一种冻融土循环剪切试验装置的制作方法

本发明涉及土力学技术领域土工室内直剪试验装置，具体说是一种冻融土循环剪切试验装置。

背景技术：

冻融土的物理力学性质复杂，是深部岩土体重要技术问题之一。常规的冻融土样的剪切试验从制样到一次剪切结束往往需要两天时间，土样的利用率和试验效率均受到制约，不同批次土样的均一性难以保证。

目前使用的大部分剪切试验装置只能对普通土进行直剪试验，其适用范围虽广，但是不能实现土样在高压固结状态下的冻结与解冻。目前可以进行冻融循环的剪切装置，由于剪切平台的固定，不能进行伸缩，一个试样只能进行一次剪切。不能实现同一土样的不同剪切面的多次往复剪切。大大影响了土样的利用率和试验的效率。

技术实现要素：

本发明目的是为解决现有土工室内直剪试验中存在的技术问题，提供一种冻融土循环剪切试验装置。该装置能够自动控制温度，可以对同一个土样不同截面多次剪切，进行剪切试验。

为了实现上述目的，本发明提出的冻融土循环剪切试验装置，包括上剪切盒、下剪切盒、透水板和法向加载装置。其特征是：

所述上剪切盒中心位置设有上下贯通的土样通道；上剪切盒内设有环绕土样通道的第一冷浴循环通路；所述透水板和法向加载装置的形状与土样通道的断面形状适配。

所述法向加载装置设有法向应力传感器和法向位移传感器。所述透水板为铜质板材，板面上均布若干透水孔。

下剪切盒中心位置设有上部敞口的土样承接桶，土样承接桶底部设有伸缩支撑装置，伸缩支撑装置上设置剪切土样台。下剪切盒内设有环绕土样承接桶的第二冷浴循环通路。下剪切盒侧部设置有水平加载装置（水平驱动装置）。

下剪切盒的土样承接桶敞口位置与上剪切盒的土样通道的位置对应，也就是说，当上下剪切盒准确合为一体时，土样通道与土样承接桶相互衔接为一个通道。

所述下剪切盒底部设有滑动或滚动装置。

上剪切盒和下剪切盒的非剪切面为保温面。所述剪切面是指上下剪切盒拼接为一体时，相对的两个盒面。

在透水板和剪切土样台上均设有温度传感器探头凹槽。

本发明装置用于冻融土剪切试验的试验操作方法及过程：

一、将温度探头插入到透水板和剪切台预定的凹槽中，然后将上、下剪切盒对应位置拼接到一起，将第一冷浴循环通路、第二冷浴循环通路分别与冷浴循环系统接通。完成剪切盒的安装工作。

二、安装好剪切盒后，将制作好的土样对准土样通道，小心地推入土样通道内，土样被置于剪切土样台上。此时，剪切土样台台面低于下剪切盒剪切面一个设定的土样剪切厚度值（如：3～8mm）。再在土样上方放置透水板，然后在透水板上安装法向加载装置。完成土样的安装工作。

三、装样完毕后，对土样进行压缩固结，固结完成后，启动冷浴循环系统。待土样冻结温度达到设计冻结温度后，持续保持冻结温度12小时。完成土样的冻结工作。

四、根据试验条件，设定土样的解冻温度边界，停止冻结，开始解冻。待土样解冻到所需的温度后保持该温度不变，水平加载装置（水平驱动装置）推动下剪切盒开始水平移动，开始冻融土样第一次剪切。当土样第一次剪切完成后，下剪切盒自动缓慢移动至初始位置，然后伸缩支撑装置自动缓慢下移一个设定的土样剪切厚度值（3～8mm），在法向应力的作用下土样会整体缓慢下移一个设定的土样剪切厚度值（3～8mm）。土样剪切位置调整完成后，再次解冻。当冻融循环作用至所需温度后，开始第二次剪切。如此往复土样不能再被剪切或完成实验需要时，结束剪切过程。

在本发明中，上、下剪切盒内部结构采用铜质材料，可以有效地实现温度的传递，在外层又加上了保温板，有效地隔绝了剪切盒同外部进行热交换，实现了-40℃至45℃的精准控温。

本发明冻融土循环剪切试验装置，结构简单，操作方便。可以实现不同试验条件下对同一个土样进行不同剪切截面的多次剪切，提高了试验效率，保证了不同试验条件下土样的均一性。一个土样可以实现不同试验条件下的剪切试验，试验条件不局限于一个解冻过程，也可以包括不同次数的冻融循环或不同的法向应力。

附图说明

图1为本发明冻融土循环剪切试验装置结构示意图。

图2为本发明冻融土循环剪切试验装置俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明做更进一步的详细说明。

如图1、2所示，本发明提出的一种冻融土循环剪切试验装置，包括上剪切盒1、下剪切盒2、透水板9和法向加载装置12。

上剪切盒1中心位置设有上下贯通的土样通道，土样通道的断面为圆面。上剪切盒内设有环绕土样通道的第一冷浴循环通路3，第一冷浴循环通路两端的接头管4设置在上剪切盒1侧壁之外，便于与冷浴循环系统连接。所述透水板9和法向加载装置12的形状为圆盘状，其直径与土样通道的断面直径适配，透水板9和法向加载装置12可以活塞式套装在土样通道内。上剪切盒1右侧设有水平应力传感器16，水平应力传感器的另一端定位固定。

所述法向加载装置12正上方位置设有法向应力传感器17。法向加载装置12右侧部设有法向位移传感器14。所述透水板采用铜材质，板面上均布若干透水孔。

下剪切盒2中心位置设有上部敞口的土样承接桶，土样承接桶底部设有伸缩支撑装置6，伸缩支撑装置6上设置剪切土样台7。下剪切盒2内设有环绕土样承接桶的第二冷浴循环通路，第二冷浴循环通路与第一冷浴循环通路结构相同。下剪切盒2侧壁设置有水平加载装置（水平驱动装置）13，与其相对的另一侧壁设有水平位移传感器15。下剪切盒2底部设有滚珠装置8。

下剪切盒的土样承接桶敞口位置与上剪切盒的土样通道的位置对应，也就是说，当上下剪切盒准确合为一体时，土样通道与土样承接桶相互衔接为一个通道。

透水板9底部和剪切土样台7顶部均设有温度传感器探头凹槽5。

上剪切盒1和下剪切盒2的非剪切面上覆盖有保温板10。

使用本发明装置进行冻融土循环剪切试验的操作方法：

一、将温度传感器探头插入到剪切土样台7和透水板9的温度传感器探头凹槽5中，然后将上、下剪切盒对应位置拼接到一起，同时将剪切土样台7放到下剪切盒2中土样承接桶内的伸缩支撑装置6上，再将接头管与冷浴系统相连。完成剪切盒的安装工作。

二、安装好上、下剪切盒后，将制作好的土样11对准土样通道，小心地推入土样通道内，土样被置于剪切土样台7上。此时，剪切土样台台面低于下剪切盒剪切面3～8mm。再在土样11上方铺上滤纸，然后再在滤纸上放置透水板9，然后在透水板上安装法向加载装置12。完成土样11的装样工作。

三、装样完毕后，在法相加载装置的作用下对土样进行压缩固结，固结完成后，启动冷浴循环系统。待土样冻结温度达到设计冻结温度后，持续保持冻结温度12小时。完成土样的冻结工作。

四、根据试验条件，设定土样的解冻温度边界，停止冻结，开始解冻。待土样解冻到所需的温度后保持该温度不变，水平加载装置（水平驱动装置）13推动下剪切盒开始水平移动，开始冻融土样第一次剪切。当土样第一次剪切完成后，上剪切盒不动，下剪切盒在水平加载装置（水平驱动装置）13的作用下自动缓慢移动至初始位置，然后伸缩支撑装置6缓慢下移3~8mm，带动剪切土样台下降3~8mm。同时在法向应力的作用下土样11会整体缓慢下移3~8mm。土样剪切位置调整完成后，再次解冻。当冻融循环作用至所需温度后，开始第二次剪切。如此往复，土样不能再被剪切或完成实验需要时，结束剪切过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。