[发明专利]一种模拟泥饼形成及去除机理的实验装置与方法

权利要求书

1.一种模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，其特征是，包括呈矩形的钢结构框架(1)，设于钢结构框架下部的若干个推进油缸(2)，设于各个推进油缸上部并与各个油缸连接的法兰(4)，设于法兰上的土仓(5)，设于钢结构框架上部的输出轴(14)，输出轴的一端与钢结构框架固定连接，输出轴的另一端与微型刀盘(6)连接，输出轴上设有与输出轴固定连接的固定架(13)，钢结构框架上方设有电机(15)和与电机连接的蜗杆减速器(16)；各个推进油缸均与钢结构框架的底部固定连接，土仓与法兰为可拆卸连接，固定架位于微型刀盘上方，蜗杆减速器与输出轴连接；所述输出轴上设有力传感器(11)及扭矩传感器(12)，力传感器及扭矩传感器均位于固定架和微型刀盘之间；所述微型刀盘上设有超声探头(7)和温度传感器探头(8)，超声探头和温度传感器探头分别位于微型刀盘的左右两侧；所述固定架上设有超声波发生器(9)和温度传感器(10)，超声波发生器与超声探头电连接，温度传感器与温度传感器探头电连接；所述微型刀盘呈圆形，微型刀盘是根据真实刀盘按照一定比例微缩制成，输出轴与微型刀盘的圆心处连接；所述土仓为圆筒状，土仓的直径大于微型刀盘的直径，土仓的上部开口，土仓的下部设有凸缘，凸缘与法兰连接；所述电机为变频电机，电机与蜗杆减速机通过挠性联轴器连接；所述推进油缸上设有位移传感器和压力变送器；

该实验装置还包括设于钢结构框架外部的中央控制模块(17)，设于钢结构框架内部的液压模块(3)，中央控制模块分别与液压模块、电机、力传感器、扭矩传感器、超声波发生器、温度传感器、位移传感器和压力变送器电连接；

基于上述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置的方法，包括以下步骤：

(8-1)从特定地层中取土样放入土仓中夯实，然后将土仓安装在法兰上；

(8-2)按照直径小于土仓直径的比例制作微型刀盘，将微型刀盘与输出轴连接，将超声探头、温度传感器探头安装在微型刀盘上，将超声探头与超声波发生器连接，温度传感器探头与温度传感器连接，对温度传感器和超声发生器进行检查确认能正常工作；

(8-3)检查力传感器、扭矩传感器确认处于正常状态；

(8-4)在微型刀盘处于静止且未与土体接触的状态时，记录力传感器的测量值，并将测量值转换为质量，记为m_刀盘;

(8-5)模拟泥饼形成机理实验；

(8-6)模拟泥饼去除机理实验；

所述步骤(8-5)包括以下步骤：

(9-1)如果模拟泥水盾构，将配置好的泥浆注入至微型刀盘中，如果模拟土压盾构则可注入渣土改良泡沫；

(9-2)按照位移加载控制方式或力加载方式，让微型刀盘与土仓内的土体作用，作用一定时间后，让微型刀盘和土体脱离接触，在微型刀盘静止后，依据力传感器测量值转换为质量，记为m₁，微型刀盘上的土体质量m_土体为m₁-m_刀盘；

(9-3)周期性的让微型刀盘和土体作用并脱离接触，进而计算微型刀盘上的土体质量随时间的变化曲线，获得泥饼生成过程规律曲线；

(9-4)通过计算微型刀盘结泥饼的程度，通过扭矩传感器和温度传感器采集的数据来分析泥饼形成过程中扭矩和温度的变化规律。

2.根据权利要求1所述的模拟泥饼形成及去除机理的实验装置，其特征是，步骤(8-6)包括以下步骤：

(10-1)如果模拟超声去除泥饼效果，开启超声波发生器，利用超声探头的超声去除泥饼；如果模拟分散剂去除泥饼效果，将分散剂注入至微型刀盘中并浸泡；如果模拟分散剂和超声的联合去除泥饼效果，将分散剂注入至微型刀盘中，开启超声波发生器，利用超声探头的超声和分散剂去除泥饼；

(10-2)微型刀盘与土层作用一定时间后，让刀盘和土体脱离接触，在刀盘静止后，依据力传感器的测量值转换为质量，记为m₂，微型刀盘上的土体质量m_土体1为m_2-m_刀盘；

(10-3)在泥饼溶解过程中周期性的测量力传感器上的土体质量，获得在分散剂、超声波或分散剂与超声波联合作用下的泥饼溶解随时间的规律，泥饼溶解过程中的周期性选择与泥饼形成过程相同；

(10-4)通过计算微型刀盘结泥饼的程度并与先前计算的结泥饼的结果进行对比，如果泥饼溶解过程的结泥饼比率小于泥饼形成过程中的结泥饼比率，则该泥饼溶解过程是有效过程。