CN114624088B - 一种制作高含冰量冻土试样的装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种制作高含冰量冻土试样的装置，其中包括塑料薄片、方形夹具、顶层恒温模具、中间层恒温模具、底层恒温模具、驱动装置和锯齿铲刀七个部分组成，恒温模具由两个空心密闭“T”形体组成，空心密闭“T”形体由控温管和恒温主体箱组成，驱动装置由四根支柱、两个底座、四根丝杠和四个摇把组成。本发明还提供了一种制作高含冰量冻土试样的装置的方法。本发明利用恒温模具特有的结构和通过温度调节的方法，可以制作出满足试验要求的高含冰量冻土试样。
Description
技术领域
本发明涉及冻土力学研究领域，具体是一种制作高含冰量冻土试样的装置及其使用方法.
背景技术
由于寒区经济的发展和工程实践需要，人们在冻土强度和变形方面已经进行了大量深入研究，但这些工作主要集中于低含冰量冻土(总含水量小于或者等于饱和值)，相比较，对于含水量超过饱和值的高含冰量冻土讨论较少。随着冻土区已建和待建工程穿越冻土类型的复杂性和多变性，近年来，尤其在中国，如在青藏铁路、青藏公路等的建设过程中有不少路段穿越了高含冰量冻土区。所谓高含冰量冻土是指总含水率超过了饱和值。目前，在实验室中制备含水率分布均匀、结构密实且含水率大于液限的高含冰量冻土试样是高含冰量冻土研究的技术性难题。高含冰量冻土试样得制备主要有以下几种方法:
方法1：冰颗粒混合法。高志华等在2010年第31卷第6期《岩土力学》杂志上发表了题为“循环荷载作用下高温-高含冰量冻土特性试验研究”的学术论文。论文制样步骤为，①根据试样质量计算出制备一个土样需要的干土的质量、冰的质量和水的质量。假设所需要试样的含水率为ω，试样的大致质量为m，则需要的干土的质量为ms＝m/(1+ω)；水的质量为mw＝mωw；冰的质量为mi＝m(1-ωw)。其中ωw为制样时的含水率,当初始含水率为50％时，取ωw＝23％，可以保证土样内冰晶体分布均匀，结构致密，无明显孔隙存在。②在温度为-6℃左右的低温实验室里将冰击碎，过0.5cm筛，称取冰，将冰和温度为-6℃左右的干土在塑料袋里混合，再将预先冷却接近于0℃的水倒入冰土混合物中充分搅拌均匀后，装入冷却的模具中，在冰箱中冻结48h。③在试样外表套一层塑料薄膜，并在两端各加一块环氧树脂帽，试样就制备完毕。
方法2：泥浆制备法。杜海民等在2017年第38卷第7期《岩土力学》杂志上发表了题为“围压与含水率对冻结砂土破坏应变能密度影响特性研究”的学术论文。论文中指出，首先将干土和蒸馏水混合来获得试样目标含水率的泥浆，然后将泥浆放在恒温箱在1.0℃条件下恒温至少12h；其次，将泥浆分层装入带有可分裂塑料衬砌的铁质模具的标准孔中。铁质模具放在一个保温箱中，并且通过其底部循环的低温酒精给模具降温，而保温箱旁边的冷浴给酒精降温。在制样的过程中，要每隔一段时间搅动已经倒入模具里的未冻泥浆，以阻止粉质砂土冻结过程中的下沉和分层，尽量保证试样的均匀性，从而制备出高含冰量冻土试样。
方法3：溶解替换法。在中国专利授权书，CN107727467B中公布了一种高含冰量冻土试样制备方法，将水溶性物质和干土混合并进行分层压实以形成冻土制样，将冻土试样放入饱和器，所述饱和器包括分离孔，打开分离孔后，将冻土试样连同饱和器置于水流中，通过水流进出饱和器以溶解去除冻土试样中的水溶性物质，随着水溶性物质的溶解使得冻土试样中形成空腔，使得水流进入空腔中并填满空腔后关闭分离孔，然后将饱和器取出水流并放置在冷冻器中进行冷冻至预定时间，取出饱和器，并将冻土试样与饱和器分离得高含冰量冻土。上述3种制备高含冰量冻土试样的方法分别存在以下不足之处：
(1)方法1制备出的高含冰量冻土试样内部的冰一部分由冰颗粒组成，力学性能不同于天然高含冰量冻土；
(2)方法2制备出的高含冰量冻土试样会产生明显的分层现象，导致试样的不均匀；
(3)方法3的制备的高含冰量冻土过程复杂，技术和成本要求过高。
鉴于此，需要发明一种用于制作高含冰量冻土试样的装置及其使用方法，以实现制作出较为均质的高含冰量冻土试样的目的。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于制作高含冰量冻土试样的装置及其使用方法，利用该装置，能够在实验室制备出满足试验要求的高含冰量冻土试样。本发明具有结构简单、可实施性强等特点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于制作高含冰量冻土试样的装置，是由塑料薄片、方形夹具、顶层恒温模具、中间层恒温模具、底层恒温模具和驱动装置六个部分组成。所述的底层恒温模具置于驱动装置之间，所述的中间层恒温模具置于底层恒温模具上方，所述的顶层恒温模具置于中间层恒温模具上方，所述的方形夹具置于顶层恒温模具上方。
所述的顶层恒温模具由两个相同的顶层空心密闭“T”形体组成，并在中间设有试样槽，所述的顶层空心密闭“T”形体由控温管和顶层恒温主体箱组成，所述的控温管有加热和制冷功能，所述的控温管与顶层恒温主体箱相连通，所述的顶层恒温主体箱两端设有穿过孔，所述的顶层恒温主体箱上表面为平面，下表面为锯齿。所述的中间层恒温模具类似于顶层恒温模具，区别在于，中间层恒温主体箱的上表面和下表面同为锯齿。所述的底层恒温模具类似于顶层恒温模具，区别在于，底层恒温主体箱的上表面为锯齿，下表面为平面。所述的锯齿可以相互啮合。
所述的驱动装置一侧是由两根支柱、一个底座、两根丝杠和两个手摇轮组成。所述的支柱直径略小于穿过孔内径，所述的支柱一端与滑块固定连接，所述的底座内设置有滑槽，所述的滑块可以在滑槽内移动，所述的滑槽内两侧设置有固定块，固定块与底座固定连接，所述的丝杠贯穿一侧的固定块和滑块，与固定块螺纹配合与滑块转动连接，所述的丝杠另一端与手摇轮固定连接。
锯齿形铲刀由不锈钢制成。
所述的方形夹具由螺栓和方形框组成，所述的螺栓可以贯穿方形框侧边并与方形框螺纹配合。
所述的塑料薄片1厚度小于3mm,且与金属和冻土有很好的不粘连性。
试验步骤如下：
第一步，制备泥浆：将所需泥浆拌合均匀；
第二步，组装模具：利用穿过孔，底层恒温模具沿着支柱置于两底座之间，摇动手摇轮，带动支柱，形成四个密闭的圆柱形试样槽，在此基础上，继续向上叠加一层中间层恒温模具，将塑料薄片置于试样槽内部，并紧贴试样槽内部边缘；
第三步，设定负温冻结：将控温管接通盐水，控温管的温度设置成-25℃，待组装好的底层恒温模具和中间层恒温模具内的盐水温度恒定后，将准备好的泥浆倒入试样槽中，待试样槽中泥浆冻结后，用锯齿形铲刀沿锯齿铲除表面多余冻土；
第四步，重复第二步和第三步：每次向上叠加两层恒温模具进行冻结制样过程中，有所区别的是，先选用两层中间层恒温模具，然后再选用两层中间层恒温模具，最后两层先选用中间层恒温模具后选用顶层恒温模具，最后方形夹具穿过支柱置于顶层恒温模具上，拧紧螺栓；
第五步，设定正温融化：在制样的过程中，每次向上叠加两层恒温模具进行冻结而形成的分界面定义为“分层面”，将倒数第一层“分层面”的上下各一层中间层恒温模具的控温管温度设定为20℃，其它控温管继续保持-25℃，直至温度设定20℃中间层恒温模具的试样槽2内的冻土融化成泥浆；
第六步，设定负温，重新冻结：将20℃控温管温度重新设定为-25℃，直至融化的泥浆冻结；
第七部，重复第五步与第六步：依次向上将“分层面”进行先融化后冻结；
第八步，拆模、取样：待冻结24h后，拧松螺栓，取出方形夹具，然后转动手摇轮，带动支柱，取出冻土试件。高含冰量冻土试件制作完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过恒温模具特有的结构，冻结不仅可以从底面冻结，还可以从侧面冻结，加快了泥浆冻结速度，降低了泥浆中土颗粒的下沉速度，有效解决了试样分层而导致的轴向不均质性问题。
2、本发明通过恒温模具特有的锯齿结构和锯齿形铲刀，形成了锯齿形“分层面”，增加了层与层之间的咬合力。
3、本发明通过调节控温管的温度，将“分层面”融化后重新冻结，解决了“分层面”的胶结力低于冻土试样内部胶结力的问题。
4、本发明通过分次冻结，降低了一次性冻结的分层现象。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的顶层恒温模具结构示意图；
图3是本发明实施例的顶层空心密闭“T”形体结构示意图；
图4是本发明实施例的中间层空心密闭“T”形体结构示意图；
图5是本发明实施例的底层空心密闭“T”形体结构示意图；
图6是本发明实施例的驱动装置结构示意图；
图7是本发明实施例的驱动装置的内部结构示意图；
图8是图7的A处剖视图；
图9是本发明实施例的锯齿形铲刀结构示意图；
图10是本发明实施例的方形夹具的结构示意图；
图中标号说明：1-塑料薄片，2-泥浆槽，3-方形夹具，4-顶层恒温模具，5-中间层恒温模具，6-底层恒温模具，7-驱动装置，8-分层面，9-顶层空心密闭“T”形体，10-控温管，11-穿过孔，12-顶层恒温主体箱，13-锯齿，14-中间层恒温主体箱，15-底层恒温主体箱，16-支柱，17-丝杠，18-固定块，19-手摇轮，20-底座，21-滑槽，22-滑块，23-锯齿形铲刀，24-方形框，25-螺栓。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
如图1所示，一种用于制作高含冰量冻土试样的装置，是由塑料薄片1、方形夹具3、顶层恒温模具4、中间层恒温模具5、底层恒温模具6和驱动装置7六个部分组成。所述的底层恒温模具6置于驱动装置7之间，所述的中间层恒温模具5置于底层恒温模具6上方，所述的顶层恒温模具4置于中间层恒温模具5上方，所述的方形夹具3置于顶层恒温模具4上方。
如图2～5所示，所述的顶层恒温模具4由两个相同的顶层空心密闭“T”形体9组成，并在中间设有试样槽2，所述的顶层空心密闭“T”形体9由控温管10和顶层恒温主体箱12组成，所述的控温管10有加热和制冷功能，所述的控温管10与顶层恒温主体箱12相连通，所述的顶层恒温主体箱12两端设有穿过孔11，所述的顶层恒温主体箱12上表面为平面，下表面为锯齿13。所述的中间层恒温模具5类似于顶层恒温模具4，区别在于，中间层恒温主体箱14的上表面和下表面同为锯齿13。所述的底层恒温模具6类似于顶层恒温模具4，区别在于，底层恒温主体箱15的上表面为锯齿13，下表面为平面。所述的锯齿13可以相互啮合。
如图6～8所示，所述的驱动装置7一侧是由两根支柱16、一个底座20、两根丝杠17和两个手摇轮19组成。所述的支柱16直径略小于穿过孔11内径，所述的支柱16一端与滑块22固定连接，所述的底座20内设置有滑槽21，所述的滑块22可以在滑槽21内移动，所述的滑槽21内两侧设置有固定块18，固定块18与底座20固定连接，所述的丝杠17贯穿一侧的固定块18和滑块22，与固定块18螺纹配合与滑块22转动连接，所述的丝杠17另一端与手摇轮19固定连接。
如图9所示，锯齿形铲刀23由不锈钢制成。
如图10所示，所述的方形夹具3由螺栓25和方形框24组成，所述的螺栓25可以贯穿方形框24侧边并与方形框24螺纹配合。
所述的塑料薄片1厚度小于3mm,且与金属和冻土有很好的不粘连性。
试验步骤如下：
第一步，制备泥浆：将所需泥浆拌合均匀；
第二步，组装模具：利用穿过孔11，底层恒温模具6沿着支柱16置于两底座20之间，摇动手摇轮19，带动支柱16，形成四个密闭的圆柱形试样槽2，在此基础上，继续向上叠加一层中间层恒温模具5，将塑料薄片1置于试样槽2内部，并紧贴试样槽2内部边缘；
第三步，设定负温冻结：将控温管10接通盐水，控温管10的温度设置成-25℃，待底层恒温模具6和中间层恒温模具5内的盐水温度恒定后，将准备好的泥浆倒入试样槽2中，待试样槽2中泥浆冻结后，用锯齿形铲刀23沿锯齿13铲除表面多余冻土；
第四步，重复第二步和第三步：每次向上叠加两层恒温模具进行冻结制样过程中，有所区别的是，先选用两层中间层恒温模具5，然后再选用两层中间层恒温模具5，最后两层先选用中间层恒温模具5后选用顶层恒温模具4，最后方形夹具3穿过支柱16置于顶层恒温模具4上，拧紧螺栓25；
第五步，设定正温融化：在制样的过程中，每次向上叠加两层恒温模具进行冻结而形成的分界面定义为“分层面”，将倒数第一层“分层面”8的上下各一层中间层恒温模具5的控温管9温度设定为20℃，其它控温管继续保持-25℃，直至温度设定20℃中间层恒温模具5的试样槽2内的冻土融化成泥浆；
第六步，设定负温，重新冻结：将20℃控温管温度重新设定为-25℃，直至融化的泥浆冻结；
第七部，重复第五步与第六步：依次向上将“分层面”8进行先融化后冻结；
第八步，拆模、取样：待冻结24h后，拧松螺栓25，取出方形夹具3，然后转动手摇轮19，带动支柱16，取出冻土试件，高含冰量冻土试件制作完成。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种制作高含冰量冻土试样装置的使用方法，其特征在于：一种用于制作高含冰量冻土试样的装置，是由塑料薄片（1）、方形夹具（3）、顶层恒温模具（4）、中间层恒温模具（5）、底层恒温模具（6）和驱动装置（7）六个部分组成，所述的底层恒温模具（6）置于驱动装置（7）之间，所述的中间层恒温模具（5）置于底层恒温模具（6）上方，所述的顶层恒温模具（4）置于中间层恒温模具（5）上方，所述的方形夹具（3）置于顶层恒温模具（4）上方；
所述的顶层恒温模具（4）由两个相同的顶层空心密闭“T”形体（9）组成，并在中间设有试样槽（2），所述的顶层空心密闭“T”形体（9）由控温管（10）和顶层恒温主体箱（12）组成，所述的控温管（10）有加热和制冷功能，所述的控温管（10）与顶层恒温主体箱（12）相连通，所述的顶层恒温主体箱（12）两端设有穿过孔（11），所述的顶层恒温主体箱（12）上表面为平面，下表面为锯齿（13），所述的中间层恒温模具（5）类似于顶层恒温模具（4），区别在于，中间层恒温主体箱（14）的上表面和下表面同为锯齿（13），所述的底层恒温模具（6）类似于顶层恒温模具（4），区别在于，底层恒温主体箱（15）的上表面为锯齿（13），下表面为平面，所述的锯齿（13）可以相互啮合；
所述的驱动装置（7）一侧是由两根支柱（16）、一个底座（20）、两根丝杠（17）和两个手摇轮（19）组成，所述的支柱（16）直径略小于穿过孔（11）内径，所述的支柱（16）一端与滑块（22）固定连接，所述的底座（20）内设置有滑槽（21），所述的滑块（22）可以在滑槽（21）内移动，所述的滑槽（21）内两侧设置有固定块（18），固定块（18）与底座（20）固定连接，所述的丝杠（17）贯穿一侧的固定块（18）和滑块（22），与固定块（18）螺纹配合与滑块（22）转动连接，所述的丝杠（17）另一端与手摇轮（19）固定连接；
使用方法包括以下步骤；
第一步，制备泥浆：将所需泥浆拌合均匀；
第二步，组装模具：利用穿过孔（11），底层恒温模具（6）沿着支柱（16）置于两底座（20）之间，摇动手摇轮（19），带动支柱（16），形成四个密闭的圆柱形试样槽（2），在此基础上，继续向上叠加一层中间层恒温模具（5），将塑料薄片（1）置于试样槽（2）内部，并紧贴试样槽（2）内部边缘；
第三步，设定负温冻结：将控温管（10）接通盐水，控温管（10）的温度设置成-25℃，待底层恒温模具（6）和中间层恒温模具（5）内的盐水温度恒定后，将准备好的泥浆倒入试样槽（2）中，待试样槽（2）中泥浆冻结后，用锯齿形铲刀（23）沿锯齿（13）铲除表面多余冻土；
第四步，重复第二步和第三步：每次向上叠加两层恒温模具进行冻结制样过程中，有所区别的是，先选用两层中间层恒温模具（5），然后再选用两层中间层恒温模具（5），最后两层先选用中间层恒温模具（5）后选用顶层恒温模具（4），最后方形夹具（3）穿过支柱（16）置于顶层恒温模具（4）上，拧紧螺栓（25）；
第五步，设定正温融化：在制样的过程中，每次向上叠加两层恒温模具进行冻结而形成的分界面定义为“分层面”，将倒数第一层“分层面”（8）的上下各一层中间层恒温模具（5）的控温管（10）温度设定为20℃，其它控温管继续保持-25℃，直至温度设定20℃中间层恒温模具（5）的试样槽（2）内的冻土融化成泥浆；
第六步，设定负温，重新冻结：将20℃控温管温度重新设定为-25℃，直至融化的泥浆冻结；
第七步，重复第五步与第六步：依次向上将“分层面”（8）进行先融化后冻结；
第八步，拆模、取样：待冻结24h后，拧松螺栓（25），取出方形夹具（3），然后转动手摇轮（19），带动支柱（16），取出冻土试件，高含冰量冻土试件制作完成。
2.根据权利要求1所述的一种制作高含冰量冻土试样装置的使用方法，其特征在于：所述的塑料薄片（1）厚度小于3mm, 且与金属和冻土有很好的不粘连性。
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