CN110940598B - 一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法，包括剪切盒系统、反力架系统、制冷温控系统、加载系统、滑移系统和数据监控系统。剪切盒系统包括剪切盒本体、顶部加载板、固定销和限位挡板；剪切盒本体包括从上至下依次堆叠设置的上剪切盒、若干个剪切叠环和下剪切组件。顶部加载板和下剪切组件的底板内部均设置为“蚊香型”的液体槽，使得试样各处温度更加均匀；剪切叠环内设置有环形的液体槽。试验过程采用内、外联合控温方式，外部恒温控制，内部上中下三个位置分别由三台高低温恒温循环浴槽独立控温，提高了控温精度，增强了试验结果的准确性。本发明能够开展全冻土、全融土、温度梯度、冻融循环、冻融交界面等问题的循环单剪试验。

Description

一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及冻土试验技术领域，特别是一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法。

背景技术

冻土，是一种由固体土颗粒、冰、液态水和气体组成的非均质、各向异性的四相复合体。通常来说，把温度处于0℃及以下并含有冰的各种土体和岩石均称为冻土。由于冻土中未冻水和冰受环境温度影响显著，进而表现出强烈的温度敏感性以及流变性，所以，在进行冻土的室内室外试验中，控温精度则是导致试验成败、影响试验结果可信度的一个关键因素。

对于冻土试验，其耗时较一般的常规试验要长，在这之中不可避免的要经历外界环境温度的较大变化。现有控温方式，由于外界环境温度的不可控性，给控温精度的提高带来了极大的挑战。当外界环境温度变化时，恒温试验箱中冷浴的温度必须进行手动或者自动的调整以使得温度箱内的温度达到新的平衡，而这种新平衡建立所需的时间则依赖于仪器的精度，相应的也反映在仪器的造价之上。一般来讲，0.5℃和0.1℃精度的仪器单价差别在一倍以上。

另外，由于《土工试验规程》中规定，试验所选土料的最大粒径应不超过试样尺寸的1/5-1/10。然而，在实际的工程中可能面临较大粒径工况，例如土石坝工程中所用土石料最大粒径可达1m。因此，实验室中开展相关试验研究必须对试验材料进行缩尺，但是为减小缩尺效应对试验结果的影响，试验过程中则是将试样“尽量做大”。本发明中的大试样，均指直径在20cm以上的试样。对于大试样，为保证试样温度的均匀性，一方面要提高控温仪器的控温精度，另一方面，要尽可能减小外界环境温度变化对整个装置的影响。

因而，在不增加仪器成本的基础上，如何实现精准控温，成为“大试样”冻土试验中急需解决的一个技术难题。

另外，冻土的抗剪强度是指冻土体抵抗剪切破坏的极限能力，是冻土的重要力学性质之一。在寒区工程建设中，冻土的抗剪强度指标是分析、计算冻土区地基承载力、边坡稳定性、冻土与结构物接触面问题的一个重要参数。实验室获取岩土体的抗剪强度指标主要通过直接剪切试验、单剪试验和三轴压缩试验，而每种方法都有其优缺点。但从适用性上来说，直接剪切试验和单剪试验能更为准确的模拟边坡问题和土与结构物接触面问题的实际受力状态。

冻土直接剪切试验在冻土与混凝土接触面问题、冻土与桩基接触面问题、土石坝面板与砂砾石料垫层接触面问题以及冻土边坡失稳等问题的研究中得到了广泛的应用。但是，直接剪切试验由于人为限制了剪切面，并且存在试样应力变形分布不均匀、试样与剪切盒内壁之间的摩擦等问题而备受质疑，此外，实际工程中很多土体都是处于单剪状态。

因而，能在直剪仪的基础上研发一套单剪仪，该单剪仪能涉及温度对试验结果的影响，显得尤为迫切。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法，该多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法不但能够通过循环单剪试验较为适宜的模拟地震、交通等动荷载作用下冻土的应力-应变行为，还能通过常规单程单剪试验开展冻土与结构物接触面问题、冻土区自然斜坡(边坡)的失稳机制的研究。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种多功能冻土循环单剪试验装置，包括剪切盒系统、反力架系统、制冷温控系统、加载系统、滑移系统和数据监控系统。

剪切盒系统包括剪切盒本体、顶部加载板、固定销和限位挡板。剪切盒本体的中心具有圆柱形的试样容纳腔，用于容纳试样。顶部加载板放置在试样上方的试样容纳腔中。

剪切盒本体包括从上至下依次堆叠设置的上剪切盒、若干个剪切叠环和下剪切组件。上剪切盒与剪切叠环之间、相邻剪切叠环之间以及剪切叠环与下剪切组件之间均为水平滑动连接。

固定销垂向插设在剪切盒本体中，能限制上剪切盒、剪切叠环和下剪切组件间的水平滑动。

限位挡板设置在上剪切盒外侧，能用于限制上剪切盒的水平向平动。

顶部加载板和下剪切组件均开设有蚊香型的液体槽。每个剪切叠环均开设有环形的液体槽。

反力架系统包括反力架。反力架包括底板、顶板和连接底板和顶板的立柱。

制冷温控系统包括恒温循环浴槽和恒温试验箱。

恒温试验箱设置在反力架的底板上，剪切盒系统内置在恒温试验箱中，恒温循环浴槽设置在恒温试验箱外侧。剪切盒系统中的每个液体槽均通过液体输送管和控制阀与恒温循环浴槽相连通。

滑移系统用于将剪切盒本体从恒温试验箱内移入或移出。

加载系统包括安装在反力架上的水平加载组件和竖直加载组件。水平加载组件用于向下剪切组件施加水平加载力。竖直加载组件用于向位于试样容纳腔中的试样施加竖向加载力。

数据监控系统包括计算机、数据采集仪、分别与数据采集仪相连接的水平力传感器、竖直力传感器、水平位移传感器、竖直位移传感器和温度传感器。数据采集仪与计算机相连接。水平力传感器用于监测水平加载组件施加的水平加载力。竖直力传感器用于监测竖直加载组件施加的竖向加载力。水平位移传感器用于监测剪切盒本体的水平位移，竖直位移传感器用于监测冻土的竖向位移，温度传感器用于监测冻土试样的温度。

限位挡板包括竖板、顶侧板和底侧板。其中，底侧板垂直设置在竖板底部的大面积壁面上，顶侧板垂直设置在竖板顶部的小面积侧壁上。竖板位于剪切盒本体的正前方或正后方，从而不影响剪切盒本体的左右方向的水平运动。底侧板与底座相连接，顶侧板位于上剪切盒的左侧或右侧，且顶侧板与上剪切盒之间通过限位滚动轴承滑动连接。

下剪切组件为下剪切盒或上表面粗糙的钢板。当为下剪切盒时，下剪切盒的底板内开设有蚊香型的液体槽，下剪切盒的侧壁开设有环形的液体槽。当为上表面粗糙的钢板时，钢板内开设有蚊香型的液体槽。

恒温循环浴槽的数量为三个，分别为第一恒温循环浴槽、第二恒温循环浴槽和第三恒温循环浴槽。第一恒温循环浴槽通过液体输送管与顶部加载板中的蚊香型的液体槽相连通。第二恒温循环浴槽通过液体输送管和控制阀与每个剪切叠环中的环形的液体槽相连通。第三恒温循环浴槽通过液体输送管和控制阀与下剪切组件中的液体槽相连通。

液体槽直径D的计算公式为：

式中：c—比热；P_总功率—降温介质的总功率；△T—温度变化量；ρ_液—降温介质的密度；v—降温介质在流道中的流速；η—机械损失效率，一般取η＝20～30％。

液体槽直径D位于的选择范围为5-10mm。

一种多功能冻土循环单剪试验方法，包括如下步骤。

步骤1，多功能冻土循环单剪试验装置组装：将多功能冻土循环单剪试验装置进行组装。并采用固定销限制上剪切盒、剪切叠环和下剪切组件间的水平滑动。

步骤2，试样制备：将试验土料采用分层压实法装填在剪切盒本体中心的圆柱形的冻土容纳腔中，并加盖顶部加载板。土样中心沿高度方向均匀埋设若干个温度传感器。

步骤3，试样冻结：将三台恒温循环浴槽的温度设置为低于试验目标温度1-3℃，恒温试验箱温度设置为高于试验目标温度2-3℃。当步骤2中的试样制备完成，且三台高低温恒温循环浴槽和恒温试验箱均达到设定温度后，打开三台恒温循环浴槽的控制阀，并适当调整三台恒温循环浴槽的温度。当温度传感器的实测温度稳定在试验目标温度后，继续养护24h以上，形成冻土试样。

步骤4，冻土试样循环单剪试验，包括如下步骤：

步骤41，加载系统准备：取出固定销，竖直向刚性传力杆底端高度下降，并与顶部加载板恰好接触。水平向刚性传力杆与下剪切组件相连接。

步骤42，冻土试样固结：启动竖直向伺服加载电机，采用应力控制模式并根据试验所需的法向应力，对步骤3养护完成的冻土试样施加固结压力。竖直位移传感器实时监测冻土试样的竖向位移，当竖直位移传感器示数不发生变化时，则固结结束。此时，记录下固结时间以及冻土试样固结过程中的最大竖向位移，并将竖直加载组件中的竖向位移计读数清零。

步骤43，循环单剪：当步骤43的固结完成之后，水平向伺服加载电机启动并采用应变控制模式，对剪切盒本体进行水平向加载，冻土试样将按照设定的水平向剪切速率、剪切位移和循环剪切次数进行循环单剪。此时，水平位移传感器将实时监测对应剪切叠环的水平位移，水平力传感器将实时监测对下剪切组件施加的水平加载力，温度传感器将实时监测冻土试样的温度。

步骤44，冻土试样观察：步骤43的循环单剪完成后，水平加载组件复位，并移除与各液体槽相连接的液体输送管。滑移系统将剪切盒系统从恒温试验箱中移出，对冻土容纳腔中的冻土试样进行拍照并记录其剪切破坏情况。接着，分层取出土样并测定其含水率。

步骤3中，通过对三台恒温循环浴槽中试验目标温度的控制，能够开展全冻土、全融土、温度梯度和冻融循环条件下的循环单剪试验。具体为：

a)三台恒温循环浴槽中的试验目标温度相同，均为设定的冻结温度，则能开展全冻土条件下的循环单剪试验。

b)三台恒温循环浴槽均关闭，不启用，则能开展全融土条件下的循环单剪试验。

c)三台恒温循环浴槽中的试验目标温度不同，且通过温度传感器的实时反馈设定为一定的温度梯度，则能开展温度梯度条件下的循环单剪试验。

d)三台恒温循环浴槽中的试验目标温度的设置方式为：循环周期T＝T1+T2，在T1时间内，三台恒温循环浴槽中的试验目标温度相同，均为设定的冻结温度。在T2时间内，三台恒温循环浴槽均关闭。重复N个循环周期T，则能开展冻融循环条件下的循环单剪试验。

步骤1中，多功能冻土循环单剪试验装置组装时，当下剪切组件为上表面粗糙的钢板，则能够开展冻土与结构物接触面问题的循环单剪试验研究。

步骤2中，试样制备整个过程在恒温试验箱外部进行，首先剪切盒本体通过滑移系统从恒温试验箱中移出，随后在剪切盒本体中进行试样的分层击实，最后将剪切盒本体推入恒温试验箱。

本发明具有如下有益效果：

1、剪切盒本体采用外方内圆的结构设计，可以减弱试验剪切过程中产生的应力集中现象。多层剪切叠环的使用可以较为准确地模拟单剪过程。限位滚动轴承的安装一方面可以阻止上剪切盒的水平向平动，另一方面也可以准确模拟剪切过程中试样的剪胀和剪缩现象。滑移系统不但可以前后推出剪切盒进行便利制样或卸料，而且可以阻止剪切过程中底座的左右移动。

2、顶部加载板和下剪切盒的底板内部均设置为“蚊香型”环形流道，使得试样各处温度更加均匀。

3、试验采用内、外联合控温方式，恒温试验箱使得整个剪切盒和试样始终处于恒定的环境温度，三台恒温循环浴槽分别对顶部加载板、剪切叠环和下剪切盒进行控温，提高了控温精度，增强了试验结果的准确性。

4、上剪切盒和剪切叠环、剪切叠环和下剪切盒、剪切叠环之间均放置了滚动轴排，滚动轴排表面均匀涂抹防冻润滑油，减小了剪切盒各接触部位的摩擦，提高了试验结果的可信度。

5、剪切盒本体尺寸较大，试样横截面剪应力可基本认为均匀分布，此时循环剪切试验过程所得的剪切模量和阻尼比不再受试样尺寸大小的影响。

6、把下剪切盒更换为可温控的具有一定粗糙度的接触面的钢板，可以进行冻土与结构物接触面问题的循环单剪试验研究。通过调节三台恒温循环浴槽温度和球阀开度，该装置可以开展全冻土、全融土、温度梯度、冻融循环、冻融交界面等问题的循环单剪试验研究。通过计算机控制循环剪切次数，该装置可以开展单程单剪试验研究。将限位孔里插入固定销，该装置亦可开展直剪试验研究。

附图说明

图1是采用本发明实施例提供的一种多功能冻土循环单剪试验装置的结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的剪切盒系统的整体结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的底座及导轨系统的整体结构示意图。

图4是根据本发明实施例提供的顶部加载板的水平向剖视图。

图5是根据本发明实施例提供的剪切叠环的水平向剖视图。

图6是根据本发明实施例提供的下剪切盒的纵向剖视图。

图7是根据本发明实施例提供的限位挡板的结构示意图。

图中有：

11、反力架；12、水平横梁；

21、水平向伺服加载电机；22、竖直向伺服加载电机；23、水平向刚性传力杆；24、竖直向刚性传力杆；25、刚性连接座；

26、顶部加载板；

261、顶部加载板流道；262、顶部加载板进液口；263、顶部加载板出液口；264、顶部加载板固定螺栓孔；

31、第一恒温循环浴槽；32、第二恒温循环浴槽；33、第三恒温循环浴槽；34、顶部加载板进出液波纹管；35、剪切叠环进出液波纹管；36、下剪切盒进出液波纹管；37、球阀开关；38、恒温试验箱；

41、上剪切盒；

42、剪切叠环；421、剪切叠环流道；422、剪切叠环进液口；423、剪切叠环出液口；424、剪切叠环固定螺栓孔；

43、下剪切盒；431、下剪切盒侧壁流道；432、下剪切盒底座流道；

44、滚动轴排；45、限位挡板；451、竖板；452.顶侧板；453.底侧板；

46、限位滚动轴承；47、限位孔；

51、滚轮；52、底座；53、直线导轨；54、滑座；

61、计算机；62、数据采集仪；63、水平力传感器；64、竖直力传感器；65、水平位移传感器；66、竖直位移传感器；67、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种多功能冻土循环单剪试验装置，包括剪切盒系统、反力架系统、制冷温控系统、加载系统、滑移系统和数据监控系统。

反力架系统包括反力架11和水平横梁12。

反力架包括底板、顶板和连接底板和顶板的立柱。其中，底板优选为一块厚度为10cm的不锈钢钢板，水平横梁12优选安装在立柱中部。

制冷温控系统包括恒温循环浴槽和恒温试验箱38。

恒温试验箱设置在反力架的底板上，本发明中的恒温试验箱采用现有技术中的常规温度精度即可，如0.5℃或1°均可，故而恒温设备的投入成本低。

恒温循环浴槽设置在恒温试验箱外侧，恒温循环浴槽优选为三个，分别为第一恒温循环浴槽31、第二恒温循环浴槽32和第三恒温循环浴槽33。作为替换，也可以为一个、两个或多个。恒温循环浴槽的控温范围优选为-30～+50℃，控温精度优选为±0.1℃。

进一步，恒温循环浴槽中液体优选酒精。

本发明将剪切盒系统内置在恒温试验箱中，优选通过内、外联合控温的方式，在外部，恒温试验箱形成罩设在剪切盒系统外侧的温控室，将温度控制在一个波动幅度较小的区间。在内部，恒温循环浴槽通过设置在剪切盒系统中液体循环流动，进行精确控温。一个“恒定”的外部温度环境将减小内部控温难度和温度平衡所需时间、提高控温精度，此外，采用此种方式也可以降低对控温仪器的性能要求、减少仪器成本。

如图3所示，上述滑移系统用于将剪切盒本体从恒温试验箱内移入或移出，优选包括滑轨、滚轮51、底座52和滑座54。

上述滑轨优选安装在恒温试验箱和反力架的底板上，滑轨优选为两根相互平行的直线导轨53，直线导轨安装方向与试验水平剪切方向垂直。

每个直线导轨上各滑动连接一个滑座54，底座安装在滑座顶部，并随滑座一起沿滑轨滑动。底座上部对称安装两排滚轮，滚轮安装方向与试验水平剪切方向一致。

加载系统包括均安装在反力架上的水平加载组件和竖直加载组件。

水平加载组件用于向下剪切组件施加水平加载力。水平加载组件包括水平向伺服加载电机21和水平向刚性传力杆23；水平向刚性传力杆23的一端与水平向伺服加载电机21连接，另一端先伸入恒温试验箱，并通过刚性连接座25与下剪切组件相连接。水平向伺服加载电机21优选安装在反力架的立柱上，水平向伺服加载电机能通过正转、反转实现水平向刚性传力杆的前进和后退，且能实现无极变速。

进一步，刚性连接座25优选固定于下剪切组件的侧面中心位置。

竖直加载组件用于向位于冻土容纳腔中的冻土施加的竖向加载力。竖直加载组件包括竖直向伺服加载电机22和竖直向刚性传力杆24；竖直向伺服加载电机优选安装反力架的顶板上，竖直向刚性传力杆的顶端与竖直向伺服加载电机相连接，另一端伸入恒温试验箱内，并能与顶部加载板相接触。竖直向伺服加载电机22能通过正转、反转实现竖直向刚性传力杆的前进和后退，且能实现无极变速。

数据监控系统包括计算机61、数据采集仪62、分别与数据采集仪相连接的水平力传感器63、竖直力传感器64、水平位移传感器65、竖直位移传感器66和温度传感器67。数据采集仪与计算机相连接，计算机可以实时显示和记录各测量值。

水平力传感器，用于监测水平加载组件施加的水平加载力，优选安装在水平向刚性传力杆中部。

竖直力传感器，用于监测竖直加载组件施加的竖向加载力，优选安装在竖直向刚性传力杆中部。

水平位移传感器，用于监测剪切盒本体的水平位移，优选为四个，沿高度方向等距布置在剪切叠环上。

竖直位移传感器用于监测冻土的竖向位移，优选为四个，沿周向可拆卸式均匀布设在顶部加载板上。

温度传感器，用于监测冻土试样的温度，优选为三个，沿高度方向均匀插设在冻土试样的中心部位。

剪切盒系统剪切盒系统包括剪切盒本体、顶部加载板、固定销和限位挡板45。

如图2所示，剪切盒本体为外方内圆结构，其中心具有圆柱形的试样容纳腔，用于容纳试样，顶部加载板26放置在试样上方的试样容纳腔中。

如图4所示，顶部加载板26主要由两块规格相同的圆饼状金属板通过六个顶部加载板螺栓孔264和六个螺栓上下连接而成，两块圆饼状金属板之间放置一个橡胶垫片。

位于上部的圆饼状金属板优选为不锈钢材质，位于下部的圆饼状金属板优选为高强度硬黄铜材质，并且两块圆饼状金属板相向的一侧均开设顶部加载板流道261，顶部加载板流道261为“蚊香型”的液体槽。

此外，优选在位于上部的圆饼状金属板上对称开设顶部加载板进液口262和顶部加载板出液口263。

顶部加载板流道261优选通过顶部加载板进出液波纹管34与顶部加载板进液口262和顶部加载板出液口263相连接。进一步，顶部加载板进出液波纹管34为液体输送管的一种，顶部加载板进出液波纹管34上优选安装有控制阀，如球阀开关。顶部加载板进出液波纹管表面优选包裹一层橡塑保温管。

如图2所示，剪切盒本体包括从上至下依次对中堆叠设置的上剪切盒41、若干个剪切叠环42和下剪切盒43。

上剪切盒通过限位挡板45和限位滚动轴承46可限制其水平位置，但竖直方向可以自由地上下移动，进而更加准确地的模拟剪切过程中的剪胀、剪缩现象。

限位挡板的结构，如图7所示，包括竖板451、顶侧板452和底侧板453。其中，底侧板垂直设置在竖板底部的大面积壁面上，顶侧板垂直设置在竖板顶部的小面积侧壁上。

竖板优选位于图1中剪切盒本体的正前方或正后方，从而不影响剪切盒本体的左右方向的水平运动。

底侧板优选通过螺栓等与底座相连接，使得限位挡板的位置固定。

顶侧板位于上剪切盒的左侧或右侧，且顶侧板与上剪切盒之间通过限位滚动轴承46滑动连接。故而，限位挡板中的顶侧板和限位滚动轴承能够限制上剪切盒的水平位置，但因为限位滚动轴承46的存在，限位挡板并不限制上剪切盒41的竖直方向运动，进而精确模拟剪胀、剪缩现象。

上剪切盒与剪切叠环之间、相邻剪切叠环之间以及剪切叠环与下剪切盒之间均优选对称开设两组滑动槽，每组滑动槽内分别放入一组滚动轴排44，滚动轴排44上均匀涂抹一层防冻润滑油，从而形成无滑动阻力的水平滑动连接。

上剪切盒、每个剪切叠环以及下剪切盒四周的对应位置均优选各设置一个限位孔47。当装样或卸料时，将四根固定销依次垂直插设四周对应的限位孔中，使上剪切盒、剪切叠环和下剪切盒形成一个整体，从而限制上剪切盒、剪切叠环和下剪切盒间的水平滑动。当需单剪试验时，将四根固定销依次从限位孔中抽出，使上剪切盒、剪切叠环和下剪切盒间恢复水平滑动。

如图5所示，剪切叠环42主要由两块规格相同的不锈钢钢板通过八个剪切叠环固定螺栓孔424和八个螺栓上下连接而成。

两块不锈钢钢板相向的一侧均开设一个剪切叠环流道421，剪切叠环流道421为纵截面呈半圆形且横截面呈环形的液体槽。两块不锈钢钢板和一层橡胶垫片通过八个螺栓连接成一个具有完整的圆形截面流道的剪切叠环42，剪切叠环42侧面紧挨着对称布置剪切叠环进液口422和剪切叠环出液口423。

每个剪切叠环中的环形的液体槽均通过液体输送管和控制阀与第二恒温循环浴槽相连通。此处的液体输送管优选为剪切叠环进出液波纹管35，控制阀优选为球阀开关，但可以为电磁阀等。剪切叠环进出液波纹管外周优选包裹一层橡塑保温管。

下剪切盒底部位于两排滚轮上，图6所示，下剪切盒43的侧壁和底部均设置有液体槽，位于侧壁上的液体槽称为下剪切盒侧壁流道431，位于底部上的液体槽称为下剪切盒底座流道432。其中，侧壁上的液体槽形式与剪切叠环42上的剪切叠环流道421相同，底部上的液体槽形式与顶部加载板26上的顶部加载板流道261相同。

下剪切盒中的液体槽优选通过液体输送管和控制阀与第三恒温循环浴槽相连通，此处的液体输送管优选为下剪切盒进出液波纹管36，控制阀优选为球阀开关，但可以为电磁阀等。下剪切盒进出液波纹管外周优选包裹一层橡塑保温管。

作为替换，上述下剪切盒能够更换为可温控的具有一定粗糙度的接触面钢板，可以进行冻土与结构物接触面问题的循环单剪试验研究。

进一步，为对上剪切盒、每个剪切叠环以及下剪切组件中液体槽内的液体介质精准控温，对液体槽的直径D，需严格设置。

首先给出恒温冷(热)源制冷(加热)功率的计算公式：

P_总功率＝P_有效功率+P_损失功率 (1)

其中：

P_损失功率＝ηP_总功率 (3)

将公式(2)和公式(3)，代入公式(1)中，得到液体槽直径D的计算公式为：

式中：c—比热(水的比热为4.2；酒精的比热为2.5；硅油的比热为1.8)；

m—降温介质的质量；

△T—温度变化量；

ρ_液—降温介质的密度；

v—降温介质在流道中的流速；

D—液体槽直径；

η—机械损失效率，一般取值为20～30％。

上式给出了冷源功率与管道直径和降温幅度的计算公式，可以看出，在冷源功率一定的情况下，流道的合理设计对降温幅度影响显著。考虑到冷源的经济性，我们将尽可能通过合理的流道设计以及采取合理的流道保护措施减小损失功率，以尽可能降低冷源的最大功率。对于常规的恒温冷源，建议液体槽直径不低于5mm、不超过10mm，因为过小的直径将减慢降温速度，而过大的直径则要求较高的冷源压力、提高冷源造价。同时考虑到热传导的均匀性，对于“蚊香型”液体槽中相邻液体槽的间距不宜过大，一般选择与流道管径相同为宜。

一种多功能冻土循环单剪试验方法，包括如下步骤。

步骤1，多功能冻土循环单剪试验装置组装：将多功能冻土循环单剪试验装置进行组装。并采用固定销限制上剪切盒、剪切叠环和下剪切组件间的水平滑动。

具体组装方法为：将下剪切盒43放置在底座52的滚轮51上，剪切叠环42、上剪切盒41和滚动轴排44上下依次对中放置，在限位孔47里插入固定销；随后把限位挡板45固定于底座52上，限位滚动轴承46则确保上剪切盒41只能发生竖向移动，而不能发生水平平动。剪切叠环沿高度方向均布若干个水平位移传感器。

另外，在剪切盒本体内壁和顶部加载板下表面均匀涂抹一层导热硅脂。

将上述下剪切盒更换为上表面粗糙的钢板，能够开展冻土与结构物接触面问题的循环单剪试验研究。

步骤2，试样制备：根据试验要求配置一定含水率的黏土土料并闷料24h以上，采用分层压实法将装入剪切盒的黏土土料压实到一定的干密度，土样中沿高度方向中均匀布置若干温度传感器67，随后把顶部加载板26放入上剪切盒41。然后，采用滑移系统，将剪切盒本体移入恒温试验箱，并在顶部加载板上沿周向均布若干个竖向位移传感器。

步骤3，试样冻结：将三台恒温循环浴槽的温度设置为低于试验目标温度1-3℃，恒温试验箱温度设置为高于试验目标温度2-3℃。

当步骤2中的试样制备完成，连接好顶部加载板进出液波纹管34、剪切叠环进出液波纹管35和下剪切盒进出液波纹管36。当三台高低温恒温循环浴槽和恒温试验箱均达到设定温度后，打开三台恒温循环浴槽的控制阀，并适当调整三台恒温循环浴槽的温度。当温度传感器的实测温度稳定在试验目标温度后，继续养护24h以上，形成冻土试样。

本发明通过对三台恒温循环浴槽中试验目标温度的控制，能够开展全冻土、全融土、温度梯度和冻融循环条件下的循环单剪试验。具体为：

a)三台恒温循环浴槽中的试验目标温度相同，均为设定的冻结温度，则能开展全冻土条件下的循环单剪试验。

b)三台恒温循环浴槽均关闭，不启用，则能开展全融土条件下的循环单剪试验。

c)三台恒温循环浴槽中的试验目标温度不同，且为设定的温度梯度，则能开展温度梯度条件下的循环单剪试验。对于冻融交界面问题，该问题是温度梯度问题的一种特例，核心的是通过温度传感器确定冻融交界面，此时试样中温度传感器应该适当加密布置，温度传感器示数为零度的位置则认为是冻融交界面。

d)三台恒温循环浴槽中的试验目标温度的设置方式为：循环周期T＝T1+T2，在T1时间内，三台恒温循环浴槽中的试验目标温度相同，均为设定的冻结温度。在T2时间内，三台恒温循环浴槽均关闭。重复N个循环周期T，则能开展冻融循环条件下的循环单剪试验。

步骤4，冻土试样循环单剪试验，包括如下步骤：

步骤41，加载系统准备：取出固定销，竖直向刚性传力杆底端高度下降，并与顶部加载板恰好接触。水平向刚性传力杆与下剪切组件相连接。

具体操作优选为：取出限位孔47中的固定销，通过计算机61控制调整竖直向刚性传力杆24的位置，使之与顶部加载板26恰好接触，同样调整水平向刚性连接杆23的位置，使得刚性连接座25与下剪切盒43紧密连接，此外，分别把水平向位移传感器65和竖直向位移传感器66固定在恰当位置，随后将位移计置于中间量程位置并将位移显示值清零。

步骤42，冻土试样固结：启动竖直向伺服加载电机，采用应力控制模式并根据试验所需的法向应力，对步骤3养护完成的冻土试样施加固结压力。竖直位移传感器实时监测冻土试样的竖向位移，当竖直位移传感器示数不发生变化时，则固结结束。此时，记录下固结时间以及冻土试样固结过程中的最大竖向位移，并将竖直加载组件中的竖向位移计读数清零。

步骤43，循环单剪：当步骤43的固结完成之后，水平向伺服加载电机启动并采用应变控制模式，对剪切盒本体进行水平向加载，冻土试样将按照设定的水平向剪切速率、剪切位移和循环剪切次数进行循环单剪。此时，水平位移传感器将实时监测对应剪切叠环的水平位移，水平力传感器将实时监测对下剪切组件施加的水平加载力，温度传感器将实时监测冻土试样的温度。

计算机61实时记录数据监控系统传送的水平向剪切位移和应力、竖直向位移和应力以及试样内各部位的温度，并自动建立且能实时查看剪切过程中的水平向和竖直向位移-时间、应力-时间、应力-位移曲线。上述应力即为剪切应力，剪切应力＝水平加载力/试样横截面积。

步骤44，冻土试样观察：步骤43的循环单剪完成后，水平加载组件复位，并移除与各液体槽相连接的液体输送管。滑移系统将剪切盒系统从恒温试验箱中移出，对冻土容纳腔中的冻土试样进行拍照并记录其剪切破坏情况。接着，分层取出土样并测定其含水率。

不但能够通过循环单剪试验较为适宜的模拟地震、交通等动荷载作用下冻土的应力-应变行为，还能通过常规单程单剪试验开展冻土与结构物接触面问题、冻土区自然斜坡(边坡)问题的试验研究。

本发明采用循环单剪试验，能更加接近实际的模拟地震场地、交通荷载等土体动力特性。另外，本发明能针对20cm以上的大试样，进行循环单剪试验，从而能够适用于较大应变范围的土体动力特性研究，也即能够模拟的地震及交通荷载大，而且循环单剪试验可以直接得到土体的动剪切模量，而无需像动力三轴试验一样由土体动弹性模量和泊松比经过换算推导得到，试验结果的可靠性更高。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多功能冻土循环单剪试验装置，其特征在于：包括剪切盒系统、反力架系统、制冷温控系统、加载系统、滑移系统和数据监控系统；

剪切盒系统包括剪切盒本体、顶部加载板、固定销和限位挡板；剪切盒本体的中心具有圆柱形的试样容纳腔，用于容纳试样；顶部加载板放置在试样上方的试样容纳腔中；

剪切盒本体包括从上至下依次堆叠设置的上剪切盒、若干个剪切叠环和下剪切组件；上剪切盒与剪切叠环之间、相邻剪切叠环之间以及剪切叠环与下剪切组件之间均为水平滑动连接；

固定销垂向插设在剪切盒本体中，能限制上剪切盒、剪切叠环和下剪切组件间的水平滑动；

限位挡板设置在上剪切盒外侧，能用于限制上剪切盒的水平向平动；

顶部加载板和下剪切组件均开设有蚊香型的液体槽；每个剪切叠环均开设有环形的液体槽；

反力架系统包括反力架；反力架包括底板、顶板和连接底板和顶板的立柱；

制冷温控系统包括恒温循环浴槽和恒温试验箱；

恒温试验箱设置在反力架的底板上，剪切盒系统内置在恒温试验箱中，恒温循环浴槽设置在恒温试验箱外侧；剪切盒系统中的每个液体槽均通过液体输送管和控制阀与恒温循环浴槽相连通；

滑移系统用于将剪切盒本体从恒温试验箱内移入或移出；

加载系统包括安装在反力架上的水平加载组件和竖直加载组件；水平加载组件用于向下剪切组件施加水平加载力；竖直加载组件用于向位于试样容纳腔中的试样施加竖向加载力；

数据监控系统包括计算机、数据采集仪、分别与数据采集仪相连接的水平力传感器、竖直力传感器、水平位移传感器、竖直位移传感器和温度传感器；数据采集仪与计算机相连接；水平力传感器用于监测水平加载组件施加的水平加载力；竖直力传感器用于监测竖直加载组件施加的竖向加载力；水平位移传感器用于监测剪切盒本体的水平位移，竖直位移传感器用于监测冻土的竖向位移，温度传感器用于监测冻土试样的温度；

恒温循环浴槽的数量为三个，分别为第一恒温循环浴槽、第二恒温循环浴槽和第三恒温循环浴槽；第一恒温循环浴槽通过液体输送管与顶部加载板中的蚊香型的液体槽相连通；第二恒温循环浴槽通过液体输送管和控制阀与每个剪切叠环中的环形的液体槽相连通；第三恒温循环浴槽通过液体输送管和控制阀与下剪切组件中的液体槽相连通；

液体槽直径D的计算公式为：

式中：c—比热；P_总功率—降温介质的总功率；△T—温度变化量；ρ_液—降温介质的密度；v—降温介质在流道中的流速；η—机械损失效率，取η＝20～30％。

2.根据权利要求1所述的多功能冻土循环单剪试验装置，其特征在于：限位挡板包括竖板、顶侧板和底侧板；其中，底侧板垂直设置在竖板底部的大面积壁面上，顶侧板垂直设置在竖板顶部的小面积侧壁上；竖板位于剪切盒本体的正前方或正后方，从而不影响剪切盒本体的左右方向的水平运动；底侧板与底座相连接，顶侧板位于上剪切盒的左侧或右侧，且顶侧板与上剪切盒之间通过限位滚动轴承滑动连接。

3.根据权利要求1所述的多功能冻土循环单剪试验装置，其特征在于：下剪切组件为下剪切盒或上表面粗糙的钢板；当为下剪切盒时，下剪切盒的底板内开设有蚊香型的液体槽，下剪切盒的侧壁开设有环形的液体槽；当为上表面粗糙的钢板时，钢板内开设有蚊香型的液体槽。

4.根据权利要求1所述的多功能冻土循环单剪试验装置，其特征在于：液体槽直径D的选择范围为5-10mm。

5.一种多功能冻土循环单剪试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，多功能冻土循环单剪试验装置组装：将权利要求1-4任一项所述的多功能冻土循环单剪试验装置进行组装；并采用固定销限制上剪切盒、剪切叠环和下剪切组件间的水平滑动；

步骤2，试样制备：将试验土料采用分层压实法装填在剪切盒本体中心的圆柱形的试样容纳腔中，并加盖顶部加载板；土样中心沿高度方向均匀埋设若干个温度传感器；

步骤3，试样冻结：将三台恒温循环浴槽的温度设置为低于试验目标温度1-3℃，恒温试验箱温度设置为高于试验目标温度2-3℃；当步骤2中的试样制备完成，且三台高低温恒温循环浴槽和恒温试验箱均达到设定温度后，打开三台恒温循环浴槽的控制阀，并适当调整三台恒温循环浴槽的温度；当温度传感器的实测温度稳定在试验目标温度后，继续养护24h以上，形成冻土试样；

步骤4，冻土试样循环单剪试验，包括如下步骤：

步骤41，加载系统准备：取出固定销，竖直向刚性传力杆底端高度下降，并与顶部加载板恰好接触；水平向刚性传力杆与下剪切组件相连接；

步骤42，冻土试样固结：启动竖直向伺服加载电机，采用应力控制模式并根据试验所需的法向应力，对步骤3养护完成的冻土试样施加固结压力；竖直位移传感器实时监测冻土试样的竖向位移，当竖直位移传感器示数不发生变化时，则固结结束；此时，记录下固结时间以及冻土试样固结过程中的最大竖向位移，并将竖直加载组件中的竖向位移计读数清零；

步骤43，循环单剪：当步骤43的固结完成之后，水平向伺服加载电机启动并采用应变控制模式，对剪切盒本体进行水平向加载，冻土试样将按照设定的水平向剪切速率、剪切位移和循环剪切次数进行循环单剪；此时，水平位移传感器将实时监测对应剪切叠环的水平位移，水平力传感器将实时监测对下剪切组件施加的水平加载力，温度传感器将实时监测冻土试样的温度；

步骤44，冻土试样观察：步骤43的循环单剪完成后，水平加载组件复位，并移除与各液体槽相连接的液体输送管；滑移系统将剪切盒系统从恒温试验箱中移出，对冻土容纳腔中的冻土试样进行拍照并记录其剪切破坏情况；接着，分层取出土样并测定其含水率。

6.根据权利要求5所述的多功能冻土循环单剪试验方法，其特征在于：步骤3中，通过对三台恒温循环浴槽中试验目标温度的控制，能够开展全冻土、全融土、温度梯度和冻融循环条件下的循环单剪试验；具体为：

a)三台恒温循环浴槽中的试验目标温度相同，均为设定的冻结温度，则能开展全冻土条件下的循环单剪试验；

b)三台恒温循环浴槽均关闭，不启用，则能开展全融土条件下的循环单剪试验；

c)三台恒温循环浴槽中的试验目标温度不同，且通过温度传感器的实时反馈设定为一定的温度梯度，则能开展温度梯度条件下的循环单剪试验；

d)三台恒温循环浴槽中的试验目标温度的设置方式为：循环周期T＝T1+T2，在T1时间内，三台恒温循环浴槽中的试验目标温度相同，均为设定的冻结温度；在T2时间内，三台恒温循环浴槽均关闭；重复N个循环周期T，则能开展冻融循环条件下的循环单剪试验。

7.根据权利要求5所述的多功能冻土循环单剪试验方法，其特征在于：步骤1中，多功能冻土循环单剪试验装置组装时，当下剪切组件为上表面粗糙的钢板，则能够开展冻土与结构物接触面问题的循环单剪试验研究。

8.根据权利要求5所述的多功能冻土循环单剪试验方法，其特征在于：步骤2中，试样制备整个过程在恒温试验箱外部进行，首先剪切盒本体通过滑移系统从恒温试验箱中移出，随后在剪切盒本体中进行试样的分层击实，最后将剪切盒本体推入恒温试验箱。

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