本發(fā)明涉及土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種盾構(gòu)渣土改良中關(guān)于混合物塑流性指標(biāo)的量測(cè)的試驗(yàn)方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)家高速發(fā)展軌道交通，隧道施工技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，土壓平衡盾構(gòu)在隧道施工中起著無(wú)法取代的地位，而土壓平衡盾構(gòu)施工成功的關(guān)鍵就是將從開挖面上切削下來(lái)的渣土在土倉(cāng)內(nèi)形成一種塑性流動(dòng)狀態(tài)，塑性流動(dòng)狀態(tài)的渣土在對(duì)開挖面施加土壓力的同時(shí)能夠通過螺旋輸送機(jī)管道排出土倉(cāng)，使盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)，但土壓平衡盾構(gòu)在不同的地層中掘進(jìn)會(huì)遇到諸多問題，表現(xiàn)如下：

1、刀盤作為盾構(gòu)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，在地下掘進(jìn)會(huì)遇到不同地層，從淤泥、粘土到硬巖等，刀盤在一定轉(zhuǎn)速和壓力下，安裝于盾構(gòu)機(jī)上的刀具承受很高的荷載和溫度，惡劣的工作條件會(huì)降低刀具的使用壽命；

2、由于開挖土缺乏流動(dòng)性，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)壓力的作用和較高的溫度環(huán)境下，在土倉(cāng)內(nèi)發(fā)生壓密、固結(jié)排水，形成“泥餅”，造成螺旋輸送機(jī)管道堵塞以及刀具工作效率降低，從而影響掘進(jìn)；

3、當(dāng)在含水量大的地層中工作時(shí)，螺旋機(jī)排土器出口處出現(xiàn)噴涌，導(dǎo)致渣土在土倉(cāng)中堆積以及隧道內(nèi)積水，影響掘進(jìn)效率。

所以，通過對(duì)混合物塑流性指標(biāo)的定量量測(cè)，確定盾構(gòu)掘進(jìn)過程中適當(dāng)?shù)脑粮牧际┕?shù)進(jìn)行渣土改良，顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供一種能夠有效、精確地定量量測(cè)混合物塑流性指標(biāo)的裝置。

本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提通過本發(fā)明的裝置，所進(jìn)行的渣土改良混合物塑流性指標(biāo)的量測(cè)的試驗(yàn)方法。

為了解決第一個(gè)技術(shù)問題：本發(fā)明提出了一種量測(cè)盾構(gòu)渣土改良混合物塑流性的試驗(yàn)方法及裝置，包括主動(dòng)軸和外盤，搖臂水平橫向連接主動(dòng)軸，兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)設(shè)置于搖臂兩端。

彈簧測(cè)力計(jì)由頂部開口容器和底部開口容器以及彈簧構(gòu)成，頂部開口容器倒置于底部開口容器中，并通過彈簧彈性連接，彈簧測(cè)力計(jì)刻度盤位于頂部開口容器外表面，在頂部開口容器受力的過程中壓縮彈簧，使得頂部開口容器的一部分縮進(jìn)底部開口容器中，通過讀取彈簧測(cè)力計(jì)刻度盤，可計(jì)算得出受力大小；

主動(dòng)軸水平刻度盤位于主動(dòng)軸外側(cè)表面，外盤水平刻度盤位于外盤外側(cè)表面。

外盤內(nèi)部設(shè)置有與主動(dòng)軸連接的攪拌葉片和與外盤內(nèi)側(cè)壁連接的攪拌葉片；在攪拌葉片中間位置還設(shè)置有與主動(dòng)軸相通的管道注劑通道；主動(dòng)軸內(nèi)部中空，其一端設(shè)有開口，另一端密封；氣壓輸入管和改良劑輸入管并聯(lián)后接入到主動(dòng)軸的上端開口上；使用時(shí)，分別通過氣壓輸入管和改良劑輸入管，輸入氣壓和改良劑，在氣壓和主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的共同作用下，改良劑從注劑通道散出。

外盤內(nèi)部中空，底面封閉，外盤頂面安裝有外盤頂蓋。

為了解決第二個(gè)技術(shù)問題：利用本發(fā)明的上述的實(shí)驗(yàn)裝置，所進(jìn)行的一種盾構(gòu)渣土改良混合物塑流性指標(biāo)的定量量測(cè)的試驗(yàn)方法，具體包括兩步驟：第一步推動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)以水平轉(zhuǎn)動(dòng)搖臂，當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)后，外盤的角速度ω_pi和主動(dòng)軸的角速ω_ai度會(huì)有一個(gè)差值Δω_i；當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，讀出在相同長(zhǎng)度時(shí)間Δt_i內(nèi)主動(dòng)軸外側(cè)表面水平刻度盤上的刻度改變量及外盤外側(cè)水平表面刻度盤上的刻度改變量，得到主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度Δθ_ai及外盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度Δθ_pi；讀出彈簧測(cè)力計(jì)內(nèi)彈簧受壓力時(shí)的長(zhǎng)度變化量Δx_i；量測(cè)彈簧測(cè)力計(jì)中軸線與主動(dòng)軸中軸線間距L；第二步，改變推力，重復(fù)第一步操作，當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)后，得到多組Δt_i內(nèi)Δθ_ai、Δθ_pi、Δx_i，并按照公式1至公式5分別計(jì)算Δω_i、ω_ai、ω_pi、F_i和T，通過計(jì)算在不同力F_i的作用下主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度差Δω_i，能夠精確得到主動(dòng)軸與外盤作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度差與主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度間的關(guān)系曲線，通過能量衰減損耗定量反映渣土改良混合物塑流性；通過精確得到主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度差與主動(dòng)軸角速度之比(Δω_i/ω_ai)和主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩T_i、主動(dòng)軸推動(dòng)力F_i間的關(guān)系曲線。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種量測(cè)盾構(gòu)渣土改良混合物塑流性的試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

的示意圖。

圖2是外盤剖面示意圖。

圖3是彈簧測(cè)力計(jì)正面圖以及剖面圖。

1.外盤、2.主動(dòng)軸、3.搖臂、4.彈簧測(cè)力計(jì)、5.外盤水平刻度盤、6.主動(dòng)軸水平刻度盤、7.主動(dòng)軸攪拌葉片、8.外盤的攪拌葉片、9.氣壓輸入管、10改良劑輸入管、11彈簧測(cè)力計(jì)刻度盤，12頂部開口容器，13彈簧，14頂部開口容器、15.外盤上蓋、16.注劑通道

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明:

實(shí)施例1

參見圖1和圖2，本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)渣土改良混合物塑流性指標(biāo)定量量測(cè)的試驗(yàn)裝置，包括主動(dòng)軸2和外盤1，搖臂3水平橫向連接主動(dòng)軸2，兩個(gè)大小和規(guī)格相同的彈簧測(cè)力計(jì)4分別垂直設(shè)置于搖臂3兩端。彈簧測(cè)力計(jì)4詳圖如圖3所示，彈簧測(cè)力計(jì)4由頂部開口容器12和底部開口容器14以及彈簧13構(gòu)成，頂部開口容器12倒置于底部開口容器14中，并通過彈簧13彈性連接，彈簧測(cè)力計(jì)刻度盤11位于頂部開口容器12外表面，在頂部開口容器12受力的過程中，壓縮彈簧13，使得頂部開口容器12的一部分縮進(jìn)底部開口容器14中，通過讀取彈簧測(cè)力計(jì)刻度盤11，可計(jì)算得出受力大小。

主動(dòng)軸水平刻度盤6位于主動(dòng)軸2外側(cè)表面，外盤水平刻度盤5位于外盤1外側(cè)表面，主動(dòng)軸水平刻度盤6和外盤水平刻度盤5上的刻度分別均勻分割主動(dòng)軸2的外側(cè)周長(zhǎng)與外盤1的外側(cè)周長(zhǎng)，其作用是分別用于測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)刻度的變化量即為主動(dòng)軸和外盤的角速度。

外盤1內(nèi)部設(shè)置有與主動(dòng)軸2連接的攪拌葉片7和與外盤內(nèi)側(cè)壁連接的攪拌葉片8。在攪拌葉片7中間位置還設(shè)置有與主動(dòng)軸2相通的管道注劑通道16。主動(dòng)軸2內(nèi)部中空，其一端設(shè)有開口，另一端密封；氣壓輸入管9和改良劑輸入管10并聯(lián)后接入到主動(dòng)軸2的上端開口上。使用時(shí)，分別通過氣壓輸入管9和改良劑輸入管10，輸入氣壓和改良劑，在氣壓和主動(dòng)軸2旋轉(zhuǎn)的共同作用下，改良劑從注劑通道16散出。

外盤1內(nèi)部中空，底面封閉，外盤頂面安裝有外盤頂蓋15，所形成的封閉空間稱為土倉(cāng)。打開頂蓋向外盤內(nèi)盛放渣土試樣，進(jìn)行渣土試樣改良試驗(yàn)時(shí)安裝頂蓋封閉外盤頂面即可。

實(shí)施例2

參見圖1和圖2，利用實(shí)施例1中的本發(fā)明的試驗(yàn)裝置所進(jìn)行的改良混合物塑流性指標(biāo)的定量量測(cè)的試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

第一步：推動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)以水平轉(zhuǎn)動(dòng)搖臂，通過主動(dòng)軸向外盤中的渣土試樣添加改良劑，使土倉(cāng)內(nèi)的渣土混合物流動(dòng)，從而對(duì)安裝于外盤內(nèi)側(cè)的攪拌葉片施加力的作用，使外盤轉(zhuǎn)動(dòng)；根據(jù)能量守恒定律，土倉(cāng)內(nèi)的混合物流動(dòng)時(shí)會(huì)有能量消耗，且外盤質(zhì)量較大，所以當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)后，外盤的角速度ω_pi和主動(dòng)軸的角速ω_ai度會(huì)有一個(gè)差值Δω_i；當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，讀出在相同長(zhǎng)度時(shí)間Δt_i內(nèi)主動(dòng)軸外側(cè)表面水平刻度盤上的刻度改變量及外盤外側(cè)水平表面刻度盤上的刻度改變量，得到主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度Δθ_ai及外盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度Δθ_pi；讀出彈簧測(cè)力計(jì)內(nèi)彈簧受壓力時(shí)的長(zhǎng)度變化量Δx_i；量測(cè)彈簧測(cè)力計(jì)中軸線與主動(dòng)軸中軸線間距L；

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

式(1)中

ω_ai為主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

Δθ_ai為Δt_i內(nèi)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)過的角度變化值；

Δt_i為當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一段長(zhǎng)度時(shí)間；

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

式(2)中

ω_pi為外盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

Δθ_pi為Δt_i內(nèi)外盤轉(zhuǎn)過的角度變化值；

Δt_i為當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一段長(zhǎng)度時(shí)間；

Δω_i＝ω_ai-ω_pi (3)

式(3)中

Δω_i為主動(dòng)軸與外盤角速度之差；

F_i＝k·Δx_i (4)

式(4)中

k為彈簧測(cè)力計(jì)系數(shù)；

Δx_i為Δt_i時(shí)間內(nèi)彈簧測(cè)力計(jì)內(nèi)彈簧受壓力時(shí)的長(zhǎng)度變化量；

F_i為當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)后，Δt_i時(shí)刻的恒定推力；

T＝F_i·L (5)

式(5)中

L為彈簧測(cè)力計(jì)中軸線與主動(dòng)軸中軸線間距；

T為當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)后，Δt_i時(shí)刻的力矩。

第二步：改變推力，重復(fù)第一步操作，當(dāng)主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)后，得到多組Δt_i內(nèi)Δθ_ai、Δθ_pi、Δx_i，并按照公式(1)(2)(3)(4)(5)分別計(jì)算Δω_i、ω_ai、ω_pi、F_i和T，通過計(jì)算在不同力F_i的作用下主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度差Δω_i，能夠精確得到主動(dòng)軸與外盤作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度差與主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度間的關(guān)系曲線，在不同力F_i的作用下，通過繪制出的關(guān)系曲線(橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別代表主動(dòng)軸與外盤作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度差和主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度)，我們可以更直觀的得到渣土改良混合物塑流性的強(qiáng)弱。通過能量衰減損耗定量反映渣土改良混合物塑流性；通過精確得到主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度差與主動(dòng)軸角速度之比(Δω_i/ω_ai)和主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩T_i、主動(dòng)軸推動(dòng)力F_i間的關(guān)系曲線，通過繪制出的關(guān)系曲線(橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別代表主動(dòng)軸與外盤均作勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度差與主動(dòng)軸角速度之比(Δω_i/ω_ai)和主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩T_i)，我們可以更直觀的得到力的作用對(duì)渣土改良混合物塑流性的影響程度。