CN108732057A - 一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

发明提供一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备及其试验方法。该装置包括环剪仪、冻融循环设备、数据采集器、阳光模拟系统、低温冷风系统和电脑。所述环剪仪包括反力架、竖向加载装置和剪切盒组件。工作时，剪切盒内布置土体并压实。冻融循环设备将冷氮通入冻融室中，对土体进行冷冻。油压室内充满液压油，液压设备施加或卸荷，推动活塞上下移动控制冷氮的体积。冻土制备完后，竖向加载装置在土体上部施加垂直荷载。旋转平台旋转带动下剪切盒转动，给土体施加扭矩。该装置的试验方法包括填充土体、冻融循环、环剪实验和数据处理等步骤。该装置可有效模拟现场的冻土环剪。可观察试样试验过程中的细观特性。可控制冻融循环的作用时间。

Description

一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备及其试验方法
技术领域
本发明涉及工程冻土学技术领域，具体涉及一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备。
背景技术
冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。冻土对温度极为敏感，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正是由于这些特性，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。其中起重要作用的是水的存在形态，当水变成冰时体积增大，使土体膨胀，地表因此而拱起升高，这就是冻胀；当土中的冰转变为水时，体积收缩了，地表便发生融化下沉，简称融沉。在这两种现象的反复作用下，道路或房屋的基底就会出现破裂或者塌陷。因此，在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设，就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。
环剪试验是扭转剪切试验中的一种，特点之一是可以研究大变形下土体的抗剪能力，只有扭转剪切方法可以满意地测定土的残余强度。残余强度反映的是土体内部发生剪损后剪切面上残留的剪应力值，研究残余强度的目的便是探求土体遭受破坏后强度衰减的变化规律，也就是研究大应变条件下强度降低的问题。与传统反复直剪仪相比，该设备的明显优势是在剪切过程中可以在一个方向进行连续剪切，并且剪切面积固定不变，还可施加较大的荷载(最大法向应力和水平荷载均为1000kPa)，可研究大变形条件下的强度降低问题等优点。因此，环剪仪是研究残余强度较好的仪器。
现有技术中，没有实现土体现场的冻融循环，也没有环剪实验与冻土相结合的现场模拟。
因此，亟需开发一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备及试验方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备，包括布置在工作平面的反力架，以及竖向加载装置、旋转驱动装置、剪切盒组件、冻融循环系统、阳光模拟系统、低温冷风系统和电脑。
所述反力架包括两根立柱，以及通过直线位移机构与两根立柱滑动连接的横梁。所述竖向加载装置安装在横梁的下端面。所述两根立柱上还安装有固定支架。
所述剪切盒组件布置在竖向加载装置下方。所述剪切盒组件包括上剪切盒和下剪切盒。所述上剪切盒和下剪切盒上下叠放，形成剪切室。所述上剪切盒固定在固定支架上并锁止。所述上剪切盒的侧壁上设置有吹风口。
所述旋转驱动装置包括旋转平台和中部支撑轴。所述下剪切盒固定在旋转平台上。所述中部支撑轴的下端固定在旋转平台的圆盘中心，上端穿入剪切室后与上剪切盒固定连接。所述上剪切盒、下剪切盒和旋转平台组成圆柱状组合体。
所述冻融循环系统包括隔热管、外壳、冻融循环设备和液压设备。所述外壳罩设在圆柱状组合体外。所述外壳与圆柱状组合体之间形成内腔。所述隔热管套设在圆柱状组合体外侧。所述隔热管外壁上一体连接有环状活塞。所述活塞与外壳的内壁紧贴。所述活塞将内腔分隔为上部的冻融室S1和下部的油压室S2。所述油压室S2与液压设备连通。所述冻融室S1与冻融循环设备连通。
工作时，剪切室内布置土体并压实。土体内埋设温度感应器。冻融循环设备将冷氮通入冻融室S1中，对土体进行冷冻。油压室S2内充满液压油，液压设备施加或卸荷，推动活塞上下移动控制冷氮的体积。所述阳光模拟系统置于上剪切盒上模拟阳光。所述低温冷风系统送风至吹风口。所述温度感应器实时记录冻融循环中土体的温度，并传输至数据采集器和电脑。冻土制备完后，竖向加载装置在土体上部施加垂直荷载。旋转平台旋转带动下剪切盒转动，给土体施加扭矩。
进一步，所述阳光模拟系统包括布置在矩形盒内的若干个LED灯和反射结构。
进一步，所述旋转平台布置有角位移感应器和弯矩位移感应器。
进一步，所述油压室S2下部布置有环状钢块。
进一步，所述竖向加载装置包括气压室、可移动分隔板、位移感应器、竖向加载环板和隔板。所述气压室与横梁固定连接。所述可移动分隔板布置在气压室内，将气压室分隔为上下两个活动的空间。通过气压的控制上下两个活动的空间可随各自气压的分配而相互变化。所述可移动分隔板可上下移动。所述竖向加载环板的上端伸入气压室内，并与可移动分隔板连接为一个整体。所述竖向加载环板的下端穿过上剪切盒嵌合于剪切室的环形试样空间内，可对试样施加竖向的压力。所述位移感应器安装于竖向加载环板的传力轴上。所述竖向加载环板的内部设有排水管。
本发明还公开一种关于上述土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备的试验方法，包括以下步骤：
1)将上剪切盒和下剪切盒叠放固定。将待测土体填充压实在剪切盒内。
2)根据设计需求，打开冻融循环设备、液压设备、阳光模拟系统和低温冷风系统，实现土体的冻融循环。
3)进行环剪实验。
4)记录弯矩数据和剪切位移数据。导入电脑，并进行数据处理。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可有效模拟现场冻土环剪，观察试样试验过程中的细观特性；
B.可通过模拟阳光和通入导入液实现冻融循环的模拟，最后实现了土体的冷冻与溶解可模拟阳光、风化条件下的冻融循环作用；
C.可通过通风孔导入有温度的风来模拟了对风对土体的作用，实现了土体的风化可实现冬季冻土模拟的自动化；
D.可实现现场土体的冻融循环。可控制冻融循环的作用时间。
附图说明
图1为试验装置结构示意图；
图2为竖向加载装置结构示意图；
图3为冻融循环系统结构示意图；
图4为剪切盒组件结构示意图；
图5为上剪切盒结构示意图；
图6为风化冻融循环俯视图；
图7为阳光模拟器俯视图。
图中：冻融室S1、油压室S2、反力架1、立柱101、横梁102、固定支架103、竖向加载装置2、气压室201、可移动分隔板202、位移感应器203、竖向加载环板204、排水管2041、隔板205、旋转驱动装置3、旋转平台301、中部支撑轴302、剪切盒组件4、上剪切盒401、吹风口4011、下剪切盒402、冻融循环系统5、隔热管501、外壳502、冻融循环设备503、环状活塞504、环状钢块505、液压设备506、阳光模拟系统6、LED灯601、反射结构602、低温冷风系统7、电脑8、温度感应器10。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开一种基于电子万能试验机研制的能够进行模拟冬季施工现场的土体冻融循环环剪试验模拟装置。
参见图1，一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备，包括布置在工作平面的反力架1，以及竖向加载装置2、旋转驱动装置3、剪切盒组件4、冻融循环系统5、阳光模拟系统6、低温冷风系统7和电脑8。
所述反力架1包括两根立柱101，以及通过直线位移机构与两根立柱101滑动连接的横梁102。横梁102可上下移动，在冻融循环的前期，横梁102滑入上部。所述竖向加载装置2安装在横梁102的下端面。所述两根立柱101上还安装有固定支架103。
参见图2，所述竖向加载装置2包括气压室201、可移动分隔板202、位移感应器203、竖向加载环板204和隔板205。所述气压室201与横梁102固定连接。所述可移动分隔板202布置在气压室201内，将气压室201分隔为上下两个活动的空间。通过气压的控制上下两个活动的空间可随各自气压的分配而相互变化。所述可移动分隔板202可上下移动。所述竖向加载环板204的上端伸入气压室201内，并与可移动分隔板202连接为一个整体。所述可移动分隔板202可起到对竖向加载环板204增减压的作用。所述竖向加载环板204的下端穿过上剪切盒401嵌合于剪切室的环形试样空间内，可对试样施加竖向的压力。所述位移感应器203安装于竖向加载环板204的传力轴上。试验时，可记录垂直方位的土体位移数据。所述竖向加载环板204的内部设有排水管2041，用于排出试样受力过程中排出的水分。所述隔板205布置在气压室201外，并通过连接杆与可移动分隔板202相连。进行环剪实验时，横梁102移动到下部，并用固定支架103与隔板205连接。此时，隔板205起到固定上剪切盒401和封闭剪切室的作用。
参见图4，所述剪切盒组件4布置在竖向加载装置2下方。所述剪切盒组件4包括上剪切盒401和下剪切盒402。参见图5，所述上剪切盒401整体为一个上下端敞口且内中空的圆柱体。所述上剪切盒401的上端敞口处具有外卷边。所述外卷边上具有供螺栓穿过的孔洞。所述上剪切盒401通过外卷边固定在固定支架103上并锁止。所述上剪切盒401的两侧侧壁上设置有一一对应的多个致密吹风口4011。所述吹风口4011连通剪切室与剪切盒组件4外侧。所述下剪切盒402整体为一个上端敞口且内中空的圆柱体。所述下剪切盒402的底面设置有供中部支撑轴302和螺栓穿过的孔洞。所述上剪切盒401和下剪切盒402上下叠放，形成剪切室。
参见图3，所述旋转驱动装置3包括旋转平台301和中部支撑轴302。所述旋转平台301为圆盘状。所述旋转平台301与驱动装置传动连接。所述旋转平台301布置有角位移感应器和弯矩位移感应器。所述下剪切盒402固定在旋转平台301上。所述中部支撑轴302的下端固定在旋转平台301的圆盘中心，上端穿入剪切室后与上剪切盒401固定连接。所述上剪切盒401、下剪切盒402和旋转平台301组成圆柱状组合体。所述旋转平台301对下剪切盒402起支撑作用，并通过中部支撑轴302对下剪切盒402传递旋转动力。下剪切盒402随中部支撑轴302一起转动。
所述冻融循环系统5包括隔热管501、外壳502、冻融循环设备503和液压设备506。所述外壳502罩设在圆柱状组合体外。所述外壳502与圆柱状组合体之间形成内腔。所述隔热管501套设在圆柱状组合体外侧。所述隔热管501外壁上一体连接有环状活塞504。所述活塞504与外壳502的内壁紧贴。所述活塞504将内腔分隔为上部的冻融室S1和下部的油压室S2。参见图6，所述冻融室S1与冻融循环设备503连通。为了实现少量油压对活塞的运动，所述油压室S2下部布置有环状钢块505。所述油压室S2与液压设备506连通。
参见图7，所述阳光模拟系统6包括布置在矩形盒内的,LED灯601和反射结构602。所述LED灯601由多组LED电路并联组成，通过调节每路的输出光强并通过在矩形盒内的微纳导光膜中的混光元件实现多种光的混合达到最接近于阳光的色温和光强，从而实现太阳光谱的模拟，并提供良好的面光源，使土体得以均匀照射。所述阳光模拟系统6在未进行环剪实验前置于上剪切盒401上。
所述温冷风系统7包括通风管、吸水透气膜、自动调节阀、水流喷撒管道、加湿室和湿度监测仪。
工作时，剪切室内布置土体并压实。土体内埋设温度感应器10。冻融循环设备502将冷氮通入冻融室S1中，通过热传递于剪切盒实现冷冻作用,对土体进行冷冻。油压室S2内充满液压油，液压设备506施加或卸荷，推动活塞504上下移动控制冷氮的体积。阳光模拟系统6模拟冬季阳光对土体实现模拟阳光及冷冻溶解的作用。通过温冷风系统7模拟冬季冷风并加湿。所述低温冷风系统7送风至一侧吹风口4011，然后吹过土体，由另一侧吹风口4011导出，实现风化作用。根据所需要的时段来调整色温对土体进行照射。当需要模拟土体解冻的时候，打开灯光的同时，打开冻融循环设备，放入加热后的氮气，从而根据需要实现土体的冻融循环。所述温度感应器10实时记录冻融循环中土体的温度，从而控制冻融循环的时间。所述温度感应器10实时记录冻融循环中土体的温度，并传输至数据采集器和电脑8。
冻土制备完后，竖向加载装置2在土体上部施加垂直荷载。旋转平台301旋转带动下剪切盒402转动，给土体施加扭矩。土体于上剪切盒401和下剪切盒402之间的剪切裂缝所在平面上形成剪破裂面。
实施例2：
本实施例公开一种关于实施例1所述土体冻融循环及风化环境下环剪试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)将上剪切盒401和下剪切盒402叠放固定。将待测土体填充压实在剪切盒内。
2)根据设计需求，打开冻融循环设备503、液压设备506、阳光模拟系统6和低温冷风系统7，实现土体的冻融循环。
3)移走阳光模拟系统6，进行环剪实验。电脑8控制横梁102到设计位置。竖向加载环板204向下施压来固结和固定上部土体。旋转平台301调整所需要的旋转角速度。
4)数据采集器收集温度记录器以及传感器的弯矩数据和剪切位移数据的实验反馈数据。电脑8对数据进行处理。
本实施例解决了以前模拟存在的缺陷，主要是针对边坡滑坡，测定冬季冻土的残余强度,利用环剪的优势与自动化的操作来实现冻土的模拟环剪。

Claims (6)

1.一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备，其特征在于：包括布置在工作平面的反力架(1)，以及竖向加载装置(2)、旋转驱动装置(3)、剪切盒组件(4)、冻融循环系统5、阳光模拟系统(6)、低温冷风系统(7)和电脑(8)；
所述反力架(1)包括两根立柱(101)，以及通过直线位移机构与两根立柱(101)滑动连接的横梁(102)；所述竖向加载装置(2)安装在横梁(102)的下端面；所述两根立柱(101)上还安装有所述固定支架(103)；
所述剪切盒组件(4)布置在竖向加载装置(2)下方；所述剪切盒组件(4)包括上剪切盒(401)和下剪切盒(402)；所述上剪切盒(401)和下剪切盒(402)上下叠放，形成剪切室；所述上剪切盒(401)固定在固定支架(103)上并锁止。所述上剪切盒(401)的侧壁上设置有吹风口(4011)；
所述旋转驱动装置(3)包括旋转平台(301)和中部支撑轴(302)；所述下剪切盒(402)固定在旋转平台(301)上；所述中部支撑轴(302)的下端固定在旋转平台(301)的圆盘中心，上端穿入剪切室后与上剪切盒(401)固定连接；所述上剪切盒(401)、下剪切盒(402)和旋转平台(301)组成圆柱状组合体；
所述冻融循环系统(5)包括隔热管(501)、外壳(502)、冻融循环设备(503)和液压设备(506)；所述外壳(502)罩设在圆柱状组合体外；所述外壳(502)与圆柱状组合体之间形成内腔；所述隔热管(501)套设在圆柱状组合体外侧；所述隔热管(501)外壁上一体连接有环状活塞(504)；所述活塞(504)与外壳(502)的内壁紧贴；所述活塞(504)将内腔分隔为上部的冻融室S1和下部的油压室S2；所述油压室S2与液压设备(506)连通；所述冻融室S1与冻融循环设备(503)连通；
工作时，剪切室内布置土体并压实；土体内埋设温度感应器(10)；冻融循环设备(502)将冷氮通入冻融室S1中，对土体进行冷冻；油压室S2内充满液压油，液压设备(506)施加或卸荷，推动活塞(504)上下移动控制冷氮的体积；所述阳光模拟系统(6)置于上剪切盒(401)上模拟阳光；所述低温冷风系统(7)送风至吹风口(4011)；所述温度感应器(10)实时记录冻融循环中土体的温度，并传输至数据采集器和电脑(8)；冻土制备完后，竖向加载装置(2)在土体上部施加垂直荷载；旋转平台(301)旋转带动下剪切盒(402)转动，给土体施加扭矩。
2.根据权利要求1所述的一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备，其特征在于：所述阳光模拟系统(6)包括布置在矩形盒内的若干个LED灯(601)和反射结构(602)。
3.根据权利要求1所述的一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备，其特征在于：所述旋转平台(301)布置有角位移感应器和弯矩位移感应器。
4.根据权利要求1所述的一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备，其特征在于：所述油压室S2下部布置有环状钢块(505)。
5.根据权利要求5所述的一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备，其特征在于：所述竖向加载装置(2)包括气压室(201)、可移动分隔板(202)、位移感应器(203)和竖向加载环板(204)；所述气压室(201)与横梁(102)固定连接；所述可移动分隔板(202)布置在气压室(201)内，将气压室(201)分隔为上下两个活动的空间；通过气压的控制上下两个活动的空间可随各自气压的分配而相互变化；所述可移动分隔板(202)可上下移动；所述竖向加载环板(204)的上端伸入气压室(201)内，并与可移动分隔板(202)连接为一个整体；所述竖向加载环板(204)的下端穿过上剪切盒(401)嵌合于剪切室的环形试样空间内，可对试样施加竖向的压力；所述位移感应器(203)安装于竖向加载环板(204)的传力轴上；所述竖向加载环板(204)的内部设有排水管(2041)。
6.一种关于权利要求1所述土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将上剪切盒(401)和下剪切盒(402)叠放固定；将待测土体填充压实在剪切盒内；
2)根据设计需求，打开冻融循环设备(503)、液压设备(506)、阳光模拟系统(6)和低温冷风系统(7)，实现土体的冻融循环；
3)进行环剪实验；
4)记录弯矩数据和剪切位移数据；导入电脑(8)，并进行数据处理。
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