CN109283208B - 试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法，涉及岩土工程技术领域，该装置包括恒温箱体，以及恒温箱体内腔中的试验模块；该试验模块包括样品试验筒、检测模块和支架；检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；当样品容纳空间放置有试验样品时，配置在样品试验筒上的移动部与试验样品接触；位移检测器对移动部的位移进行测量；设置在样品试验筒的内侧壁上的温度检测器和水分检测器通过接触试验样品来检测试验样品的温度参数和水分参数。通过调控恒温箱体的内腔环境温度，模拟实际环境的温度变化，检测模块观测试验样品在不同温度下的冻胀情况，试验装置简单，操作容易且直观，具有很好的实用性。

Description

试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是涉及一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法。

背景技术

冻胀是由于土中水的冻结和冰体的增长而引起的土体膨胀、地表不均匀隆起的一种现象，在寒区工程建设和运营中所面临的主要问题之一即为土体的冻胀问题。作为工程结构物承载体的土体变形直接影响其上工程的运营性能，其变形过大会使得路基、铺砌物、构筑物的基础、管道、栅栏等被抬起、扭曲甚至断裂破坏。特别在高纬度的寒带，一年四季的温差过大，气温的巨变对路基、钢轨、接触网等都有更高的施工要求。在这种区域，设计和建设高铁时，需要对地基土体的冻胀变形量进行预算。

地基土体分为饱和土体和非饱和土体，饱和土在冻结过程中，土体中水分相变成冰所膨胀的体积全部用于挤压骨架，产生冻胀，故可通过土体中水分相变成冰体积膨胀来建立冻胀应变与水热场的关系；而非饱和土体存在非饱和孔隙，在冻结过程中，土体中水分相变成冰所膨胀的体积一部分用于填充非饱和孔隙，不对土体造成冻胀，另一部分用于挤压骨架，造成土体冻胀。目前工程设计中通常使用冻胀率公式对土体的冻胀变形量进行计算，而这种计算方法没有考虑到土体是否饱和的问题，因此该计算方法具有局限性，且存在较大的误差，另外，非饱和土水热力三场耦合模型因缺乏土体冻胀应变与水热场关系而无法对其冻胀进行预测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法，以缓解了现有技术方法中无法准确获得非饱和土冻胀应变的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种试验装置，该试验装置包括恒温箱体，以及设置在恒温箱体内腔中的试验模块；试验模块包括一端开口的样品试验筒、检测模块和支架；其中，检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；位移检测器设置在支架的顶端；样品试验筒配置有移动部，样品试验筒的筒底、样品试验筒的内侧壁和移动部组成样品容纳空间；温度检测器和水分检测器设置在组成样品容纳空间的内侧壁上；当样品容纳空间放置有试验样品时，移动部与试验样品接触；位移检测器的检测探头与移动部接触，用于检测移动部的位移参数；温度检测器和水分检测器与试验样品接触，用于检测试验样品的温度参数和水分参数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，支架包括支架底座，以及设置在底座上的支撑架；支撑架包括支撑杆和设置在支撑杆上，且与支撑杆垂直设置的横杆，横杆组成支架的顶端，位移传感器设置在横杆上。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，组成样品容纳空间的内侧壁上还设置有与温度检测器和水分检测器匹配的通孔；温度检测器和水分检测器的检测探头通过通孔延伸至试验样品内部，与试验样品接触。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，移动部为透水板。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，样品试验筒的筒底也设置有透水板。

结合第一方面的第三种或第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，透水板的径向尺寸与样品试验筒的内径相匹配。

第二方面，本发明实施例还提供一种非饱和土冻胀应变试验方法，该方法包括：获得试验样品的试验参数，其中，试验样品为非饱和土，试验参数为通过第一方法所述的试验装置获取到的参数；试验参数包括试验样品的位移参数、温度和水分参数；根据试验参数计算试验样品的冻胀应变；按照预先设置的冻胀应变与土体体应变的对应关系计算试验样品的土体体应变；根据土体体应变，以及水分参数，计算当前温度下试验样品的有效应变比。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，根据试验参数计算试验样品的冻胀应变的步骤包括：提取位移参数，根据位移参数计算试验样品的总应变，其中，总应变表示为：

其中，ε为总应变；z为位移参数；h为试验样品的高度；

根据总应变，计算试验样品的冻胀应变，其中，冻胀应变表示为：

ε_ν＝ε-ε_e-ε_νp；

式中，ε_ν为冻胀应变；ε_e为弹性应变；ε_νp为塑性应变。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，冻胀应变与土体体应变的对应关系为纵向对应关系，纵向对应关系表示为：

ε^ν＝3ε_ν(1-ν_Τ)/(1+ν_Τ)，

式中，ε^ν为土体体应变，ν_Τ为泊松比；

根据土体体应变，以及水分参数，计算当前温度下试验样品的有效应变比的步骤包括：

式中，β为有效应变比；θ_f为冻结水含量；ρ_w为水密度；ρ_i为冰密度。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，该方法还包括：

根据有效应变比计算试验样品的冻胀应变与水热场的对应关系，对应关系表示为：

式中，E_ν为计算得到的冻胀应变。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供了一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法，该装置包括恒温箱体，以及设置在恒温箱体内腔中的试验模块；该试验模块包括样品试验筒、检测模块和支架；检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；位移检测器设置在支架的顶端；样品试验筒配置有移动部；温度检测器和水分检测器设置在样品试验筒的内侧壁上；当样品容纳空间放置有试验样品时，移动部与试验样品接触；位移检测器的检测探头通过与移动部接触对移动部的位移进行测量；温度检测器和水分检测器与试验样品接触，用于检测试验样品的温度参数和水分参数。通过调控和保持恒温箱体的内腔环境温度，模拟试验样品在实际环境中的温度变化，试验模块中的检测模块对样品试验筒存放的试验样品的位移参数、温度和水分参数进行检测，可以直观的观测到试验样品在不同温度下的冻胀情况，试验装置简单，操作容易且直观，具有很好的实用性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种试验装置的内腔结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种试验装置的内腔结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种非饱和土冻胀应变与水热场关系的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种非饱和土冻胀应变试验方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的一种非饱和土有效应变比的温度变化曲线；

图6为本发明实施例提供的另一种非饱和土冻胀应变试验方法的流程图。

图标：100-恒温箱体；102-试验样品；104-位移检测器；106-温度检测器；108-水分检测器；110-移动部；112-筒底；114-内侧壁；116-位移检测器的检测探头；202-底座；204-支撑杆；206-横杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前使用冻胀率公式对土体冻胀情况进行计算，没有考虑到土体的饱和情况，存在较大的局限性和误差，另外，非饱和土水热力三场耦合模型中缺乏冻胀应变与水热场关系，而无法直接计算非饱和土的冻胀变形；基于此，本发明实施例提供的一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法，可以准确获得或计算不同温度下的土体冻胀情况，为非饱和土水热力三场耦合模型的建立提供基础。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种试验装置进行详细介绍，

实施例一：

参考图1所示的一种试验装置的内腔结构示意图，该试验装置包括恒温箱体100，以及在恒温箱体内腔中的试验模块；具体实现时，试验模块包括一端开口的样品试验筒、检测模块和支架；其中，检测模块至少包括位移检测器104、温度检测器106和水分检测器108；位移检测器设置在支架的顶端；样品试验筒配置有移动部110，样品试验筒的筒底112、样品试验筒的内侧壁114和移动部组成样品容纳空间；温度检测器和水分检测器设置在组成样品容纳空间的内侧壁上。

其中，上述恒温箱体具有调控和保持内腔温度的功能，可以利用外部终端或手动对恒温箱体的内腔温度的调控，以及对内腔温度情况进行观测，例如冻融循环箱，具体的恒温箱体的类型和型号，可以根据实际情况进行选定，本发明实施例对此不进行限制。

进一步，上述样品试验筒用于放置试验样品，该样品试验筒的内侧壁的材质为具有一定强度和导热性的材质，以便于较快地将恒温箱体的内腔温度传递给试验样品，使得试验样品达到设定的温度。具体的内侧壁的材质，可以根据实际情况进行选定，本发明实施例对此不进行限制。

当样品容纳空间放置有试验样品时，如图1所示的试验样品102，移动部与试验样品接触；位移检测器的检测探头116与移动部接触，用于检测移动部的位移参数。

具体实现时，为了对试验样品的冻胀量进行精确测量，该试验装置通过将位移检测器的检测探头与试验样品顶部的移动部接触，用于检测移动部的位移参数，以便获得试验样品的位移参数，进一步，当试验样品因为温度降低，水相变冰而引起冻胀量时，试验样品会推动试验样品顶部的移动部上移，冻胀量的大小直接反映在移动部的位移量，位移检测器与移动部相接触，可直接无误地对移动部的位移量进行测量。

温度检测器和水分检测器与试验样品接触，用于检测试验样品的温度参数和水分参数。具体实现时，温度检测器和水分检测器通常设置在组成样品容纳空间的内侧壁上，也可以放置在试验样品内部，如图1所示的温度检测器106和水分检测器108，当试验样品的温度随着恒温箱体内腔的温度发生变化时，温度检测器和水分检测器与试验样品接触，可以实时获取试验样品的温度和水分参数。

本发明实施例提供了一种试验装置，该装置包括恒温箱体，以及设置在恒温箱体内腔中的试验模块；该试验模块包括样品试验筒、检测模块和支架；检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；位移检测器设置在支架的顶端；样品试验筒配置有移动部；温度检测器和水分检测器设置在样品试验筒的内侧壁上；当样品容纳空间放置有试验样品时，移动部与试验样品接触；位移检测器的检测探头通过与移动部接触对移动部的位移进行测量；温度检测器和水分检测器与试验样品接触，用于检测试验样品的温度参数和水分参数。通过调控和保持恒温箱体的内腔环境温度，模拟试验样品在实际环境中的温度变化，试验模块中的检测模块对样品试验筒存放的试验样品的位移参数、温度和水分参数进行检测，可以直观的观测到试验样品在不同温度下的冻胀情况，试验装置简单，操作容易且直观，具有很好的实用性。

为了便于该试验装置的运输及携带，保证试验装置的整体性，图2示出了另一种试验装置的内腔结构示意图，该试验装置的支架包括支架底座 202，以及设置在底座上的支撑架；支撑架包括支撑杆204和设置在支撑杆上，且与支撑杆垂直设置的横杆206，横杆组成支架的顶端，位移传感器设置在横杆上。进一步，支架底座与样品试验筒的筒底机械连接，具体支架各个结构的固定方式，以及与样品试验筒和位移传感器的固定方式，可根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不进行限制。

为了检测试验样品是否达到内腔温度，以及检测在不同温度下试验样品的水分参数，组成样品容纳空间的内侧壁上还设置有与温度检测器和水分检测器匹配的通孔(未在图2中绘出)；温度检测器和水分检测器的检测探头通过通孔延伸至试验样品内部，与试验样品接触。其中，温度检测器可以安装在水分检测器的检测探头处，如图2所示的温度检测器106，温度检测器与水分检测器的检测探头和试验样品充分接触。具体水分检测器和温度检测器的型号及安装位置可根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不进行限制。进一步，可以选用具有检测温度及水分参数的检测装置代替水分检测器和温度检测器，具体检测装置的型号及安装位置可根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不进行限制。

由于试验样品的温度变化会导致试验样品内部的蒸汽迁移，冷凝至移动板，为了避免试验样品中蒸汽迁移、冷凝在移动板而导致位移检测不准确的问题，移动部通常为透水板，样品试验筒的筒底也通常设置有上述透水板，以便于固定试验样品确保位移测量准确。具体移动板的材质可以根据实际情况进行选定，本发明实施例对此不进行限制。

进一步，为了避免试验样品在冻胀过程中，从各个接触缝隙中将土颗粒挤压出来，透水板的径向尺寸通常与样品试验筒的内径相匹配。同时，内侧壁的通孔上通常设有胶条(图2中并未绘出)，用于密封通孔与温度检测模块和水分检测模块之间的接触间隙，具体胶条的材质可以根据实际情况进行选定，本发明实施例对此不进行限制。

实际试验时，为了避免对试验样品的位移参数、温度和水分参数进行数据读取时，经常开关恒温箱体影响试验环境和试验结果的问题，检测模块与外部终端通常采用数据线或无线通信等传输方式进行数据传输，具体的数据传输方式及数据线的类型，可以根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不进行限定。

基于上述试验装置，图3示出了一种非饱和土冻胀应变与水热场关系的示意图，该非饱和土样冻胀应变与水热场关系的示意图是由外部终端根据检测模块的实测数据绘制而成。具体地，采用体积含水率为20％的粉细砂作为试验样品，该试验样品在干燥状态下的密度为1.6g/cm³，恒温箱体的预设温度为2℃，待试验样品的温度稳定后，调控恒温箱体的温度至目标温度，待试验样品的温度、水分参数、位移参数保持恒定时停止试验，其中，试验样品的水分参数通常为未冻水含量，位移参数通常为试验样品的顶部位移。在试验过程中，目标温度分别设定为-2℃、-3℃和-4℃。

由图3所示的非饱和土冻胀应变与水热场关系的示意图可以看出，试验样品温度随时间变化的曲线上存在明显的相变点，即在三次试验中，试验样品均已冻结，以及在试验结束时，试验样品由2℃达到-2℃时，未冻水含率为10.39％，顶部位移为0.51mm；试验样品由2℃达到-3℃时，未冻水含率为8.57％，顶部位移为0.58mm；试验样品由2℃达到-4℃时，未冻水含率为5.90％，顶部位移为0.71mm。

其中，图3中的横坐标为时间量，纵坐标分别为温度、未冻水含量及顶部位移量。由图3可知，采用该装置可以精准地检测到在外界温度变化过程中，试验样品的温度、水分参数及位移参数的变化情况。

综上，本发明实施例提供的一种试验装置具有以下有益效果：

(1)该试验装置可以很好地模拟实际环境温度变化的情况下试验样品的冻胀情况；

(2)在实际应用中，该试验装置可以对饱和土和非饱和土的冻胀情况进行测试，具有广泛的适用性；

(3)检测模块与外部终端进行数据传输，无需人为记忆数据，具有便捷性；通过观察位移传感器的位移情况，可直观查看试验样品的冻胀情况。

(4)恒温箱体内部设有支架，可对试验模块进行固定，便于携带和运输。

实施例二：

通常，试验样品为非饱和土的情况下，由于非饱和土存在非饱和孔隙，在冻结过程中，土体中水分相变成冰所膨胀的体积为土体中水相变为冰引起的总体应变ε₂，其中，总体应变ε₂可分为两部分，一部分用于填充非饱和孔隙的体积ε₁，对土体冻胀无贡献，另一部分用于挤压骨架，产生冻胀，即水相变冰用于挤压固体颗粒而导致的土体体应变ε^ν。

因此，对于非饱和土而言，确定试验样品的土体体应变与总体应变的比值，即有效应变比，可以在实际施工过程中，预先计算试验样品在不同温度下的冻胀量。具体非饱和土冻胀应变试验方法可以参考图4所示的一种非饱和土冻胀应变试验方法的流程图，该方法包括如下步骤：

步骤S402，获得试验样品的试验参数，其中，试验样品为非饱和土，试验参数为通过实施例一所述的任一项试验装置获取到的参数；试验参数通常至少包括试验样品的位移参数、温度和水分参数；具体地，试验样品的位移参数通常为试验样品的顶部位移，试验样品的水分参数通常为试验样品的未冻水含量。

步骤S404，根据试验参数计算试验样品的冻胀应变；

具体地，在试验过程中恒温箱体的内腔温度降低到一定程度时，试验样品受温度的影响发生冻胀现象，该冻胀现象导致试验样品的顶部发生顶部位移，即为试验装置所检测到的位移参数。该顶部位移是由于试验样品冻结后体积膨胀、及土颗粒相互挤压导致的，其中，土颗粒相互挤压导致试验样品产生弹性应变和塑性应变，对于一定的试验样品，在冻结情况下，弹性应变和塑性应变可以根据冻土的弹塑性本构模型和受力状态进行预先计算；冻胀应变为试验样品结冻后体积膨胀而导致的冻胀值。

具体实现时，提取位移参数，根据位移参数计算试验样品的总应变，其中，总应变表示为：

其中，ε为总应变；z为位移参数；h为试验样品的高度；

根据总应变，计算试验样品的冻胀应变，其中，冻胀应变表示为：

ε_ν＝ε-ε_e-ε_νp；

式中，ε_ν为冻胀应变；ε_e为弹性应变；ε_νp为塑性应变。

步骤S406，按照预先设置的冻胀应变与土体体应变的对应关系计算试验样品的土体体应变；

通常，由于试验样品在样品试验筒内，在冷冻膨胀的过程中，横向位移收到了约束，因此试验样品的冻胀应变可以看作仅存在轴向方向的应变，进一步，水相变成冰所导致的土体体应变在纵向方向会对试验样品的冻胀应变产生影响。因此，冻胀应变与土体体应变的对应关系为纵向对应关系，纵向对应关系表示为：

ε^ν＝3ε_ν(1-ν_Τ)/(1+ν_Τ)，

式中，ε^ν为土体体应变，ν_Τ为泊松比。

值得说明的是，对于一定的试验样品，在固定温度下，试验样品的泊松比为定值，可以预先计算得到。

步骤S408，根据土体体应变，以及水分参数，计算当前温度下试验样品的有效应变比。通常，试验样品的土体体应变与总体应变的比值，即有效应变比。

进一步，总体应变ε₂表示为：

式中，θ_f为冻结水含量；ρ_w为水密度；ρ_i为冰密度。

其中，冻结水含量为试验样品的体积含水率与未冻结水含量的差值，进一步，未冻结水含量通常为从试验装置中获取的水分参数，试验样品的体积含水率为试验样品的固有性质，进一步，固有性质通常包括干燥状态下的密度、体积含水率、弹性模量，泊松比，粘聚力，内摩察角，硬化参数和粘性参数等。

为了在实际生活中，能够根据试验样品的固有性质，即可获得试验样品在不同温度下的冻胀情况，因此，关键在于确定试验样品的有效应变比，即冻胀量有影响的土体体应变ε^ν占总体应变ε₂的比值，因此，试验样品为非饱和土的情况下，根据土体体应变，以及水分参数，计算当前温度下试验样品的有效应变比的步骤包括：

式中，β为有效应变比；θ_f为冻结水含量；ρ_w为水密度；ρ_i为冰密度。

基于上述方法，图5示出了一种非饱和土样有效应变比的温度变化曲线，具体地，采用上述试验装置获得的试验样品的参数进行有效应变比β值的计算，在上述三种情况下，确定有效应变比β值随温度的变化情况。由图5表明，β值随温度变化基本保持不变，其值为0.95。

采用该土样有效应变比确定方法，可以在实际建造铁路等工程前，结合试验样品的固有性质，根据实施例一的任一试验装置所获取的试验样品参数，计算该试验样品的有效应变比，其中，该参数通常包括预先模拟多个温度下的试验样品的位移参数、温度和水分参数。该土样有效应变比确定方法采用反演推算的方法，通过上述试验装置模拟试验情况，根据试验装置获取的参数，反推该土样的有效应变比，确保了该有效应变比的准确性。

在实际生活中，为了在不方便试验的情况下，准确快速地计算该试验样品在不同温度下的冻胀量，可以预先计算多种特性的试验样品的有效应变比，利用上述有效应变比，可以计算得知试验样品的冻胀应变与水热场的关系。

进一步，上述非饱和土冻胀应变试验方法还包括：根据有效应变比计算试验样品的冻胀应变与水热场的对应关系，对应关系表示为：

式中，E_ν为计算得到的冻胀应变。

具体地，该计算得到的冻胀应变为根据有效应变比计算得到的试验样品的冻胀应变。

值得说明的是，该非饱和土冻胀应变试验方法的计算前提为，将所采集的试验样品看作是实际工程中具体施工区域的一个点，忽略在试验过程中的水分迁移情况。

采用该非饱和土冻胀应变试验方法，可以在实际施工前中，直接根据该施工场土体的固有性质，可调用该施工场土体下的有效应变比，结合环境温度，即可精准获知该施工场土体在未来温度变化情况下的冻胀量，通过预先模拟和计算不同温度下施工场所土体的冻胀情况，可以提前做好预防或应对施工场土体冻胀现象的准备工作，其中，该施工场土体通常为试验样品。

进一步，基于实施例一所述的任一项试验装置获取到的参数，图6示出了另一种非饱和土冻胀应变试验方法的流程图，有效应变比还可以通过图6所示的另一种非饱和土冻胀应变试验方法进行计算，该方法包括：

步骤S602，获得试验样品的试验参数，其中，试验样品为非饱和土，试验参数为通过实施例一所述的任一项试验装置获取到的参数；试验参数通常至少包括试验样品的位移参数、温度和水分参数；具体地，试验样品的位移参数通常为试验样品的顶部位移，试验样品的水分参数通常为试验样品的未冻水含量。

步骤S604，提取试验参数，根据试验样品的模拟有效应变比计算模拟位移，以及，生成存储文件，以便于存储模拟有效应变比及模拟位移。

具体实现时，提取试验样品的水分参数，根据试验样品的预设模型，结合试验样品的模拟有效应变比，计算模拟位移，其中，预设模型为根据试验样品的固有性质预先建立的，模拟有效应变比以预设初始值开始，按着预先设定的修正浮值和修正方向，在预设取值范围内进行更新。进一步，试验样品的固有性质通常包括干燥状态下的密度、体积含水率、弹性模量，泊松比，粘聚力，内摩察角，硬化参数和粘性参数等。

具体地，预设初始值为以往试验样品的有效应变比的最值，预设取值范围为以往试验样品的有效应变比的变动范围。随着模拟有效应变比的更新，对应计算得到的模拟位移也随之变化，为了后期模拟位置和试验参数中的位移参数进行对比，将模拟有效应变比和对应的模拟位移存储在预先建立的文件内。

进一步，预设初始值通常设置为以往试验样品的有效应变比的最大值或最小值，具体预设初始值可以根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不进行限制。当预设初始值设置为以往试验样品的有效应变比的最大值时，则修正方向为递减方向，即修正后的模拟有效应变比小于修正前的模拟有效应变比；当预设初始值设置为以往试验样品的有效应变比的最小值时，则修正方向为递增方向，即修正后的模拟有效应变比大于修正前的模拟有效应变比。修正浮值与期望得到的有效应变比的精度有关，具体修正浮值的浮动程度可以根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不进行限制。

步骤S606，提取试验参数及文件中的模拟位移，对位移参数与模拟位移进行方差计算，得到该模拟位移下的方差值；以及，将方差值存储在文件内的对应模拟位移的位置下。

具体步骤包括：

(1)提取试验参数中的位移参数，以及文件中的模拟位移；

(2)计算位移参数与模拟位移的方差值，其中，该方差值表示为：

Δ²＝(z_mn-z)²

式中，Δ²为方差值；z_mn为模拟位移；z为位移参数。

(3)存储方差值至文件中的模拟位移的对应位置下，以便于实现方差值和模拟位移的对应存储。

步骤S608，提取文件中的所有方差值，对比得到所有方差值中最小的方差值；

步骤S610，提取最小的方差值所对应的模拟有效应变比为试验样品的有效应变比；

具体地，当利用模拟有效应变比，结合预设模型，计算得到的模拟位移与试验装置检测得到的位移参数无限接近时，即方差值趋近、甚至等于零时，则该模拟有效应变比也趋近、甚至等于实际试验样品的有效应变比。

采用此方法，同样可以实现与图4所示方法相同的技术效果。

值得说明的是，上述图6所示的方法只是采用了一种简单修正方法对模拟有效应变比的取值进行修正，还可以采用修正方向和方差值大小相结合的双向修正手段，对模拟有效应变比的取值进行修正。

例如，在采用递增方向进行模拟有效应变比的修正时，判断当前计算的方差值是否大于前一次计算的方差值，如果是，说明当前采用的修正方法不利于模拟位移逼近位移参数，则将修正方向变更为递减方向，同时，修正浮值也可以根据实际情况进行自适应变化；

如果否，则继续按着当前的修正方向进行模拟有效应变比的修正。

最终实现方差值趋近于零，模拟位移趋近于位移参数，模拟有效应变比趋近于试验样品的有效应变比的目的。

实际实现时，具体修正手段可以根据实际情况，进行设定，本发明实施例对此不进行限制。

值得说明的是，上述的预设模型的建立过程主要包括以下步骤：

(1)根据水分参数，结合模拟有效应变比，计算对应温度下的模拟土体体应变，其中，模拟土体体应变的表达式为：

式中，β_mn为模拟有效应变比；θ_f为冻结水含量；ρ_w为水密度；ρ_i为冰密度；ε^ν _mn为模拟土体体应变；其中，冻结水含量为试验样品的体积含水率与水分参数的差值。

(2)根据模拟土体体应变，结合冻胀应变与土体体应变的对应关系计算模拟冻胀应变，其中模拟冻胀应变的表达式为：

式中，

为模拟冻胀应变；ν_Τ为泊松比。

(3)根据模拟冻胀应变，结合试验样品的固有性质，计算模拟总应变，其中，模拟总应变的表达式为：

式中，ε_mn为模拟总应变；ε_e为弹性应变；ε_νp为塑性应变，其中，对于试验样品，在冻结情况下，弹性应变和塑性应变可以根据冻土的弹塑性本构模型和受力状态进行预先计算。

(4)根据模拟总应变，结合试验样品的固有性质，计算模拟位移参数，其中，模拟位移参数的表达式为：

z_mn＝ε_mn·h

式中，z_mn为模拟位移参数，h为试验样品的高度。

上述实施例二中提供的非饱和土冻胀应变试验方法，通过计算试验样品的有效应变比，可以在实际施工前中，直接根据该施工场土体的固有性质，可调用该施工场土体下的有效应变比，结合环境温度，即可精准获知该施工场土体在未来温度变化情况下的冻胀量，通过预先模拟和计算不同温度下施工场所土体的冻胀情况，可以提前做好预防或应对施工场土体冻胀现象的准备工作。

本发明实施例提供的非饱和土冻胀应变试验方法，与上述实施例提供的试验装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

最后应说明的是：

附图中的流程图和结构框图显示了根据本发明的多个实施例的方法、装置和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露方法和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种非饱和土冻胀应变试验方法，其特征在于，包括：

获得试验样品的试验参数，其中，所述试验样品为非饱和土，所述试验参数为通过预设的试验装置获取到的参数；所述试验参数至少包括所述试验样品的位移参数、温度和水分参数；

根据所述试验参数计算所述试验样品的冻胀应变；

按照预先设置的冻胀应变与土体体应变的对应关系计算所述试验样品的土体体应变；

根据所述土体体应变，以及所述水分参数，计算当前温度下所述试验样品的有效应变比；

其中，所述根据所述试验参数计算所述试验样品的冻胀应变的步骤包括：

提取所述位移参数，根据所述位移参数计算所述试验样品的总应变，其中，总应变表示为：

其中，ε为所述总应变；z为所述位移参数；h为所述试验样品的高度；

根据所述总应变，计算所述试验样品的冻胀应变，其中，所述冻胀应变表示为：

ε_ν＝ε-ε_e-ε_νp；

式中，ε_ν为所述冻胀应变；ε_e为弹性应变；ε_νp为塑性应变；

所述冻胀应变与土体体应变的对应关系为纵向对应关系，所述纵向对应关系表示为：

ε^ν＝3ε_ν(1-ν_Τ)/(1+ν_Τ)，

式中，ε^ν为所述土体体应变，ν_Τ为泊松比；其中，所述泊松比通过在固定温度下预先计算得到；

所述根据所述土体体应变，以及所述水分参数，计算当前温度下所述试验样品的有效应变比的步骤包括：

式中，β为有效应变比；θ_f为冻结水含量，所述冻结水含量为所述试验样品的体积含水率与未冻结水含量的差值；ρ_w为水密度；ρ_i为冰密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述有效应变比计算所述试验样品的冻胀应变与水热场的对应关系，所述对应关系表示为：

式中，ε_ν为计算得到的冻胀应变。

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