[发明专利]一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置和测试方法

说明书

本发明提供了一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置和测试方法，该装置包括传动链带、圆柱滚子、铰接底座、带槽环刀、加压杠杆以及转动锥；所述传动链带水平环绕带槽环刀侧面与扭力计连接；所述圆柱滚子固定在带槽底座上，与带槽环刀滑动连接，所述铰接底座与倒置的旋切板杆端相铰接；所述带槽环刀内壁设有凹槽，以便旋切板通过凹槽嵌入带槽环刀中，所述加压杠杆通过转动锥与加压盖板连接；该装置通过铰接底座实现旋切板与金属界面的旋切距离控制，通过旋切板与带槽环刀的相互嵌合实现整体式旋切，同时点接触式的加压杠杆保证稳定的加压荷载，并依靠传动装置提供并记录扭力值，是测量受荷状态下黏附界面附近的剪切应力的一种有效检测方法。

技术领域

本发明属于隧道与地下工程试验仪器技术领域，特别涉及一种杠杆加压的下穿式整体旋 切测试装置和测试方法。

背景技术

土压平衡盾构以其高效、清洁被广泛地应用在城市地下交通建设中，但和诸多触土机械 一样，都不可避免地会遇到土壤黏附问题，在富黏土地层中尤其严重，大量的土壤黏附刀盘 会导致刀盘扭矩增大，破坏开挖面稳定和降低开挖效率，无疑给盾构施工增加了难度；目前， 实验室关于界面附近旋切的剪切应力研究较少，已有旋切装置无法忽略竖直面上剪切应力， 或无法测得旋切底面上剪切应力，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，但都简化或忽略竖直 向的剪切应力和界面黏附对旋切的影响，如：邓如勇在《盾构刀盘结泥饼的机理及处置措施 研究》指将直剪试验仪改装以研究金属与土体界面的剪切黏附力，对比界面试块表面黏附情 况可知，直剪试验的固定剪切面会破坏金属界面表面土样的黏附状态，且剪切面人为固定， 无法得到真实剪切面的位置；Liu在《Tangential adhesion strengthbetween clay and steel for various soil softnesses》中将金属圆盘放置在圆柱土样中测定界面剪切黏附力，避免了竖直侧 面剪切黏附力的影响，但无法忽略土样容器内壁对剪切黏附力的影响，同时圆盘与土体接触 容易产生真空负压，与土体表面接触不良等问题。

综上所述现有技术存在以下缺点：①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②无法分析界面残余黏附土样对剪切的影响③旋切时无法持续对土样施加竖向荷 载④无法实现整体旋切，导致存在内壁摩擦阻力等干扰因素。

发明内容

本发明提出了一种杠杆加压的下穿式整体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黏附界面处附近的剪切应力测定、竖向加压旋切和整体式旋切，通过引 入铰接底座、加压杠杆和带槽环刀，改变铰接底座高度和竖向荷载，以整体式旋切来得到不 同旋切间距处的界面黏附力值和金属表面土样黏余状况。

一种杠杆加压的下穿式整体旋切测试装置，包括传动链带1、圆柱滚子5、铰接底座7、 带槽环刀10、加压杠杆12以及转动锥13；

所述传动链带1水平环绕带槽环刀10侧面，连接至驱动电机3上方的扭力计2；

所述圆柱滚子5固定在带槽底座4上环形凹槽中，上表面与带槽环刀10滑动连接，可减 少带槽环刀10旋切时在接触面的摩擦阻力，同时维持装置的水平稳定；

所述铰接底座7位于带槽底座4正下方，与倒置的旋切板15杆端相铰接，限制其竖向位 置但不限制水平旋转；

所述带槽环刀10内壁设有与旋切板15叶片数量和厚度相同的凹槽，以便旋切板15通过 凹槽嵌入带槽环刀10中；旋切板15进入土样并与带槽环刀进行嵌合，实现整体式旋切；

所述加压杠杆12通过转动锥13与加压盖板14连接，转动锥13与加压盖板14为点接触； 加压杠杆12的竖向转动距离与加压盖板14的竖向位移一致；杆上连接砝码11形成单臂杠杆， 加压杠杆12上的配重11与转动锥13的力臂比在1-2.5左右，杆件为轻质杠杆，对试验无影 响。