CN111829847A - 一种常温条件下制备高含冰量冻土试样的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种常温条件下制备高含冰量冻土试样的方法，属于冻土试样制备技术领域，包括如下步骤：(1)用量计算、(2)原料准备、(3)分层击实处理、(4)饱和及冻结试样、(5)检验试样。本发明工艺简明易操作，对试验场所要求不高，常温实验室即可，成本低廉，试件质量稳定可控，试验结果精确。可根据试验要求灵活调整试样配合比及尺寸，为广泛开展高含冰量冻土力学试验提供可靠的试样保证。
Description
技术领域
本发明属于冻土试样制备技术领域，具体涉及一种常温条件 下制备高含冰量冻土试样的方法。
背景技术
随着西部大开发的深入开展，在寒区修建公路、铁路及管道运输等 工程日益增加，如青藏铁路全长1925km,穿越多年冻土区长度为632km， 其中有221km为高含冰量冻土区。地基冻土随温度条件的变化力学性能 变得极不稳定，导致铁路路基产生沉降和冻胀，而这些工程地质问题将 严重影响青藏铁路的安全运营。为解决这些技术难题人们对冻土的力学 与变形特性进行了大量研究，但多数研究都集中于低含冰量冻土，对于 高含冰量冻土的相关研究却讨论很少，为了寒区经济更好的发展与已建 工程的运营维护，都需要我们重视加强对高含冰量冻土的研究，而开发 一种操作简便成本低廉的试样制备方法，则能很大程度上促进更多研究 人员对高含冰量冻土进行研究。
制备符合要求的高含冰量冻土试样是长期的技术难题，传统 制备方法在常温下适用(分层击实法，固结法，压样机整体压实 法)，但不适于高含冰量冻土的制备。查阅文献可知目前对于高 含冰量冻土试样的制备主要在负温实验室中进行，将干土、冰粉 末和液态水均匀混合制备。曾有专利(CN 102230856 A)公开了 一种较为成熟的制样方法，在负温实验室下利用机械式油压千斤 顶采用两端压实法压至要求高度，但对制样所需的设备要求较高、 成本较大(部分器材需机加工单独定制)，并且未进行饱和过程， 不利于高含冰量冻土试验的广泛开展。从而，提供一种借助市场 易购得的低成本设备，能够在常温实验室中制备高含冰量冻土的 方法，对广泛开展高含冰量冻土的研究具极大的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种常温条件下制备高含冰量冻土试 样的方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：
一种常温条件下制备高含冰量冻土试样的方法，包括如下步 骤：
(1)用量计算：
计算试样所需干土、冰粉末和液态水对应的质量：根据实测 试样比重和给定的含水率，在试样尺寸确定的条件下，计算出三 层击实层对应试样所需的干土、冰粉末和0.0℃液态水对应的质 量；
(2)原料准备：
干土、冰粉末和液态水原料准备：将每层试样所需干土称量 出，并分别单独密封装盆置于冰柜中备用；用榨汁机将冰格中冻 结24h以上的冰块破碎，然后使用方孔筛筛出所需粒径的冰粉末 并密封装盆冷冻备用；将液态水降温至0.0℃备用；
(3)分层击实处理：
干土、冰粉末和液态水均匀混合并分层击实：依照步骤(1) 计算结果，操作人员手持不锈钢盆伸入冰柜人工混合干土与冰粉 末，混合均匀后将其降温至-10.0℃；随后倒入0.0℃液态水迅速 搅拌均匀，此时用红外测温枪实时监控混合物表面温度，确保表 面处于-2.0℃～-0.5℃；接着在不高于20.0℃的环境下迅速击实本 层土样，将模具表面温度不高于-0.2℃的击实土样随模具置于冰 柜中；重复步骤(2)和步骤(3)，直至单个试样按照规范分层 击实完毕，并在三瓣模下部用环氧树脂板封闭、上部用透水板封 闭，最后置入不高于-20℃冰柜快速冻结不低于10h；
(4)饱和及冻结试样：
在常温条件下，将步骤(3)内含试样的三瓣模置于饱和缸 内抽真空5min，待其达到不大于-0.09Mpa后关闭阀门闭气，把整 个饱和缸放置于冰柜中使试样保持不大于-20.0℃的低温真空状 态2h；随后取出饱和缸，保持真空泵抽气状态的同时将0.0℃液 态水缓缓注入缸内淹没试样，再次将饱和缸放入冰柜，并保持缸 内水温在-0.1℃～-0.0℃，静置10h后取出试样放入不大于-20.0℃ 的冰柜中快速冻结24h；
(5)检验试样：
对步骤(4)同批次所得试样拆模后的尺寸及总质量进行测 量，随机选取试样烘干测量其含水率，其余试样装入密封的标配 防油胶套内，再放入后续试验所需温度的恒温箱中，完成试样的 制备。
进一步的，步骤(2)中所述的干土在冰柜中冷冻至土温不 大于-15.0℃。
进一步的，步骤(2)中所述的榨汁机的功率不小于200W。
进一步的，步骤(2)中所述的冰格中单格尺寸为 2.0～2.2cm3。
进一步的，步骤(2)中所述的冰块破碎后还将其置于不大 于-20.0℃的冰柜中冻结20min；所述的方孔筛过筛时的环境温度 也控制不大于-20.0℃。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明工艺简明易操作，对试验场所要求不高，常温实验室 即可，成本低廉，试件质量稳定可控，试验结果精确。可根据试 验要求灵活调整试样配合比及尺寸，为广泛开展高含冰量冻土力 学试验提供可靠的试样保证。
附图说明
图1为本发明实施例各试样对应抗压强度试验数据图。
具体实施方式
为了更好阐述本发明制备流程，将采用以下实施例进行说明。
参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)采用比重瓶 法实测土样比重，并计算出试样配比。此土样用比重法瓶实测比 重为2.52，准备好低温干土和冰粉末等材料。为防止人员冻伤且 避免体温过多传导给所制试样，本方法全过程均需戴手套操作。
制备3个圆柱形青藏铁路北麓河试验段砂土试样，其参数为 高125.0mm、直径61.8mm、干密度1.26g/cm3、含水量40％。
制备试样准备工作：
将液态水灌入冰格，置于冰柜中冻结24h以上获得适量冰块。 计算出制备试样单一击实层所需要的干土、冰粉末和液态水的质 量。开启实验室空调使室温降至20℃以内，称量每层试样所需 干土并分别单独密封装盆置于冰柜中冷冻至土温≤-15.0℃备用。 向冰柜中放入不锈钢勺、三瓣模具、击实器等工具进行降温至≤ -15.0℃，液态水降温至0.0℃备用。
40％含冰砂土试样制备流程：
(1)冰块破碎及筛分冰粉末：采用榨汁机将冰块破碎，由 于破碎过程所产生的机械能必然使碎冰大幅升温产生粘接现象， 通过试验发现将碎冰粉末在≤-20.0℃冰柜中短暂冷冻即可消除。 待所有冰块粉碎完毕后，在开启仓门的冰柜中且室内温度不超过 20.0℃的条件下，使用方孔筛人工筛出≤2.0mm粒径的冰粉末,密 封装盆冷冻至≤-20.0℃备用。
(2)计算及称量制备试样所需的干土、冰粉末和水的质量： 根据给定试样级配表(见表1)、干密度1.26g/cm3、含水量40％、 试样尺寸(高125.0mm，直径61.8mm)，计算出制备一个试样所 需干土质量为470.80g，总水量为188.32g。通过长期试验总结经 验公式，制样过程中加入0.0℃液态水m液态水＝m土×10％＝470.80g× 10％＝47.08g，冰粉末m冰＝m土×[(ω-10％)×80％]＝470.80× [(40％-10％)×80％]＝112.99g，剩余部分含水量通过真空饱和手 段完成。将压制每个试样所需的各成分均分3份称量保存，以备 后续分层击实。
(3)土、冰混合：在开启仓门的冰柜中且室内温度不超过 20.0℃的条件下，试验者在≤-15.0℃的一个击实层份量干土中， 倒入步骤(2)所备≤-20.0℃本击实层的冰粉末，继而使用冷却 后的不锈钢勺迅速搅拌均匀(1min内)；同时，助手使用红外测 温枪，实时监控冰土混合物表面温度，通常混合完毕后约-5.0℃～ -2.0℃，若出现高于-2.0℃则关闭仓门等待(后续所有高于温度上 限的情况以同样方式处理)。土与冰粉末混合均匀后将其在冰柜 中降温至-10.0℃。
(4)加入液态水：试验者取步骤(2)所计算47.08÷3＝15.69g 的0.0℃液态水，在冰柜环境中将其加入步骤(3)所述混合物， 使用冷却后的不锈钢勺快速搅拌均匀，助手使用红外温度枪监控 混合物表面温度，控制混合完成后的土表温度处于-2.0℃～-0.5℃。
(5)压制试样：在步骤(4)即将完成时，助手从冰柜中取 出低温三瓣模、击实器等，试验者在冰柜外把步骤(4)所得混合物 快速击实至要求高度后(上下层结合面需刮毛处理)，放回冰柜 关闭仓门等待2min再进行后续操作。击实过程中助手需监测模 具表面温度，要求不高于-0.2℃。重复步骤(3)、(4)、(5)，直 至击实出1个完整试样，下部使用环氧树脂板、上部使用滤纸及 透水石封装，随锁紧的三瓣模一同置入≤-20℃的冰柜中速冻≥10h。
(6)饱和及冻结试样：将速冻后的试样随三瓣模一同取出， 在室温20℃以下的环境中放入饱和缸中并开启真空泵，确保5min 内达到至少-0.09Mpa(高海拔试验场所参考当地实际大气压适当 调整)，随后关闭阀门闭气断开真空泵，把负压饱和缸置于冰柜 中使试样保持≤-20.0℃低温真空状态3h。取出饱和缸再次连接真 空泵，保持抽气状态的同时将0.0℃液态水缓缓注入缸内直至完 全淹没试样，再次将含水缸体放入冰柜，通过温控插座控制冰柜 压缩机启停，保持饱和缸内水温在-0.5℃～-0.2℃。充分饱和10h 后取出试样将上部透水石更换为环氧树脂板，放入≤-20.0℃冰柜 快速冻结24h。
重复步骤(3)～(5)制作其余试样后，按照步骤(6)一 并进行多个试样同时饱和。
(7)确定试样部分参数：将步骤(6)所得3个试样脱模， 测得其平均总质量658.6g，平均直径61.9mm，平均高度 125.2mm。然后将试样装入密封防油胶套，放入-2.0℃恒温箱，完 成试样制备。
利用MTS-Landmark 370.10型冻土动静三轴测试系统，对实 例中3个砂土试样分别进行三轴抗压强度试验，剪切速率为 0.625mm/Min，试验温度为-2.0℃。试验结果如图1所示，试验后 测得1、2和3号试样总含水率分别为40.3％、40.4％和40.4％， 相应干密度分别为1.25g/cm3、1.25g/cm3和1.24g/cm3。实测3 个试样饱和度均达到规范要求的95％以上。设计总含水率为40％， 干密度为1.26g/cm3。1、2、3号试样总含水率和干密度与设计的 总含水率与干密度基本一致，说明1、2和3号试样重复性好。
下表1为试样对应的物理性质
表1
Claims (5)
1.一种常温条件下制备高含冰量冻土试样的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)用量计算：
计算试样所需干土、冰粉末和液态水对应的质量：根据实测试样比重和给定的含水率，在试样尺寸确定的条件下，计算出三层击实层对应试样所需的干土、冰粉末和0.0℃液态水对应的质量；
(2)原料准备：
干土、冰粉末和液态水原料准备：将每层试样所需干土称量出，并分别单独密封装盆置于冰柜中备用；用榨汁机将冰格中冻结24h以上的冰块破碎，然后使用方孔筛筛出所需粒径的冰粉末并密封装盆冷冻备用；将液态水降温至0.0℃备用；
(3)分层击实处理：
干土、冰粉末和液态水均匀混合并分层击实：依照步骤(1)计算结果，操作人员手持不锈钢盆伸入冰柜人工混合干土与冰粉末，混合均匀后将其降温至-10.0℃；随后倒入0.0℃液态水迅速搅拌均匀，此时用红外测温枪实时监控混合物表面温度，确保表面处于-2.0℃～-0.5℃；接着在不高于20.0℃的环境下迅速击实本层土样，将模具表面温度不高于-0.2℃的击实土样随模具置于冰柜中；重复步骤(2)和步骤(3)，直至单个试样按照规范分层击实完毕，并在三瓣模下部用环氧树脂板封闭、上部用透水板封闭，最后置入不高于-20℃冰柜快速冻结不低于10h；
(4)饱和及冻结试样：
在常温条件下，将步骤(3)内含试样的三瓣模置于饱和缸内抽真空5min，待其达到不大于-0.09Mpa后关闭阀门闭气，把整个饱和缸放置于冰柜中使试样保持不大于-20.0℃的低温真空状态3h；随后取出饱和缸，保持真空泵抽气状态的同时将0.0℃液态水缓缓注入缸内淹没试样，再次将饱和缸放入冰柜，并保持缸内水温在-0.5℃～-0.2℃，静置10h后取出试样放入不大于-20.0℃的冰柜中快速冻结24h；
(5)检验试样：
对步骤(4)同批次所得试样拆模后的尺寸及总质量进行测量，随机选取试样烘干测量其含水率，其余试样装入密封的标配防油胶套内，再放入后续试验所需温度的恒温箱中，完成试样的制备。
2.根据权利要求1所述的一种常温条件下制备高含冰量冻土试样的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的干土在冰柜中冷冻至土温不大于-15.0℃。
3.根据权利要求1所述的一种常温条件下制备高含冰量冻土试样的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的榨汁机的功率不小于200W。
4.根据权利要求1所述的一种常温条件下制备高含冰量冻土试样的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的冰格中单格尺寸为2.0～2.2cm3。
5.根据权利要求1所述的一种常温条件下制备高含冰量冻土试样的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的冰块破碎后还将其置于不高于-20.0℃的冰柜中冻结20min；所述的方孔筛过筛时的环境温度也控制不大于-20.0℃。
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