
胶科技有限公司。
[0068]
实施例2
[0069]
本实施例提供一种利用实施例1所述测试黏性土与金属界面电渗减黏效果的设备研究温度与土壤性质影响电渗效果的方法，包括：
[0070]
步骤一、配制试样，具体包括：将高岭土和钠基膨润土按照预设质量比混合，加入ph调节剂，使体系稠度指数ic和ph为预设值，静置，将土样按照相同密实程度切削，压入第一试样容器4和第二试样容器5，得到试样；所述稠度指数的计算公式为：
[0071]
ic＝(ω
l-ωn)/(ω
l-ω
p
)
[0072]
式中，ic为稠度指数；ω
p
为试样的塑限含水率；ω
l
为试样的液限含水率；ωn为预设含水率；所述体系稠度指数ic可以为0～1，ph可以为5～9，本实施例中所述预设质量比为1：1，体系稠度指数ic为0.6，ph为8，ph调节剂为naoh溶液；
[0073]
步骤二、启动所述温控装置，设置金属平板11温度为预设温度，待温度稳定时，将盛装有试样的第一试样容器4和盛装有试样的第二试样容器5均置于金属平板11上的阴极板33上，在第一试样容器4中试样上表面和第二试样容器5中试样上表面分别盖设阳极板34；所述预设温度可以为室温～200℃，本实施例中所述预设温度为50℃；
[0074]
步骤三、将砝码6选择性放置于阳极板34上，启动直流稳压电源3，设定输出电压，进行预电渗；所述砝码6质量可以为0～3000g，所述砝码6质量为o即为不施加砝码，可按照预设压强进行挑选，本实施例中所述砝码6质量为1000g；本实施例中，所述电压为10v，预电渗时间为10min；
[0075]
步骤四、按照预设测力需要进行试样横向力和/或竖向力测试，具体包括，当仅需要测试横向力时，通过步骤401进行测试，当仅需要测试竖向力时，通过步骤402进行测试，当需要测试横向力和竖向力时，同时或者先后通过步骤401和402进行测试，步骤401和402的步骤可以调换；
[0076]
步骤401、维持直流稳压电源3开启以继续电渗，转动手轮24，使横向力测力计座体21距离金属平板11最近，将第一测力挂线81与第一拉环41连接，转动手轮24，使横向力测力计8带动试样在阴极板33上匀速滑动，通过横向力测力计8的拉力获得横向力拉力曲线，根据横向力拉力曲线得到最大摩阻力f
max
，根据以下公式计算电渗处理土样与金属界面的切向黏附强度和摩擦系数：
[0077][0078][0079]
式中，α
τ
为土样与金属界面的切向黏附强度，单位为pa；f
max
为横向力测力计8输出的最大摩阻力，单位为n；d1为第一试样容器4内径，单位为m；tanθ为试样与阴极板33的摩擦系数；f1为施压砝码6的重力，单位为n；g1为阳极板34、第一试样容器4和试样的总重量，单位为n；
[0080]
步骤402、维持直流稳压电源3开启以继续电渗，将第二测力挂线71连接至第二试样容器5的第二挂环51上，竖直缓慢提升竖向力测力计7，至第二试样容器5离开阴极板33表
面，记录竖向力测力计7拉力示数，记录最大拉力示数，记为f
max
，计算电渗处理土样与金属界面的法向黏附强度，公式如下：
[0081][0082]
其中，αn为土壤界面的法向黏附强度，单位为pa；f
max
为竖向力测力计7最大拉力示数，单位为n；g2为阳极板34、第二试样容器5和试样的总重，单位为n；f2为施压砝码6的重力，单位为n；d2为第二试样容器5底面内径，单位为m；
[0083]
步骤六、获得试样其余物理参数，关闭直流稳压电源3和温控装置；所述获得试样其余物理参数的方法为基于土工试验规范操作方法，所述土工试验规范操作方法包括烘干法；所述其余物理参数包括阴极板33和阳极板34附近的试样含水率；
[0084]
步骤七、更改金属平板11温度和/或试样ph值，重复步骤一至步骤六，确定不同温度、土壤含水率、酸碱性和/或密实度条件下，黏性土与金属界面电渗减黏效果的曲线。
[0085]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。