CN106124364A - 一种量测盾构渣土改良混合物塑流性的试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量测盾构渣土改良混合物塑流性的试验方法及装置，水平推动摇臂带动主动轴转动，安装于主动轴上的搅拌叶片推动土仓内的渣土混合物流动，土仓内的渣土混合物的流动对安装于外盘内侧的搅拌叶片施加力的作用，使外盘转动；根据能量守恒定律，土仓内的混合物流动时会有能量消耗，且外盘质量较大，当主动轴与外盘均作匀角速度转动时，两者会有一个角速度之差；利用角速度差与主动轴角速度之比和主动轴转动力矩间的关系曲线，定量分析力的作用与渣土改良混合物塑流性的相关性。本发明设备简单，操作简单易行；因此，本发明是是一种有效可靠的盾构渣土改良混合物塑流性指标的定量量测的试验方法及装置。

Description

一种量测盾构渣土改良混合物塑流性的试验方法及装置

技术领域

本发明涉及土压平衡盾构技术领域，尤其涉及一种盾构渣土改良中关于混合物塑流性指标的量测的试验方法及装置。

背景技术

随着国家高速发展轨道交通，隧道施工技术的应用越来越广泛，土压平衡盾构在隧道施工中起着无法取代的地位，而土压平衡盾构施工成功的关键就是将从开挖面上切削下来的渣土在土仓内形成一种塑性流动状态，塑性流动状态的渣土在对开挖面施加土压力的同时能够通过螺旋输送机管道排出土仓，使盾构连续掘进，但土压平衡盾构在不同的地层中掘进会遇到诸多问题，表现如下：

1、刀盘作为盾构机的一个关键部件，在地下掘进会遇到不同地层，从淤泥、粘土到硬岩等，刀盘在一定转速和压力下，安装于盾构机上的刀具承受很高的荷载和温度，恶劣的工作条件会降低刀具的使用寿命；

2、由于开挖土缺乏流动性，在盾构机推进压力的作用和较高的温度环境下，在土仓内发生压密、固结排水，形成“泥饼”，造成螺旋输送机管道堵塞以及刀具工作效率降低，从而影响掘进；

3、当在含水量大的地层中工作时，螺旋机排土器出口处出现喷涌，导致渣土在土仓中堆积以及隧道内积水，影响掘进效率。

所以，通过对混合物塑流性指标的定量量测，确定盾构掘进过程中适当的渣土改良施工参数进行渣土改良，显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能够有效、精确地定量量测混合物塑流性指标的装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提通过本发明的装置，所进行的渣土改良混合物塑流性指标的量测的试验方法。

为了解决第一个技术问题：本发明提出了一种量测盾构渣土改良混合物塑流性的试验方法及装置，包括主动轴和外盘，摇臂水平横向连接主动轴，两个弹簧测力计设置于摇臂两端。

弹簧测力计由顶部开口容器和底部开口容器以及弹簧构成，顶部开口容器倒置于底部开口容器中，并通过弹簧弹性连接，弹簧测力计刻度盘位于顶部开口容器外表面，在顶部开口容器受力的过程中压缩弹簧，使得顶部开口容器的一部分缩进底部开口容器中，通过读取弹簧测力计刻度盘，可计算得出受力大小；

主动轴水平刻度盘位于主动轴外侧表面，外盘水平刻度盘位于外盘外侧表面。

外盘内部设置有与主动轴连接的搅拌叶片和与外盘内侧壁连接的搅拌叶片；在搅拌叶片中间位置还设置有与主动轴相通的管道注剂通道；主动轴内部中空，其一端设有开口，另一端密封；气压输入管和改良剂输入管并联后接入到主动轴的上端开口上；使用时，分别通过气压输入管和改良剂输入管，输入气压和改良剂，在气压和主动轴旋转的共同作用下，改良剂从注剂通道散出。

外盘内部中空，底面封闭，外盘顶面安装有外盘顶盖。

为了解决第二个技术问题：利用本发明的上述的实验装置，所进行的一种盾构渣土改良混合物塑流性指标的定量量测的试验方法，具体包括两步骤：第一步推动弹簧测力计以水平转动摇臂，当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，外盘的角速度ω_pi和主动轴的角速ω_ai度会有一个差值Δω_i；当主动轴与外盘均作匀角速度转动时，读出在相同长度时间Δt_i内主动轴外侧表面水平刻度盘上的刻度改变量及外盘外侧水平表面刻度盘上的刻度改变量，得到主动轴转动角度Δθ_ai及外盘转动角度Δθ_pi；读出弹簧测力计内弹簧受压力时的长度变化量Δx_i；量测弹簧测力计中轴线与主动轴中轴线间距L；第二步，改变推力，重复第一步操作，当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，得到多组Δt_i内Δθ_ai、Δθ_pi、Δx_i，并按照公式1至公式5分别计算Δω_i、ω_ai、ω_pi、F_i和T，通过计算在不同力F_i的作用下主动轴与外盘均作匀角速度转动时的角速度差Δω_i，能够精确得到主动轴与外盘作匀角速度转动时的角速度差与主动轴转动角速度间的关系曲线，通过能量衰减损耗定量反映渣土改良混合物塑流性；通过精确得到主动轴与外盘均作匀角速度转动时的角速度差与主动轴角速度之比(Δω_i/ω_ai)和主动轴转动力矩T_i、主动轴推动力F_i间的关系曲线。

附图说明

图1是本发明一种量测盾构渣土改良混合物塑流性的试验装置的结构示意图。

的示意图。

图2是外盘剖面示意图。

图3是弹簧测力计正面图以及剖面图。

1.外盘、2.主动轴、3.摇臂、4.弹簧测力计、5.外盘水平刻度盘、6.主动轴水平刻度盘、7.主动轴搅拌叶片、8.外盘的搅拌叶片、9.气压输入管、10改良剂输入管、11弹簧测力计刻度盘，12顶部开口容器，13弹簧，14顶部开口容器、15.外盘上盖、16.注剂通道

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明:

实施例1

参见图1和图2，本发明提供的实现盾构渣土改良混合物塑流性指标定量量测的试验装置，包括主动轴2和外盘1，摇臂3水平横向连接主动轴2，两个大小和规格相同的弹簧测力计4分别垂直设置于摇臂3两端。弹簧测力计4详图如图3所示，弹簧测力计4由顶部开口容器12和底部开口容器14以及弹簧13构成，顶部开口容器12倒置于底部开口容器14中，并通过弹簧13弹性连接，弹簧测力计刻度盘11位于顶部开口容器12外表面，在顶部开口容器12受力的过程中，压缩弹簧13，使得顶部开口容器12的一部分缩进底部开口容器14中，通过读取弹簧测力计刻度盘11，可计算得出受力大小。

主动轴水平刻度盘6位于主动轴2外侧表面，外盘水平刻度盘5位于外盘1外侧表面，主动轴水平刻度盘6和外盘水平刻度盘5上的刻度分别均匀分割主动轴2的外侧周长与外盘1的外侧周长，其作用是分别用于测量单位时间内刻度的变化量即为主动轴和外盘的角速度。

外盘1内部设置有与主动轴2连接的搅拌叶片7和与外盘内侧壁连接的搅拌叶片8。在搅拌叶片7中间位置还设置有与主动轴2相通的管道注剂通道16。主动轴2内部中空，其一端设有开口，另一端密封；气压输入管9和改良剂输入管10并联后接入到主动轴2的上端开口上。使用时，分别通过气压输入管9和改良剂输入管10，输入气压和改良剂，在气压和主动轴2旋转的共同作用下，改良剂从注剂通道16散出。

外盘1内部中空，底面封闭，外盘顶面安装有外盘顶盖15，所形成的封闭空间称为土仓。打开顶盖向外盘内盛放渣土试样，进行渣土试样改良试验时安装顶盖封闭外盘顶面即可。

实施例2

参见图1和图2，利用实施例1中的本发明的试验装置所进行的改良混合物塑流性指标的定量量测的试验方法，包括如下步骤：

第一步：推动弹簧测力计以水平转动摇臂，通过主动轴向外盘中的渣土试样添加改良剂，使土仓内的渣土混合物流动，从而对安装于外盘内侧的搅拌叶片施加力的作用，使外盘转动；根据能量守恒定律，土仓内的混合物流动时会有能量消耗，且外盘质量较大，所以当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，外盘的角速度ω_pi和主动轴的角速ω_ai度会有一个差值Δω_i；当主动轴与外盘均作匀角速度转动时，读出在相同长度时间Δt_i内主动轴外侧表面水平刻度盘上的刻度改变量及外盘外侧水平表面刻度盘上的刻度改变量，得到主动轴转动角度Δθ_ai及外盘转动角度Δθ_pi；读出弹簧测力计内弹簧受压力时的长度变化量Δx_i；量测弹簧测力计中轴线与主动轴中轴线间距L；

${\mathrm{\ω}}_{ai}=\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{ai}}{{\mathrm{\Δt}}_i}---\left(1\right)$

式(1)中

ω_ai为主动轴转动角速度

Δθ_ai为Δt_i内主动轴转过的角度变化值；

Δt_i为当主动轴与外盘均作匀角速度转动时，一段长度时间；

${\mathrm{\ω}}_{pi}=\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{pi}}{{\mathrm{\Δt}}_i}---\left(2\right)$

式(2)中

ω_pi为外盘转动角速度；

Δθ_pi为Δt_i内外盘转过的角度变化值；

Δt_i为当主动轴与外盘均作匀角速度转动时，一段长度时间；

Δω_i＝ω_ai-ω_pi (3)

式(3)中

Δω_i为主动轴与外盘角速度之差；

F_i＝k·Δx_i (4)

式(4)中

k为弹簧测力计系数；

Δx_i为Δt_i时间内弹簧测力计内弹簧受压力时的长度变化量；

F_i为当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，Δt_i时刻的恒定推力；

T＝F_i·L (5)

式(5)中

L为弹簧测力计中轴线与主动轴中轴线间距；

T为当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，Δt_i时刻的力矩。

第二步：改变推力，重复第一步操作，当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，得到多组Δt_i内Δθ_ai、Δθ_pi、Δx_i，并按照公式(1)(2)(3)(4)(5)分别计算Δω_i、ω_ai、ω_pi、F_i和T，通过计算在不同力F_i的作用下主动轴与外盘均作匀角速度转动时的角速度差Δω_i，能够精确得到主动轴与外盘作匀角速度转动时的角速度差与主动轴转动角速度间的关系曲线，在不同力F_i的作用下，通过绘制出的关系曲线(横坐标和纵坐标分别代表主动轴与外盘作匀角速度转动时的角速度差和主动轴转动角速度)，我们可以更直观的得到渣土改良混合物塑流性的强弱。通过能量衰减损耗定量反映渣土改良混合物塑流性；通过精确得到主动轴与外盘均作匀角速度转动时的角速度差与主动轴角速度之比(Δω_i/ω_ai)和主动轴转动力矩T_i、主动轴推动力F_i间的关系曲线，通过绘制出的关系曲线(横坐标和纵坐标分别代表主动轴与外盘均作匀角速度转动时的角速度差与主动轴角速度之比(Δω_i/ω_ai)和主动轴转动力矩T_i)，我们可以更直观的得到力的作用对渣土改良混合物塑流性的影响程度。

Claims (4)

1.一种量测盾构渣土改良混合物塑流性的试验装置，包括主动轴(2)和外盘(1)，摇臂(3)水平横向连接主动轴(2)，两个弹簧测力计(4)设置于摇臂(3)两端；

弹簧测力计(4)由顶部开口容器(12)和底部开口容器(14)以及弹簧(13)构成，顶部开口容器(12)倒置于底部开口容器(14)中，并通过弹簧(13)弹性连接，弹簧测力计刻度盘(11)位于顶部开口容器(12)外表面，在顶部开口容器(12)受力的过程中，压缩弹簧(13)，使得顶部开口容器(12)的一部分缩进底部开口容器(14)中，通过读取弹簧测力计刻度盘(11)，可计算得出受力大小；

主动轴水平刻度盘()6位于主动轴()2外侧表面，外盘水平刻度盘()5位于外盘()1外侧表面；

外盘(1)内部设置有与主动轴(2)连接的搅拌叶片(7)和与外盘(1)内侧壁连接的搅拌叶片(8)；在搅拌叶片(7)中间位置还设置有与主动轴(2)相通的管道注剂通道(16)；主动轴(2)内部中空，其一端设有开口，另一端密封；气压输入管(9)和改良剂输入管(10)并联后接入到主动轴(2)的上端开口上；使用时，分别通过气压输入管(9)和改良剂输入管(10)，输入气压和改良剂，在气压和主动轴(2)旋转的共同作用下，改良剂从注剂通道(16)散出；

外盘(1)内部中空，底面封闭，外盘顶面安装有外盘顶盖(15)。

2.根据权利要求1所述的一种量测盾构渣土改良混合物塑流性的试验装置，其特征在于：两个弹簧测力计(4)的大小和规格均相同，分别垂直设置于摇臂(3)两端。

3.根据权利要求1所述的一种量测盾构渣土改良混合物塑流性的试验装置，其特征在于：主动轴水平刻度盘(6)和外盘水平刻度盘(5)上的刻度分别均匀分割主动轴(2)的外侧周长与外盘(1)的外侧周长，其作用是分别用于测量单位时间内刻度的变化量即为主动轴和外盘的角速度。

4.一种量测盾构渣土改良混合物塑流性的试验方法，包括如下的步骤：

S1：推动弹簧测力计以水平转动摇臂，当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，外盘的角速度ω_pi和主动轴的角速ω_ai度会有一个差值Δω_i；当主动轴与外盘均作匀角速度转动时，读出在相同长度时间Δt_i内主动轴外侧表面水平刻度盘上的刻度改变量及外盘外侧水平表面刻度盘上的刻度改变量，得到主动轴转动角度Δθ_ai及外盘转动角度Δθ_pi；读出弹簧测力计内弹簧受压力时的长度变化量Δx_i；量测弹簧测力计中轴线与主动轴中轴线间距L；

${\mathrm{\ω}}_{ai}=\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{ai}}{{\mathrm{\Δt}}_i}---\left(1\right)$

式(1)中ω_ai为主动轴转动角速度，Δθ_ai为Δt_i内主动轴转过的角度变化值，Δt_i为当主动轴与外盘均作匀角速度转动时，一段长度时间；

${\mathrm{\ω}}_{pi}=\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{pi}}{{\mathrm{\Δt}}_i}---\left(2\right)$

式(2)中ω_pi为外盘转动角速度，Δθ_pi为Δt_i内外盘转过的角度变化值，Δt_i为当主动轴与外盘均作匀角速度转动时，一段长度时间；

Δω_i＝ω_ai-ω_pi (3)

式(3)中Δω_i为主动轴与外盘角速度之差；

F_i＝k·Δx_i (4)

式(4)中k为弹簧测力计系数，Δx_i为Δt_i时间内弹簧测力计内弹簧受压力时的长度变化量，

F_i为当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，Δt_i时刻的恒定推力；

T＝F_i·L (5)

式(5)中L为弹簧测力计中轴线与主动轴中轴线间距，T为当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，Δt_i时刻的力矩；

S2：改变推力，重复第一步操作，当主动轴与外盘均作匀角速度转动后，得到多组Δt_i内Δθ_ai、Δθ_pi、Δx_i，并按照公式(1)(2)(3)(4)(5)分别计算Δω_i、ω_ai、ω_pi、F_i和T，通过计算在不同力F_i的作用下主动轴与外盘均作匀角速度转动时的角速度差Δω_i，能够精确得到主动轴与外盘作匀角速度转动时的角速度差与主动轴转动角速度间的关系曲线，通过能量衰减损耗定量反映渣土改良混合物塑流性；

通过精确得到主动轴与外盘均作匀角速度转动时的角速度差与主动轴角速度之比(Δω_i/ω_ai)和主动轴转动力矩T_i间的关系曲线，定量分析力的作用与渣土改良混合物塑流性的相关性。