[发明专利]一种金属圆盘-土界面剪切力学行为综合测定装置及使用方法

说明书

本发明公开了一种金属圆盘‑土界面剪切力学行为综合测定装置及使用方法，包括试验台、液压加载系统以及剪切系统，液压加载系统包括承力支架和液压油缸，承力支架固定于试验台之上，液压油缸固定在承力支架的横梁上，试样腔顶部设有与其适配且带有排水排气阀的加载板，加载板的顶端与液压油缸的活塞杆相连；试样腔上设有加水压孔、孔压计、排水孔及加温装置，加水压孔与汽水交换器连通；剪切圆盘上设有温度传感器，伺服电机的旋转轴上设有扭矩传感器以及转速传感器，试样腔的侧壁上设有孔压计，液压油缸的活塞杆与加载板之间设有压力传感器。本发明实现在不同土压、不同水头、不同温度、不同剪切速度条件下对金属界面与土体间的剪切力学行的测定。

技术领域

本发明涉及一种金属圆盘-土界面剪切力学行为测定装置，尤其涉及土样在高温、高水压下的金属圆盘-土界面剪切力学行为测定。本发明还涉及该测定金属圆盘-土界面剪切力学行为装置的使用方法。

背景技术

金属与土体间的剪切力学行为是一个比较传统的问题，在生产生活中十分常见，在农业生产中，过多的土壤粘附在农业机械上导致农机的工作效率大大降低，耗能急剧增加，严重影响农作质量和机械寿命；挖掘机、推土机等工业机械其工作面上一旦粘附土体便会导致其挖土、推土效率急剧降低，成本、能耗增加；在钻探工程中，高石英含量的土会带来较强的磨蚀性，对金属钻头造成极为严重的磨损，进而造成钻进效率低、钻头更换频繁等不利效应；在盾构隧道施工中粘附性较强的土容易粘附在金属刀盘上造成结泥饼现象，磨蚀性强的土容易磨损金属盘体和刀具，对刀盘造成严重破坏，极大降低盾构的推进效率。

对于金属与土体的间的剪切力学行为前人做了较多研究丛茜等(1996)对法向粘附、切向粘附和无水情况下的粘附规律以及界面压力、加压时间、温度变化等因素对粘附力的影响进行了分析,指出当压力足够大时,通常条件下粘附力很小的砂壤土也会产生较大的吸附。Azadegan等(2012)研究了温度对于一定数量黏性土黏附能力的影响。为了测试黏性土的黏附力专门设计了相关仪器，实验表明随着温度升高土壤黏附力有较大幅度下降。Thewes等(2016)指出不仅在黏土地层中在富含黏性土的岩层中也是可能结泥饼的，阐述了含黏性土岩层结泥饼的机理。Gabriela等(2018)通过概化盾构掘进模型设计了模拟盾构刀具磨损的专门仪器，进而来探究不同改良状态下土对金属刀片的磨损能力。综上可知土对金属界面的粘附、磨损等剪切力学行为渗透于生产生活的方方面面并具有极高的研究价值。而在盾构施工过程中土对于金属刀盘的粘附、磨损等问题同样与土的基本物理力学性质、改良情况、固结压力、盾构推进速度、地层水压、地层温度等因素密切相关，尤其对于地层水压、地层温度等客观条件，该类条件在施工过程汇总往往客观存在难以人为改变，探究此类条件对于金属与土体的间的剪切力学行为具有一定必要性。

发明专利“一种不排水抗剪强度室内联合测定仪”(申请公布号：CN105823691A)公开了一种小型土不排水抗剪强度测定仪，该发明可以探究非饱和软土不排水抗剪强度与压力、转速之间的关系。但该发明尺寸较小，仅适用于不排水抗剪强度小于100kpa细粒土的不排水抗剪强度测定，不能适应砂土及大卵石土抗剪强度的测定。发明所能提供的最大压力和扭矩较小，发明本身强度较低，无法适应高土压下的剪切试验。同时该发明并未考虑到土样剪切过程中温度和水压对土样剪切力学性质的影响，而温度是研究土抗剪强度非常重要的因素，温度不同同一类土在同种试验方法下土抗剪强度的差异甚大，同时根据有效应力原理可知土的抗剪强度与土中的水压情况密切先关，如果在试验中不考虑水压的影响其试验结果将偏离实际。该发明剪切圆盘表面亦未安装温度测定装置，无法监测剪切试验过程中土与金属表面接触的温度，该发明的圆盘转速有限，也无法适应圆盘长时间、高转速下的土样对金属圆盘磨蚀能力的测定。

发明专利“一种测定粘土粘附性的装置及其使用方法”(申请公布号：CN106092808A)公开了一种小型土不排水抗剪强度测定仪及其使用方法，该发明可以测定在不同的压力、剪切速度和固结度条件下粘土的粘附性。但该发明采用砝码加压，加压设备简单、精度低且难以控制压力，该发明无法适应大粒径土的剪切力学行为测定，亦无法创造高温、高水压等试验工况，同时该发明无法就土对金属的磨蚀能力进行测定。

发明内容