CN117990469A - 一种冰川冰制样系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰川冰制样系统及其试验方法，属于寒区冰川冰力学试验技术领域，冰川冰制样系统包括冰制样装置和冰样力学试验装置，通过冰制样装置现场制作冰川冰试样，能够较好的模拟冰川冰的野外环境，提高了力学试验的精度要求，有效的反映出实际情况；冰样力学试验装置可进行多种冰川冰力学试验，包括剪切试验、单轴抗压试验等，通过试验过程可得到冰川冰的多种物理力学性质，实现了一机多功能化，极大的节约了实验设备的花销；冰川冰制样系统实现了冰川冰制样及其力学试验的高度集成，试验人员可通过试验过程制作出多晶冰、岩屑冰和碎石冰，得到冰川冰的抗剪强度、抗压强度等。

Description

一种冰川冰制样系统及其试验方法

技术领域

本发明属于寒区冰川冰力学试验技术领域，特别是涉及一种冰川冰制样系统及其试验方法。

背景技术

冰川冰作为冰崩载体，其力学性质的改变关系到冰川稳定性。探究冰川冰力学性质可为气候变暖背景下高原冰崩的变形破坏机理和防灾减灾提供理论基础。

高原多处于高海拔地区，地质环境复杂，气候条件恶劣，导致取样困难；同时岩土体力学试验装置由于构造复杂、拆卸困难、重量庞大而难以在高原冰川地区开展现场试验，对冰川冰的野外现场力学试验带来了极大挑战。

而在现有冰制样和冰力学试验技术中，如申请号为CN201520275094.3的实用新型专利，其公开了一种海冰力学性能测试夹具，实现了海冰侧限压缩和剪切破坏测试，但冰不适用于高原山地冰川现场力学试验的测试，且对于冰川冰制样的方法完全没有涉及；申请号为CN201710854651.0的发明专利，其公开了一种用于冰力学试验的试件取样装置，虽然利用带汽油罐的汽油机和弹性钻头实现了在冰面进行实地取样，但是并不能完成冰川冰的现场力学试验，且该装置取样完成后需进一步加工，程序繁琐。

发明内容

本发明旨在提供了一种冰川冰制样系统及其试验方法，解决了现有冰制样和冰力学试验技术中存在的制样困难和难以对冰川冰进行现场力学试验的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供了一种冰川冰制样系统，其包括冰制样装置和冰样力学试验装置；冰制样装置包括立架，立架的顶部固定设置有上横梁，立架的中部滑动设置有升降平台，立架的底部固定设置有底座；上横梁镂空设置有加料口；升降平台的上端面设置有制样室，制样室的顶部开口位于加料口的下方，制样室的顶部开口拆卸设置有垫片；底座上设置有分离式千斤顶，分离式千斤顶的伸缩端设置有压头，压头的外轮廓与制样室的内轮廓相匹配，分离式千斤顶带动压头穿过升降平台位于制样室内；分离式千斤顶连接有动力驱动装置；制样室外部设置有制冷装置；

冰样力学试验装置包括承压板，承压板的顶部设置有固定横梁，承压板和固定横梁之间设置有移动横梁，移动横梁下方设置有立式千斤顶；固定横梁和移动横梁之间设置有冰样夹具，冰样夹具上设置有压力传感器，压力传感器与显示器电性连接；移动横梁一侧设置有用于记录其位移的标准尺。

进一步地，立架包括多根立柱，上横梁与多根立柱的顶部固定连接，移动横梁与多根立柱的中部滑动连接，底座与多根立柱的底部固定连接。

进一步地，每根立柱的底部均套设有一根缓冲弹簧，每根缓冲弹簧均位于升降平台和底座之间。

进一步地，动力驱动装置包括液压油泵，液压油泵通过液压管路与分离式千斤顶连通，液压油泵上连接有用于监测油压的刻度盘。

进一步地，制冷装置包括环境保温箱，环境保温箱的外部设置有带有制冷调控器的制冷机，制冷机的顶部设置有制冷片，制冷片位于环境保温箱的内部，制冷片的上端面设置有冷浴罐，冷浴罐内设置有水泵，冷浴罐上设置有冷冻液流进端和冷冻液流出端；冷冻液流进端和冷冻液流出端之间连接有一根铜制导管，铜制导管的中部缠绕设置于制样室的外部。

进一步地，承压板上端面的两侧均设置有一根第一竖梁，两根第一竖梁的顶部固定设置有固定横梁，固定横梁的下端面竖直设置有两根第二竖梁，两根第二竖梁上滑动设置有移动横梁。

进一步地，冰样夹具包括相对设置的上变角板和下变角板，固定横梁的下端面设置有压力传感器，压力传感器的下方设置有上变角板；移动横梁的上端面设置有下变角板；第一竖梁上设置有标准尺。

进一步地，上变角板和下变角板上均设置有多根用于调整自身角度的滚轴，上变角板和下变角板的角度调节范围为45°~70°。

进一步地，冰样夹具包括上压头与下压头，固定横梁的下端面设置有压力传感器，压力传感器的下方设置有上压头，移动横梁的上端面设置有下压头；上压头与下压头均呈圆饼形结构。

本发明还提供一种冰川冰制样系统的试验方法，使用冰川冰制样系统，试验方法包括：

步骤1、制作冰川冰试样；制作冰川冰试样的方法为：

步骤1.1、将压头放入制样室的底部并预先准备冰川冰试样所需的碎冰；

步骤1.2、通过放料口将部分碎冰放入制样室内；

步骤1.3、制冷装置的制冷温度设置为预设温度；

步骤1.4、使用垫片覆盖制样室的顶部开口；

步骤1.5、动力驱动装置驱动分离式千斤顶上升，带动压头将碎冰压缩固结；

步骤1.6、动力驱动装置卸力，分离式千斤顶下降，取下垫片，露出制样室的顶部开口；

步骤1.7、通过放料口继续将部分碎冰放入制样室内；

步骤1.8、重复步骤1.4~步骤1.7，直至将冰川冰试样所需的碎冰完全添加至制样室后，完成冰川冰试样的制作；

步骤2、对步骤1中的冰川冰试样进行力学试验，对冰川冰试样进行力学试验的方法为：

步骤2.1、将冰川冰试样从制样室内取出并放入冰样夹具内；

步骤2.2、立式千斤顶驱动冰样夹具对冰川冰试样进行不断挤压剪切，直至冰川冰试样破坏；

步骤2.3、压力传感器记录冰川冰试样破坏时的峰值荷载，标准尺测量出冰川冰试样在进行力学试验时的位移大小，根据峰值荷载和位移大小绘制出应力位移曲线，完成冰川冰试样的力学试验。

本发明的有益效果为：

1、本发明冰川冰制样系统构造简单，安装、拆卸容易，整个冰川冰制样系统重量轻便，不仅可用于室内试验，更适用野外，特别是高海拔寒区，极大的减轻了工作人员的负担。

2、本发明冰川冰制样系统将冰川冰制样及其力学试验高度集成，通过冰制样装置现场制作冰川冰试样，能够较好的模拟冰川冰的野外环境，提高了力学试验的精度要求，有效的反映出实际情况。

3、本发明冰川冰制样系统中的冰样力学试验装置可进行多种冰川冰力学试验，包括剪切试验、单轴抗压试验等，通过试验过程可得到冰川冰的多种物理力学性质，实现了一机多功能化，极大的节约了实验设备的花销。

附图说明

图1为一种冰川冰制样系统中冰制样装置的结构示意图。

图2为压头、制样室和垫片的放大结构示意图。

图3为环境保温箱的放大结构示意图。

图4为一种冰川冰制样系统中冰样力学试验装置的结构示意图。

图5为冰样夹具是上变角板和下变角板的结构示意图。

图6为冰样夹具是上压头和下压头的结构示意图。

其中，1、立架；101、立柱；2、上横梁；3、升降平台；4、底座；5、加料口；6、制样室；7、垫片；8、分离式千斤顶；9、压头；10、承压板；12、固定横梁；13、移动横梁；14、立式千斤顶；15、压力传感器；16、显示器；17、标准尺；18、缓冲弹簧；19、液压油泵；20、刻度盘；21、环境保温箱；22、制冷调控器；23、制冷机；24、制冷片；25、冷浴罐；26、冷冻液流进端；27、冷冻液流出端；28、铜制导管；29、第一竖梁；30、第二竖梁；31、上变角板；32、下变角板；33、滚轴；34、上压头；35、下压头。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图4所示，本发明提供了一种冰川冰制样系统，其包括冰制样装置和冰样力学试验装置；冰制样装置包括立架1，立架1的顶部固定设置有上横梁2，立架1的中部滑动设置有升降平台3，立架1的底部固定设置有底座4；上横梁2镂空设置有加料口5；升降平台3的上端面设置有制样室6，制样室6的顶部开口位于加料口5的下方，制样室6的顶部开口拆卸设置有垫片7。

具体地，如图2所示，制样室6是一个空心圆柱体，在制样室6的内部设置有一个长×宽×高为5 cm × 5 cm× 5 cm的空间，用于放置碎冰；由于加料口5的设置，可以在制作冰川冰试样过程中，少量多次将碎冰加入制样室6中；当需要制作岩屑冰和碎石冰时，可将冰碎屑和相应质量比例的岩屑或者碎石搅拌均匀再放入制样室6中，制作不同岩屑或碎石含量的冰川冰。

底座4上设置有分离式千斤顶8，分离式千斤顶8的伸缩端设置有压头9，压头9的外轮廓与制样室6的内轮廓相匹配，分离式千斤顶8带动压头9穿过升降平台3位于制样室6内；分离式千斤顶8连接有动力驱动装置，动力驱动装置驱动分离式千斤顶8上升或者下降，实现带动压头9对制样室6内的碎冰进行压缩固结；制样室6外部设置有制冷装置，制冷装置可以降低制样室6内的温度，避免制样过程中因空气温度过高导致试样的融化。

冰样力学试验装置包括承压板10，承压板10的顶部设置有固定横梁12，承压板10和固定横梁12之间设置有移动横梁13，移动横梁13下方设置有立式千斤顶14；固定横梁12和移动横梁13之间设置有冰样夹具，冰样夹具上设置有压力传感器15，压力传感器15与显示器16电性连接；移动横梁13一侧设置有用于记录其位移的标准尺17。

如图1所示，立架1包括4根呈矩形分别的立柱101，上横梁2与4根立柱101的顶部固定连接，移动横梁13与4根立柱101的中部滑动连接，底座4与4根立柱101的底部固定连接。优选地，每根立柱101的底部均套设有一根缓冲弹簧18，每根缓冲弹簧18均位于升降平台3和底座4之间。由于在冰川冰试样制作过程中，需要反复地伸缩分离式千斤顶8，以实现压头9反复压缩固结碎冰形成冰川冰试样；设置有缓冲弹簧18，可以避免出现因分离式千斤顶8卸力时升降平台3的突然下降而导致试样损坏的的情况。

作为动力驱动装置的具体设置方式，动力驱动装置包括液压油泵19，液压油泵19通过液压管路与分离式千斤顶8连通，液压油泵19上连接有用于监测油压的刻度盘20，刻度盘20的设置，可以实时了解分离式千斤顶8所施加力的大小。

如图1和图3所示，制冷装置包括环境保温箱21，环境保温箱21的外部设置有带有制冷调控器22的制冷机23，可以通过制冷调控器22实时调节制冷机23的制冷温度，以满足不同环境的使用需求。

制冷机23的顶部设置有制冷片24，制冷片24位于环境保温箱21的内部，制冷片24的上端面设置有冷浴罐25，冷浴罐25内设置有水泵和冷冻液，冷浴罐25上设置有冷冻液流进端26和冷冻液流出端27；冷冻液流进端26和冷冻液流出端27之间连接有一根铜制导管28，铜制导管28的中部缠绕设置于制样室6的外部。当制冷片24的温度降低时，冷浴罐25里的冷冻液温度也随之降低；冷浴罐25里安装水泵，可将冷浴罐25里的冷冻液在铜制导管28中形成循环，为制样室6降低温度，避免制样过程中因空气温度过高导致试样的融化。优选地，环境保温箱21为装有一面透明玻璃的封闭箱体，透明玻璃可拆卸，当冷浴罐25里的水泵电源用完后，可将新的蓄电池放入其中继续工作。

如图4所示，承压板10上端面的两侧均设置有一根第一竖梁29，两根第一竖梁29的顶部固定设置有固定横梁12，固定横梁12的下端面竖直设置有两根第二竖梁30，两根第二竖梁30上滑动设置有移动横梁13。立式千斤顶14位于承压板10上，通过立式千斤顶14液压传动可将移动横梁13往上抬升进行力学试验。

如图4和图5所示，当需要对冰川冰试样进行剪切试验力学试验时，冰样夹具包括相对设置的上变角板31和下变角板32，固定横梁12的下端面设置有压力传感器15，压力传感器15的下方设置有上变角板31；移动横梁13的上端面设置有下变角板32；上变角板31和下变角板32均通过螺纹连接的方式固定。

具体地，移动横梁13用于冰川冰力学试验时的工作平台；上变角板31通过螺栓固定在压力传感器15上，而压力传感器15通过螺栓与固定横梁12相连接；压力传感器15与显示器16连接，通过显示器16可知冰川冰试样被破坏时的峰值荷载；标准尺17粘贴在左端的第一竖梁29上，标准尺17可测量出冰川冰试样在进行抗压试验时的位移大小，从而绘制出应力位移曲线，反映出冰川冰在受压过程中的应力和变形关系。

通过安装下变角板32与上变角板31，可做冰川冰试样的剪切试验，变角板夹具在45°~70°范围内有6个角度可以调整，下变角板32与上变角板31均包含5根用于调整自身角度滚轴33。进行剪切试验时，首先调整变角板刻度达到所要求的角度，将冰川冰试样安装在下变角板32和上变角板31内。启动立式千斤顶14，使移动横梁13不断向上抬升增加压力，直至下变角板32与上变角板31之间的冰川冰试样破坏，通过显示器16记录下变角板32与上变角板31试样破坏时的荷载P；最后，调整变角板夹具的角度，以5°为间隔如45°、50°、55°、60°、65°、70°，重复进行6次试验。

进一步的，可计算出作用在冰川冰试样剪切面上的剪应力和正应力：

其中，为剪应力，/>为正应力，P为冰川冰试样破坏时的荷载，A为冰川冰试样剪切面面积，/>为变角板夹具角度，f为滚轴33摩擦系数，/>，d为滚轴33直径。

进一步的，可计算出冰川冰试样的抗剪强度参数：

其中，为内摩擦角，c为黏聚力，/>为第i块冰川冰试样破坏时的正应力，/>第i块冰川冰试样破坏时的剪应力，n为冰川冰试样块数。

如图6所示，当需要对冰川冰试样进行单轴压缩试验时，冰样夹具包括上压头34与下压头35，固定横梁12的下端面设置有压力传感器15，压力传感器15的下方设置有上压头34，移动横梁13的上端面设置有下压头35；上压头34与下压头35均呈圆饼形结构，将上变角板31与下变角板32分别从移动横梁13和固定横梁12中拆除，再安装上压头34与下压头35，可实现冰川冰的单轴压缩试验。

本方案中的冰川冰制样系统，通过冰制样装置和冰样力学试验装置的相互配合，实现了冰川冰制样及其力学试验的高度集成，试验人员可通过试验过程制作出多晶冰、岩屑冰和碎石冰，得到冰川冰的抗剪强度、抗压强度等。

本方案还提供一种冰川冰制样系统的试验方法，使用冰川冰制样系统，试验方法包括：

步骤1、制作冰川冰试样；制作冰川冰试样的方法为：

步骤1.1、将压头9放入制样室6的底部并预先准备冰川冰试样所需的碎冰；

步骤1.2、通过放料口将部分碎冰放入制样室6内；

步骤1.3、制冷装置的制冷温度设置为预设温度；

步骤1.4、使用垫片7覆盖制样室6的顶部开口；

步骤1.5、动力驱动装置驱动分离式千斤顶8上升，带动压头9将碎冰压缩固结；

步骤1.6、动力驱动装置卸力，分离式千斤顶8下降，取下垫片7，露出制样室6的顶部开口；

步骤1.7、通过放料口继续将部分碎冰放入制样室6内；

步骤1.8、重复步骤1.4~步骤1.7，直至将冰川冰试样所需的碎冰完全添加至制样室6后，完成冰川冰试样的制作；

步骤2、对步骤1中的冰川冰试样进行力学试验，对冰川冰试样进行力学试验的方法为：

步骤2.1、将冰川冰试样从制样室6内取出并放入冰样夹具内；

步骤2.2、立式千斤顶14驱动冰样夹具对冰川冰试样进行不断挤压剪切，直至冰川冰试样破坏；

步骤2.3、压力传感器15记录冰川冰试样破坏时的峰值荷载，标准尺17测量出冰川冰试样在进行力学试验时的位移大小，根据峰值荷载和位移大小绘制出应力位移曲线，完成冰川冰试样的力学试验。

Claims (10)

1.一种冰川冰制样系统，其特征在于，包括冰制样装置和冰样力学试验装置；所述冰制样装置包括立架，所述立架的顶部固定设置有上横梁，立架的中部滑动设置有升降平台，立架的底部固定设置有底座；所述上横梁镂空设置有加料口；所述升降平台的上端面设置有制样室，所述制样室的顶部开口位于所述加料口的下方，制样室的顶部开口拆卸设置有垫片；所述底座上设置有分离式千斤顶，所述分离式千斤顶的伸缩端设置有压头，所述压头的外轮廓与制样室的内轮廓相匹配，分离式千斤顶带动压头穿过升降平台位于制样室内；分离式千斤顶连接有动力驱动装置；制样室外部设置有制冷装置；

所述冰样力学试验装置包括承压板，所述承压板的顶部设置有固定横梁，承压板和所述固定横梁之间设置有移动横梁，所述移动横梁下方设置有立式千斤顶；固定横梁和移动横梁之间设置有冰样夹具，所述冰样夹具上设置有压力传感器，所述压力传感器与显示器电性连接；移动横梁一侧设置有用于记录其位移的标准尺。

2.根据权利要求1所述的冰川冰制样系统，其特征在于，所述立架包括多根立柱，所述上横梁与多根所述立柱的顶部固定连接，所述移动横梁与多根立柱的中部滑动连接，所述底座与多根立柱的底部固定连接。

3.根据权利要求2所述的冰川冰制样系统，其特征在于，每根所述立柱的底部均套设有一根缓冲弹簧，每根所述缓冲弹簧均位于所述升降平台和所述底座之间。

4.根据权利要求1所述的冰川冰制样系统，其特征在于，所述动力驱动装置包括液压油泵，所述液压油泵通过液压管路与所述分离式千斤顶连通，液压油泵上连接有用于监测油压的刻度盘。

5.根据权利要求1所述的冰川冰制样系统，其特征在于，所述制冷装置包括环境保温箱，所述环境保温箱的外部设置有带有制冷调控器的制冷机，所述制冷机的顶部设置有制冷片，所述制冷片位于环境保温箱的内部，制冷片的上端面设置有冷浴罐，所述冷浴罐内设置有水泵，冷浴罐上设置有冷冻液流进端和冷冻液流出端；所述冷冻液流进端和冷冻液流出端之间连接有一根铜制导管，所述铜制导管的中部缠绕设置于所述制样室的外部。

6.根据权利要求1所述的冰川冰制样系统，其特征在于，所述承压板上端面的两侧均设置有一根第一竖梁，两根所述第一竖梁的顶部固定设置有所述固定横梁，固定横梁的下端面竖直设置有两根第二竖梁，两根所述第二竖梁上滑动设置有所述移动横梁。

7.根据权利要求6所述的冰川冰制样系统，其特征在于，所述冰样夹具包括相对设置的上变角板和下变角板，所述固定横梁的下端面设置有所述压力传感器，压力传感器的下方设置有所述上变角板；所述移动横梁的上端面设置有所述下变角板；所述第一竖梁上设置有所述标准尺。

8.根据权利要求7所述的冰川冰制样系统，其特征在于，所述上变角板和下变角板上均设置有多根用于调整自身角度的滚轴，上变角板和下变角板的角度调节范围为45°~70°。

9.根据权利要求8所述的冰川冰制样系统，其特征在于，所述冰样夹具包括上压头与下压头，所述固定横梁的下端面设置有所述压力传感器，压力传感器的下方设置有所述上压头，所述移动横梁的上端面设置有所述下压头；上压头与下压头均呈圆饼形结构。

10.一种冰川冰制样系统的试验方法，使用权利要求1~9任意一项所述的冰川冰制样系统，其特征在于，包括：

步骤1、制作冰川冰试样；制作冰川冰试样的方法为：

步骤1.1、将压头放入制样室的底部并预先准备冰川冰试样所需的碎冰；

步骤1.2、通过放料口将部分碎冰放入制样室内；

步骤1.3、制冷装置的制冷温度设置为预设温度；

步骤1.4、使用垫片覆盖制样室的顶部开口；

步骤1.5、动力驱动装置驱动分离式千斤顶上升，带动压头将碎冰压缩固结；

步骤1.6、动力驱动装置卸力，分离式千斤顶下降，取下垫片，露出制样室的顶部开口；

步骤1.7、通过放料口继续将部分碎冰放入制样室内；

步骤1.8、重复步骤1.4~步骤1.7，直至将冰川冰试样所需的碎冰完全添加至制样室后，完成冰川冰试样的制作；

步骤2、对步骤1中的冰川冰试样进行力学试验，对冰川冰试样进行力学试验的方法为：

步骤2.1、将冰川冰试样从制样室内取出并放入冰样夹具内；

步骤2.2、立式千斤顶驱动冰样夹具对冰川冰试样进行不断挤压剪切，直至冰川冰试样破坏；

步骤2.3、压力传感器记录冰川冰试样破坏时的峰值荷载，标准尺测量出冰川冰试样在进行力学试验时的位移大小，根据峰值荷载和位移大小绘制出应力位移曲线，完成冰川冰试样的力学试验。