一种评估土体内部粘聚力的装置与方法

技术领域

本发明涉及土体检测技术领域，具体涉及一种评估土体内部粘聚力的装置与方法。

背景技术

随着经济的快速发展，越来越多的地下隧道施工选择采用盾构机来快速、安全的构建隧道主体结构。在某些土壤环境较差的地方，破碎开挖的渣土容易在盾构机刀盘位置处形成较大的泥饼，极大影响了施工的进度。而泥饼的内部的粘聚力能否对抗其在开挖舱内的应力变化是判断泥饼是否继续发展的重要条件，随着施工的不断进行，新产生的渣土会重新附着在已形成的泥饼上，若泥饼的内聚力较大，就会形成更大的泥饼，反之则不会。因此需要一种能够快速评估土体内部粘聚力的实验装置和方法。

目前现有土体内粘聚力评估手段主要存在以下不足：1、现有计算手段均为土体在自然条件下的粘聚力，没有统一考虑开挖舱内部压力、土体含水量以及土体种类对粘聚力的影响；2、现有检测手段需要在实验室中进行，没有一种适用于施工现场的简单、快速、高效的评估装置及方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种评估土体内部粘聚力的装置与方法，通过测量离心旋转后土样的质量损失，进而评估土样内部粘聚力的大小，为盾构渣土改良优化提供实验依据。

本发明的技术方案如下：

在本发明的第一方面，一种评估土体内部粘聚力的装置，包括动力部件和检测部件，所述动力部件包括底座，底座上安装有电机，电机的输出轴与传动竖杆的一端固定连接，所述传动竖杆的另一端与多个水平杆固定连接，每个水平杆上均安装检测部件；所述检测部件包括实验平台，所述实验平台上安装土样盛放桶，土样盛放桶的壁面上开设有多个圆孔，所述土样盛放桶的上部设置液压油缸，下部设置重力传感器。

在本发明的一些实施方式中，所述液压油缸通过支架固定在土样盛放桶的上方，所述液压油缸上设置压力传感器，所述液压油缸与压力圆盘连接，所述压力圆盘对土样盛放桶内的土样施加压力。

在本发明的一些实施方式中，所述压力圆盘的直径小于土样盛放桶的内径，压力圆盘的侧面上设置橡胶密封圈，橡胶密封圈与土样盛放桶的内壁面贴合。

在本发明的一些实施方式中，所述水平杆与实验平台固定连接。

在本发明的一些实施方式中，多个检测部件之间的角度相同。

在本发明的一些实施方式中，所述重力传感器与计算机相连。

在本发明的第二方面，提供了一种评估土体内部粘聚力的方法，包括以下步骤：

向每个土样盛放桶内加入质量相同的同一组土样，通过液压油缸驱动压圆盘对土样施加指定大小的压力；

待各组压力表的数值相同且稳定后，使电机带动土样盛放桶进行旋转，做离心实验，一段时间后停止旋转；

待盛放桶旋转结束后，记录各部分数据并做算数平均，通过质量的损失量表征该组土样的内部粘聚力大小。

在本发明的一些实施方式中，在做离心实验时，电机的转速范围为500-1500r/min，旋转时间控制在5-10min。

在本发明的一些实施方式中，土样的质量损失率η的计算公式为：

式中，m

在本发明的一些实施方式中，将土样装入土样盛放桶后，对土样进行轻微振捣，使桶内的土样均匀密实。

通过对土样进行受力分析和状态分析可知，土样内部的粘聚力越小，其在试验过程中抵抗由于旋转产生的离心力的能力越弱，因此试验过程中会有越多的土颗粒被甩出。即土样质量损失率η越大，土样的内部粘聚力越小，反之亦然。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明提供的粘聚力评估装置，结构简单，可以在施工现场对土体的粘聚力进行快速评估，并且在评估时综合考虑了压力、土体含水率、土体种类对土体粘聚力的影响，与实际施工情况相一致，为刀盘结泥饼问题下的渣土改良提供了依据。

(2)本发明提供的粘聚力评估装置和方法，适用于现场施工建设下的定量研究，采用离心运动放大土样的重力效应，计算试验过程中土样的质量损失率，估计土样内部粘聚力的大小，实现粘聚力数值的定量描述。

(3)本发明提供的粘聚力评估装置和方法，首次提出利用土样在旋转过程中的质量损失率来评估土体内部粘聚力的大小，实现了对施工现场土体内部粘聚力的快速评估，与现有的检测手段相比，装置和方法均比较简单，且能够满足施工现场对土体内部粘聚力快速评估的要求。

附图说明

图1为本发明的评估土体内部粘聚力的装置的整体结构示意图；

图2为本发明的评估土体内部粘聚力的装置中检测部件的结构示意图。

图中：1.底座，2.电机，3.传动竖杆，4.水平杆，5.实验平台，6.检测部件，7.压力传感器，8.液压油缸，9.压力圆盘，10.橡胶密封圈，11.土样盛放桶，12.重力传感器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，提出一种评估土体内部粘聚力的装置，如图1和图2所示，包括动力部件和检测部件，所述动力部件包括底座1，底座1为整个装置提供支撑，底座1上安装有电机2，电机2的输出轴与传动竖杆3的一端固定连接，所述传动竖杆3的另一端与多个水平杆4固定连接，每个水平杆4上均安装检测部件，在电机的作用下，能够带动水平杆上的检测部件旋转，做圆周运动；所述检测部件包括实验平台5，所述实验平台5上安装土样盛放桶11，土样盛放桶11的壁面上开设有多个圆孔，圆孔直径径取土样盛放桶11底部直径的1/20，土样盛放桶进行旋转，部分土样在离心力的作用下会从圆孔内甩出，所述土样盛放桶11的上部设置液压油缸8，通过液压油缸为土样盛放桶内的提供一定的压力，土样盛放桶的下部设置重力传感器12，可以通过重力传感器测得土样在旋转过程中的质量损失。

具体的，所述水平杆4与检测部件中的实验平台5固定连接，实验平台5为检测部件提供支撑，实验平台5上从下至上依次安装重力传感器12、土样盛放桶11，土样盛放桶的上表面上安装支架，支架为门字型结构，在支架横梁下表面的中心位置处，安装液压油缸8，所述液压油缸8上设置压力传感器7，通过压力传感器7可以实时监测液压油缸施加的压力值，所述液压油缸8与压力圆盘9连接，所述压力圆盘9对土样盛放桶内的土样施加压力，可以根据实际开挖舱内部压力的不同，对土样盛放桶内的土样施加不同的压力，实现了对土样在不同受力情况下的粘聚力的评估。压力圆盘的直径小于土样盛放桶的内径，压力圆盘的侧面上设置橡胶密封圈，橡胶密封圈与土样盛放桶的内壁面贴合，防止在旋转过程中，土样从土样盛放桶的上部甩出。

在本实施例中，为了提高试验效率(同时进行多组试验)，可以根据实验需要，增减检测部件的数目，但必须确保实验平台间角度均匀，且实验中装置重心始终处于传动竖杆上，在一些实施方式中，检测部件设置为5个，相邻的检测部件之间的角度为72°。

在本实施例中，所述重力传感器与计算机相连，重力传感器可以检测土样质量的损失情况，在实验过程中实时记录土样质量数据，根据土样的质量数据计算出土样内部的粘聚力。

在本实施例中，装置中的底座、传动竖杆、实验平台，以及水平杆均采用大刚度高强度材料，避免由于自身转动或土样重量而造成的变形弯曲，同时，传动竖杆与水平杆、水平杆与试验平台之间均进行固定连接，确保实验中检测部件不会产生偏移。

在使用时，将装置放置在施工现场，为了确保装置在旋转过程中的稳固性，可以对底座进行固定，然后将需要检测粘聚力的不同含水率和类型的土样按照相同的质量加入土样盛放桶内，根据施工现场不同的压力需要，通过液压油缸驱动压圆盘对土样施加指定大小的压力；待各组压力表的数值相同且稳定后，使电机带动土样盛放桶进行旋转，做离心实验，一段时间后停止旋转；待重力传感器数据稳定后，记录各部分数据并做算数平均，通过质量的损失量表征该组土样的内部粘聚力大小。

本发明的评估土体内部粘聚力的装置，可以综合考虑压力、土体含水率、土样种类对土体粘聚力的影响，与实际施工情况相一致，为刀盘结泥饼问题下的渣土改良提供了依据。

实施例2

本发明的一种典型的实施方式中，提出一种评估土体内部粘聚力的方法，包括以下步骤：

向每个土样盛放桶内加入质量相同的同一组土样，通过液压油缸驱动压圆盘对土样施加指定大小的压力，压力大小为0-100kN；

待各组压力表的数值相同且稳定后，使电机带动土样盛放桶进行旋转，做离心实验，一段时间后停止旋转；

待重力传感器数据稳定后，记录各部分数据并做算数平均，通过质量的损失量表征该组土样的内部粘聚力大小。

在本实施例中，在做离心实验时，500-1500r/min，旋转时间控制在5-10min。

在本实施例中，土样的质量损失率η的计算公式为：

式中，m

应当注意的是，将土样装入土样盛放桶后，对土样进行轻微振捣，使桶内的土样均匀密实，待装置旋转停止后，需要及时对遗留在实验平台上的土样进行清理，确保重力传感器的读数准确。

在进行土体内部粘聚力评估试验时，根据现场施工情况，改变压力、土体含水率、土体种类的土样，在装置内进行离心试验，通过计算土样的质量损失率来初步评估土样的内部粘聚力，土样质量损失率越大，土样的内聚力越小，反之亦然。

通过对土样进行受力分析和状态分析得知，土样内部的粘聚力越小，其在试验过程中抵抗由于旋转产生的离心力的能力越弱，因此，试验过程中会有越多的土颗粒被甩出，因而得出利用土样在旋转过程中的质量损失率来表征土体内部粘聚力的大小，实现粘聚力数值的定量描述，进而实现了对施工现场土体内部粘聚力的快速评估。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。