CN110455640A - 冻土抗拉强度测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抗拉强度测试设备技术领域，公开了一种冻土抗拉强度测试系统及测试方法，其中冻土抗拉强度测试系统包括压力试验机，压力试验机包括相对设置的上加载盘和下加载盘，还包括上压头、下压头、低温恒温箱以及试样控温装置；上压头可拆卸地连接于上加载盘，下压头固接于下加载盘；低温恒温箱安装于上加载盘和下加载盘之间，试样控温装置可滑动地安装于低温恒温箱内；试样控温装置内设有用于放置土样的容置腔，上压头和下压头均穿过低温恒温箱，并伸入容置腔内。该冻土抗拉强度测试系统集劈裂试验和低温控制于一体，通过多级控温的模式实现了土样的高精度控温，且测试方法简单、加载受力状态合理、测试结果准确度高，实用性强。

Description

冻土抗拉强度测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及抗拉强度测试设备技术领域，尤其涉及一种冻土抗拉强度测试系统及测试方法。

背景技术

我国约2/3以上区域都分布有冻土，冻土力学性质的研究对该地区工程建设具有重要意义。有别于常温土，冻土冻结过程中在粗颗粒土中会发生原位冻结，在细颗粒土中会出现地下水抽吸、分凝冰形成、冻结缘生长等现象，致使出现较大的冻胀变形，春季又易出现大幅融沉，严重影响了冻土区路基、建筑物的安全。冻胀发生的原因之一是土体中的水冻结成冰体积增大9％，但这部分冻胀量不大；原因之二是土体在冻结过程中，抽吸地下水，土体中先出现冰的分凝，随后冻结缘开始生长，产生较大冻胀变形。

在这个过程中，冻结缘的生长与土中冻结锋面处的冻胀力和冻结缘温度范围内冻结土体的抗拉强度有关。当冻胀力小于土体抗拉强度时，冻结缘停止生长，当冻胀力大于冻结缘温度范围内土体的抗拉强度时，冻结缘继续生长。可见，冻土冻结缘温度范围内土体抗拉强度的测试对冻土冻胀机理的解释、冻土冻胀变形量的预测具有重要意义。但冻结缘温度范围很小，一般在0℃～2℃的范围之间，要进行完整的冻结缘温度范围内土体的抗拉强度测试，获取这个温度范围内的抗拉强度曲线，就必须对不同温度区域内，如每隔0.2℃，测试冻土的抗拉强度。

目前研究冻土抗拉强度有如下几种方法：方法1是利用冻土三轴仪，进行直接拉伸试验；方法2是利用材料试验机，将其置于低温恒温箱中，进行直接拉伸试验。上述方法各有优缺点，论述如下：

首先从控温方式来说，方法1充分利用了冻土三轴仪的温控系统，试样尺寸小，多采用直径38.1mm、高80mm的圆柱形土样，土样控温精度高，测试结果较为准确；但该方法的缺点在于，冻土三轴仪费用昂贵，动辄上百万的仪器价格并不能满足大多数研究人员的工作需求。方法2采用和压力试验机配合的方法进行，一般将压力试验机整体放置到低温恒温箱中，由于压力试验机体积较大，故所需低温恒温试验箱体积大，体积越大，控温精度越小，温度不均匀度越大，无法精确地控制土体温度。

其次，从加载方式来说，方法1和方法2采用的是直接拉伸方式，在不考虑控温的情况下，抗拉强度测试准确与否取决于端头和土样之间连接的牢固程度，且端头局部的约束对土样内部产生应力集中的现象，对抗拉强度的测试有一定影响。

发明内容

本发明实施例提供一种冻土抗拉强度测试系统及测试方法，用以解决现有的冻土抗拉强度测试系统复杂、成本昂贵、加载受力状态不合理的问题，以实现准确地控制土样温度。

本发明实施例提供一种冻土抗拉强度测试系统，包括压力试验机，所述压力试验机包括相对设置的上加载盘和下加载盘，还包括上压头、下压头、低温恒温箱以及试样控温装置；所述上压头可拆卸地连接于所述上加载盘，所述下压头固接于所述下加载盘；所述低温恒温箱安装于所述上加载盘和所述下加载盘之间，所述试样控温装置可滑动地安装于所述低温恒温箱内；所述试样控温装置内设有用于放置土样的容置腔，所述上压头和所述下压头均穿过所述低温恒温箱，并伸入所述容置腔内，以对所述土样施压。

其中，所述试样控温装置包括相对设置的第一夹头和第二夹头，所述第一夹头和所述第二夹头对合连接形成所述容置腔；所述试样控温装置还设有连通所述容置腔的第一通槽和第二通槽，所述第一通槽与所述上压头相配合，以插接所述上压头；所述第二通槽与所述下压头相配合，以插接所述下压头。

其中，所述试样控温装置还包括第一螺杆和第二螺杆；所述第一螺杆的一端连接于所述第一夹头背离所述容置腔的一侧，所述第一螺杆的另一端穿出所述低温恒温箱；所述第二螺杆的一端连接于所述第二夹头背离所述容置腔的一侧，所述第二螺杆的另一端穿出所述低温恒温箱。

其中，所述第一夹头的内部设有用于连接外部冷却系统的第一循环管路，所述第二夹头的内部设有用于连接所述外部冷却系统的第二循环管路。

其中，还包括试样温度调节系统，所述试样温度调节系统包括温度传感器和温度采集仪，所述温度传感器埋设于所述土样内；所述温度传感器电连接于所述温度采集仪，所述温度采集仪用于电连接所述外部冷却系统。

其中，还包括套筒、连接盘和至少一个吊杆；所述套筒套设于所述上加载盘外，所述连接盘的一端可拆卸地连接于所述套筒的底部，所述连接盘的另一端固接于所述上压头；所述吊杆穿设于所述套筒的上部，所述上加载盘夹设于所述吊杆和所述连接盘之间。

其中，所述上压头的下端面以及所述下压头的上端面均为圆弧面。

本发明实施例还提供一种利用上述冻土抗拉强度测试系统的测试方法，包括：

将土样放入试样控温装置的容置腔内，调节所述试样控温装置在低温恒温箱内的位置，使上压头和下压头均伸入所述容置腔；

启动压力试验机，待所述上压头接触所述土样时，暂停所述压力试验机；

移动所述试样控温装置脱离所述土样，继续运行所述压力试验机，直至所述土样劈裂。

其中，在所述将土样放入试样控温装置的容置腔内，调节所述试样控温装置在低温恒温箱内的位置，使上压头和下压头均伸入所述容置腔之后，在所述启动压力试验机之前，还包括：

启动所述低温恒温箱和外部冷却系统，采集土样的内部温度值，获取试验预设温度值和温差预设值；

计算所述内部温度值和所述试验预设温度值之间的温度差值；

当所述温度差值大于所述温差预设值时，调节所述外部冷却系统的出口温度值，直至所述温度差值小于或者等于所述温差预设值。

其中，所述将土样放入试样控温装置的容置腔内，调节所述试样控温装置在低温恒温箱内的位置，使上压头和下压头均伸入所述容置腔，进一步包括：

将所述土样放入第一夹头和第二夹头之间，所述土样的底部抵接于所述下压头；

旋转第一螺杆和第二螺杆，使所述第一夹头和所述第二夹头对合连接，包裹所述土样和所述下压头；

启动所述压力试验机，使上加载盘和下加载盘相互靠近，直至所述上压头伸入所述容置腔内。

本发明实施例提供的冻土抗拉强度测试系统及测试方法，其中冻土抗拉强度测试系统包括压力试验机，压力试验机包括相对设置的上加载盘和下加载盘，还包括上压头、下压头、低温恒温箱以及试样控温装置，通过压力试验机控制上加载盘和下加载盘相互靠近，进而使得上压头和下压头相互靠近；土样被放置于试样控温装置的容置腔内，试样控温装置整体又安装于低温恒温箱中，通过外层的低温恒温箱实现第一级控温，同时利用试样控温装置紧密包裹土样，实现第二级精准控温，并且试样控温装置还可以对土样实现精准定位。当土样定位准确并且温度恒定保持在试验预设温度值时，使试样控温装置脱离土样，最后通过上压头和下压头对土样施压，完成对土样的劈裂试验，获取抗拉强度测试结果。该冻土抗拉强度测试系统集劈裂试验和低温控制于一体，通过多级控温的模式实现了土样的高精度控温，且测试方法简单、加载受力状态合理、测试结果准确度高，实用性强，可进行高精度温度控制下的抗拉强度测试，测试结果对于冻土地区的工程设计、冻土地区冻胀机理的分析以及冻胀量的预报有重要意义，对研究寒区冻土工程冻害具有重要的现实意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明实施例中的一种冻土抗拉强度测试系统的结构示意图图；

图2是本发明实施例中的一种冻土抗拉强度测试系统的剖视图；

图3是本发明实施例中的一种压力试验机的结构示意图；

图4是本发明实施例中的第一夹头的安装示意图；

图5是本发明实施例中的第一夹头的放大示意图；

图6是本发明实施例中的套筒、连接盘和上压头的安装示意图；

图7是本发明实施例中的安装有门体的低温恒温箱的结构示意图；

图8是本发明实施例中的一种冻土抗拉强度测试方法的流程示意图；

附图标记说明：

1：压力试验机； 11：上加载盘； 12：下加载盘；

13：连接杆； 14：压力试验机顶板； 15：压力试验机底板；

16：立柱； 2：上压头； 3：下压头；

4：低温恒温箱； 41：箱体支座； 42：箱门；

5：试样控温装置； 51：第一夹头； 511：圆柱形槽；

512：第一通槽； 513：第二通槽； 52：第二夹头；

53：第一螺杆； 54：第二螺杆； 55：第一循环管路；

6：套筒； 7：连接盘； 8：吊杆；

9：土样。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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，本领域普通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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

图1是本发明实施例中的一种冻土抗拉强度测试系统的结构示意图图，图2是本发明实施例中的一种冻土抗拉强度测试系统的剖视图，如图1～图2所示，本发明实施例提供的一种冻土抗拉强度测试系统，包括压力试验机1，压力试验机1包括相对设置的上加载盘11和下加载盘12，还包括上压头2、下压头3、低温恒温箱4以及试样控温装置5。上压头2可拆卸地连接于上加载盘11，下压头3固接于下加载盘12。低温恒温箱4安装于上加载盘11和下加载盘12之间，试样控温装置5可滑动地安装于低温恒温箱4内。试样控温装置5内设有用于放置土样9的容置腔，上压头2和下压头3均穿过低温恒温箱4，并伸入容置腔内，以对土样9施压。

具体地，如图3所示，压力试验机为现有的压力试验机，包括上加载盘11、下加载盘12、连接杆13、压力试验机顶板14、压力试验机底板15和立柱16，还包括图中未示出的电机、加载控制系统以及数据采集系统。其中四个立柱16的两端分别固接于压力试验机顶板14和压力试验机底板15，以构成压力试验机1的支撑框架。连接杆13安装于压力试验机顶板14，连接杆13的下端连接上加载盘11，下加载盘12安装于压力试验机底板15上，以承载待测试的样品。在电机和加载系统的驱动下，上加载盘11和下加载盘12相互靠近，即上加载盘11向下移动和/或下加载盘12向上移动。

上压头2可拆卸地连接于上加载盘11，也有利于上压头2的安装和拆卸，同时方便根据不同土样9来进行上压头2的更换。下压头3固接于下加载盘12，此处的固接可以为粘接。上压头2和下压头3同轴设置，且均为长条形结构。

低温恒温箱4通过箱体支座41安装于压力试验机底板15上，使低温恒温箱4位于上加载盘11和下加载盘12之间。试样控温装置5设置于低温恒温箱4内，可以直接放置于低温恒温箱4的内表面上，使其在低温恒温箱4内可任意滑动。低温恒温箱4的顶部和底部均开设有预留槽，以便于上压头2和下压头3通过该预留槽进入低温恒温箱4内部。

如图2所示，试样控温装置5内设有用于放置土样9的容置腔，容置腔的形状与土样9的形状相同，因而容置腔正好可以紧密贴合于土样9的外表面，以减小温度传递损失，实现最佳的温度控制效果。同时利用容置腔还可以保证土样9在压力试验机中的定位和安装。

上压头2从上方向下穿过低温恒温箱4后伸入容置腔内，接触土样9的上表面；下压头3从下方向上穿过低温恒温箱4后伸入容置腔内，接触土样9的下表面。随着上压头2和下压头3不断靠近，利用上压头2和下压头3对土样9上下表面的双重压力作用，完成劈裂试验。

本实施例提供的一种冻土抗拉强度测试系统，包括压力试验机，压力试验机包括相对设置的上加载盘和下加载盘，还包括上压头、下压头、低温恒温箱以及试样控温装置，通过压力试验机控制上加载盘和下加载盘相互靠近，进而使得上压头和下压头相互靠近；土样被放置于试样控温装置的容置腔内，试样控温装置整体又安装于低温恒温箱中，通过外层的低温恒温箱实现第一级控温，同时利用试样控温装置紧密包裹土样，实现第二级精准控温，并且试样控温装置还可以对土样实现精准定位。当土样定位准确并且温度恒定保持在试验预设温度值时，使试样控温装置脱离土样，最后通过上压头和下压头对土样施压，完成对土样的劈裂试验，获取抗拉强度测试结果。该冻土抗拉强度测试系统集劈裂试验和低温控制于一体，通过多级控温的模式实现了土样的高精度控温，且测试方法简单、加载受力状态合理、测试结果准确度高，实用性强，可进行高精度温度控制下的抗拉强度测试，测试结果对于冻土地区的工程设计、冻土地区冻胀机理的分析以及冻胀量的预报有重要意义，对研究寒区冻土工程冻害具有重要的现实意义。

进一步地，如图2、图4～图5所示，试样控温装置5包括相对设置的第一夹头51和第二夹头52，第一夹头51和第二夹头52对合连接形成容置腔。试样控温装置5还设有连通容置腔的第一通槽512和第二通槽513，第一通槽512与上压头2相配合，以插接上压头2；第二通槽513与下压头3相配合，以插接下压头3。

具体地，如图5所示，第一夹头51和第二夹头52的形状、大小相同，本实施例中以第一夹头51为例进行说明，第一夹头51为一长方体，在第第一夹头51的中部从上至下依次设置有第一通槽512、圆柱形槽511和第二通槽513，第一通槽512和第二通槽513均为纵向设置的长方形槽，尺寸大小分别与上压头2和下压头3相配合。第一夹头51和第二夹头52的圆柱形槽511相对接后，正好形成容置腔。

在进行测试的时候，先通过第一夹头51和第二夹头52的对接，将土样9包裹并且定位，利用低温恒温箱4和试样控温装置5对土样9进行二级控温，待温度恒定后，使上压头2和下压头3正好卡住土样9，然后分离第一夹头51和第二夹头52，继续施加压力进行劈裂试验。通过设置对开的、中间有圆柱形槽511的第一夹头51和第二夹头52，方便实现对土样9的精准控温、定位和劈裂试验。

进一步地，如图1～图2和图4～图5所示，试样控温装置5还包括第一螺杆53和第二螺杆54。第一螺杆53的右端连接于第一夹头51背离容置腔的一侧(即第一夹头51的左侧)，第一螺杆53的左端穿出低温恒温箱4。第二螺杆54的左端连接于第二夹头52背离容置腔的一侧(即第二夹头52的右侧)，第二螺杆54的右端穿出低温恒温箱4。

具体地，第一螺杆53可以控制第一夹头51在低温恒温箱4内左右滑动，第二螺杆54可以控制第二夹头52在低温恒温箱4内左右滑动。低温恒温箱4的左右两侧壁各开有一个孔，第一螺杆53和第二螺杆54通过该孔伸出低温恒温箱4外，便于工作人员进行旋转操作，既可以采用人工旋转，也可以采用电机和传动机构进行自动旋转，自动化程度和可控性更好。

当需要安装土样9时，先初步将土样9放置在试验位附近，然后通过旋进第一螺杆53和第二螺杆54，使第一夹头51和第二夹头52靠近土样9；待第一夹头51和第二夹头52对合连接时，表示土样9被精确定位在了试验位。

当进行劈裂强度试验时，上压头2和下压头3均与土样9接触，且能确保土样9安放平稳后，可以通过旋出第一螺杆53和第二螺杆54，使第一夹头51和第二夹头52脱离土样9，使土样9在上压头2和下压头3的作用下处于劈裂加载状态。

通过设置第一螺杆53和第二螺杆54，便于工作人员从低温恒温箱4的外侧进行调节，实现试样控温装置5在加载过程中脱离土样9的目的，这样既实现了土样9在冻结过程中的高精度温度控制，又保证了土样9在冻结过程中的定位。

更进一步地，如图5所示，第一夹头51的内部设有用于连接外部冷却系统(图中未示出)的第一循环管路55，第二夹头52的内部设有用于连接外部冷却系统的第二循环管路(图中未示出)。具体地，低温恒温箱4的后壁上开有两个孔，分别连接外部冷却系统的进液口和出液口，为试样控温装置5和外部冷却系统相接提供通道。第一夹头51和第二夹头52内部中空，第一循环管路55和第二循环管路的进口和出口分别设置在与低温恒温箱4上连接外部冷却系统的开口相对应的一侧，第一循环管路55和第二循环管路的进口、出口分别设置冷却接口端，冷却连接管穿过低温恒温箱4的壁面与外部冷却系统的进口、出口相连。外部冷却系统可以采用低温冷浴，如DFY系列低温恒温反应浴，该低温冷浴装置自带PID自动控制系统。低温冷浴提供的冷液分别在这两个第一夹头51和第二夹头52中循环，通过对外部冷却系统的冷却液温度的设定和调节来实现对土样9的精确控温。

进一步地，还包括试样温度调节系统(图中未示出)，试样温度调节系统包括温度传感器和温度采集仪，温度传感器埋设于土样9内，用于实时监测土样9的内部温度。温度采集仪用于电连接外部冷却系统，用于将土样9的内部温度反馈给外部冷却系统，提供调节依据。

具体地，温度传感器采用埋入式温度传感器，温度采集仪可以设置有温度显示屏，方便操作人员设定和调节温度，温度采集仪可以采用DT80型号。埋入式温度传感器在制样时预先埋入土样9，温度传感器与温度采集仪连接，通过温度采集仪实时测量土样9的温度并进行数据采集。温度调节可以是人工手动调节外部冷却系统的输出温度，也可以利用外部冷却系统自带的控制系统进行自动控制，还可以在试样温度调节系统设置一个控制器，例如通用单片机(如MCS-51系列或者AT89系列)或者PLC系统(如西门子S7系列)，该控制器包括相互电连接的温度比较模块和温度输出模块，温度采集仪电连接于温度比较模块，将土样9的内部温度值和试验预设温度值进行比较，计算出温度差，若温差过大，则通过电连接于外部冷却系统的温度输出模块输出温度调节参数给外部冷却系统，以实现对温度的调节。

当土样9实测温度与试验预设温度存在偏差时，微调外部冷却系统的温度，等待一段时间，待土样9中的实测温度值稳定不变时，重新比对实测温度与试验预设温度之间的偏差，再微调外部冷却系统的温度。多次调节、比对，以达到二者温度一致，实现对土样9温度精确控制的目的。通过低温恒温箱4可以实现控温精度在±0.5℃，通过试样控温装置5可以实现控温精度在±0.1℃。

进一步地，如图1～图2、图3和图6所示，还包括套筒6、连接盘7和至少一个吊杆8。套筒6套设于上加载盘11的外侧，连接盘7的上端可拆卸地连接于套筒6的底部，连接盘7的下端固接于上压头2。吊杆8穿设于套筒6的上部，上加载盘11夹设于吊杆8和连接盘7之间。

具体地，安装时，先将套筒6套在上加载盘11的外侧，然后再把两个吊杆8穿过去，通过吊杆8吊在上加载盘11上，实现临时吊装，然后将连接盘7通过螺纹连接安装至套筒6的下部。使用吊杆8吊装的目的是为保证在放置低温恒温箱4时，上部的套筒6不会向下掉落，同时也保证了未加载压力时，套筒6和旋在其上的上压头2不由重力的作用向下移动，进而避免产生对土样9的压力。但在加载压力的过程中所产生的反力方向向上，主要由连接盘7承受，再传递至压力试验机的上加载盘11，此时上部吊杆8的受力接近为0，避免了吊杆受力较大产生变形，因而吊杆8主要起到临时吊装作用。

下面结合一个具体的实施例进行说明。主要在原有的压力试验机1的基础上进行改造而成，压力试验机1的上加载盘11的尺寸为直径288mm，高度为120mm。因而套筒6的尺寸为内径288mm，长度为170mm，在长度为130mm处预留吊杆8的安装孔位置，套筒6的下部预留螺纹，螺纹的深度与连接盘7的厚度相同，均为10mm。因而，套筒6的总体样式为：总长度为170mm，内径为内径288mm，从底部至上部依次为：0～10mm处为预留给连接盘7的螺纹，用于拧紧上压头2到套筒6上；10mm-170mm为无螺纹区，预留给上加载盘11，其中在130mm处预留吊杆8的穿孔，用于插入吊杆8，吊装套筒6以及上压头在上加载盘11之上。上加载盘11在位置上抵紧在吊杆8和连接盘7之间。在加载过程中，套筒6整体受向上的力产生上移的趋势，此时吊杆8受力接近于0，故不需要在套筒内部全部布满螺纹使上加载盘11在吊杆8和连接盘7之间抵的过紧，这样也降低了制作的工艺复杂程度和成本。

进一步地，如图2、图4、图6所示，上压头2的下端面以及下压头3的上端面均为圆弧面。通过上压头2的下端面以及下压头3的上端面均采用弧形加载，可以实现对圆柱形的土样9进行线性加载，进而实现劈裂试验。更具体地，圆弧面的圆心角可以为90°～180°，在一个具体的实施例中，圆弧面的圆心角为120°。上压头2和下压头3竖向对中，在加载过程中，与圆柱形的土样9的顶面和底面线性接触。

进一步地，如图7所示，低温恒温箱4的前面设置有箱门42，箱门42打开时进行土样9装载，装样完毕冻结过程中关闭箱门42。

如图8所示，本发明实施例还提供一种利用上述冻土抗拉强度测试系统的测试方法，包括：

步骤S10：将土样9放入试样控温装置5的容置腔内，调节试样控温装置5在低温恒温箱4内的位置，使上压头2和下压头3均伸入容置腔。

步骤S20：启动压力试验机1，待上压头2接触土样9时，即压力试验机1上显示的土样9的受力数值在0附近波动时，暂停压力试验机1。

步骤S30：移动试样控温装置5脱离土样9，继续运行压力试验机1，直至土样9劈裂。

更进一步地，在步骤S10之后，在步骤S20之前，还包括：

步骤S11：启动低温恒温箱4和外部冷却系统，采集土样9的内部温度值，获取试验预设温度值和温差预设值；

步骤S12：计算内部温度值和试验预设温度值之间的温度差值；

步骤S13：当温度差值大于温差预设值时，调节外部冷却系统的出口温度值，直至温度差值小于或者等于温差预设值。

更进一步地，步骤S10进一步包括：

将土样9放入第一夹头51和第二夹头52之间，土样9的底部抵接于下压头3；旋转第一螺杆53和第二螺杆54，使第一夹头51和第二夹头52对合连接，包裹土样9和下压头3；启动压力试验机1，使上加载盘11和下加载盘12相互靠近，直至上压头2伸入容置腔内。

下面结合一个具体的对该测试系统的安装方法和测试方法来进行说明。

(1)系统进行组装

在现有的压力试验机1上安装套筒6，并用吊杆8临时吊装支撑，将第一夹头51和第二夹头52以及上压头2和下压头3安装在低温恒温箱4中，使第一夹头51和第二夹头52对拼起来时，第二通槽513正好把下压头3的圆弧形端头包裹起来。

然后将低温恒温箱4连同放置在其中的部件放入压力试验机1的上加载盘11和下加载盘12之间，并用箱体支座41将低温恒温箱4连同布置在其中的部件支撑在压力试验机1的压力试验机底板15上。

再将第一螺杆53和第二螺杆54通过低温恒温箱4两侧的预留孔旋入至第一夹头51和第二夹头52上，并通过低温恒温箱4的外侧螺栓将其固定住。同时将套筒6旋至连接盘7上，使其连接牢固。在低温恒温箱4的箱门42打开时，螺杆与螺杆旋入孔清晰可见，所以易于对中。且一旦螺杆拧紧之后便不需要每次放土样将螺杆拧出，只需要更换实验用土样9即可。

接着调节压力试验机1，使下压头3的圆弧形端头的高度与第一夹头51和第二夹头52的容置腔的延长交线的高度齐平。低温恒温箱4的限位主要通过第一螺杆53和第二螺杆54的位置以及其包覆的上压头2和下压头3的位置来确定，由于上压头2和下压头3为长方形，故其通过低温恒温箱4时会产生前后左右的限位，其又分别固定于压力试验机1的上加载盘11和下加载盘12上，所以会产生上下方向的限位，所以在未加载时，通过上压头2和下压头3以及第一螺杆53和第二螺杆54的限位可以达到限制第一夹头51和第二夹头52的作用。

安装试样控温装置5与外界冷浴相接的连接管，然后连接冷浴管路，使冷浴形成回路，最后关闭低温恒温箱4的箱门42，测试系统组装完成。

(2)试样制备及安装

按照试验要求，配置最佳含水量的土样9，同时在土样9中埋入温度传感器，再对其进行0.95压实度下的击实，完成后，切取直径5cm、长5cm的圆柱形试样。

将土样9从低温恒温箱4的箱门42放入低温恒温箱4内，圆柱形的土样9呈躺置状态，竖向截面为圆形，且其底部和下压头的圆弧形端相切。再从低温恒温箱4外侧的两端旋转第一螺杆53和第二螺杆54，使得第一夹头51和第二夹头52对合连接，将土样9和下压头3的圆弧形端包裹其中，直至和土样9密贴，此时拧紧第一螺杆53和第二螺杆54上的螺栓，对土样9进行定位。调节压力试验机1，使上压头2进入到第一通槽内，但注意不和土样9接触。

(3)试样冻结及恒温

土样9安装完毕后，关闭低温恒温箱4的箱门42。按照试验设计的温度调节低温恒温箱4的温度和外界低温冷浴的温度，并通过预埋在土样9中的温度传感器监测温度值是否达到要求。当达到设计温度且温度稳定，变动幅度很小之后，方可进行下一步操作。

(4)抗拉强度测试

启压力试验机1，观测试验机显示读数，当显示土样9受力数值在0附近波动时，暂停加载。此时表明，上压头2和下压头3与土样9已经紧密接触。然后旋转第一螺杆53和第二螺杆54，使第一夹头51和第二夹头52与土样9脱离，土样9此时处于了劈裂试验受力状态。接下来，继续开启压力试验机1的加载模块，进行土样9的抗压强度测试，间接测得土样9的抗拉强度。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的冻土抗拉强度测试系统及测试方法，其中冻土抗拉强度测试系统包括压力试验机，压力试验机包括相对设置的上加载盘和下加载盘，还包括上压头、下压头、低温恒温箱以及试样控温装置，通过压力试验机控制上加载盘和下加载盘相互靠近，进而使得上压头和下压头相互靠近；土样被放置于试样控温装置的容置腔内，试样控温装置整体又安装于低温恒温箱中，通过外层的低温恒温箱实现第一级控温，同时利用试样控温装置紧密包裹土样，实现第二级精准控温，并且试样控温装置还可以对土样实现精准定位。当土样定位准确并且温度恒定保持在试验预设温度值时，使试样控温装置脱离土样，最后通过上压头和下压头对土样施压，完成对土样的劈裂试验，获取抗拉强度测试结果。该冻土抗拉强度测试系统集劈裂试验和低温控制于一体，通过多级控温的模式实现了土样的高精度控温，且测试方法简单、加载受力状态合理、测试结果准确度高，实用性强，可进行高精度温度控制下的抗拉强度测试，测试结果对于冻土地区的工程设计、冻土地区冻胀机理的分析以及冻胀量的预报有重要意义，对研究寒区冻土工程冻害具有重要的现实意义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种冻土抗拉强度测试系统，包括压力试验机，所述压力试验机包括相对设置的上加载盘和下加载盘，其特征在于，还包括上压头、下压头、低温恒温箱以及试样控温装置；所述上压头可拆卸地连接于所述上加载盘，所述下压头固接于所述下加载盘；所述低温恒温箱安装于所述上加载盘和所述下加载盘之间，所述试样控温装置可滑动地安装于所述低温恒温箱内；所述试样控温装置内设有用于放置土样的容置腔，所述上压头和所述下压头均穿过所述低温恒温箱，并伸入所述容置腔内，以对所述土样施压。

2.根据权利要求1所述的冻土抗拉强度测试系统，其特征在于，所述试样控温装置包括相对设置的第一夹头和第二夹头，所述第一夹头和所述第二夹头对合连接形成所述容置腔；所述试样控温装置还设有连通所述容置腔的第一通槽和第二通槽，所述第一通槽与所述上压头相配合，以插接所述上压头；所述第二通槽与所述下压头相配合，以插接所述下压头。

3.根据权利要求2所述的冻土抗拉强度测试系统，其特征在于，所述试样控温装置还包括第一螺杆和第二螺杆；所述第一螺杆的一端连接于所述第一夹头背离所述容置腔的一侧，所述第一螺杆的另一端穿出所述低温恒温箱；所述第二螺杆的一端连接于所述第二夹头背离所述容置腔的一侧，所述第二螺杆的另一端穿出所述低温恒温箱。

4.根据权利要求2所述的冻土抗拉强度测试系统，其特征在于，所述第一夹头的内部设有用于连接外部冷却系统的第一循环管路，所述第二夹头的内部设有用于连接所述外部冷却系统的第二循环管路。

5.根据权利要求4所述的冻土抗拉强度测试系统，其特征在于，还包括试样温度调节系统，所述试样温度调节系统包括温度传感器和温度采集仪，所述温度传感器埋设于所述土样内；所述温度传感器电连接于所述温度采集仪，所述温度采集仪用于电连接所述外部冷却系统。

6.根据权利要求1所述的冻土抗拉强度测试系统，其特征在于，还包括套筒、连接盘和至少一个吊杆；所述套筒套设于所述上加载盘外，所述连接盘的一端可拆卸地连接于所述套筒的底部，所述连接盘的另一端固接于所述上压头；所述吊杆穿设于所述套筒的上部，所述上加载盘夹设于所述吊杆和所述连接盘之间。

7.根据权利要求1所述的冻土抗拉强度测试系统，其特征在于，所述上压头的下端面以及所述下压头的上端面均为圆弧面。

8.一种利用如权利要求1至7中任一项所述的冻土抗拉强度测试系统的测试方法，其特征在于，包括：

将土样放入试样控温装置的容置腔内，调节所述试样控温装置在低温恒温箱内的位置，使上压头和下压头均伸入所述容置腔；

启动压力试验机，待所述上压头接触所述土样时，暂停所述压力试验机；

移动所述试样控温装置脱离所述土样，继续运行所述压力试验机，直至所述土样劈裂。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，在所述将土样放入试样控温装置的容置腔内，调节所述试样控温装置在低温恒温箱内的位置，使上压头和下压头均伸入所述容置腔之后，在所述启动压力试验机之前，还包括：

启动所述低温恒温箱和外部冷却系统，采集土样的内部温度值，获取试验预设温度值和温差预设值；

计算所述内部温度值和所述试验预设温度值之间的温度差值；

当所述温度差值大于所述温差预设值时，调节所述外部冷却系统的出口温度值，直至所述温度差值小于或者等于所述温差预设值。

10.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述将土样放入试样控温装置的容置腔内，调节所述试样控温装置在低温恒温箱内的位置，使上压头和下压头均伸入所述容置腔，进一步包括：

将所述土样放入第一夹头和第二夹头之间，所述土样的底部抵接于所述下压头；

旋转第一螺杆和第二螺杆，使所述第一夹头和所述第二夹头对合连接，包裹所述土样和所述下压头；

启动所述压力试验机，使上加载盘和下加载盘相互靠近，直至所述上压头伸入所述容置腔内。