阅读说明：本技术 一种一维向土体水热迁移测试装置及其测试方法 (One-dimensional soil body hydrothermal migration testing device and testing method thereof ) 是由 刘成 仇涛 殷孝天 张敬宇 吕伟华 刘鹏 于 2020-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种一维向土体水热迁移测试装置及其测试方法,该装置包括传热测试阶段装置和土样切片阶段装置,所述传热测试阶段装置由土筒、试验土、温度传感器、加热板、透水石、多孔底板、盖板等组成；所述土样切片阶段装置由土筒、试验土、顶土器、切土器等组成；本发明可以开展土体一维向水热迁移规律的试验测定,能够对不同含水率的土样进行局部加热试验,切样测试并观察距加热面不同距离位置处的温度及含水率状况,分析一维向的水热迁移规律；可用于模拟盾构机掘进过程中金属刀盘结泥饼后因摩擦生热产生高温,影响开挖面土体性质而加速泥饼生成,为解决刀盘结泥饼这一常见工程难题,获得盾构泥饼的形成机理和发展规律提供一种测试手段。(The invention discloses a one-dimensional soil body hydrothermal migration testing device and a testing method thereof, wherein the device comprises a heat transfer testing stage device and a soil sample slicing stage device, wherein the heat transfer testing stage device comprises a soil cylinder, test soil, a temperature sensor, a heating plate, a permeable stone, a porous bottom plate, a cover plate and the like; the soil sample slicing stage device comprises a soil cylinder, test soil, a soil jacking device, a soil cutting device and the like; the invention can carry out test determination of the one-dimensional hydrothermal migration rule of the soil body, can carry out local heating test on soil samples with different water contents, cut the samples, test and observe the temperature and the water content conditions at different distances from a heating surface, and analyze the one-dimensional hydrothermal migration rule; the method can be used for simulating that high temperature is generated due to friction heating after the mud cake is formed on the metal cutter head in the tunneling process of the shield tunneling machine, the property of the soil body of the excavation surface is influenced, and the generation of the mud cake is accelerated, so that the common engineering problem that the mud cake is formed on the cutter head is solved, and a test means is provided for obtaining the formation mechanism and the development rule of the shield mud cake.)

一种一维向土体水热迁移测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程模型试验技术领域，尤其涉及一种土工模型土的一维向水热迁移测试装置及测试方法。

背景技术

盾构刀盘穿越黏土地层时切削下来的黏土碎屑会粘附在刀盘表面，经刀盘挤压作用形成固体或半固体块状物，并粘附阻塞刀盘，导致切削地层时刀具贯入度降低，使盾构开挖效率下降，因此土壤与刀盘表面粘附是造成刀盘表面产生泥饼的重要原因之一。泥饼的存在不仅会导致盾构刀盘扭矩的增大，还会堵塞排浆管的吸浆口，将严重影响盾构施工技术和施工安全，渣土改良、泥饼清除、盾构系统改造、停机开舱作业、风险防范等一系列施工问题的处理与修复，大大增加了施工成本。

在正常工作情况下，盾构刀盘的温度一般为40～50℃，但是在盾构的掘进过程中，特别是在复合地层的条件下，随着泥饼形成与增大的作用下，刀盘扭矩、总推力的大幅增大、推进速度减慢，导致刀盘温度高达400～500℃，甚至更高。

研究表明，土体的含水率、温度对于土体与界面的粘附特性影响较大，因此想要获得盾构泥饼的形成机理和发展规律，解决刀盘结泥饼这一常见工程难题，需要了解受刀盘高温影响开挖面土体的性质，因此研究土体加热状态下的水热迁移规律是必要的。本发明能够提供一种套管式土体一维向水热迁移测试装置及测试方法，为解决温度对土体性质影响的规律提供一种测试手段。

发明内容

为研究土体加热状态下土体中的水份以及温度的变化规律，本发明提供了一种模型试验套管式土体一维向水热迁移测试装置及测试方法，能够对不同含水率的土样进行局部加热试验，获取距离加热面不同距离位置处的温度及含水率状况，分析一维向的水热迁移规律。

本发明所采用的技术方案是：

一种一维向土体水热迁移测试装置，其特征在于：所述装置包括传热测试阶段装置和土样切片阶段装置；所述传热测试阶段装置由土筒、试验土、温度传感器、加热板、透水石、多孔底板、盖板、螺丝等组成；所述土样切片阶段装置由土筒、试验土、顶土器、切土器等组成。

所述传热测试阶段装置，其特征在于，所述土筒最左端以螺丝固定多孔底板，底板右侧紧贴透水石，最右端以螺丝固定盖板，形成土箱；所述土箱中填充试验土，试验土与加热板紧贴，试验土中每隔一段距离埋设一枚温度传感器；所述土筒内壁设有一层保温层，上下端边沿设有部分突出块；所述多孔底板板面开有若干小孔。

所述的土样切片阶段装置，其特征在于，所述顶土器的挂钩钩在土筒端部边沿，顶土器中间推盘顶推试验土，在试验土被推出的一侧架设切土器，土工钢丝锯沿切土器U型架槽缝切割试验土土柱，顶出器能够保持顶出的试验土土柱完整，不会随扰动而碎裂破坏；所述顶土器中部为螺纹套管，螺纹套管沿边沿伸出挂钩，螺纹套管套在螺纹杆上，螺纹杆左端设有手轮右侧为放大端头，放大端头嵌套在推盘中心，通过接触滚珠保持与推盘的相对转动；所述切土器为侧面设有槽缝的U形架，架底为一放大底座，切土器架身设有可抽动的量尺用以度量切土的厚度，削土器量尺能够准确测量削土厚度，导槽保证切面工整性。所述土工钢丝锯锯框为U形钢架，前端绑有一根细钢丝，钢丝的松紧程度通过侧边手拧螺丝调节，后端两侧设有手柄方便切土时施力，用土工钢丝锯对土样切片，操作简便，代替了常规操作下人工直接用钢丝锯切土的不均匀性，提高了每层土样距离的精确性。

一种一维向土体水热迁移测试方法，其特征在于，包括传热测试阶段方法和土样切片阶段方法两个部分。

传热测试阶段包括以下步骤：

(1)安装并以螺丝固定多孔底板，将安装好底板的土筒竖向放置，置入透水石，裁剪一片与透水石相同截面大小的滤纸，置入土筒中与透水石相贴，在土筒内壁涂抹一层凡士林；

(2)分层填入制配好的试验土，在装填土的过程中，将温度传感器按照试验预定的距离埋入试验土中，并捣实至土筒口；

(3)抹平土筒口土面，将加热板紧贴试验土，盖上盖板并以螺丝固定，将组合好的装置水平放置；

(4)接通加热板电源和温度传感器采集装置，检查装置工作情况；

(5)设置加热板加热温度，开始试验，采集各距离处传感器温度值；

(6)达到加热时间，关闭加热板电源和温度传感器，进入下一阶段“土样切片阶段”。

土样切片阶段包括以下步骤：

(1)拆除多孔底板和盖板，取出透水石、滤纸、加热板；

(2)将顶土器置于装有试验土的土筒左侧，使挂钩钩在土筒左端的突出块上，转动手轮使推盘紧贴试验土；

(3)将切土器置于装有试验土的土筒右侧，调节量尺确定每次切土厚度，将土工钢丝锯的钢丝卡在切土器U型架的槽缝中；

(4)缓慢转动手轮，将试验土从土筒左侧朝右侧推出；

(5)观察切土器上的量尺，试验土每推出指定厚度的土柱，切动土工钢丝锯，将土柱整齐切片；

(6)将切下来的试验土样本分类编号、称重后烘干，计算距离加热面不同厚度土层的含水率变化情况。

有益效果

本发明可以开展土体一维向水热迁移规律的试验测定，可用于模拟盾构机掘进过程中金属刀盘结泥饼后因摩擦生热产生高温，影响开挖面土体性质而加速泥饼生成，为解决刀盘结泥饼这一常见工程难题，获得盾构泥饼的形成机理和发展规律提供一种测试手段。

附图说明：

图1是本发明提供的一维向土体水热迁移测试装置的传热测试阶段装置结构图；

图2是本发明提供的一维向土体水热迁移测试装置的土样切片阶段装置结构图；

图3是图1中多孔底板截面图；

图4是图1中盖板部分截面图；

图5是图2土样切片阶段装置左视图；

图6是图2土样切片阶段装置右视图；

图7是图2中顶土器结构图；

图8是图2中切土器结构图；

图9是图2中切土器右视图；

在附图1-9中

土筒1、试验土2、温度传感器3、加热板4、透水石5、多孔底板6、盖板7、螺丝8、顶土器9、切土器10、保温层11、螺纹套管12、挂钩13、螺纹杆14、手轮15、推盘16、滚珠17、U型架18、量尺19、土工钢丝锯20、底座21、手柄22、手拧螺丝23、钢丝24。

具体实施方式

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为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1～9所示，一种套管式土体一维向水热迁移测试装置及测试方法，其特征在于：所述装置由传热测试阶段装置和土样切片阶段装置组成，所述方法由传热测试阶段和土样切片阶段组成；所述传热测试阶段装置由土筒1、试验土2、温度传感器3、加热板4、透水石5、多孔底板6、盖板7、螺丝8等组成；所述土样切片阶段装置由土筒1、试验土2、顶土器9、切土器10等组成。

所述土筒1最左端以螺丝8固定多孔底板6，底板右侧紧贴透水石5，最右端以螺丝8固定盖板7，形成土箱；所述土箱中填充试验土2，试验土2与加热板4紧贴，试验土2中每隔一段距离埋设一枚传感器；所述试验土2的土类、含水率密实度等参数根据试验要求确定，分层填入土箱中并捣实；所述加热板4的尺寸大小根据试验模拟比例确定，加热功率及温度可根据试验的加热温度要求进行控制；所述传感器可以为温度传感器3、土壤水份传感器或者多功能传感器中的一种；所述土筒1内壁设有一层保温层11，上下端边沿设有部分突出块供顶土器9挂钩13，可以为空心圆柱体或空心棱柱体中的一种，采用金属或工程塑料制成；所述多孔底板6板面开有若干小孔，在水热迁移试验中由于土筒1壁密封，底部多孔底板6为唯一出透面，实现一维向水热迁移。

所述顶土器9挂钩13钩在土筒1端部边沿，顶土器9中间推盘16顶推试验土2，在试验土2被推出一侧架设切土器10，土工钢丝锯20沿切土器10U型架18槽缝切割试验土2土柱，顶出器能够保证，顶出的试验土2土柱完整，不会随扰动而碎裂破坏；所述顶土器9中部为螺纹套管12，螺纹套管12沿边沿伸出挂钩13，螺纹套管12套在螺纹杆14上，螺纹杆14左端设有手轮15右侧为放大端头，放大端头嵌套在推盘16中心，通过接触滚珠17保持与推盘的相对转动；所述切土器10为侧面设有槽缝的U形架，架底为一放大底座21，切土器10架身设有可抽动的量尺19用以度量切土的厚度。所述土工钢丝锯20锯框为U形钢架，前端绑有一根细钢丝24，钢丝24的松紧程度通过侧边手拧螺丝238调节，后端两侧设有手柄22方便切土时施力，削土器量尺19准确测量削土厚度，槽缝保证切面工整性，用土工钢丝锯20对土样切片，操作简便，代替了常规操作下人工直接用钢丝锯切土的不均匀性，大大提高了每层土样距离的精确性。