盾構(gòu)渣土改良效果評價機(jī)器人攪拌探頭選型分析

王祥祥, 鞠翔宇, 2, *, 荊留杰, 楊 晨, 游宇嵩

(1. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450016; 2. 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

近年來,隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,盾構(gòu)技術(shù)在推動地鐵快速建設(shè)方面發(fā)揮了重要作用[1]。目前,主流的盾構(gòu)類型包括土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)。其中,渣土作為土壓平衡盾構(gòu)壓力平衡的媒介,一方面可以平衡前方掌子面的水土壓力,防止土體失穩(wěn);另一方面可以平衡螺機(jī)壓力,保證設(shè)備順利出渣[2]。因此,往往需要通過渣土改良使渣土具有良好的流動性、合適的塑性、較低的抗剪強(qiáng)度和黏附強(qiáng)度、較小的滲透系數(shù)和一定的壓縮性[3-7],從而便于排土和控制土艙壓力,降低刀盤結(jié)泥餅、刀具磨損、螺機(jī)噴涌的風(fēng)險[8]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對渣土塑流性的測試方法與評價指標(biāo)進(jìn)行了大量的研究。Zumsteg等[9]與Peila等[10]通過研究發(fā)現(xiàn),黏性渣土中加入泡沫后,其坍落度值明顯增加,渣土塑流性增強(qiáng)。閆鑫等[11]發(fā)現(xiàn)當(dāng)泡沫注入比相同時,砂土含水率低于某值可增加土顆粒間黏聚力,過量水會降低顆粒間黏聚力,導(dǎo)致坍落度增大。葉新宇[12]擬合大量坍落度試驗數(shù)據(jù),指出泥質(zhì)粉砂巖地層盾構(gòu)渣土的坍落度值與泡沫注入比和含水率呈二次函數(shù)關(guān)系。王樹英等[8]針對改良后渣土理想坍落度取值范圍進(jìn)行了廣泛調(diào)研,發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外對其的取值范圍尚未統(tǒng)一,且差別較大。李培楠等[13]提出使用水泥膠砂流動度測定儀與稠度儀評價黏性渣土的塑流性,并將試驗結(jié)果得到的最佳配比應(yīng)用到上海某地鐵盾構(gòu)隧道施工中,取得了良好的施工效果。Oliveira等[14]對水泥膠砂流動度儀的試驗方法進(jìn)行了改進(jìn),使用渣土在玻璃板上方上下震動40次后的直徑變化率F40作為渣土塑流性的評價指標(biāo),但由于數(shù)據(jù)量有限,且影響因素較多,作者未給出理想渣土的F40值。Milligan[3]與Maidl等[7]用黏稠指數(shù)來表征黏土的黏稠狀態(tài),進(jìn)而評價其塑流性,得出稠度指數(shù)在0.4～0.75區(qū)間的渣土具有較好的塑流性,能夠較好地滿足盾構(gòu)排土的要求。李培楠等[13]和Langmaack[15]采用砂漿稠度儀測定渣土的塑流性,結(jié)果表明隨著改良劑摻入比的增加,圓錐的插入深度越大,渣土的塑流性越好。Quebaud等[16]與劉大鵬[17]在室內(nèi)砂漿攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上增加了功率表,測定攪拌渣土?xí)r消耗的能量,并將能量消耗減小量作為渣土塑流性的評價指標(biāo)。Mori等[18]研制了一套可以測定在一定壓力下渣土抗剪強(qiáng)度的十字剪切試驗裝置,用于檢測不同改良參數(shù)下的最大轉(zhuǎn)矩值,以此計算改良土樣的抗剪強(qiáng)度。Avunduk等[19]提出了一種可手持便捷式扭轉(zhuǎn)剪切試驗裝置,并通過試驗驗證其測量結(jié)果與經(jīng)典剪切試驗具有很強(qiáng)的相關(guān)性,該裝置能夠快速簡便地評價渣土的改良效果。以上研究在一定程度上降低了土壓平衡盾構(gòu)的施工風(fēng)險,增加了盾構(gòu)掘進(jìn)效率,但是不同學(xué)者使用的試驗儀器和評價指標(biāo)各不相同,目前缺乏統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn);此外,由于缺乏盾構(gòu)智能化方面的深入研究與工程實踐,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中渣土改良狀態(tài)信息獲取滯后,決策控制依賴人為經(jīng)驗致使盾構(gòu)盲目掘進(jìn),導(dǎo)致渣土改良策略與地層條件不適應(yīng)、掘進(jìn)效率低等問題一直存在[8]。

因此,有必要研發(fā)一款室內(nèi)渣土改良標(biāo)準(zhǔn)量化試驗臺,用于改良規(guī)律挖掘與評價指標(biāo)體系的建立;與一款盾構(gòu)渣土改良效果評價機(jī)器人,用于渣土實時取樣與檢測,并結(jié)合掘進(jìn)參數(shù),指導(dǎo)改良參數(shù)的快速調(diào)整。機(jī)器人與試驗臺皆通過安裝在其上的攪拌裝置攪拌渣土,檢測攪拌探頭插入渣土?xí)r的貫入阻力以及探頭旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)矩,從而評價渣土的塑流性。攪拌探頭作為機(jī)器人與試驗臺中直接與渣土接觸的裝置,其形狀決定了所測貫入阻力與轉(zhuǎn)矩的敏感性。國內(nèi)外學(xué)者對不同攪拌探頭的測量效果進(jìn)行了一定的探索。Li等[20]使用十字形攪拌探頭測量了氣壓加載條件下不同貫入深度時改良砂土的攪拌轉(zhuǎn)矩; Mario等[21]采用球形攪拌探頭(帶有球測量系統(tǒng)的流變儀)研究了泡沫改良土的流變特性,得到改良土剪切應(yīng)力-剪切速率關(guān)系; Wan等[22]采用圓盤形探頭進(jìn)行了切向黏附試驗,探索改良土與圓盤探頭之間的黏附強(qiáng)度和轉(zhuǎn)矩變化關(guān)系。以上研究為不同學(xué)者分別針對單一形狀攪拌探頭進(jìn)行的試驗,未對不同形狀探頭的測量效果進(jìn)行對比分析。Hu等[23]使用CFD方法對3種不同形狀探頭進(jìn)行仿真,對比轉(zhuǎn)矩測量效果,但未對探頭貫入阻力進(jìn)行研究。

綜上所述,本文將渣土看作非牛頓流體,通過平滑粒子流體動力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法對不同形狀攪拌探頭貫入渣土以及攪拌過程進(jìn)行仿真,并在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上利用層次分析法對不同形狀攪拌探頭測量的攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力敏感性進(jìn)行分析,以期為機(jī)器人與試驗臺的研發(fā)應(yīng)用提供幫助。

1 SPH理論與渣土流變特性

1.1 SPH基本理論

平滑粒子流體動力學(xué)是一種無網(wǎng)格或自由網(wǎng)格的數(shù)值方法,其不需要定義有限元通常定義的節(jié)點和單元,只需用一個點集合代表一個給定物體,SPH中定義的點通常指粒子或虛擬粒子。

SPH法的核心實為一種插值,宏觀物理變量(密度、壓力、溫度)f(x)能非常方便地借助于一組無序點上的值表示成積分插值計算得到,其方程的構(gòu)造涉及2個關(guān)鍵問題[24-25]： 函數(shù)的光滑近似逼近、質(zhì)點的近似逼近。

1.1.1 函數(shù)的光滑近似逼近

應(yīng)用積分表示函數(shù)的核近似法對任意函數(shù)和光滑核函數(shù)進(jìn)行逐步積分如下:

(1)

式中:f(x)為任意空間變量的函數(shù);D為x的積分區(qū)間;W(x-x′,h)為光滑函數(shù),又被稱作插值函數(shù);h為定義光滑函數(shù)的影響區(qū)域的光滑長度。

1.1.2 質(zhì)點的近似逼近

在SPH方法中,整個系統(tǒng)是由具有獨立的質(zhì)量、占有獨立空間的有限個粒子表示的。應(yīng)用粒子近似法可讓與核近似法相關(guān)的連續(xù)積分表示式轉(zhuǎn)化為支持域內(nèi)所有粒子疊加求和的離散化形式[26]：

(2)

式中:mi、ρi分別為粒子的質(zhì)量和密度;i為計算質(zhì)點記號;N為質(zhì)點總數(shù)。

通過式(1)和式(2)便可對任意函數(shù)f(x)在空間坐標(biāo)內(nèi)進(jìn)行SPH方法的離散化處理。轉(zhuǎn)化后的不可壓縮流體的Navier-Stokes公式的形式如下。

質(zhì)量守恒方程為:

(3)

動量守恒方程為:

(4)

能量守恒方程為:

(5)

式(3)—(5)中:v為速度;e為熱能;σ為應(yīng)力張量;P為壓力;μ為動力黏滯系數(shù);ε為動剪應(yīng)變率;α和β代表不同坐標(biāo)方向;i和j代表不同質(zhì)點,其中i為計算質(zhì)點記號,j為鄰近質(zhì)點記號。

SPH方法可以像其他拉格朗日模型那樣指定初始條件與邊界條件,也允許與其他拉格朗日體的接觸相互作用。在變形并非很嚴(yán)重時,SPH方法的精度比拉格朗日有限元分析要低,但是在諸如液體晃動、波浪工程等大變形仿真的應(yīng)用上具有很高的精度[27]。攪拌探頭貫入與旋轉(zhuǎn)的過程中,渣土發(fā)生極大變形,因此SPH方法適用于該工況。

1.2 渣土流變特性

由坍落度試驗可知,渣土在自重作用下緩慢流動塌落并最終達(dá)到某一穩(wěn)定高度,表明當(dāng)剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時,渣土似流體般發(fā)生剪切流動;當(dāng)剪切應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時,渣土似固體般不發(fā)生變形[28],其剪應(yīng)變率與剪應(yīng)力之間呈非線性關(guān)系,可采用非牛頓流體模型中的Bingham流體模型對此進(jìn)行描述,如式(6)所示。

τ=τ0+μpγ。

(6)

式中:τ0為動切應(yīng)力(簡稱動切力或初始屈服應(yīng)力),Pa;μp為塑性黏度,Pa·s;τ為剪切應(yīng)力,Pa;γ為剪切速率,s-1。

2 SPH數(shù)值模擬方案

2.1 數(shù)值模型

攪拌探頭選用S1、P1、B1、B2、C2 5種型號,攪拌探頭的攪拌直徑均為94 mm,如圖1所示。渣桶底部半徑75 mm,頂部半徑100 mm,渣土在桶內(nèi)的高度為145 mm,如圖2所示。每個攪拌探頭劃分為約3 000個四面體網(wǎng)格,單元類型均為C3D10M; 渣桶劃分為5 858個四邊形網(wǎng)格,單元類型為S4R; 渣土劃分為31 764個六面體網(wǎng)格,單元類型為C3D8R,計算過程中C3D8R單元轉(zhuǎn)化為粒子。

圖1 攪拌探頭

圖2 桶與渣土(單位: mm)

2.2 邊界條件

建立幾何模型時,以Y方向作為豎向,以X、Z方向作為水平方向。在分析過程中始終限制渣桶X、Y、Z3個方向上的位移與旋轉(zhuǎn)自由度,使其完全固定。對于攪拌探頭,初始時限制X、Z方向上的位移自由度與X、Y、Z3個方向上的旋轉(zhuǎn)自由度,分析時限制X、Z方向上的位移與旋轉(zhuǎn)自由度,Y方向(豎向)的位移設(shè)定為-150 mm,旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為60 r/min,方向為逆時針旋轉(zhuǎn)。

為了模擬機(jī)器人和試驗臺攪拌探頭貫入、攪拌的工況,使用幅值曲線控制探頭位移與轉(zhuǎn)速的施加。攪拌探頭位移與轉(zhuǎn)速施加時機(jī)及變化情況如圖3所示。在0～0.5 s,攪拌探頭位移沿豎向線性增加,0.5 s達(dá)到最大位移150 mm后停止貫入,從而模擬攪拌探頭貫入渣土的過程; 在0.5～1 s,攪拌探頭旋轉(zhuǎn)速度由0 rad/s線性增加至6.28 rad/s; 在1～4 s,攪拌探頭保持6.28 rad/s逆時針勻速旋轉(zhuǎn),從而模擬渣土攪拌切割的過程。

(a) 攪拌探頭豎向位移(b) 攪拌探頭轉(zhuǎn)速

圖3 攪拌探頭位移與轉(zhuǎn)速施加時機(jī)及變化情況

Fig. 3 Application timing, changes of displacement, and speed of mixing probe

2.3 材料參數(shù)設(shè)置

攪拌探頭與渣桶為鋼材質(zhì),由于計算過程中攪拌探頭與攪拌桶受力較小,不會發(fā)生塑性變形,所以將其視為線彈性材料。使用Bingham模型表達(dá)渣土的流變特性。為了得到攪拌探頭在不同強(qiáng)度渣土中的轉(zhuǎn)矩與貫入阻力的變化規(guī)律,參考文獻(xiàn)[23,29]中渣土實測流變參數(shù),將初始屈服應(yīng)力分別設(shè)定為10、50、150、250、350 Pa,將黏度設(shè)定為100、200、300、400 Pa·s,并進(jìn)行正交仿真試驗。渣土流變參數(shù)見表1。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力時變曲線分析

以60 r/min轉(zhuǎn)速的S1型攪拌探頭,初始屈服應(yīng)力10 Pa、黏度300 Pa·s的渣土為例,如圖4所示,攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力時變曲線可以劃分為4個階段。

表1 渣土流變參數(shù)[23,29]

(a) 攪拌轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

(b) 貫入阻力隨時間變化曲線(“-”表示受壓,“+”表示受拉)

3.1.1t1段: 0～0.12 s

攪拌探頭勻速向下運(yùn)動,但還未接觸到渣土表面。此時攪拌探頭轉(zhuǎn)矩與貫入阻力皆為0。

3.1.2t2段: 0.12～0.5 s

攪拌探頭接觸到渣土表面后繼續(xù)勻速向下運(yùn)動。如圖5(a)所示,在攪拌探頭貫入過程中,受到渣土對其豎直向上的阻力F1y,為了保持勻速向下運(yùn)動,攪拌探頭同時受到方向豎直向下、大小與渣土阻力相同的力,這是一對作用力與反作用力。因此,攪拌探頭受壓,受力為負(fù),如圖4所示。

圖5 攪拌探頭受渣土作用力分析

根據(jù)攪拌探頭貫入阻力隨時間變化曲線可知,當(dāng)攪拌探頭接觸到渣土表面瞬間,所受貫入阻力猛然增大,然后隨著貫入深度的增加逐漸增大,直到0.5 s瞬時,攪拌探頭停止貫入時達(dá)到峰值,并迅速變?yōu)樾∮?的負(fù)值。之所以出現(xiàn)小于0的負(fù)值,是由于0.5 s瞬時,攪拌探頭還未開始轉(zhuǎn)動,此時攪拌探頭受到渣土豎直向上的浮力,為了克服浮力保持靜止,攪拌探頭同時受到豎直向下的反作用力。

根據(jù)攪拌探頭轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線可知,在攪拌探頭向下貫入過程中受到渣土對其的反向轉(zhuǎn)矩,并隨著貫入深度的增加不斷增大。由圖5可知,這是由于在向下貫入時攪拌探頭受到水平向右的分力F1x,在逆時針旋轉(zhuǎn)時攪拌探頭受到水平向左的分力F2x,2種狀態(tài)下攪拌探頭所受的水平分力方向相反,因此在向下貫入時產(chǎn)生相對逆時針旋轉(zhuǎn)時的反向轉(zhuǎn)矩。

3.1.3t3段: 0.5～1 s

攪拌探頭停止貫入,保持豎向的靜止,轉(zhuǎn)速開始均勻增加。攪拌探頭旋轉(zhuǎn)時,渣土對攪拌探頭存在豎直向下的分力F2y,為了保持豎向靜止,攪拌探頭同時受到豎直向上的反作用力,此時,攪拌探頭受拉,受力為正。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大,該反作用力不斷增大最終保持穩(wěn)定; 隨著轉(zhuǎn)速的勻速增加,轉(zhuǎn)矩不斷增大,最終保持穩(wěn)定。

3.1.4t4段: 1～4 s

攪拌探頭保持勻速旋轉(zhuǎn),攪拌探頭轉(zhuǎn)矩與受力保持穩(wěn)定。

3.2 流變參數(shù)對攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力影響分析

以B2型攪拌探頭為例,提取不同流變參數(shù)條件下攪拌探頭的貫入阻力峰值與攪拌轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)值進(jìn)行分析,如圖6和圖7所示。由圖可知,隨著渣土黏度與初始屈服應(yīng)力的增大,攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力均呈線性增加的趨勢。但是與黏度相比,初始屈服應(yīng)力對攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力的影響相對較小。

(a) 黏度對攪拌轉(zhuǎn)矩的影響

(b) 初始屈服應(yīng)力對攪拌轉(zhuǎn)矩的影響

(a) 黏度對貫入阻力的影響

(b) 初始屈服應(yīng)力對貫入阻力的影響

3.3 攪拌探頭對攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力的影響分析

圖8和圖9示出初始屈服應(yīng)力τ一定時,不同型號攪拌探頭的攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力隨黏度η的變化曲線。由圖可知,對于不同型號的攪拌探頭,其攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力均隨黏度η的增大而線性增大,但是不同型號攪拌探頭的攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力隨黏度變化曲線的斜率存在明顯的差別,這說明不同的攪拌探頭對于攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力的“敏感度”不同,曲線的斜率越大,說明攪拌探頭對于所測數(shù)據(jù)越“敏感”。

對不同型號攪拌探頭的攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力隨黏度變化曲線進(jìn)行線性擬合,得到擬合曲線的斜率如表2所示。通過對比曲線的斜率不難發(fā)現(xiàn): 攪拌轉(zhuǎn)矩敏感度C2>B1>B2>P1>S1,而貫入阻力敏感度S1>P1>C2>B1>B2。

(a) τ=10 Pa

(b) τ=50 Pa

(c) τ=150 Pa

(d) τ=250 Pa

(e) τ=350 Pa

(a) τ=10 Pa

(b) τ=50 Pa

(c) τ=150 Pa

(d) τ=250 Pa

(e) τ=350 Pa

4 基于層次分析法的攪拌探頭選型分析

4.1 層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。層次分析法的基本步驟包括: 1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型; 2) 構(gòu)造成對比較矩陣; 3) 計算權(quán)向量并做一致性檢驗; 4) 計算組合權(quán)向量。

對于攪拌探頭選型而言,首先,對5個型號的攪拌探頭按照攪拌轉(zhuǎn)矩、貫入阻力2個選型標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型; 其次,分別構(gòu)造攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力的對比矩陣,計算權(quán)重向量并做一致性檢驗; 然后,構(gòu)造單因素條件下不同攪拌探頭敏感性對比矩陣,并分別計算權(quán)向量; 最后,計算組合權(quán)向量并對攪拌探頭進(jìn)行排名。

4.2 影響攪拌探頭選型的各因素權(quán)重計算

4.2.1 構(gòu)造相對重要性矩陣

影響攪拌探頭選型的主要因素是攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力,但是考慮到檢測時間、檢測數(shù)據(jù)連續(xù)性、抵抗檢測環(huán)境影響能力等因素,對于攪拌探頭來說攪拌轉(zhuǎn)矩的重要性要大于貫入阻力。結(jié)合表3和表4,假設(shè)攪拌轉(zhuǎn)矩的重要性比貫入阻力略大,通過兩兩對比,得到相對重要性矩陣A。

表2 不同型號攪拌探頭轉(zhuǎn)矩與貫入阻力隨黏度變化曲線斜率

表3 風(fēng)險權(quán)重評價分值表

表4 攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力兩兩對比結(jié)果

4.2.2 計算矩陣的特征值與特征向量

通過計算矩陣A的最大特征值λmax(A)=2; 最大特征值對應(yīng)的特征向量β=(0.948 683 3,0.316 227 77)T。

3) 計算隨機(jī)一致性比率,判斷矩陣是否具有滿意的一致性。

不一致程度的指標(biāo)

(7)

式中n為矩陣的階數(shù)。

4.2.3 特征向量的歸一化

將特征向量β歸一化后得到β1=(0.75,0.25)T,因此得到攪拌轉(zhuǎn)矩的權(quán)重值為0.75,貫入阻力的權(quán)重值為0.25。

4.3 單因素條件下不同攪拌探頭敏感性權(quán)重計算

4.3.1 各攪拌探頭攪拌轉(zhuǎn)矩敏感性權(quán)重計算

轉(zhuǎn)矩隨黏度變化曲線斜率是評價攪拌探頭轉(zhuǎn)矩敏感度的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此,以表5中的斜率為兩兩對比的依據(jù),構(gòu)造不同攪拌探頭的攪拌轉(zhuǎn)矩敏感性相對重要性矩陣,結(jié)合4.2節(jié)中的計算步驟與方法計算歸一化的特征向量。

表5 不同攪拌探頭轉(zhuǎn)矩隨黏度變化曲線斜率

相對重要性矩陣B的最大特征值λmax(B)=5,歸一化的特征向量β2=(0.217,0.174,0.358,0.134,0.117)T。

4.3.2 各攪拌探頭貫入阻力敏感性權(quán)重計算

以表6中的斜率為兩兩對比的依據(jù),構(gòu)造相對重要性矩陣C,結(jié)合4.2節(jié)中的計算步驟與方法計算歸一化的特征向量。

表6 不同攪拌探頭貫入阻力隨黏度變化曲線斜率

相對重要性矩陣C的最大特征值λmax(C)=5,歸一化的特征向量β3=(0.140,0.095,0.142,0.261,0.362)T。

4.4 選型結(jié)果

根據(jù)4.2、4.3節(jié)的計算結(jié)果可知: 攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力對影響攪拌探頭選型的權(quán)向量β1=(0.75,0.25)T; 各攪拌探頭的攪拌轉(zhuǎn)矩敏感性權(quán)向量β2=(0.217,0.174,0.358,0.134,0.117)T; 各攪拌探頭貫入阻力敏感性權(quán)向量β3=(0.140,0.095,0.142,0.261,0.362)T。

B1型攪拌探頭的綜合得分為0.75×0.217+0.25×0.140=0.198。同理,分別求出所有型號攪拌探頭的綜合得分如表7所示。根據(jù)攪拌探頭綜合評分進(jìn)行排序: C2>B1>S1>P1>B2。因此,C2型攪拌探頭為最佳攪拌探頭。

表7 各型號攪拌探頭綜合得分

5 選型結(jié)果驗證

5.1 試驗設(shè)備及材料

攪拌試驗是在渣土改良標(biāo)準(zhǔn)量化試驗臺上完成的(見圖10)。該試驗臺攪拌模塊旋轉(zhuǎn)速度為60 r/min,縱向運(yùn)動模塊運(yùn)動速度為40 mm/s,轉(zhuǎn)矩量程為±4 N·m,拉壓力量程為100 N,精度為0.3%FS,可以完成對渣土的貫入、拉拔與攪拌試驗,滿足本試驗的測試要求。

圖10 渣土改良標(biāo)準(zhǔn)量化試驗臺

試驗用土取自鄭州某地鐵車站施工現(xiàn)場,取樣深度位于盾構(gòu)區(qū)間所在高程范圍內(nèi)。經(jīng)過測試,該原狀土小于0.075 mm的細(xì)顆粒占總體的95%以上,塑限含水率為15%,液限含水率為25%。

5.2 試驗方案

為了驗證選型結(jié)果,使用易于加工制作的C2型攪拌探頭與B1型攪拌探頭進(jìn)行試驗,渣土的含水量配比與泡沫摻入比如表8所示。同時,通過3.1節(jié)的分析可知: 向下貫入時攪拌探頭受壓,逆時針旋轉(zhuǎn)時攪拌探頭受拉,受力狀態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變,不利于力的監(jiān)測。因此,在進(jìn)行試驗時,攪拌探頭以順時針方向旋轉(zhuǎn),使其在豎向上一直處于受壓狀態(tài)。

表8 試驗方案

5.3 試驗結(jié)果

實測攪拌轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線如圖11所示。由圖可知,當(dāng)渣土含水率較低時,轉(zhuǎn)矩在進(jìn)入渣土初期會出現(xiàn)峰值,隨后逐漸趨于平穩(wěn);隨著渣土含水率的升高,當(dāng)渣土含水率為30%時,攪拌探頭進(jìn)入渣土后,轉(zhuǎn)矩立即進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。實測貫入阻力時變曲線如圖12所示。由圖可知,在攪拌探頭向下貫入過程中貫入阻力(探頭所受壓力)逐漸增大,直到探頭停止向下移動,所測貫入阻力達(dá)到最大值; 當(dāng)探頭開始旋轉(zhuǎn)攪拌渣土?xí)r,探頭所受壓力趨于穩(wěn)定。

圖11 實測攪拌轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

在低圍壓條件下,渣土黏度隨著含水率的升高而逐漸降低,且呈近似線性變化的趨勢[30]。因此,取每組試驗攪拌轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)值與貫入阻力峰值分別繪制其隨含水率的變化曲線,如圖13和圖14所示?？梢钥闯?2種攪拌探頭數(shù)據(jù)變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果(見圖8、圖9)基本一致,可以說明選型結(jié)果的合理性。

圖12 實測貫入阻力時變曲線(正值表示受壓)

圖13 不同攪拌探頭攪拌轉(zhuǎn)矩隨含水率變化趨勢

圖14 不同攪拌探頭貫入阻力隨含水率變化趨勢

6 結(jié)論與建議

攪拌探頭作為機(jī)器人和試驗臺上唯一與渣土發(fā)生接觸的部件,其對攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力檢測的準(zhǔn)確性與靈敏度至關(guān)重要。因此,本文將渣土假定為賓漢姆流體,通過SPH方法對不同型號的攪拌探頭貫入、攪拌渣土的過程進(jìn)行動態(tài)仿真,運(yùn)用層次分析法綜合考慮不同攪拌探頭對貫入阻力與攪拌轉(zhuǎn)矩的檢測靈敏度,得到如下結(jié)論:

1)根據(jù)攪拌轉(zhuǎn)矩與貫入阻力時變曲線分析可知,貫入阻力隨攪拌探頭勻速貫入深度的增加而增加,攪拌轉(zhuǎn)矩隨著攪拌探頭轉(zhuǎn)速的增加而增加。

2)根據(jù)貫入阻力與攪拌轉(zhuǎn)矩的影響因素分析可知,貫入阻力與攪拌轉(zhuǎn)矩均隨渣土初始屈服應(yīng)力與塑性黏度的增大而增大; 并且,渣土的塑性黏度對其影響更大,對初始剪切屈服應(yīng)力的影響較小。

3)C2型攪拌探頭可以同時兼顧貫入阻力與攪拌轉(zhuǎn)矩靈敏度要求,為本次選型的最佳攪拌探頭,可用于粉質(zhì)黏土地層渣土改良效果評價機(jī)器人掘進(jìn)試驗。

進(jìn)一步地,結(jié)合本文攪拌探頭的選型結(jié)果,在標(biāo)準(zhǔn)量化試驗臺與機(jī)器人上使用相同的攪拌探頭與渣土容器,使其在相同的檢測體系下分別開展室內(nèi)渣土改良試驗與現(xiàn)場搭載試驗,用于探索改良規(guī)律并建立評價體系; 在此基礎(chǔ)上,結(jié)合機(jī)器人現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)與掘進(jìn)參數(shù)評價當(dāng)前渣土改良狀態(tài),并給出改良建議。