CN116773387A - 冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法，包括支架、试验盛样筒、顶部压头、测试元件、数据采集仪和计算机，所述试验盛样筒设置在所述支架内，所述冻融土体的试样和所述测试元件均设置在所述试验盛样筒内；所述顶部压头位于所述试验盛样筒的顶部，所述顶部压头能够在所述试验盛样筒内上下移动，所述测试元件与所述试样接触，所述测试元件与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪与所述计算机连接。利用该测试系统及测试方法能够对冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征进行研究，对揭示冻融条件下的静止侧压力系数演化规律，计算获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布，对开展井壁结构设计与稳定性评价具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程试验领域，特别涉及一种冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法。
背景技术
土体的侧压力系数是土体侧向有效应力与竖向有效应力之比，其值是计算土与结构相互作用力的关键参数。侧压力系数能够反映土体在其自重及上部荷载作用下引起的水平向应力大小，可用于计算土体作用于挡土结构物上的土压力大小及分布、评价挡土结构的稳定性等，已被广泛应用于土木工程、地下结构工程、交通工程、水利工程等中各类挡土结构的设计计算之中。
进入21世纪以来，随着经济建设的迅速发展和人民生活水平的不断提高，对能源的需求越来越大。煤炭资源在化石能源中占据着极其重要的地位，在未来相当长的一段时期内，煤炭仍将是能源消费结构中的主要能源，而煤炭开采深度以20m/a速度增加，矿井建设逐步向深厚冲积层的深井建设发展。一些新建煤矿立井井筒深达800～1000m，具有松散层深厚、地压大、含水丰富等特点。深厚松散层一般强度低、含水量大、地压大，在建设井筒或修筑其它地下工程时采用普通方法容易产生涌水、流沙等问题。冻结法成为一种有效穿越深厚松散层或富水软岩层的特殊凿井方法得到广泛应用。
深厚松散层冻结法凿井中，冻结壁与井壁的相互作用力构成了冻结井外壁的外载；而该荷载是井壁设计及其安全性分析的关键。工程技术人员曾对此开展了较为广泛的工程实测研究，为深厚松散层冻结井井壁结构的设计提供了重要的荷载取值依据。冻结壁与井壁相互作用的复杂性，一方面源自冻结壁温度场不均匀及深部冻土力学特性的复杂性，另一方面，与冻结壁与井壁之间铺设泡沫板等施工工艺密切相关。
在研究与工程实践过程中，人工冻结凿井法理论与技术取得了巨大进步，但因冻融土体侧压力系数演化规律尚未揭示清楚，冻结壁与井壁的相互作用力取值缺乏依据，导致某些新井建设出现的一系列工程技术难题未得到有效解决，深立井井筒在冻结施工或后期运营过程中，影响安全的事故时有发生。因此，获得冻结土体融化阶段冻结壁与现浇筑混凝土井壁相互作用过程的侧压力系数、融化后稳定阶段井壁外围土体与井壁相互作用过程的侧压力系数及其最终长期作用下的静止土压力系数演化规律，对计算冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布、井壁设计、井壁稳定性评价等具有重要理论意义与应用价值。
考虑到冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征与常规土-结构物作用特征存在显著不同。鉴于目前尚无冻融条件下井壁外围土体土压力系数测试系统及测试方法，在实验室条件下研究土体在冻融条件下的静止侧压力系数演化规律，需要尽可能真实地模拟立井井壁外围土体经历的冻结-开挖-融化条件，为揭示冻融条件下的静止侧压力系数演化规律、计算获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布以开展井壁结构设计与稳定性评价，研发冻融土体侧压力系数测试系统并确定测试方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法，利用该测试系统及测试方法尽可能真实地模拟了立井井壁外围土体经历的冻结-开挖-融化条件，能够对冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征进行研究，特别是冻融土侧压力增长规律进行试验与计算，对揭示冻融条件下的静止侧压力系数演化规律，计算获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布，对开展井壁结构设计与稳定性评价具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种冻融土体侧压力系数测试系统，包括支架、试验盛样筒、顶部压头、测试元件、数据采集仪和计算机，其中，所述试验盛样筒设置在所述支架内，所述支架能够为所述试验盛样筒提供稳定支撑，所述冻融土体的试样和所述测试元件均设置在所述试验盛样筒内；所述顶部压头位于所述试验盛样筒的顶部，所述顶部压头能够在所述试验盛样筒内上下移动，所述顶部压头的移动能够向所述试样施加轴向压力；所述测试元件与所述试样接触，所述测试元件与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪与所述计算机连接，所述数据采集仪通过所述测试元件采集所述试样的侧压力数据，所述数据采集仪将采集的侧压力数据传输给所述计算机，所述计算机根据所述测试元件采集的侧压力数据进行计算能够获得所述冻融土体冻融过程中的侧压力系数实时值。
进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述支架包括底座、固定环和固定杆，所述固定杆的下端与所述底座固定连接，所述固定杆的上端设置有外螺纹，所述固定杆的上端穿过所述固定环后利用螺母固定，所述试验盛样筒位于所述底座上，所述试验盛样筒的上端与所述固定环接触，所述试验盛样筒的轴线与所述固定杆的轴线平行；优选地，所述固定杆设置有多根，多根所述固定杆均位于所述试验盛样筒的外侧，多根所述固定杆沿所述底座周向均匀分布；优选地，所述底座的上表面设置有螺纹孔，所述螺纹孔的直径为10mm～15mm、深度为10mm～15mm，所述固定杆的下端位于所述螺纹孔内，所述固定杆通过所述螺纹孔与所述底座螺纹相连；优选地，所述底座内设置有用于流通冷冻液的第一通路，所述底座的侧壁设置有第一进液口和第一出液口，所述第一通路的一端与所述第一进液口连通，所述第一通路的另一端与所述第一出液口连通；优选地，所述底座的材质为不锈钢，所述底座的外径D3为80mm～100mm、高度为H3为20mm～30mm；优选地，所述底座的上表面设置有限位槽，所述限位槽为圆柱形结构，所述限位槽的内径与所述试验盛样筒的外径相同，所述试验盛样筒的下端位于所述限位槽内，所述固定环为圆环形结构，所述固定环的内径与所述试验盛样筒的外径一致；优选地，还包括补水设备，所述底座设置有补水口，所述补水设备与所述补水口通过补水管连通，所述限位槽的槽底沿直径设置有多个凹槽，多个所述凹槽呈米字型设置，所述限位槽的槽底中心处设置有出水口，所述出水口与所述补水口连通，所述补水设备能够通过所述补水口向所述试样补水，所述补水设备的最大补水水头不超过所述试样的高度。
进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述顶部压头内设置有用于流通冷冻液的第二通路，所述顶部压头的上表面设置有第二进液口和第二出液口，所述第二通路的一端与所述第二进液口连通，所述第二通路的另一端与所述第二出液口连通；优选地，所述顶部压头的材质为不锈钢，所述顶部压头的外径D2小于所述试验盛样筒的内径D1，所述顶部压头的高度H2为20mm～30mm；优选地，所述顶部压头的外径D2＝所述试验盛样筒内径D1-2mm；优选地，还包括压杆，所述顶部压头的上表面的中心处设置有安装孔，所述安装孔内设置有内螺纹，所述压杆的下端进入所述安装孔内，所述压杆的下端与所述安装孔螺纹连接，所述安装孔的直径为10mm～15mm、深度为10mm～15mm。
进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，还包括轴压加载设备，所述压杆的上端为向所述压杆内部凹陷的圆弧面，所述轴压加载设备与所述压杆的上端接触，所述轴压加载设备可进行轴力或变形控制，所述轴压加载设备通过所述压杆将采用轴力控制的设定荷载或采用变形控制的设定变形量施加到所述顶部压头，所述顶部压头将所述设定荷载或所述设定变形量施加到所述试验盛样筒内的所述试样；优选地，所述轴压加载设备的量程为5KN～20KN，所述轴压加载设备通过电机控制或者通过油压控制；优选地，所述轴压加载设备具有变形量测装置，所述变形量测装置的量程为30mm～100mm、精度为全量程的0.02％～0.2％。
进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述试验盛样筒的高度H1为150mm～300mm、内径D1为50mm～100mm、筒壁厚M1为5mm～15mm，所述试验盛样筒的材质为亚克力透明材料；所述试验盛样筒内由下至上依次设置有底部透水石、滤纸、所述试样、滤纸和顶部透水石；优选地，所述试样初始直径D＝所述试验盛样筒内径D1-△D，△D＝0～5mm，所述试样的初始高度h为所述试验盛样筒的内径D1的2～2.5倍，所述底部透水石的厚度为d；优选地，在所述试验盛样筒与所述试样之间的缝隙填充泡沫板或水泥浆；优选地，在所述试验盛样筒的侧壁上设置有第一安装孔、第二安装孔和通孔，所述第一安装孔的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为H4，H4＝h/3+d，所述第二安装孔的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为H5，H5＝2*h/3+d，所述第一安装孔的圆心和所述第二安装孔的圆心的连线与所述试验盛样筒的轴线平行，所述通孔的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为H6，H6＝(10+d)cm；优选地，所述第一安装孔、所述第二安装孔和所述通孔均设置有多个，所述第一安装孔和所述第二安装孔的数量一致，多个所述第一安装孔沿所述试验盛样筒的周向均匀分布，多个所述第二安装孔沿所述试验盛样筒的周向均匀分布，多个所述通孔沿所述试验盛样筒的周向均匀分布；优选地，所述第一安装孔设置有1～4个，所述第二安装孔设置有1～4个，所述通孔设置有1～4个，所述第一安装孔、所述第二安装孔和所述通孔的数量一致；优选地，所述通孔与所述第二安装孔在所述试验盛样筒的侧壁的圆周方向上交替设置，所述通孔的轴线与所述试验盛样筒的轴线垂直，所述第一安装孔的轴线与所述试验盛样筒的轴线垂直，所述第二安装孔的轴线与所述试验盛样筒的轴线垂直，所述通孔与相邻的所述第二安装孔的轴线之间所形成的夹角为α，多个所述通孔的轴线和多个所述第二安装孔的轴线所形成的多个夹角α均相等。
进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述测试元件包括压力盒，所述压力盒为圆柱形结构，所述压力盒的侧壁设置有外螺纹，所述第一安装孔和所述第二安装孔均设置有内螺纹，每个所述第一安装孔内安装有一个所述压力盒，每个所述第二安装孔内安装有一个所述压力盒，所述压力盒与所述第一安装孔和所述第二安装孔之间均为螺纹连接，所述压力盒的一端与所述试验盛样筒的内壁齐平，所述压力盒的一端为凹陷的圆弧面，所述压力盒的一端的圆弧面的弧度与所述试验盛样筒的内壁的弧度一致，所述压力盒的另一端与所述试验盛样筒的外壁齐平，所述压力盒的另一端引出有测试线，所述压力盒的另一端为凸出的圆弧面，所述压力盒的另一端的圆弧面的弧度与所述试验盛样筒的外壁的弧度一致，所述压力盒通过所述测试线与所述数据采集仪连接；优选地，所述压力盒的一端的圆弧面的竖向截面所产生的圆的最大直径＞试样中最大颗粒的粒径1.5～2.0倍，所述压力盒直径≤10mm、高度H7≤7mm。
进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述测试元件还包括压力膜，每个所述通孔下方的所述试验盛样筒的内壁上均粘贴有一个所述压力膜，所述压力膜为圆形结构，所述压力膜的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为H8，H8＝h/2+d，所述压力膜的测试线通过所述通孔引出，所述压力膜的测试线与数据采集仪连接；优选地，所述压力膜为柔性薄膜压敏传感器。
进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，还包括温度控制设备，所述温度控制设备能够分别对所述顶部压头的温度和所述底座的温度进行控制，所述温度控制设备对所述顶部压头的进行温度控制的量程为-30℃～10℃，所述温度控制设备对所述底座进行温度控制的量程为-30℃～10℃；优选地，所述温度控制设备内存储有可控温度的冷冻液，所述温度控制设备设置有两根出液管和两根进液管，所述温度控制设备、一根所述出液管、所述底座的所述第一进液口、所述底座的所述第一出液口、一根所述进液管和所述温度控制设备依次连通，形成用于冷冻液的循环通路；所述温度控制设备、另一根所述出液管、所述顶部压头的所述第二进液口、所述顶部压头的所述第二出液口、另一根所述进液管和所述温度控制设备依次连通，形成用于冷冻液的循环通路；还包括风机，所述风机对所述试验盛样筒外围的环境温度进行调控，所述风机对环境温度进行控制的量程为-5℃～30℃。
另一方面，提供了一种利用上述的冻融土体侧压力系数测试系统进行测试的方法，包括以下步骤：
(1)制备试样：根据试样要求，制备含水量为w、干密度为ρ、初始直径为D和高度为h的圆柱体试样；
(2)试样冻结：将步骤(1)中试样置于恒低温冷冻箱内冻结24～48小时，冻结温度为T，T＝-30～0℃；
(3)安装测试元件：将压力盒和压力膜安装在试验盛样筒对应位置，并引出压力盒和压力膜的测试线至数据采集仪；
(4)设置低温系统：根据试验设计要求，将温度控制设备通过一根进液管和一根出液管与底座连接，将温度控制设备通过另一根进液管和另一根出液管与顶部压头连接，然后分别设置温度控制设备对底座和顶部压头控制的温度并启动温控，将风机控制的环境温度设置为0℃～10℃；
(5)安装试样：在试验盛样筒的内壁涂抹凡士林或黄油，通过固定环将试验盛样筒固定在支架内，在试验盛样筒内依次填充底部透水石、滤纸、冻结后试样、滤纸和顶部透水石，然后安装顶部压头；
(6)施加轴向压力：通过轴压加载设备对顶部压头上方的压杆施加轴力控制的设定荷载或变形控制的设定变形量；
(7)侧压力测试：随步骤(6)开始，测试元件开始测试试样在融化压缩后与试验盛样筒内壁上的压力盒和压力膜的接触应力，记录侧压力P(t)与时间t的关系曲线；
(8)计算侧压力系数：采用Maxwell模型或Kelvin模型拟合应力松弛特征曲线，并计算获得土侧压力系数。
进一步地，在上述的方法中，在所述步骤(6)中，当轴压加载设备对顶部压头施加轴力控制的设定荷载时，设定荷载的轴向压力为F，轴向压力F保持不变，试样与试验盛样筒的内壁接触后试样水平方向变形＝0，满足侧限压缩特征，记录轴向位移s与时间t的关系曲线，P(t)将随时间不断衰减松弛，采用Maxwell模型或Kelvin模型拟合P(t)应力松弛特征曲线，并计算获得静止土侧压力系数；
通过公式1计算任一时刻冻融土体侧压力系数k；
公式1中：F为压杆施加恒定轴向压力；D1为试验盛样筒的内径；P(t)为时间t时压力盒和压力膜记录的侧压力；
在时间由0至t的过程中，根据公式1可绘制k0-t曲线，获得恒定上覆荷载时冻融土体侧压力系数k随时间的演化规律；
优选地，在所述步骤(6)中，当轴压加载设备对顶部压头施加变形控制的设定变形量时，设定变形量为恒定速率v的轴向位移s，试样与试验盛样筒内壁接触后试样水平方向变形＝0，轴向位移达到设计位移s后试样竖直方向变形＝0，记录轴向压力F与时间t的关系曲线，轴向位移s取值1～5mm，恒定速率v取值0.01～0.02mm/min，压杆施加的实时轴向压力F(t)和P(t)均将随时间不断衰减松弛，采用Maxwell模型或Kelvin模型拟合F(t)和P(t)应力松弛特征曲线，并计算获得双向松弛状态下土侧压力系数；
通过公式2计算任一时刻冻融土体侧压力系数k；
公式2中：F(t)为压杆施加的实时轴向压力；D1为试验盛样筒的内径；P(t)为时间为t时压力盒和压力膜记录的侧压力；
在时间由0至t的过程中，根据公式2可绘制k0-t曲线，获得恒定竖向位移时冻融土体侧压力系数k随时间的演化规律；
优选地，在所述步骤(7)中，所述侧压力P(t)通过所述压力盒和所述压力膜实时监测结果经加权平均计算获得，如多个所述压力盒测得的侧压力分别为P1(t)...Pi(t)，多个所述压力膜测得的侧压力分别为Pi+1(t)...Pn(t)，则P(t)可通过公式3计算获得：
分析可知，本发明公开一种冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法，从立井井壁冻结法施工时外围土体经历的冻结-开挖-融化特征出发，在传统土体侧压力计算方法的基础上，研发了该测试系统及测试方法，利用该测试系统能够进行冻融土体侧压力系数演化过程的测试，尽可能真实地模拟了立井井壁外围土体经历的冻结-开挖-融化条件，能够对冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征进行研究，特别是冻融土侧压力增长规律进行试验与计算，揭示冻融条件下的静止侧压力系数演化规律，计算获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布，该测试系统及测试方法填补了目前在地下支护结构外侧土体开挖卸荷或回填后，土体侧压力系数演化规律室内试验测试方法的空白，特别对立井井壁外围土体经历冻结-开挖-融化各阶段，冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征研究及冻融土侧压力增长规律试验与计算具有重要意义，进一步弥补了现有土体侧压力演化研究在冻融土上的欠缺之处，更是后续开展相关地下结构支护外荷载取值、结构设计及安全评价的基础研究。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为本发明一实施例的支架的立体结构示意图。
图3为本发明一实施例的试验盛样筒内设置试样后的结构示意图。
图4为本发明一实施例的顶部压头的立体结构示意图。
图5为本发明一实施例的压力盒的立体结构示意图。
图6为图2的第一安装孔、第二安装孔、通孔分别设置一个时试验盛样筒的俯视结构示意图。
图7为图2的第一安装孔、第二安装孔、通孔分别设置两个时试验盛样筒的俯视结构示意图。
图8为图2第一安装孔、第二安装孔、通孔分别设置三个时试验盛样筒的俯视结构示意图。
图9为图2第一安装孔、第二安装孔、通孔分别设置四个时试验盛样筒的俯视结构示意图。
图10为本发明一实施例的试验盛样筒的立体结构示意图。
附图标记说明：1支架；11底座；12固定环；13固定杆；14第一进液口；15第一出液口；16限位槽；17凹槽；18补水口；2试验盛样筒；21第一安装孔；22第二安装孔；23通孔；24底部透水石；25滤纸；26顶部透水石；3顶部压头；31第二进液口；32第二出液口；33压杆；4试样；5测试元件；51压力盒；52测试线；53压力膜；6计算机；7补水设备；8轴压加载设备；9温度控制设备；100数据采集仪。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，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的具体含义。
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
如图1至图10所示，根据本发明的实施例，提供了一种冻融土体侧压力系数测试系统，如图1所示，包括支架1、试验盛样筒2、顶部压头3、测试元件5、数据采集仪100和计算机6，其中，试验盛样筒2设置在支架1内，支架1能够为试验盛样筒2提供稳定支撑，冻融土体的试样4和测试元件5均设置在试验盛样筒2内；顶部压头3位于试验盛样筒2的顶部，顶部压头3能够进入试验盛样筒2内，并且顶部压头3能够在试验盛样筒2内上下移动，顶部压头3的上下移动能够向试样4施加轴向压力；测试元件5与试样4接触，测试元件5与数据采集仪100连接，数据采集仪100与计算机6连接，数据采集仪100通过测试元件5采集试样的侧压力数据，数据采集仪100将采集的侧压力数据传输给计算机6，计算机6根据测试元件5采集的侧压力数据进行计算能够获得冻融土体冻融过程中的侧压力系数实时值。利用该测试系统能够进行冻融土体侧压力系数演化过程的测试，尽可能真实地模拟了立井井壁外围土体经历的冻结-开挖-融化条件，能够对冻结壁土体(冻融土体)融化过程及融化后与井壁的作用特征进行研究，特别是冻融土侧压力增长规律进行试验与计算，对揭示冻融条件下的静止侧压力系数演化规律、计算获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布，开展井壁结构设计与稳定性评价具有重要意义。
进一步地，如图2所示，支架1包括底座11、固定环12和固定杆13，固定杆13的下端与底座11固定连接，固定杆13的上端设置有外螺纹，固定杆13的上端穿过固定环12后利用螺母固定，试验盛样筒2位于底座11上，试验盛样筒2的上端与固定环12接触，试验盛样筒2的轴线与固定杆13的轴线平行，支架1能够对试验盛样筒2提供稳定支撑，保证冻融土体侧压力系数演化过程测试的顺利进行。优选地，固定杆13设置有多根，多根固定杆13均位于试验盛样筒2的外侧，多根固定杆13沿底座11周向均匀分布，如此设置能够使支架1更加稳定。优选地，底座11的上表面设置有螺纹孔，螺纹孔的直径为10mm～15mm(如此10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm)、深度为10mm～15mm(如此10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm)，固定杆13的下端位于螺纹孔内，固定杆13通过螺纹孔与底座11螺纹相连，如此设置能够方便对该测试系统进行拆卸和组装。优选地，底座11内设置有用于流通冷冻液的第一通路，底座11的侧壁设置有第一进液口14和第一出液口15，第一通路的一端与第一进液口14连通，第一通路的另一端与第一出液口15连通，如此设置能够实现对底座11的温度进行控制。在利用该测试系统进行测试的时，根据实际冻结壁开挖支护后冻结壁的温度变化曲线，通过控制底座11的温度能够对试样4的温度进行控制，使试样4真实模拟冻融土体的温度变化。优选地，底座11的材质为不锈钢，底座11的外径D3为80mm～100mm(比如80mm、82mm、84mm、86mm、88mm、90mm、92mm、94mm、96mm、98mm、100mm)、高度为H3为20mm～30mm(比如20mm、21mm、22mm、23mm、24mm、25mm、26mm、27mm、28mm、29mm、30mm)。优选地，底座11的上表面设置有限位槽16，限位槽16为圆柱形结构，限位槽16的内径与试验盛样筒2的外径相同，试验盛样筒2的下端位于限位槽16内，限位槽16用于固定试验盛样筒2，避免出现试验盛样筒2因上下歪斜而导致试样4受力不均。固定环12为圆环形结构，固定环12的内径与试验盛样筒2的外径一致，试验盛样筒2的上端与固定环12接触。优选地，还包括补水设备77，底座11设置有补水口18，补水设备77与补水口18通过补水管连通，限位槽16的槽底沿直径设置有多个凹槽17，多个凹槽17呈米字型设置。限位槽16的槽底中心处设置有出水口，出水口与补水口18连通，补水设备77能够通过补水口18向试样4补水，补水设备77的最大补水水头不超过试样4的高度，即补水设备77产生的水位液面不超过试样4的高度。凹槽17的设置能够确保补水设备77可均匀的向试样4补水。地下工程冻结法施工过程中，冻结或融化土体外围环境常处于含水地层中，向试样4补水可以模拟实际地层的富水环境，可研究富水环境对土体冻结与融化过程中的冻胀变形及冻胀力的影响规律，进而以更加符合实际地质特征的工况获得静止土压力系数的演化规律。
进一步地，如图4所示，顶部压头3内设置有用于流通冷冻液的第二通路，顶部压头3的上表面设置有第二进液口31和第二出液口32，第二通路的一端与第二进液口31连通，第二通路的另一端与第二出液口32连通。如此设置能够实现对顶部压头3的温度进行控制。在利用该测试系统进行测试的时，根据实际冻结壁开挖支护后冻融土体的温度变化曲线，通过控制顶部压头3的温度以及底座11的温度进而控制试样4的温度，使试样4真实模拟冻融土体的温度变化。优选地，顶部压头3的材质为不锈钢，顶部压头3的外径D2小于试验盛样筒2的内径D1，顶部压头3的高度H2为20mm～30mm(比如20mm、21mm、22mm、23mm、24mm、25mm、26mm、27mm、28mm、29mm、30mm)；顶部压头3的外径D2＝试验盛样筒2内径D1-2mm，即顶部压头3的外径D2略比试验盛样筒2内径小2mm，顶部压头3对试样4加压时通常会因为试样4的非均匀性导致出现偏心下压，采用顶部压头3的外径略小于试验盛样筒2的内径的设计可在一定程度上避免顶部压头3偏心下压时与试验盛样筒2内壁间产生的误差荷载，确保轴压加载设备8施加的轴向荷载全部传递给试样4。优选地，还包括压杆33，顶部压头3的上表面的中心处设置有安装孔，安装孔内设置有内螺纹，压杆33的下端进入安装孔内，压杆33的下端与安装孔螺纹连接，如此设置能够方便压杆33的安装和拆卸。安装孔的直径为10mm～15mm(如此10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm)、深度为10mm～15mm(如此10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm)，如此设置能够保证压杆33与顶部压头3连接的可靠性。
进一步地，还包括轴压加载设备8，压杆33的上端为向压杆33内部凹陷的圆弧面，轴压加载设备8与压杆33的上端接触，轴压加载设备8可进行轴力或变形控制，轴压加载设备8通过压杆33将设定荷载或设定变形量的轴向压力施加到顶部压头3，顶部压头3将轴向压力施加到试验盛样筒2内的试样4；优选地，轴压加载设备8的量程为5KN～20KN，轴压加载设备8通过电机控制或者通过油压控制；优选地，轴压加载设备8具有变形量测装置，变形量测装置的量程为30mm～100mm、精度为全量程的0.02％～0.2％。利用轴压加载设备8对试样4施加轴向压力能够模拟真实工程中冻融土体所承受的竖向压力。
进一步地，如图3所示，试验盛样筒2的高度H1为150mm～300mm(比如：150mm、160mm、160mm、180mm、180mm、200mm、210mm、220mm、230mm、240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm、300mm)、内径D1为50mm～100mm(50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm)、筒壁厚M1为5mm～15mm(比如：5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm)，试验盛样筒2的材质为亚克力透明材料，便于观察试样4融化和变形特征，进而能够了解冻融土体的融化和变形特征。试验盛样筒2内由下至上依次设置有底部透水石24、滤纸25、试样4、滤纸25和顶部透水石26，滤纸25用于分离试样4和底部透水石24或顶部透水石26，布设底部透水石24能够方便对试样4进行补水。优选地，试样4初始直径D＝试验盛样筒2内径D1-△D，△D＝0～5mm(比如：0mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm)，△D根据实际冻结壁与井壁之间的接触形式和特征确定，当冻结壁与井壁之间直接接触时，△D＝0mm；当冻结壁与井壁之间有缝隙，而非直接接触时，△D>0mm。为了模拟不同工况，在试验盛样筒2与试样4之间的缝隙填充泡沫板或水泥浆等，进而研究试验盛样筒2的壁间填材材料对侧压力系数的影响规律，具体试验方案需要根据工程需求确定，填充与否以及填充物的类型视情况而定。试样4的初始高度h为试验盛样筒2的内径D1的2～2.5倍(比如：2倍、2.1倍、2.2倍、2.3倍、2.4倍、2.5倍)，选用该高径比利于轴压加载设备8对试样4施加的压力向试样4下端传递，确保试样4上端和下端受力均匀。底部透水石24的厚度为d。优选地，在试验盛样筒2的侧壁上设置有第一安装孔21、第二安装孔22和通孔23，第一安装孔21的圆心与试验盛样筒2的下端的垂直距离为H4，H4＝h/3+d，第二安装孔22的圆心与试验盛样筒2的下端的垂直距离为H5，H5＝2*h/3+d，第一安装孔21的圆心和第二安装孔22的圆心的连线与试验盛样筒2的轴线平行，通孔23的圆心与试验盛样筒2的下端的垂直距离为H6，H6＝(10+d)cm。优选地，第一安装孔21、第二安装孔22和通孔23均设置有多个，第一安装孔21和第二安装孔22的数量一致，多个第一安装孔21沿试验盛样筒2的周向均匀分布，多个第二安装孔22沿试验盛样筒2的周向均匀分布，第一安装孔21和第二安装孔22用于安装压力盒51，通孔23用于将压力膜53的测试线引出至试验盛样筒2外。优选地，第一安装孔21设置有1～4个，第二安装孔22设置有1～4个，通孔设置有1～4个，第一安装孔21的数量、第二安装孔22和通孔23的数量一致；优选地，通孔23与第二安装孔22在试验盛样筒2的圆周方向上交替设置，通孔23的轴线与试验盛样筒2的轴线垂直，第一安装孔21的轴线与试验盛样筒2的轴线垂直，第二安装孔22的轴线与试验盛样筒2的轴线垂直，如图6-图9所示，在试验盛样筒2的俯视图上，通孔23与相邻的第二安装孔22的轴线之间所形成的夹角为α，多个通孔23的轴线和多个第二安装孔22的轴线所形成的多个夹角α均相等。比如：如图6所示，当第二安装孔22和通孔23分别设置有1个时，通孔23与第二安装孔22相对于试验盛样筒2的轴线呈对称分布，通孔23的轴线与第二安装孔22的轴线所形成的夹角α为180°。如图7所示，当第二安装孔22和通孔23分别设置2个时，通孔23的轴线与第二安装孔22的轴线所形成的夹角α为90°，通孔23的轴线与第二安装孔22的轴线垂直。如图8所示，当第二安装孔22的轴线和通孔23的轴线分别设置有3个时，每个通孔23的轴线与相邻的第二安装孔22的轴线之间的夹角α均为60°，如图9所示，当第二安装孔22和通孔23分别设置有4个时，每个通孔23的轴线与相邻的第二安装孔22的轴线之间的夹角α均为45°。
进一步地，测试元件5包括压力盒51，压力盒51为土压力传感器，如图5所示，压力盒51为圆柱形结构，压力盒51的侧壁设置有外螺纹，第一安装孔21和第二安装孔22均设置有内螺纹，每个第一安装孔21内安装有一个压力盒51，每个第二安装孔22内安装有一个压力盒51，压力盒51与第一安装孔21和第二安装孔22之间均为螺纹连接，如图10所示，压力盒51的一端与试验盛样筒2的内壁齐平，压力盒51的一端与试样4接触，压力盒51的一端为凹陷的圆弧面，压力盒51的一端的圆弧面的弧度与试验盛样筒2的侧壁的弧度一致；压力盒51的另一端与试验盛样筒2的外壁齐平，压力盒51的另一端为凸出的圆弧面，压力盒51的另一端的圆弧面的弧度与试验盛样筒2的外壁的弧度一致，压力盒51的另一端引出有测试线52，优选地，压力盒51的一端的圆弧面的竖向截面所产生的圆的最大直径＞试样4中最大颗粒的粒径1.5～2.0倍(比如：1.5倍、1.6倍、1.7倍、1.8倍、1.9倍、2.0倍)，避免因试样4最大颗粒粒径过大对测试结果的影响，压力盒51直径≤10mm、高度H7≤7mm。
进一步地，测试元件5还包括压力膜53，每个通孔23下方的试验盛样筒2的内壁上均粘贴有一个压力膜53，压力盒51的数量是压力膜53数量的2倍，压力膜53为圆形结构，压力膜53的圆心与试验盛样筒2的下端的垂直距离为H8＝h/2+d，压力膜53的测试线通过通孔23引出，压力膜53的测试线与数据采集仪100连接；优选地，压力膜53为柔性薄膜压敏传感器。压力盒51和压力膜53能够对试样4所承受的压力大小及分布进行监测，进而获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布。
进一步地，还包括温度控制设备9，温度控制设备9能够分别对顶部压头3的温度和底座11的温度进行控制，温度控制设备9对顶部压头3的进行温度控制的量程为-30℃～10℃，温度控制设备9对底座11进行温度控制的量程为-30℃～10℃；优选地，温度控制设备9内存储有可控温度的冷冻液，温度控制设备9设置有两根出液管和两根进液管，温度控制设备9、一根出液管、底座11的第一进液口14、底座11的第一出液口15、一根进液管和温度控制设备9依次连通，形成用于冷冻液的循环通路；温度控制设备9、另一根出液管、顶部压头3的第二进液口31、顶部压头3的第二出液口32、另一根进液管和温度控制设备9依次连通，形成用于冷冻液的循环通路。还包括风机，风机对试验盛样筒2外围的环境温度进行调控，风机对环境温度进行控制的量程为-5℃～30℃。通过温度控制设备9对顶部压头3的温度、底座11的温度进行控制，以及风机对环境温度进行控制，能够真实模拟冻融土体的融化过程。
本发明还公开了一种利用上述的冻融土体侧压力系数测试系统进行侧压力系数演化过程测试的方法，包括以下步骤：
(1)制备试样4：根据试验要求，制备含水量为w、干密度为ρ、初始直径为D和高度为h的圆柱体试样4；
(2)试样4冻结：将步骤(1)中试样4置于恒低温冷冻箱内冻结24～48小时，冻结温度为T，T＝-30～0℃；该温度根据实际冻结法施工时，冻结壁设计温度确定，也可对地表浅部季节性冻土进行相关试验。
(3)安装测试元件5：将压力盒51和压力膜53安装在试验盛样筒2对应位置，并引出压力盒51和压力膜53的测试线至数据采集仪100；
(4)设置低温系统：根据试验设计要求，将温度控制设备9通过一根进液管和一根出液管与底座11连接，将温度控制设备9通过另一根进液管和另一根出液管与顶部压头3连接，然后根据实际冻结壁开挖支护后，冻结壁温度变化曲线设置低温系统温度T(t)，分别设置温度控制设备9对底座11和顶部压头3控制的温度，将风机控制的环境温度设置为0℃～10℃，启动低温系统的温控；温度控制设备9对底座11和顶部压头3所设置的温度可以相同，也可以不同。
(5)安装试样4：在试验盛样筒2的内壁涂抹凡士林或黄油，通过固定环12将试验盛样筒2固定在支架1内，在试验盛样筒2内依次填充底部透水石24、滤纸25、冻结后的试样4、滤纸25和顶部透水石26，然后安装顶部压头3；在试验盛样筒2的内壁涂抹凡士林或黄油能够减小试样4与试验盛样筒2间的摩擦力，确保轴压加载系统施加的轴向荷载全部传递给试样4，减小试样4和试验盛样筒2之间的摩擦力对试验结果的影响。
(6)施加轴向压力：通过轴压加载设备8对顶部压头3上方的压杆33施加轴力控制的设定荷载或变形控制的设定变形量；
(7)侧压力测试：随步骤(6)开始，测试元件5开始测试试样4在融化压缩后与试验盛样筒2内壁上的压力盒51和压力膜53的接触应力，记录侧压力P(t)与时间t的关系曲线；
侧压力P(t)通过压力盒51和压力膜53实时监测结果经加权平均计算获得，如多个压力盒51监测得侧压力分别为P1(t)...Pi(t)，多个压力膜53监测得侧压力分别为Pi+1(t)...Pn(t)，则P(t)可通过公式3计算获得：
(8)计算侧压力系数：采用Maxwell模型或Kelvin模型拟合应力松弛特征曲线，并计算获得土侧压力系数。
进一步地，在步骤(6)中，当轴压加载设备8对顶部压头3施加轴力控制的设定荷载时，设定荷载的轴向压力为F，轴向压力F保持不变，试样4与试验盛样筒2的内壁接触后试样4水平方向变形＝0，满足侧限压缩特征，记录轴向位移s与时间t的关系曲线，P(t)将随时间不断衰减松弛，采用Maxwell模型或Kelvin模型拟合P(t)应力松弛特征曲线，并计算获得静止土侧压力系数；
此时，通过公式1计算任一时刻冻融土体侧压力系数k；
公式1中：F为压杆33施加恒定轴向压力；D1为试验盛样筒2的内径；P(t)为时间t时压力盒51和压力膜53记录的侧压力；
在时间由0至t的过程中，根据公式1可绘制k0-t曲线，获得恒定上覆荷载时冻融土体侧压力系数k随时间的演化规律。
进一步地，在所述步骤(6)中，当轴压加载设备8对顶部压头施加变形控制的设定变形量时，
设定变形量为恒定速率v的轴向位移s，试样与试验盛样筒内壁接触后试样水平方向变形＝0，轴向位移达到设计位移s后试样竖直方向变形＝0，记录轴向压力F与时间t的关系曲线，轴向位移s取值1～5mm，恒定速率v取值0.01～0.02mm/min，压杆施加的实时轴向压力F(t)和P(t)均将随时间不断衰减松弛，采用Maxwell模型或Kelvin模型拟合F(t)和P(t)应力松弛特征曲线，并计算获得双向松弛状态下土侧压力系数；
此时，通过公式2计算任一时刻冻融土体侧压力系数k；
公式2中：F(t)为压杆施加的实时轴向压力；D1为试验盛样筒的内径；P(t)为时间t时压力盒51和压力膜53记录的侧压力；
在时间由0至t的过程中，根据公式2可绘制k0-t曲线，获得恒定竖向位移时冻融土体侧压力系数k随时间的演化规律。
进一步地，利用该测试系统及测试方法可进行常温下或任意可冻结和融化土体的温度下土体侧压力系数的测试。取消测试方法中的步骤(2)和步骤(8)后，能对普通土体开挖支护后支护结构外侧土体侧压力系数演化规律进行测试探究。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
一种冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法，从立井井壁冻结法施工时外围土体经历的冻结-开挖-融化特征出发，在传统土体侧压力计算方法的基础上，研发了该测试系统及测试方法，利用该测试系统能够进行冻融土体侧压力系数演化过程的测试，尽可能真实地模拟了立井井壁外围土体经历的冻结-开挖-融化条件，能够对冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征进行研究，特别是冻融土侧压力增长规律进行试验与计算，揭示冻融条件下的静止侧压力系数演化规律，计算获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布，该测试系统及测试方法填补了目前在地下支护结构外侧土体开挖卸荷或回填后，土体侧压力系数演化规律室内试验测试方法的空白，特别对立井井壁外围土体经历冻结-开挖-融化各阶段，冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征研究及冻融土侧压力增长规律试验与计算具有重要意义，进一步弥补了现有土体侧压力演化研究在冻融土上的欠缺之处，更是后续开展相关地下结构支护外荷载取值、结构设计及安全评价的基础研究。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种冻融土体侧压力系数测试系统，其特征在于，包括支架、试验盛样筒、顶部压头、测试元件、数据采集仪和计算机，其中，
所述试验盛样筒设置在所述支架内，所述支架能够为所述试验盛样筒提供稳定支撑，所述冻融土体的试样和所述测试元件均设置在所述试验盛样筒内；
所述顶部压头位于所述试验盛样筒的顶部，所述顶部压头能够在所述试验盛样筒内上下移动，所述顶部压头的移动能够向所述试样施加轴向压力；
所述测试元件与所述试样接触，所述测试元件与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪与所述计算机连接，所述数据采集仪通过所述测试元件采集所述试样的侧压力数据，所述数据采集仪将采集的侧压力数据传输给所述计算机，所述计算机根据所述测试元件采集的侧压力数据进行计算能够获得所述冻融土体冻融过程中的侧压力系数实时值。
2.根据权利要求1所述的冻融土体侧压力系数测试系统，其特征在于，
所述支架包括底座、固定环和固定杆，所述固定杆的下端与所述底座固定连接，所述固定杆的上端设置有外螺纹，所述固定杆的上端穿过所述固定环后利用螺母固定，所述试验盛样筒位于所述底座上，所述试验盛样筒的上端与所述固定环接触，所述试验盛样筒的轴线与所述固定杆的轴线平行；
优选地，所述固定杆设置有多根，多根所述固定杆均位于所述试验盛样筒的外侧，多根所述固定杆沿所述底座周向均匀分布；
优选地，所述底座的上表面设置有螺纹孔，所述螺纹孔的直径为10mm～15mm、深度为10mm～15mm，所述固定杆的下端位于所述螺纹孔内，所述固定杆通过所述螺纹孔与所述底座螺纹相连；
优选地，所述底座内设置有用于流通冷冻液的第一通路，所述底座的侧壁设置有第一进液口和第一出液口，所述第一通路的一端与所述第一进液口连通，所述第一通路的另一端与所述第一出液口连通；
优选地，所述底座的材质为不锈钢，所述底座的外径D3为80mm～100mm、高度为H3为20mm～30mm；
优选地，所述底座的上表面设置有限位槽，所述限位槽为圆柱形结构，所述限位槽的内径与所述试验盛样筒的外径相同，所述试验盛样筒的下端位于所述限位槽内，所述固定环为圆环形结构，所述固定环的内径与所述试验盛样筒的外径一致；
优选地，还包括补水设备，所述底座设置有补水口，所述补水设备与所述补水口通过补水管连通，所述限位槽的槽底沿直径设置有多个凹槽，多个所述凹槽呈米字型设置，所述限位槽的槽底中心处设置有出水口，所述出水口与所述补水口连通，所述补水设备能够通过所述补水口向所述试样补水，所述补水设备的最大补水水头不超过所述试样的高度。
3.根据权利要求2所述的冻融土体侧压力系数测试系统，其特征在于，
所述顶部压头内设置有用于流通冷冻液的第二通路，所述顶部压头的上表面设置有第二进液口和第二出液口，所述第二通路的一端与所述第二进液口连通，所述第二通路的另一端与所述第二出液口连通；
优选地，所述顶部压头的材质为不锈钢，所述顶部压头的外径D2小于所述试验盛样筒的内径D1，所述顶部压头的高度H2为20mm～30mm；
优选地，所述顶部压头的外径D2＝所述试验盛样筒内径D1-2mm；
优选地，还包括压杆，所述顶部压头的上表面的中心处设置有安装孔，所述安装孔内设置有内螺纹，所述压杆的下端进入所述安装孔内，所述压杆的下端与所述安装孔螺纹连接，所述安装孔的直径为10mm～15mm、深度为10mm～15mm。
4.根据权利要求3所述的冻融土体侧压力系数测试系统，其特征在于，
还包括轴压加载设备，所述压杆的上端为向所述压杆内部凹陷的圆弧面，所述轴压加载设备与所述压杆的上端接触，所述轴压加载设备可进行轴力或变形控制，所述轴压加载设备通过所述压杆将采用轴力控制的设定荷载或采用变形控制的设定变形量施加到所述顶部压头，所述顶部压头将所述设定荷载或所述设定变形量施加到所述试验盛样筒内的所述试样；
优选地，所述轴压加载设备的量程为5KN～20KN，所述轴压加载设备通过电机控制或者通过油压控制；
优选地，所述轴压加载设备具有变形量测装置，所述变形量测装置的量程为30mm～100mm、精度为全量程的0.02％～0.2％。
5.根据权利要求1所述的冻融土体侧压力系数测试系统，其特征在于，
所述试验盛样筒的高度H1为150mm～300mm、内径D1为50mm～100mm、筒壁厚M1为5mm～15mm，所述试验盛样筒的材质为亚克力透明材料；
所述试验盛样筒内由下至上依次设置有底部透水石、滤纸、所述试样、滤纸和顶部透水石；
优选地，所述试样初始直径D＝所述试验盛样筒内径D1-△D，△D＝0～5mm，所述试样的初始高度h为所述试验盛样筒的内径D1的2～2.5倍，所述底部透水石的厚度为d；
优选地，在所述试验盛样筒与所述试样之间的缝隙填充泡沫板或水泥浆；
优选地，在所述试验盛样筒的侧壁上设置有第一安装孔、第二安装孔和通孔，所述第一安装孔的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为H4，H4＝h/3+d，所述第二安装孔的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为H5，H5＝2*h/3+d，所述第一安装孔的圆心和所述第二安装孔的圆心的连线与所述试验盛样筒的轴线平行，所述通孔的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为H6，H6＝(10+d)cm；
优选地，所述第一安装孔、所述第二安装孔和所述通孔均设置有多个，所述第一安装孔和所述第二安装孔的数量一致，多个所述第一安装孔沿所述试验盛样筒的周向均匀分布，多个所述第二安装孔沿所述试验盛样筒的周向均匀分布，多个所述通孔沿所述试验盛样筒的周向均匀分布；
优选地，所述第一安装孔设置有1～4个，所述第二安装孔设置有1～4个，所述通孔设置有1～4个，所述第一安装孔、所述第二安装孔和所述通孔的数量一致；
优选地，所述通孔与所述第二安装孔在所述试验盛样筒的侧壁的圆周方向上交替设置，所述通孔的轴线与所述试验盛样筒的轴线垂直，所述第一安装孔的轴线与所述试验盛样筒的轴线垂直，所述第二安装孔的轴线与所述试验盛样筒的轴线垂直，所述通孔与相邻的所述第二安装孔的轴线之间所形成的夹角为α，多个所述通孔的轴线和多个所述第二安装孔的轴线所形成的多个夹角α均相等。
6.根据权利要求5所述的冻融土体侧压力系数测试系统，其特征在于，
所述测试元件包括压力盒，所述压力盒为圆柱形结构，所述压力盒的侧壁设置有外螺纹，所述第一安装孔和所述第二安装孔均设置有内螺纹，每个所述第一安装孔内安装有一个所述压力盒，每个所述第二安装孔内安装有一个所述压力盒，所述压力盒与所述第一安装孔和所述第二安装孔之间均为螺纹连接，所述压力盒的一端与所述试验盛样筒的内壁齐平，所述压力盒的一端为凹陷的圆弧面，所述压力盒的一端的圆弧面的弧度与所述试验盛样筒的内壁的弧度一致，所述压力盒的另一端与所述试验盛样筒的外壁齐平，所述压力盒的另一端引出有测试线，所述压力盒的另一端为凸出的圆弧面，所述压力盒的另一端的圆弧面的弧度与所述试验盛样筒的外壁的弧度一致，所述压力盒通过所述测试线与所述数据采集仪连接；
优选地，所述压力盒的一端的圆弧面的竖向截面所产生的圆的最大直径＞试样中最大颗粒的粒径1.5～2.0倍，所述压力盒直径≤10mm、高度H7≤7mm。
7.根据权利要求5所述的冻融土体侧压力系数测试系统，其特征在于，
所述测试元件还包括压力膜，每个所述通孔下方的所述试验盛样筒的内壁上均粘贴有一个所述压力膜，所述压力膜为圆形结构，所述压力膜的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为H8，H8＝h/2+d，所述压力膜的测试线通过所述通孔引出，所述压力膜的测试线与数据采集仪连接；
优选地，所述压力膜为柔性薄膜压敏传感器。
8.根据权利要求3所述的冻融土体侧压力系数测试系统，其特征在于，
还包括温度控制设备，所述温度控制设备能够分别对所述顶部压头的温度和所述底座的温度进行控制，所述温度控制设备对所述顶部压头的进行温度控制的量程为-30℃～10℃，所述温度控制设备对所述底座进行温度控制的量程为-30℃～10℃；
优选地，所述温度控制设备内存储有可控温度的冷冻液，所述温度控制设备设置有两根出液管和两根进液管，所述温度控制设备、一根所述出液管、所述底座的所述第一进液口、所述底座的所述第一出液口、一根所述进液管和所述温度控制设备依次连通，形成用于冷冻液的循环通路；
所述温度控制设备、另一根所述出液管、所述顶部压头的所述第二进液口、所述顶部压头的所述第二出液口、另一根所述进液管和所述温度控制设备依次连通，形成用于冷冻液的循环通路；
还包括风机，所述风机对所述试验盛样筒外围的环境温度进行调控，所述风机对环境温度进行控制的量程为-5℃～30℃。
9.利用权利要求1至8中的任一项所述的冻融土体侧压力系数测试系统进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备试样：根据试样要求，制备含水量为w、干密度为ρ、初始直径为D和高度为h的圆柱体试样；
(2)试样冻结：将步骤(1)中试样置于恒低温冷冻箱内冻结24～48小时，冻结温度为T，T＝-30～0℃；
(3)安装测试元件：将压力盒和压力膜安装在试验盛样筒对应位置，并引出压力盒和压力膜的测试线至数据采集仪；
(4)设置低温系统：根据试验设计要求，将温度控制设备通过一根进液管和一根出液管与底座连接，将温度控制设备通过另一根进液管和另一根出液管与顶部压头连接，然后分别设置温度控制设备对底座和顶部压头控制的温度并启动温控，将风机控制的环境温度设置为0℃～10℃；
(5)安装试样：在试验盛样筒的内壁涂抹凡士林或黄油，通过固定环将试验盛样筒固定在支架内，在试验盛样筒内依次填充底部透水石、滤纸、冻结后试样、滤纸和顶部透水石，然后安装顶部压头；
(6)施加轴向压力：通过轴压加载设备对顶部压头上方的压杆施加轴力控制的设定荷载或变形控制的设定变形量；
(7)侧压力测试：随步骤(6)开始，测试元件开始测试试样在融化压缩后与试验盛样筒内壁上的压力盒和压力膜的接触应力，记录侧压力P(t)与时间t的关系曲线；
(8)计算侧压力系数：采用Maxwell模型或Kelvin模型拟合应力松弛特征曲线，并计算获得土侧压力系数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
在所述步骤(6)中，当轴压加载设备对顶部压头施加轴力控制的设定荷载时，
设定荷载的轴向压力为F，轴向压力F保持不变，试样与试验盛样筒的内壁接触后试样水平方向变形＝0，满足侧限压缩特征，记录轴向位移s与时间t的关系曲线，P(t)将随时间不断衰减松弛，采用Maxwell模型或Kelvin模型拟合P(t)应力松弛特征曲线，并计算获得静止土侧压力系数；
通过公式1计算任一时刻冻融土体侧压力系数k；
公式1中：F为压杆施加恒定轴向压力；D1为试验盛样筒的内径；P(t)为时间t时压力盒和压力膜记录的侧压力；
在时间由0至t的过程中，根据公式1可绘制k0-t曲线，获得恒定上覆荷载时冻融土体侧压力系数k随时间的演化规律；
优选地，在所述步骤(6)中，当轴压加载设备对顶部压头施加变形控制的设定变形量时，
设定变形量为恒定速率v的轴向位移s，试样与试验盛样筒内壁接触后试样水平方向变形＝0，轴向位移达到设计位移s后试样竖直方向变形＝0，记录轴向压力F与时间t的关系曲线，轴向位移s取值1～5mm，恒定速率v取值0.01～0.02mm/min，压杆施加的实时轴向压力F(t)和P(t)均将随时间不断衰减松弛，采用Maxwell模型或Kelvin模型拟合F(t)和P(t)应力松弛特征曲线，并计算获得双向松弛状态下土侧压力系数；
通过公式2计算任一时刻冻融土体侧压力系数k；
公式2中：F(t)为压杆施加的实时轴向压力；D1为试验盛样筒的内径；P(t)为时间为t时压力盒和压力膜记录的侧压力；
在时间由0至t的过程中，根据公式2可绘制k0-t曲线，获得恒定竖向位移时冻融土体侧压力系数k随时间的演化规律；
优选地，在所述步骤(7)中，所述侧压力P(t)通过所述压力盒和所述压力膜实时监测结果经加权平均计算获得，如多个所述压力盒测得的侧压力分别为P1(t)...Pi(t)，多个所述压力膜测得的侧压力分别为Pi+1(t)...Pn(t)，则P(t)可通过公式3计算获得：
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| 关辉 等: "高压条件下土的冻融试验装置研制及应用", 冰川冻土, vol. 36, no. 06, 15 December 2014 (2014-12-15), pages 1496 - 1501 * |
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