CN104297451B - 一种大粒径土体冻胀性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大粒径土体冻胀性能测试装置，属室内土工低温试验技术领域。其包括试样筒、上冷浴盘、下冷浴盘、固定支架、加载板、起吊架等。其中，上冷浴盘和下冷浴盘预留冷冻液流动通路，通过低温恒温冷浴为上冷浴盘和下冷浴盘提供具有恒定温度的冷冻液，达到对试样筒内土样进行单向降温的目的，模拟现场土体的单向冻结模式；进一步改进还可模拟单向冻结模式下地下水的补给和地面水的渗流。本发明可完全模拟冻土地区土体的冻胀、融沉模式，大大减少现场试验的工作量，进一步丰富冻土试验技术手段。

Description

一种大粒径土体冻胀性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种大粒径土体冻胀性能测试装置，属室内土工低温试验技术领域。

背景技术

冻土，作为工程中的一种特殊土，其分布面积约占全球陆地面积的50%，其中我国冻土分布面积位居世界第三。随着我国经济的快速发展，冻土地区的铁路、道路、水利、管道等工程建设蓬勃推进，而冻土区季节性的冻融作用所引起的地基或路基土的冻胀及融化软化，以及由此引起的岩土材料内部结构和力学性质的变化，一直都是困扰冻土区铁路、道路等工程建设的难题，亦是国内外冻土学者研究的焦点问题。

为此，国内外进行了大量的工程实践和相关研究，填筑大粒径土体诸如级配碎石、级配砂砾石、水泥稳定碎石等非冻胀敏感性填料就是其中一项措施，尤其是在冻土区的铁路、道路等工程建设中得到了广泛的使用。然而，现场工程应用仍先于试验技术、理论研究的进展，也就是说，我们对级配碎石、级配砂砾石、水泥稳定碎石等大粒径土体的冻胀性的研究并不深入，以细粒土的研究成果来解释大粒径土体的冻胀性能并不合理；近几年的工程实践也表明，填筑级配碎石、级配砂砾石、水泥稳定碎石等大粒径土体虽然大大减少了冻害的产生，但现场路基的冻害仍时有发生。同时，实验设备、技术、手段的欠缺一直以来都是冻土研究难以深入的瓶颈，国内外土体冻胀性能测试装置仅适用于测试细粒土、粗粒土（最大粒径小于40mm的土体）的冻胀性能，无法满足级配碎石、级配砂砾石、水泥稳定碎石这种大粒径土体冻胀性能的测试。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构比较简单的大粒径土体冻胀性能测试装置，其可完全模拟冻土地区土体的冻胀、融沉模式，大大减少现场试验的工作量，丰富冻土试验技术手段。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种大粒径土体冻胀性能测试装置，其关键技术在于：其包括试样筒、设于试样筒外部的固定支架、定位于试样筒内侧上部的上冷浴盘以及设于试样筒下部的下冷浴盘；

所述上冷浴盘包括第一上圆板和第一下圆板，所述上圆板上设有上冷冻液出入口以及提手，所述下圆板上设有与上冷冻液出入口连通的上冷冻液流动通路；

所述下冷浴板包括第一上圆板和第二下圆板，所述第二下圆板上设有下冷冻液流动通路和与之连通的下冷冻液出入口；

所述固定支架包括用于夹持住试样筒上下两端的固定环形板和固定圆板以及用于连接固定环形板和固定圆板的连接杆。

进一步的改进，所述上冷浴盘侧面预留了4个用于穿设传感器的半圆槽。

优选的，所述试样筒为有机玻璃筒，所述有机玻璃筒外借助5个不锈钢喉箍紧固。

进一步的改进，还包括设于试样筒和下冷浴盘之间的起吊架，该预留起到孔包括设于第二上圆板上的环形圆板以及设于环形圆板上的起吊环。

优选的，所述第一、第二上圆板以及第一、第二下圆板为铝合金材质。

为了适应不同的冻土测试环境，在所述试样筒侧壁底部开设用于与补水装置连接的对孔，以模拟地下水补给；

或者在所述试样筒内上部设置有用于透水的环形补水管，以模拟路基表面水或降雨、降雪。

或者，在所述第一下圆板下部设有加载板，以模拟荷载作用下大粒径土体的冻胀性能测试。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明设置了上冷浴盘和下冷浴盘，上冷浴盘和下冷浴盘预留冷冻液流动通路，通过低温恒温冷浴为上冷浴盘和下冷浴盘提供具有恒定温度的冷冻液，达到对试样筒内土样进行单向降温的目的，模拟现场土体的单向冻结模式；

2、进一步改进通过设置对孔，然后连接补水装置，还可模拟单向冻结模式下地下水的补给和地面水的渗流。

3、通过设置加载板，可模拟荷载作用下大粒径土体的冻胀性能测试；

4、通过设置可透水的环形补水管，以模拟路基表面水或降雨、降雪。

5、本发明可完全模拟冻土地区土体的冻胀、融沉模式，大大减少现场试验的工作量，进一步丰富冻土试验技术手段。本发明适用于对级配碎石、级配砂砾石、水泥稳定碎石等（土颗粒最大粒径不超过100mm的土体）的冻胀、融沉性能进行测试。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2是上冷浴盘部分的示意图；

图3是下冷浴盘部分的示意图；

其中，1、上冷浴盘，1-1为上冷冻液出入口，1-2为提手，1-3第一上圆板，1-4为第二下圆板，1-5为第一固定螺栓孔，1-6为半圆槽，1-7上冷冻液流动通路；2、试样筒，2-1为筒身，2-2为不锈钢喉箍；3、下冷浴盘，3-1第二下圆板，3-2为第二上圆板，3-3为下冷冻液出入口，3-4为第二固定螺栓孔，3-5为下冷冻液流动通路；4、固定支架，4-1为固定环形板，4-2为连接杆，4-3为固定圆板；5、起吊架，5-1为环形圆板，5-2为起吊环；6、加载板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

参见附图1-3，本发明包括试样筒2、设于试样筒2外部的固定架4、定位于试样筒2内侧上部的上冷浴盘1以及设于试样筒下部的下冷浴盘3；

所述上冷浴盘1包括第一上圆板1-3和第一下圆板1-4，所述第一上圆板1-3上设有上冷冻液出入口1-1以及提手1-2，所述第一下圆板1-4上设有与上冷冻液出入口1-1连通的上冷冻液流动通路1-7；

所述下冷浴盘3包括第二上圆板3-2和第二下圆板3-1，所述第二下圆板3-1上设有下冷冻液流动通路3-5和与之连通的下冷冻液出入口3-3；

所述固定架4用于夹持住试样筒2上下两端的上固定环形板4-1和下固定环形板4-3以及用于连接上固定环形板4-1和下固定环形板4-3的连接杆4-2。

所述上冷浴盘的第一上圆板1-3、第一下圆板1-4的直径与试样筒筒身2-1内径匹配，其材质为铝合金，第一下圆板1-4预留上冷冻液流动通路1-7，由螺栓将第一圆板和第二下圆板固定，上冷冻液出入口1-1设在第一上圆板的上表面，以便与低温恒温冷浴连接；上冷浴盘侧面预留4个半圆槽1-6（或半圆孔），方便传感器线缆的敷设，将传感器通过这4个半圆槽埋设于土体内。上冷浴盘置于土样顶部。

所述下冷浴盘3第二上圆板3-2和第二下圆板3-1组成，材质为铝合金，第二下圆板3-1预留下冷冻液流动通路3-5，由螺栓将第二上圆板3-2和第二下圆板3-1固定，下冷冻液出入口3-3设在第二下圆板3-1的侧面，以便与低温恒温冷浴连接。

其中，上冷浴盘和下冷浴盘通过低温恒温冷浴为其分别提供具有恒定温度的冷冻液，达到对试样筒内土样进行单向降温的目的，模拟现场土体的单向冻结模式。

本试样筒筒身2-1为有机玻璃筒，有机玻璃筒外由5个不锈钢喉箍2-1紧固。5个高强度不锈钢喉箍2-1紧箍在有机玻璃筒外壁上，以提高筒身刚度，防止筒身发生变形。

模拟地下水补给时，采用在试样筒侧壁开对孔（下冷浴盘顶面位置），连接马氏补水装置，同时为保证均匀补水，采用S型透水管和粗砂结合的方式。

上述固定支架4为独立式，由4根连接柱4-2（本实施例采用不锈钢柱）、1块环形钢板（即固定环形板4-1）和1块圆形钢板（即固定圆板4-3）组成，保证制样和实验过程中试样筒不发生移动，同时方便试样拆卸和组装。

起吊架5位于试样筒底部，该起吊架5包括设于第二上圆板上的环形圆板5-1以及设于环形圆板5-1上的起吊环5-2，试验结束时方便试样筒的起吊和土样的脱模。

当进行荷载试验时，所述第一下圆板1-4下部设有加载板。加载板为铝合金的圆形板，其位于上冷浴盘与土样之间，以消除荷载边界效应。

在土体和试验筒筒身2-1内壁之间设置塑料薄板和凡士林，有效地消除了冻胀边界效应。

下面通过具体实施例来说明本发明在不同条件下的冻胀性能测试过程。

实施例1

封闭不补水条件下大粒径土体的冻胀性能测试实施过程为：

将下冷浴盘3置于固定圆板4-3上，起吊架5套置于下冷浴盘第二上圆板3-2上，试样筒2置于下冷浴盘3上，安装不锈钢柱和固定环形板4-1以固定试样筒2，分层装土样至设计高度，期间分层布置温度、水分、压力等传感器，然后将上冷浴盘1置于土样顶部，温度、水分、压力等传感器线缆通过预留半圆槽1-6连接至外部采集仪。之后，将上冷浴盘1的冷冻液出入口1-1与外部低温恒温冷浴仪连接，冷冻液可通过上冷冻液流动通路1-7在上冷浴盘1内流动，以达到控制土样顶部温度的效果；将下冷浴盘3的冷冻液出入口3-3与另一台外部低温恒温冷浴仪连接，冷冻液可通过下冷冻液流动通路3-5在下冷浴盘3内流动，以达到控制土样底部温度的效果。

待试验结束后，拆掉固定支架4，取走上冷浴盘1，将起吊装置的吊环连接起吊环5-2，起吊试样筒2及土样并移至脱模装置上，将土样进行脱模，最后完成试验。

实施例2

开敞补水条件下大粒径土体的冻胀性能测试实施过程为：

将下冷浴盘3置于固定圆板4-3上，起吊架5套置于下冷浴盘第一上圆板3-2上，试样筒2置于下冷浴盘3上，安装不锈钢柱和固定环形板4-1以固定试样筒2，分层装土样至设计高度，期间分层布置温度、水分、压力等传感器，然后在土样顶部放置环形补水管，并将上冷浴盘1置于环形补水管上部，温度、水分、压力等传感器线缆通过预留半圆槽1-6连接至外部采集仪。之后，将上冷浴盘1的冷冻液出入口1-1与外部低温恒温冷浴仪连接，冷冻液可通过上冷冻液流动通路1-7在上冷浴盘1内流动，以达到控制土样顶部温度的效果；将下冷浴盘3的冷冻液出入口3-3与另一台外部低温恒温冷浴仪连接，冷冻液可通过下冷冻液流动通路3-5在下冷浴盘3内流动，以达到控制土样底部温度的效果；降温过程中通过土样顶部的环形补水管可对土样顶面补水，模拟地面水的渗流作用。

待试验结束后，拆掉固定支架4，取走上冷浴盘1，将起吊装置的吊环连接起吊环5-2，起吊试样筒2及土样并移至脱模装置上，将土样进行脱模，最后完成试验。

实施例3

荷载作用下大粒径土体的冻胀性能测试实施过程为：

将下冷浴盘3置于固定圆板4-3上，起吊架5套置于下冷浴盘第一上圆板3-2上，试样筒2置于下冷浴盘3上，安装不锈钢柱和固定环形板4-1以固定试样筒2，分层装土样至设计高度，期间分层布置温度、水分、压力等传感器，然后将加载板6置于上冷浴盘1和土样之间，温度、水分、压力等传感器线缆通过预留半圆槽1-6连接至外部采集仪。取走上冷浴盘提手1-2，将加载点设在上冷浴盘提手1-2的位置处。之后，将上冷浴盘1的冷冻液出入口1-1与外部低温恒温冷浴仪连接，冷冻液可通过上冷冻液流动通路1-7在上冷浴盘1内流动，以达到控制土样顶部温度的效果；将下冷浴盘3的冷冻液出入口3-3与另一台外部低温恒温冷浴仪连接，冷冻液可通过下冷冻液流动通路3-5在下冷浴盘3内流动，以达到控制土样底部温度的效果。

待试验结束后，拆掉固定支架4，取走上冷浴盘1和加载板6，将起吊装置的吊环连接起吊孔5-2，起吊试样筒及土样并移至脱模装置上，将土样进行脱模，最后完成试验。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种大粒径土体冻胀性能测试装置，其特征在于：其包括试样筒（2）、设于试样筒（2）外部的固定支架（4）、定位于试样筒（2）内侧上部的上冷浴盘（1）以及设于试样筒下部的下冷浴盘（3）；

所述上冷浴盘（1）包括第一上圆板（1-3）和第一下圆板（1-4），所述第一上圆板（1-3）上设有上冷冻液出入口（1-1）以及提手（1-2），所述第一下圆板（1-4）上设有与上冷冻液出入口（1-1）连通的上冷冻液流动通路（1-7）；

所述下冷浴盘（3）包括第二上圆板（3-2）和第二下圆板（3-1），所述第二下圆板（3-1）上设有下冷冻液流动通路（3-5）和与之连通的下冷冻液出入口（3-3）；

所述固定支架（4）包括用于夹持住试样筒（2）上下两端的固定环形板（4-1）和固定圆板（4-3）以及用于连接固定环形板（4-1）和固定圆板（4-3）的连接杆（4-2）；

所述试样筒（2）侧壁底部开设用于与补水装置连接的对孔；

在所述试样筒（2）内上部设置有用于透水的环形补水管；

所述第一下圆板（1-4）下部设有加载板（6）；

还包括设于试样筒（2）和下冷浴盘（3）之间的起吊架（5），该起吊架（5）包括设于第二上圆板上的环形圆板（5-1）以及设于环形圆板（5-1）上的起吊环（5-2）；

所述第一、第二上圆板以及第一、第二下圆板材质为铝合金。

2.根据权利要求1所述的大粒径土体冻胀性能测试装置，其特征在于：所述上冷浴盘（1）侧面预留了4个用于穿设传感器的半圆槽（1-6）。

3.根据权利要求1所述的大粒径土体冻胀性能测试装置，其特征在于：所述试样筒的筒身（2-1）为有机玻璃筒，所述有机玻璃筒外借助5个不锈钢喉箍（2-2）紧固。

4.根据权利要求1所述的大粒径土体冻胀性能测试装置，其特征在于：在土体和试样筒筒身（2-1）内壁之间设置塑料薄板和凡士林。