CN106442035A - 混凝土‑冻土接触面直剪试验试样的制作装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种混凝土‑冻土接触面直剪试验试样的制作装置，其包括相互独立的试样制作单元与温度控制单元；试样制作单元包括计算机控制设施、压力控制设施、震动控制设施与接触面制作设施；计算机控制设施与压力控制设施、震动控制设施连接；接触面制作设施与压力控制设施接触式连接。它可以模拟先开挖基坑，然后浇筑混凝土或者先浇筑混凝土，然后进行基坑回填两种情形下产生冻结力的过程，所得试样成品具有科学依据；也可以制作其他不同介质接触面剪切强度的试样，制得的试样成品适用于内径为61.8mm、79.8mm应变控制式直剪仪。本发明数据反应准确，制样过程顺畅、可控，试样成品符合标准要求；还具有安装方便、牢固可靠、制作成本低、利用率高等优点。

Description

混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置与方法

技术领域

本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置；本发明还涉及混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作方法。

背景技术

为了支持西藏和青海经济社会发展，国家投入大量人力和财力修建多项重大工程，如青藏公路、青藏铁路、±400kV直流联网工程，以及正在规划、建设的京藏高速公路青海段和西藏段。青藏高原上的工程面临的一大难题就是冻土问题。对于工程而言，冻土属于不良地基土，易发生冻胀和融沉现象，如果处理措施不当，则会对工程建筑物造成一定的破坏。目前，桩基础作为防治冻胀和融沉的一种措施而被采用。桩端土受基础的热扰动的影响，易形成融沉变形，所以摩擦桩更符合多年冻土区的实际情况。

桩基础和冻土间的冻结力是多年冻土区摩擦桩设计中重要的力学参数，对该力的强度值有桩基的现场检测和室内直剪试验等两种获得途径。桩基现场检测是取得冻结力的有效手段，但由于成本较高、操作难度大等缺点，在工程应用较少。室内直剪试验是最早测定土的抗剪强度的试验方法，该试验方法具有试验过程易于操作和控制、试验过程可重复、试验结果准确等优点，在实际工程中得到广泛应用。

直剪试验也可用于不同介质接触面抗剪强度的检测，例如一侧为混凝土，另一侧为冻土。由于是需要制作两种不同介质，就存在两个介质制作顺序的问题。第一，先制作混凝土样，在混凝土样的基础上再制作冻土样，然后低温保存，形成剪切试验试样；第二，先制作冻土样，在冻土样的基础上制作混凝土样，然后低温保存，形成剪切试验试样。上述两种方法虽然制得的试样外观基本相同，但在形成机理上差异却很大。第一种方法，在已制好混凝土样的基础上制作冻土样，其接触面为确定的混凝土面，其试验结果主要取决于混凝土面粗糙度、接触压力，较少受冻土含冰量、温度以及土性质影响，抗剪强度以接触面的静摩擦力为主，少部分为冻结力；第二种方法则考虑了混凝土入模温度和水化热对冻土的影响，其结果取决于混凝土入模温度、混凝土水胶比、冻土温度及含冰量等因素；第二种方法能够模拟先开挖基坑，然后浇筑混凝土的实际施工顺序，剪切试验所得抗剪强度能够代表原状土基础形式与冻土的冻结强度。

通过参阅相关文献，查阅到的一种混凝土与冻土接触面直剪试验试样的制作方法是（温智等）：采用425水泥砂浆制成直径61.8mm和高20mm的混凝土块，然后将2个直径为61.8mm，高20mm环刀连接成一体制成40mm高样品仓，最后将20mm厚混凝土试块放入样品仓，按照设定含水量配置土样，将土样分层置入样品仓，然后采用油压千斤顶将试样顶出，即可制成混凝土-冻土接触面直剪试验试样。该方法存在几个问题，第一，该制样方法即为前述的第一种制样方法，试验所得抗剪强度以接触面静摩擦力为主；第二，将两个高20mm的连接起来制成40mm的高样品仓，如果连接不好，压样时连接缝容易漏土，造成接触面偏大，或者制而成的试样不容易装入剪切盒；第三，该制样方法没有考虑震动对混凝土面的影响，这不符合实际工程情况。

因此，提出一种更科学、更符合实际施工情况且可操作性强的制样装置及制样方法，对于多年冻土区的桩基础设计具有一定的理论意义和工程价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制作成本低、安装方便、操作简单的混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置；本发明要解决的第二技术问题是提供一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作方法。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案如下：一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置，其包括相互独立的试样制作单元与温度控制单元；试样制作单元包括计算机控制设施、压力控制设施、震动控制设施与接触面制作设施；计算机控制设施与压力控制设施、震动控制设施连接；接触面制作设施与压力控制设施接触式连接。

计算机控制设施包括显示屏、升降开关与震动开关；压力控制设施包括底板、倒U型操作台与千斤顶；底板上面固定连接倒U型操作台，千斤顶安装在底板上面且位于倒U型操作台正下方，千斤顶上端设有顶举盘，千斤顶下部设有放油旋钮，千斤顶与升降开关相连接；震动控制设施包括震动器，震动器固定连接在倒U型操作台水平杆的下面，震动器与震动开关相连；接触面制作设施包括铁砧板与环刀，环刀置于铁砧板上，铁砧板置于顶举盘上。

温度控制单元包括温控室，温控室室内设有隔板和温度探头，温控室外壁设有空调连接线缆与温度控制器；温度探头与空调连接线缆、温度控制器分别相连。环刀高度为40mm，环刀内径为61.8mm、79.8mm中的任意一种。

一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作方法，按下述步骤进行：

（1）、根据含水量要求，按照相应比例配置需要的土体，混合拌好；

（2）、将混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置中的环刀置于铁砧板上，而后将步骤（1）所得的土体倒入环刀内；

（3）、将铁砧板和环刀置于顶举盘上，根据密实度要求，开启升降开关、震动开关，并选择压力为100～400kPa，由刻度尺确定高度，经震动和压密操作，形成高20mm的土样后关闭升降开关、震动开关；

（4）、将步骤（3）制得的土样连同环刀置于温控室中，调节温度控制器至-0.5～-5℃，冻结24～48小时；

（5）、根据混凝土的配置要求，按照相应比例配置混凝土，并按水泥用量添加3～10%的添加剂；添加剂是指早强剂、防冻剂、减水剂中的一种或几种的组合；

（6）、将步骤（5）所得的混凝土分层注入步骤（4）形成的冻土样的环刀中，将环刀置于铁砧板上后再置于顶举盘上；打开震动开关，对混凝土进行震动操作，以形成不同类型的接触面，最后形成高40mm的试样；

（7）、将步骤（6）形成的试样密封后置于温控室内，调节温度控制器至-0.5～-5℃对混凝土进行养护，养护周期为10～20天；

（8）、待步骤（7）所得的混凝土达到强度要求后，用千斤顶将环刀内的样品顶出，即形成混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验的试样。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用高度为40mm环刀，通过计算机控制设施来实现制备试样的自动化控制操作，达到数据反应准确、快速，执行操作有序、可靠，制样过程顺畅、可控等诸多目的，从而确保试样制备成功、符合标准要求。

2、本发明能够模拟先开挖基坑，然后浇筑混凝土的实际施工顺序，制样过程更符合灌注桩等原状土基础形式与冻土产生冻结力的形成过程；也可以采用先制备混凝土样，然后在混凝土样的基础上制备冻土样的制样顺序，该制样顺序可以模拟大开挖类基础形式与冻土产生冻结力的过程，使制得的试样成品更符合实际情况。

3、本发明可以制作混凝土与冻土接触面冻结强度直剪试验的试样，也可以选择相同土质不同性质、不同土质、一侧土质另一侧为其他材料中的任意一种制作接触面冻结强度直剪试验的试样；制得的试样成品适用于应变控制式直剪仪，内径为61.8mm、79.8mm中的任意一种。

4、本发明能够完成多种不同材料接触面冻结力试验试样的制备，具有安装方便、牢固可靠、制作成本低、利用率高等优点，可有效减少实验室的成本支出，值得推广使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明在温度控制单元示意图；

图3为采用本发明所制作出来的试样成品照片。

图中：1—操作台，2—千斤顶，3—顶举盘，4—放油旋钮，5—刻度尺，6—升降开关，7—震动开关，8—震动器，9—铁砧板，10—环刀，11—显示屏，12—底板，13—空调连接线缆，14—温度控制器，15—隔板，16—温度探头，17—温控室。

具体实施方式

如图1与图2所示：一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置，该装置包括相互独立的试样制作单元与温度控制单元。试样制作单元包括计算机控制设施、压力控制设施、震动控制设施与接触面制作设施；计算机控制设施与压力控制设施、震动控制设施连接；接触面制作设施与压力控制设施接触式连接。

计算机控制设施包括显示屏11、升降开关6与震动开关7；压力控制设施包括底板12、倒U型操作台1与千斤顶2；底板12上面固定连接倒U型操作台1，千斤顶2安装在底板12上面且位于倒U型操作台1正下方，千斤顶2上端设有顶举盘3，千斤顶2下部设有放油旋钮4，千斤顶2与升降开关6相连接；震动控制设施包括震动器8，震动器8固定连接在倒U型操作台1水平杆的下面，震动器8与震动开关7相连；打开或关闭升降开关6和震动开关7，可对冻土样、混凝土样进行压密和震动操作；接触面制作设施包括铁砧板9与环刀10，环刀10置于铁砧板9上，铁砧板9置于顶举盘3上。

温度控制单元包括温控室17，温控室17室内设有隔板15和温度探头16，温控室17外壁设有空调连接线缆13与温度控制器14；温度探头16与空调连接线缆13、温度控制器14分别相连；可对冻土样进行低温冻结和保存的操作。

操作升降开关6用于控制千斤顶2升降进而控制压力，操作震动开关7用于控制震动器8震动发生，显示屏11用于显示压力大小和震动时长。

作为本发明的完善，倒U型操作台1竖直杆设有刻度尺5，从倒U型操作台上就能直观查看千斤顶的举升高度；环刀10的内径为61.8mm或79.8mm，其高度为40mm，数量4～8个。

作为本发明的进一步完善，压力控制设施还包括独立的树脂垫块（图中未示出，该树脂垫块与环刀10内径相同，便于对环刀10内土样或其他样进行压实或顶出操作。

制作混凝土-冻土接触面直剪试验试样的方法，其步骤如下：

1、根据含水量要求，按照相应比例配置需要的土体，混合拌好。

2、将混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置中的环刀10置于铁砧板9上，并将步骤1所得的土体倒入环刀内。

3、将铁砧板和环刀置于顶举盘3上，根据密实度要求，开启升降开关6、震动开关7，并选择压力为100～400kPa，由刻度尺5确定高度，经震动和压密操作，形成高20mm的土样后关闭升降开关6、震动开关7。

4、将步骤3制得的土样连同环刀置于温控室17中，调节温度控制器14至-0.5～-5℃，冻结24～48小时。

5、根据混凝土的配置要求，按照相应比例配置混凝土，并按水泥用量添加3～10%的添加剂。添加剂是指早强剂、防冻剂、减水剂中的一种或几种的组合

6、将步骤5所得的混凝土分层注入步骤4形成的冻土样的环刀10中，将环刀10置于铁砧板9上后再置于顶举盘3上；打开震动开关7，对混凝土进行震动操作，以形成不同类型的接触面，最后形成高40mm的试样。

7将步骤6形成的试样密封后置于温控室17内，调节温度控制器14至-0.5～-5℃对混凝土进行养护，养护周期为10～20天。

8、待步骤7所得的混凝土达到强度要求后，用千斤顶2将环刀10内的样品顶出，即形成混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验的试样。

下面是混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验试样的制作实例：

（1）根据含水量要求，按照相应比例配置需要的土体，混合拌好。具体如下：将选好的土体进行烘干、碾压，然后过2mm筛；按照干密度ρ_d=1.9g/cm³，含水量w=20%，土粒比重Gs=2.7，计算得到每个环刀10需要干土重为95g，水需要19g；将上述材料充分混合搅拌均匀。

（2）将混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置中的环刀10置于铁砧板9上，并将步骤（1）所得的土体倒入环刀10中。

（3）将铁砧板9和环刀10置于顶举盘3上，根据密实度要求，开启升降开关6、震动开关7，并选择压力为100～400kPa，有刻度尺4确定高度，经震动和压密操作，形成高20mm的土样后关闭升降开关6、震动开关7。

（4）将步骤（3）制得的土样连同环刀10置于温控室12中，调节温度控制器14至-2.5℃负温冻结48小时。

（5）采用标号为425水泥，按照水：水泥：骨料比为0.55：1：3配置混凝土，其中骨料为角粒，并过2mm的筛，按照水泥用量的5%添加早强剂和防冻添剂。

（6）将步骤（5）所得的混凝土分层注入步骤（4）形成的冻土样的环刀10中，将环刀10置于铁砧板9上后再置于顶举盘3上；打开震动开关7，对混凝土进行震动操作，以形成不同类型的接触面，最后形成高40mm的试样。

（7）将步骤（6）形成的试样密封后置于温控室12内，调节温度控制器14至-2.5℃对混凝土进行养护，养护周期为15天。

（8）待步骤（7）所得的混凝土达到强度要求后，用千斤顶2将环刀10内的样品顶出，并置于-2.5℃环境中，即形成图3所示的-2.5℃试验温度下的混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验的试样。

Claims (6)

1.一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置，其特征在于：该装置包括相互独立的试样制作单元与温度控制单元；试样制作单元包括计算机控制设施、压力控制设施、震动控制设施与接触面制作设施；计算机控制设施与压力控制设施、震动控制设施连接；接触面制作设施与压力控制设施接触式连接。

2.如权利要求1所述的一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置，其特征在于：计算机控制设施包括显示屏（11）、升降开关（6）与震动开关（7）；压力控制设施包括底板（12）、倒U型操作台（1）与千斤顶（2）；底板（12）上面固定连接倒U型操作台（1），千斤顶（2）安装在底板（12）上面且位于倒U型操作台（1）正下方，千斤顶（2）上端设有顶举盘（3），千斤顶（2）下部设有放油旋钮（4），千斤顶（2）与升降开关（6）相连接；震动控制设施包括震动器（8），震动器（8）固定连接在倒U型操作台（1）水平杆的下面，震动器（8）与震动开关（7）相连；接触面制作设施包括铁砧板（9）与环刀（10），环刀（10）置于铁砧板（9）上，铁砧板（9）置于顶举盘（3）上；环刀（10）的内径为61.8mm或79.8mm，环刀（10）的高度为40mm。

3.如权利要求2所述的一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置，其特征在于：温度控制单元包括温控室（17），温控室（17）室内设有隔板（15）和温度探头（16），温控室（17）外壁设有空调连接线缆（13）与温度控制器（14）；温度探头（16）与空调连接线缆（13）、温度控制器（14）分别相连。

4.如权利要求3所述的一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置，其特征在于：倒U型操作台（1）竖直杆设有刻度尺（5）。

5.如权利要求4所述的一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置，其特征在于：环刀（10）数量4～8个。

6.一种混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作方法，按下述步骤进行：

（1）、根据含水量要求，按照相应比例配置需要的土体，混合拌好；

（2）、将混凝土-冻土接触面直剪试验试样的制作装置中的环刀置于铁砧板上，而后将步骤（1）所得的土体倒入环刀内；

（3）、将铁砧板和环刀置于顶举盘上，根据密实度要求，开启升降开关、震动开关，并选择压力为100～400kPa，由刻度尺确定高度，经震动和压密操作，形成高20mm的土样后关闭升降开关、震动开关；

（4）、将步骤（3）制得的土样连同环刀置于温控室中，调节温度控制器至-0.5～-5℃，冻结24～48小时；

（5）、根据混凝土的配置要求，按照相应比例配置混凝土，并按水泥用量添加3～10%的添加剂；添加剂是指早强剂、防冻剂、减水剂中的一种或几种的组合；

（6）、将步骤（5）所得的混凝土分层注入步骤（4）形成的冻土样的环刀中，将环刀置于铁砧板上后再置于顶举盘上；打开震动开关，对混凝土进行震动操作，以形成不同类型的接触面，最后形成高40mm的试样；

（7）、将步骤（6）形成的试样密封后置于温控室内，调节温度控制器至-0.5～-5℃对混凝土进行养护，养护周期为10～20天；

（8）、待步骤（7）所得的混凝土达到强度要求后，用千斤顶将环刀内的样品顶出，即形成混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验的试样。