CN112268774A - 冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置及工艺，涉及土木工程技术领域，可拼装的哑铃形环刀制作哑铃形试样，得到的哑铃形试样埋进土体水汽迁移量测装置的土体内进行低温冻结；然后对哑铃形试样进行无压补水，模拟开敞系统条件下的补水冻结；随后保水、恒温处理得到考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样，最后在低温条件下进行试样盒的拼装，进行直剪及拉伸试验。利用本发明的试样盒能够完成直剪及拉伸试验，可有效减少实验室的成本支出。本发明操作简单、安装方便，能够较为真实模拟实际工程状况，极大程度上保证了试验结果的精确性。

Description

冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置及工艺
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种考虑开敞系统条件下水分迁移的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置及工艺。
背景技术
在西藏等多年冻土区所在省份进行实际施工过程中，工程所面临的其中一大难题就是冻土问题。对于施工工程而言，冻土属于不良地基性土，容易发生冻胀和融沉现象，一旦处理措施不当，就会对工程构筑物造成一定的破坏。目前，桩基础作为防治冻胀和融沉的一种措施而被经常采用。由于桩端土受基础的热扰动，易形成融沉变形，所以摩擦桩更符合冻土地区的实际工程需求与状况。桩基础和冻土间的冻结力是冻土地区工程摩擦桩浇筑需要考虑的重要力学参数，主要通过桩基的现场检测和室内直剪试验这两种方式来求得强度值。进行桩基现场检测是取得冻结力的有效手段，但由于它的成本较高、操作难度大等缺点，其在工程应用较少。当前我国针对影响构筑物基础冻害的关键作用部位的研究多指向冻土与基础的接触面，同时针对冻土与混凝土接触面冻结强度的研究也逐渐丰富。目前，针对冻土与混凝土接触面冻结强度的研究大多还是基于封闭系统环境条件下制备的试样进行试验的开展，但试验所用试样与实际工程中开敞系统条件下的真实接触物态存在较大差异。
冻土与常规土不同，冻土土体与结构物接触面上的力学特性较为复杂，其中冻土的抗拉和抗剪强度是冻土地区影响结构物基础冻拔与倾覆的主要因素，其也有待于进行进一步的试验研究。在常温下，土体拉伸试验研究土体本身的拉伸强度而非土与结构物接触面的拉伸强度。其中，拉伸试验装置在常温下就没有统一的精度控制要求，都是由其它实验装置改造而成，并且这些经过改造的试验装置，若是在低温环境中使用，常常会面临操作空间受限、造价高昂、精度难以控制等问题，极大地限制了试验的可操作范围，且许多常规的土工实验装置，在低温环境下并不适用。
通过参阅相关文献：一种混凝土与冻土接触面直剪试样的制作方法(温智等)，采用水泥砂浆制成直径61.8mm和高20mm的混凝土块，然后将2个直径为61.8mm和高20mm的环刀连接成一体，制成40mm的高样品仓，最后将20mm厚混凝土试块放入样品仓，按照设定含水量配置土样，将土样分层置入样品仓，然后采用油压千斤顶将试样顶出，即可制成混凝土—冻土接触面直剪试验试样。该方法存在几个问题，第一，该制样方法即为前述的第一种制样方法，试验所得抗剪强度以接触面静摩擦力为主；第二，将两个高20mm的连接起来制成40mm的高样品仓，如果连接不好，压样时连接缝容易漏土，造成接触面偏大，或者制而成的试样不容易装入剪切盒；第三，该制样方法没有考虑震动对混凝土面的影响，这不符合实际工程情况。
因此，提出一种更科学、更符合实际施工情况且可操作性强的考虑水分迁移的冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的试样制备工艺，对于冻土地区的桩基础工程设计具有一定的理论意义和工程价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置及工艺，制作成本相对较低、安装方便、操作简单，能够进行考虑水分迁移的冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置，包括用于制作哑铃形试样的哑铃形环刀及用于固定哑铃形试样的试样盒，所述哑铃形环刀及试样盒均为分体式结构；所述哑铃形试样为两端大、中间小的哑铃状，由半哑铃状的土样及混凝土样冻结组成，所述土样与混凝土样的中部接触面介于试样盒的中部间隙处、且设置于哑铃形试样的腰部中间位置；所述哑铃形试样设置于冻结补水系统内，得到考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样。
优选的，所述哑铃形环刀包括底板及两组结构相同的模板组件，两组模板组件均设置于底板上，两组模板组件通过连接件连接拼装形成的内腔为哑铃形，每组模板组件的开放端均能够与堵板相连，用于分步制作半哑铃状的土样及混凝土样，最后两组模板组件对接制作哑铃形试样；所述试样盒包括底座及设置于其上部的围挡板一、围挡板二，所述围挡板一及围挡板二均为半包围结构，所述围挡板一及围挡板二的内腔与两组模板组件的内腔相匹配，所述土样与混凝土样之间的接触面介于围挡板一及围挡板二之间的间隙处；所述围挡板二固定于底座上，所述围挡板一与加载机构相连，用于对哑铃形试样水平施加拉力或剪切力。
优选的，所述模板组件包括挡板及两个侧板，所述侧板为楔形结构，两个侧板的斜面相对设置、且垂直于底板，两个侧板的外侧面相互平行、且垂直于底板，所述挡板垂直于底板设置，两个侧板的窄边一端通过连接件固定于挡板的两侧；所述堵板的两端能够与两个侧板的宽边端通过连接件相连。
优选的，所述围挡板一包括第一立板及两侧第一围板，两侧第一围板的里侧面均为与侧板相对应的斜面，两侧第一围板的外侧面为相互平行的垂直面，两个第一围板的窄边一端分别固定于第一立板的两侧。
优选的，所述围挡板二包括两个L形第二围板，两个第二围板的内拐角均与哑铃形试样的大端相匹配，两个第二围板的一端通过连接件相连、另一端分别于围挡板一的两个第一围板相对应。
优选的，所述底座的边缘突出于围挡板一及围挡板二的边缘。
优选的，所述加载机构包括U形传力杆及应变控制式直剪仪，所述U形传力杆与围挡板一的高度一致，所述U形传力杆的两个开放端均与围挡板一的两个第一围板抵接，所述U形传力杆的中部与应变控制式直剪仪相连，用于对哑铃形试样施加水平拉力；所述应变控制式直剪仪与围挡板一的侧面第一围板抵接，用于对哑铃形试样施加水平剪切力。
一种冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备工艺，包括以下步骤：
(1)、利用哑铃形环刀制作哑铃形试样，所述哑铃形试样的一半为土样、另一半为混凝土样。
（2）、哑铃形试样冻结制作：由土体水汽迁移量测装置、上冷浴系统和下冷浴系统组成冻结补水系统；将哑铃形试样用不吸水的纱网包裹两到三层，将与哑铃形试样中土体性质相同的土分层倒入土体水汽迁移量测装置的试样筒内，将哑铃形试样置于试样筒内的土体中间，对试样筒内填充的土体击实并从试样筒侧面预留孔插入温度传感器，盖上顶盘，顶盘和底盘分别连通上冷浴系统和下冷浴系统，打开温控箱，对土样按照设定相应温度进行恒温处理，土样内部温度达到设定值后，再将顶盘温度设定为负温对试样进行单向冻结，同时利用马氏补水瓶补水系统对土体进行补水，使其补水液面与土体中试样底面处齐平，实现其对试样无压补水，同时设置顶盘和底盘的温度，进行模拟开敞系统条件下的补水冻结；
补水冻结满足试验条件后取出哑铃形试样，摘除纱网，将哑铃形试样做保水处理，避免哑铃形试样内部水分蒸发，然后放入温控室调节其温度，使其保持到所需恒温，得到考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样；
(3)、将步骤(2)所得考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样在低温条件下进行外部试样盒的拼装，用于与加载机构相连，完成直剪及拉伸试验。
优选的，所述土体水汽迁移量测装置内土体的含水率、密实度、颗粒级配性质与哑铃形试样中所含土样成分相同。
优选的，所述步骤（1）中哑铃形试样制作步骤如下：
A、根据试验含水率要求，按照相应比例配置直剪及拉伸试验所需要的土体材料，混合拌好；
B、首先利用模板组件与堵板组装放到底板上，而后将步骤A所配制的土体根据密实度要求用分层刮毛法填入半哑铃状的内腔中，得到土体与现浇混凝土接触面试样中半哑铃状的土样部分；
C、根据混凝土配制要求，按照相应比例配置混凝土，并按水泥用量添加3%~10%的添加剂，添加剂是指减水剂、早强剂、防冻剂中一种或几种的组合；
D、拆除步骤B中堵板，将另一半模板组件与步骤B中模板组件对接形成哑铃形环刀，然后将根据步骤C所得的混凝土分层注入半哑铃状的土样另一侧，将混凝土进行震捣操作，以便形成不同类型的接触侵蚀面，形成哑铃形试样；
F、将步骤D形成的哑铃形试样密封，在常温下对混凝土进行一定时间的养护，养护周期在10~20天；
G、待步骤F所得的哑铃形试样达到强度要求后，将其哑铃形环刀拆卸取出哑铃形试样，即可得到现浇混凝土与土体接触面试样。
优选的，所述步骤（1）中哑铃形试样制作步骤如下：
a、根据混凝土配制要求，按照相应比例配置混凝土材料，并按水泥用量添加3%~10%的添加剂，成型养护后制成符合尺寸的半哑铃状的混凝土样，将与土体接触的一侧打磨至统一粗糙度；
b、利用两组模板组件将步骤a制成的半哑铃状的混凝土样进行拼装并夹紧；
c、根据试验含水率要求，按照相应比例配置直剪及拉伸试验所需要的土体材料，混合拌好；
d、根据步骤c所得土体根据密实度要求用分层刮毛法填入步骤b得到的半哑铃状的内腔中，以便形成土体与预制混凝土的接触侵蚀面，即可得到土体与预制混凝土接触面试样。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明能够模拟实际工程中先开挖基坑后浇筑混凝土的施工顺序，制样过程更符合灌注桩等原状土基础形式与冻土产生冻结力的形成过程；也可以采用先制备混凝土样，然后在混凝土样的基础上制备冻土样的制样顺序，该制样顺序可以模拟大开挖类预制基础形式与冻土产生冻结力的过程，使试样成品更符合实际情况。本发明所用试样盒能够完成直剪及拉伸试验，可有效减少实验室的成本支出，本发明具有操作简单、安装方便、制作成本相对较低的优点，能够模拟开敞系统条件下的补水冻结，较为真实模拟实际工程状况，值得推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置中哑铃形环刀的结构示意图；
图2是本发明实施例中模板组件与堵板组装的半哑铃状态示意图；
图3是本发明实施例中试样盒与哑铃形试样的配合示意图；
图4是本发明实施例中U形传力杆与试样盒的配合示意图；
图5是本发明实施例中底座与围挡板二的配合示意图；
图6是本发明实施例中哑铃形试样的结构示意图；
图中：1-连接件，2-U形传力杆；100-哑铃形试样，101-土样，102-混凝土样；200-哑铃形环刀，201-模板组件，211-挡板，212-侧板，202-堵板；300-试样盒，301-围挡板一，302-围挡板二，303-底座，311-第一立板，312-第一围板，322-第二围板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2、3、4、6所示，本发明实施例提供的一种冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置，包括用于制作哑铃形试样100的哑铃形环刀200及用于固定哑铃形试样100的试样盒300，所述哑铃形环刀200及试样盒300均为分体式结构；所述哑铃形试样100为两端大、中间小的哑铃状，由半哑铃状的土样101及混凝土样102冻结组成，所述土样101与混凝土样102的中部接触面103介于试样盒300的中部间隙处、且设置于哑铃形试样100的腰部中间位置；所述哑铃形试样100设置于冻结补水系统内，得到考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样。
在本发明的一个具体实施例中，如图1、2、3、4所示，所述哑铃形环刀200包括底板（图中未画出）及两组结构相同的模板组件201，两组模板组件201均设置于底板上，两组模板组件201通过连接件1连接拼装形成的内腔为哑铃形，每组模板组件201的开放端均能够与堵板202相连，用于分步制作半哑铃状的土样101及混凝土样102，最后两组模板组件201对接制作哑铃形试样100；所述试样盒300包括底座303及设置于其上部的围挡板一301、围挡板二302，所述围挡板一301及围挡板二302均为半包围结构，所述围挡板一301及围挡板二302的内腔与两组模板组件201的内腔相匹配，所述土样101与混凝土样102之间的接触面103介于围挡板一301及围挡板二302之间的间隙；所述围挡板二302固定于底座303上，所述围挡板一301与加载机构相连，用于对哑铃形试样100水平施加拉力或剪切力。其中，底板可选用玻璃板；连接件1可选用螺栓。使用时，可将土料或混凝土原料放入模板组件201与堵板202拼成的半哑铃内腔，预先制作土样或混凝土样，然后拆除堵板，将另一半模板组件装好，再制作另一半混凝土样或土样。随后拆除哑铃形环刀，在制作好的哑铃形试样外部安装试样盒，与加载机构配合完成拉伸与直剪试验。
利用本发明提供的试样盒进行拉伸试验时，试样盒克服了现有拉伸试验垂直方向的自重影响及现有装置对试样两端粘结所出现的端部效应，极大程度上保证了试验结果的精确性与代表性。
在本发明的一个具体实施例中，如图1、2所示，所述模板组件201包括挡板211及两个侧板212，所述侧板212为楔形结构，两个侧板212的斜面相对设置、且垂直于底板，两个侧板212的外侧面相互平行、且垂直于底板，所述挡板211垂直于底板设置，两个侧板212的窄边一端通过连接件1固定于挡板211的两侧；所述堵板202的两端能够与两个侧板212的宽边端通过连接件1相连，形成半哑铃形环刀。采用该结构的模板组件与堵板配合，能够分步制作土样或混凝土样，最后完成两端大中间小的哑铃形试样制作。该结构的半哑铃形环刀及哑铃形环刀采用可拼装结构，具有安装方便、拆除简易的优点，便于试样制备后取出。
在一个具体实施例中，哑铃形试样制备先在组装的半哑铃形环刀中根据密实度要求填入土体，后拆除土体与混凝土接触的一侧的堵板，在已有土体模板组件的基础上组装为哑铃形环刀，然后在哑铃形环刀的另一侧浇筑配置好的混凝土，在常温下养护形成土体与混凝土的接触侵蚀面，后将试样通过马氏补水瓶补水系统进行补水冻结及后续处理，即可模拟出现浇混凝土与冻土接触面冻结情况。
在另一个具体实施例中，先根据混凝土配置要求制备符合尺寸要求的预制混凝土样，然后在预制混凝土样外部拼装并组装为哑铃形环刀，将预制混凝土样夹紧，根据密实度要求在哑铃形环刀的另一空腔侧填入土体，后将试样通过马氏补水瓶补水系统进行补水冻结及后续处理，即可模拟出实际工程中预制混凝土与冻土接触面冻结情况。采用该结构、工艺模拟较为真实，有利于试验最后结果数据的准确性。
在本发明的一个具体实施例中，如图3、4所示，所述围挡板一301包括第一立板311及两侧第一围板312，两侧第一围板312的里侧面均为与侧板212相对应的斜面，两侧第一围板312的外侧面为相互平行的垂直面，两个第一围板312的窄边一端分别固定于第一立板311的两侧。其中，所述围挡板二302包括两个L形第二围板322，两个第二围板322的内拐角均与哑铃形试样100的大端相匹配，两个第二围板322的一端通过连接件1相连、另一端分别于围挡板一301的两个第一围板311相对应。
进一步优化上述结构，如图5所示，底座303为与围挡板二302相对应的分体式结构，两个第二围板322的接触面即为底座的分界面，底座的两部分通过螺栓连接固定。试验前，将哑铃形试样置于围挡板一及围挡板二内，通过加载机构对围挡板一施加平行于或垂直于土样与混凝土样接触面的拉力或剪切力，进行拉伸或直剪试验。采用该结构的试样盒，可将底座的两部分分别与其上部的第二围板固定连接，形状呈L形，可以代替其现有传统直剪仪的下剪切盒，第二围板与其底部底座能够共同运动；围挡板一与其下方底座为分体式结构，两者可自然分离，在直剪及拉伸试验过程中围挡板一与围挡板二可朝着相反的方向运动。
进一步优化上述技术方案，如图3、5所示，所述底座303的边缘突出于围挡板一301及围挡板二302的边缘。采用该结构能够确保试样盒的底座303承载面积大于试样盒的上部围挡板一301及围挡板二302的底面积，以保证在直剪及拉伸过程中上部围挡板一301及围挡板二302不至于悬空从而造成试验结果的误差，影响结果准确度。
在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，所述拉力加载机构包括U形传力杆2及应变控制式直剪仪，所述U形传力杆2与围挡板一301的高度一致，所述U形传力杆2的两个开放端均与围挡板一301的两个第一围板311抵接，所述U形传力杆2的中部与应变控制式直剪仪相连，用于对哑铃形试样100施加水平拉力；所述应变控制式直剪仪与围挡板一301的侧面第一围板311抵接，用于对哑铃形试样100施加水平剪切力。可在第一围板的垂直端面上加工出与U形传力杆末端配合的卡槽，用于对U形传力杆进行定位。
在进行冻土与混凝土接触面直剪试验时，取出U形传力杆，对围挡板一的第一立板水平施加垂直于哑铃形试样接触面方向的法向压力，同时给予围挡板一的第一围板垂直于法向压力方向的水平推力，来进行冻土与混凝土接触面直剪试验。在进行冻土与混凝土接触面拉伸试验时，U形传力杆呈半包围状包围围挡板二，且与围挡板一的第一围板的卡槽连接，由于U形传力杆直接作用于围挡板一的表面，很好地避免了从侧部固定所带来的螺栓承受剪切所带来的附加误差影响。另外，U形传力杆的高度与围挡板一的高度相同，为围挡板一提供水平均布力，避免了上部围挡板一单点受力导致受力不均甚至出现倾覆的不利情况。U形传力杆的开放端可与上部围挡板一的第一围板端面卡接，保证传力在同一方向并且能较好地固定U形传力杆与上部围挡板一，避免力作用方向偏差导致的误差影响。
本发明还提供一种冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备工艺，包括以下步骤：
(1)、利用哑铃形环刀200制作哑铃形试样100，所述哑铃形试样100的一半为土样101、另一半为混凝土样102。
其中，哑铃形试样100有两种制作方式，一是模拟实际工程中先开挖基坑后浇筑混凝土的施工顺序，制样过程更符合灌注桩等原状土基础形式与冻土产生冻结力的形成过程，制作步骤如下：
A、根据试验含水率要求，按照相应比例配置直剪及拉伸试验所需要的土体材料，混合拌好。其中，土体材料的具体要求可结合自身试验需求选取具体数值。
B、首先利用模板组件与堵板组装为半哑铃形环刀放到玻璃板上，而后将步骤A所配制的土体根据密实度要求用分层刮毛法填入半哑铃状的内腔中，得到土体与现浇混凝土接触面试样中半哑铃状的土样部分。
C、根据混凝土配制要求，按照相应比例配置混凝土，并按水泥用量添加3%~10%的添加剂，添加剂是指减水剂、早强剂、防冻剂中一种或几种的组合。
D、拆除步骤B中堵板，将另一半模板组件与步骤B中模板组件对接形成哑铃形环刀，然后将根据步骤C所得的混凝土分层注入半哑铃状的土样另一侧，将混凝土进行震捣操作，以便形成不同类型的接触侵蚀面，形成哑铃形试样。
F、将步骤D形成的哑铃形试样密封，在常温下对混凝土进行一定时间的养护，养护周期在10~20天。
G、待步骤F所得的哑铃形试样达到强度要求后，将其哑铃形环刀拆卸取出哑铃形试样，即可得到现浇混凝土与土体接触面试样。
二是采用先制备混凝土样，然后在混凝土样的基础上制备冻土样的制样顺序。该制样顺序可以模拟大开挖类预制基础形式与冻土产生冻结力的过程，使试样成品更符合实际情况，制作步骤如下：
a、根据混凝土配制要求，按照相应比例配置混凝土材料，并按水泥用量添加3%~10%的添加剂，成型养护后制成符合尺寸的预制混凝土块，制成半哑铃状的混凝土样，将与土体接触的一侧用砂纸或其他手段打磨至统一粗糙度。
b、利用哑铃形环刀的两组模板组件将步骤a制成的半哑铃状的混凝土样进行拼装并夹紧。
c、根据试验含水率要求，按照相应比例配置直剪及拉伸试验所需要的土体材料，混合拌好。
d、根据步骤c所得土体根据密实度要求用分层刮毛法填入步骤b得到的半哑铃状的内腔中，以便形成土体与预制混凝土的接触侵蚀面，即可得到土体与预制混凝土接触面试样。
（2）、哑铃形试样冻结制作：由土体水汽迁移量测装置、上冷浴系统和下冷浴系统组成冻结补水系统；将哑铃形试样100用不吸水的纱网包裹两到三层，将与哑铃形试样中土体性质相同的土分层倒入土体水汽迁移量测装置的试样筒内，将哑铃形试样置于试样筒内的土体中间，对试样筒内填充的土体击实并从试样筒侧面预留孔插入温度传感器，盖上顶盘，顶盘和底盘分别连通上冷浴系统和下冷浴系统，打开温控箱，对土样按照设定相应温度进行恒温处理；土样内部温度达到设定值后，再将顶盘温度设定为负温对试样进行单向冻结，同时利用马氏补水瓶补水系统对土体进行补水，使其补水液面与土体中试样底面处齐平，实现其对试样无压补水，同时设置顶盘和底盘的温度，进行模拟开敞系统条件下的补水冻结。其中，所述土体水汽迁移量测装置内土体的含水率、密实度、颗粒级配性质与哑铃形试样中所含土样成分相同，避免误差影响。
补水冻结满足试验条件后取出哑铃形试样，摘除纱网，将哑铃形试样做保水处理，避免哑铃形试样内部水分蒸发，然后放入温控室调节其温度，使其保持到所需恒温，得到考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样；
(3)、将步骤(2)所得考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样在低温条件下进行外部试样盒的拼装，用于与加载机构相连，完成直剪及拉伸试验。
在进行冻土与混凝土接触面拉伸试验时，可利用现有传统直剪仪测定冻土与混凝土接触面拉伸试样的抗拉强度。
鉴于现有整体式直剪及拉伸试验装置的试样盒无法实现在土体水汽迁移量测装置中对其试样盒内部试样进行补水冻结，本发明采用的可拼装试样盒与现有市场不同，分体式结构方便拼装在哑铃形试验试样外部，方便进行直剪及拉伸试验。本发明中哑铃形试验试样进行补水冻结及后续处理后放入低温温控室调节至恒温，再将试样盒在试验试样上进行低温条件下的拼装，最后得到考虑水分迁移的用于冻土与预制或现浇混凝土接触面直剪及拉伸试验用试样。该哑铃形试验试样制备过程可以模拟实际冻土地区工程中冻土与混凝土接触面冻结强度情况，试验试样具有科学依据，适用于现有土与结构物接触面低温直剪试验装置。
综上所述，本发明具有结构简单、操作方便，制作成本相对较低的优点，制样过程顺畅、可控，试验试样符合标准要求，试验试样尺寸结合自身试验需求进行选择；本发明所设计直剪及拉伸试验用试样盒还具有安装方便、可靠牢固、制作成本较低、利用率高等优点，利用该试样盒能够完成拉伸及直剪试验，较为符合实际情况的室内试验要求。采用本发明制作的哑铃形试验试样用试样盒为可拼装的卧式直剪及拉伸两用试样盒，与现有卧式单轴拉伸试验装置试样盒相比，该可拼装的试样盒做拉伸试验时，省去了现有单向拉伸装置所必须的夹具以及模具两端的挂耳，采用水平卧式拉伸试验装置，克服了土样的自重影响和现有装置对试样两端粘结产生的端部效应。可拼装试样盒主要利用哑铃形试样空间来提高土体拉伸时的约束力，并且消除了竖直拉伸试验试样及试样盒带来的重力作用影响，也大大地简便了拉伸试样的制备工艺；可拼装试样盒为直剪及拉伸两用试样盒，省去了传统直剪拉伸试验所需的大量成本及繁琐步骤，改变施力方向并在下部试样盒固定情况下对上部试样盒施以相应的法向压力即可进行试样直剪试验，完成直剪拉伸一体化的目的。
本发明能够模拟实际工程中先开挖基坑后浇筑混凝土的施工顺序，制样过程更符合灌注桩等原状土基础形式与冻土产生冻结力的形成过程；也可以采用先制备混凝土样，然后在混凝土样的基础上制备冻土样的制样顺序，该制样顺序可以模拟大开挖类预制基础形式与冻土产生冻结力的过程，使试样成品更符合实际情况。利用本发明能够考虑水分迁移的冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的试样制备工艺，较为真实模拟实际工程状况，可有效减少实验室的成本支出，值得推广使用。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置，其特征在于：包括用于制作哑铃形试样的哑铃形环刀及用于固定哑铃形试样的试样盒，所述哑铃形环刀及试样盒均为分体式结构；所述哑铃形试样为两端大、中间小的哑铃状，由半哑铃状的土样及混凝土样冻结组成，所述土样与混凝土样的中部接触面介于试样盒的中部间隙处、且设置于哑铃形试样的腰部中间位置；所述哑铃形试样设置于冻结补水系统内，得到考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样。
2.根据权利要求1所述的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置，其特征在于：所述哑铃形环刀包括底板及两组结构相同的模板组件，两组模板组件均设置于底板上，两组模板组件通过连接件连接拼装形成的内腔为哑铃形，每组模板组件的开放端均能够与堵板相连，用于分步制作半哑铃状的土样及混凝土样，最后两组模板组件对接制作哑铃形试样；所述试样盒包括底座及设置于其上部的围挡板一、围挡板二，所述围挡板一及围挡板二均为半包围结构，所述围挡板一及围挡板二的内腔与两组模板组件的内腔相匹配，所述土样与混凝土样之间的接触面介于围挡板一及围挡板二之间的间隙处；所述围挡板二固定于底座上，所述围挡板一与加载机构相连，用于对哑铃形试样水平施加拉力或剪切力。
3.根据权利要求2所述的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置，其特征在于：所述模板组件包括挡板及两个侧板，所述侧板为楔形结构，两个侧板的斜面相对设置、且垂直于底板，两个侧板的外侧面相互平行、且垂直于底板，所述挡板垂直于底板设置，两个侧板的窄边一端通过连接件固定于挡板的两侧；所述堵板的两端能够与两个侧板的宽边端通过连接件相连。
4.根据权利要求3所述的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置，其特征在于：所述围挡板一包括第一立板及两侧第一围板，两侧第一围板的里侧面均为与侧板相对应的斜面，两侧第一围板的外侧面为相互平行的垂直面，两个第一围板的窄边一端分别固定于第一立板的两侧。
5.根据权利要求4所述的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置，其特征在于：所述围挡板二包括两个L形第二围板，两个第二围板的内拐角均与哑铃形试样的大端相匹配，两个第二围板的一端通过连接件相连、另一端分别于围挡板一的两个第一围板相对应。
6.根据权利要求5所述的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置，其特征在于：所述加载机构包括U形传力杆及应变控制式直剪仪，所述U形传力杆与围挡板一的高度一致，所述U形传力杆的两个开放端均与围挡板一的两个第一围板抵接，所述U形传力杆的中部与应变控制式直剪仪相连，用于对哑铃形试样施加水平拉力；所述应变控制式直剪仪与围挡板一的侧面第一围板抵接，用于对哑铃形试样施加水平剪切力。
7.一种冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备工艺，其特征在于，应用如权利要求5所述的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备装置制备哑铃形试样，包括以下步骤：
(1)、利用哑铃形环刀制作哑铃形试样，所述哑铃形试样的一半为土样、另一半为混凝土样；
（2）、哑铃形试样冻结制作：由土体水汽迁移量测装置、上冷浴系统和下冷浴系统组成冻结补水系统；将哑铃形试样用不吸水的纱网包裹两到三层，将与哑铃形试样中土体性质相同的土分层倒入土体水汽迁移量测装置的试样筒内，将哑铃形试样置于试样筒内的土体中间，对试样筒内填充的土体击实并从试样筒侧面预留孔插入温度传感器，盖上顶盘，顶盘和底盘分别连通上冷浴系统和下冷浴系统，打开温控箱，对土样按照设定相应温度进行恒温处理，土样内部温度达到设定值后，再将顶盘温度设定为负温对哑铃形试样进行单向冻结，同时利用马氏补水瓶补水系统对土体进行补水，使其补水液面与土体中哑铃形试样底面处齐平，实现其对哑铃形试样无压补水，同时设置顶盘和底盘的温度，模拟开敞系统条件下的补水冻结；
补水冻结满足试验条件后取出哑铃形试样，摘除纱网，将哑铃形试样做保水处理，避免哑铃形试样内部水分蒸发，然后放入温控室调节其温度，使其保持到所需恒温，得到考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样；
(3)、将步骤(2)所得考虑水分迁移的用于冻土与混凝土接触面直剪及拉伸试验的哑铃形试验试样在低温条件下进行外部试样盒的拼装，用于与加载机构相连，完成直剪及拉伸试验。
8.根据权利要求7所述的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备工艺，其特征在于：所述土体水汽迁移量测装置内土体的含水率、密实度、颗粒级配性质与哑铃形试样中所含土样成分相同。
9.根据权利要求7所述的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备工艺，其特征在于：所述步骤（1）中哑铃形试样制作步骤如下：
A、根据试验含水率要求，按照相应比例配置直剪及拉伸试验所需要的土体材料，混合拌好；
B、首先利用模板组件与堵板组装放到底板上，而后将步骤A所配制的土体根据密实度要求用分层刮毛法填入半哑铃状的内腔中，得到土体与现浇混凝土接触面试样中半哑铃状的土样部分；
C、根据混凝土配制要求，按照相应比例配置混凝土，并按水泥用量添加3%～10%的添加剂，添加剂是指减水剂、早强剂、防冻剂中一种或几种的组合；
D、拆除步骤B中堵板，将另一半模板组件与步骤B中模板组件对接形成哑铃形环刀，然后将根据步骤C所得的混凝土分层注入半哑铃状的土样另一侧，将混凝土进行震捣操作，以便形成不同类型的接触侵蚀面，形成哑铃形试样；
F、将步骤D形成的哑铃形试样密封，在常温下对混凝土进行一定时间的养护，养护周期在10～20天；
G、待步骤F所得的哑铃形试样达到强度要求后，将其哑铃形环刀拆卸取出哑铃形试样，即可得到现浇混凝土与土体接触面试样。
10.根据权利要求7所述的冻土与混凝土接触面的力学试验用试样制备工艺，其特征在于：所述步骤（1）中哑铃形试样制作步骤如下：
a、根据混凝土配制要求，按照相应比例配置混凝土材料，并按水泥用量添加3%～10%的添加剂，成型养护后制成符合尺寸的半哑铃状的混凝土样，将与土体接触的一侧打磨至统一粗糙度；
b、利用两组模板组件将步骤a制成的半哑铃状的混凝土样进行拼装并夹紧；
c、根据试验含水率要求，按照相应比例配置直剪及拉伸试验所需要的土体材料，混合拌好；
d、根据步骤c所得土体根据密实度要求用分层刮毛法填入步骤b得到的半哑铃状的内腔中，以便形成土体与预制混凝土的接触侵蚀面，即可得到土体与预制混凝土接触面试样。
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