寒区土体多向应力场水-热-力耦合土压力测试装置的制作方法

[0001]
本发明属于岩土工程分支冻土工程领域，特别涉及寒区土体多向应力场水
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热-力耦合土压力测试装置，是一种适用于土体多向应力场条件下的水-热-力耦合研究的测试装置。


背景技术：

[0002]
寒冷地区越冬深基坑工程，因气温的持续降低。负温状态导致土体冻结，在富水(接近或达到饱和含水率)环境下其冻胀尤其明显。深基坑临空面土体符合富水条件，因此土体冻胀会对基坑支护结构造成极大的负载，严重影响着深基坑工程及周边建筑物和构筑物的安全。利用本装置和方法可以模拟自然状态下土体环境条件，实现多向应力场条件下、不同温度梯度的土体冻胀耦合特性研究，探索约束与冻胀力的关系，了解冻胀在空间和时间上的发展规律，为后续深基坑冻胀力评估提供借鉴。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的是提供寒区土体多向应力场水-热-力耦合土压力测试装置，可以实现寒冷地区负温环境下含水(尤其富水)土体冻胀在一定应力条件和一定约束条件下的冻胀耦合特性研究。
[0004]
寒区土体多向应力场水-热-力耦合土压力测试装置，有试验平台。
[0005]
其技术要点在于：试验平台上设置水平加载系统和竖向加载系统。
[0006]
水平加载系统包括水平动力装置、水平传力杆、水平轴力采集传感器、水平位移传感器、定向板、推进板、等效约束模块、水平导轨、加载架、热量交换模块冷端、侧向约束板和热量交换模块暖端。
[0007]
水平动力装置的输出部连接水平传力杆的后端。
[0008]
水平动力装置固定设置在试验平台上。
[0009]
试验平台上固定定向板，水平传力杆穿过定向板中部的传力杆孔。
[0010]
水平传力杆前端固定连接推进板。推进板位于定向板前方。
[0011]
推进板通过推进板孔套设在水平导轨上，水平导轨穿过定向板上的定向板导轨孔。
[0012]
水平传力杆上设有水平轴力采集传感器。
[0013]
水平位移传感器位于定向板和推进板之间。
[0014]
水平导轨前端固定连接加载架。
[0015]
加载架前端接触热量交换模块冷端外壳。
[0016]
热量交换模块冷端前方为放置测试试样的区域。
[0017]
水平导轨上设有等效约束模块，等效约束模块位于推进板和加载架之间。
[0018]
在放置测试试样的区域前方固定设置有热量交换模块暖端。
[0019]
在放置测试试样的区域左右两侧固定设有竖向的侧向约束板。
[0020]
侧向约束板上设有温度传感器和土压力传感器。
[0021]
竖向加载系统：竖向加载系统包括反力架、竖直动力装置、竖向荷载传感器、竖向加载杆、盖板和竖向位移传感器。
[0022]
反力架的横向支架下方固定有竖直动力装置。
[0023]
竖直动力装置的输出部连接竖向加载杆上方。
[0024]
竖向加载杆下端固定有盖板。
[0025]
竖向荷载传感器位于竖向加载杆上。
[0026]
竖向位移传感器位于盖板上方和固定在试验平台上的支架之间。
[0027]
盖板位于放置测试试样上方的区域。
[0028]
放置测试试样的区域设有补水系统。
[0029]
补水系统：热量交换模块暖端壳体后方开设多个供水孔，热量交换模块暖端壳体内设置多个点滴管，点滴管出口和供水孔对应连接。
[0030]
供水瓶连接点滴管入口。
[0031]
热量交换模块暖端壳体后方和测试试样之间设有滤纸。
[0032]
测试试样下方设有透水石。透水石设置在试验平台的开槽内。
[0033]
透水石下方设有集水槽。
[0034]
水平动力装置为水平步进导轨，水平传力杆后端固定在水平步进导轨的输出部。
[0035]
竖直动力装置为竖向加载电机，螺纹连接竖向加载杆上方。
[0036]
竖向加载杆上设有导向块，横向支架下方设有导向架，导向架开设有竖向导向槽，导向块位于导向槽内。
[0037]
水平导轨为两个，设置在水平传力杆两侧。
[0038]
定向板为前后设置的两个，水平轴力采集传感器在位于前方的定向板和推进板之间。
[0039]
水平位移传感器为两个，在推进板两侧布置。
[0040]
等效约束模块为弹簧。
[0041]
两个透明的侧向约束板开设多个侧向约束板孔槽交错设置，内设有温度传感器。
[0042]
试验平台上设置摄像头。
[0043]
保温罩固定在试验平台上，罩住侧向约束板、热量交换模块冷端和热量交换模块暖端。
[0044]
热量交换模块冷端与加载架的接触面有隔热层。
[0045]
热量交换模块冷端与测试试样接触面为金属层。
[0046]
盖板包括固定连接的上层盖板和下层隔热盖板。
[0047]
竖向加载杆下端为半球形，与上层盖板上表面的等直径半球形凹槽相接触。
[0048]
其优点在于：
[0049]
本发明为寒冷地区越冬深基坑、边坡等冻土特性研究提供了一种研究装置和研究思路，可以实现寒冷地区负温环境下含水土体冻胀在一定应力条件和一定约束条件下的冻胀耦合特性研究，对研究越冬深基坑的冻胀力分布和冻胀力发育规律具有重要意义。
附图说明
[0050]
图1为装置的主视图。
[0051]
图2为图1中的主要部件的结构示意图。
[0052]
图3为装置的俯视图。
[0053]
图4为左侧向约束板的主视图(图3中的左侧)。
[0054]
图5为右侧向约束板的主视图(图3中的右侧)。
[0055]
图6为推进板的主视图。
[0056]
图7为推进板的俯视图。
[0057]
图8为定位板的主视图。
[0058]
图9为定位板的俯视图。
[0059]
图10为补水系统结构示意图。
[0060]
图11为供水孔和热量交换模块暖端的结构示意图。
[0061]
图12为深基坑的侧视图。
[0062]
图13为图12中主视图。
[0063]
图14为模拟深基坑的锚索、腰梁和支护桩结构的等效约束刚度示意图。
[0064]
图15为系统框图。
[0065]
图16为土样(测试试样)应力状态图(常温)。
[0066]
图17为土样(测试试样)应力状态图(主动土压力到静止土压力)。
[0067]
图18土样(测试试样)应力状态图(主动土压力到静止土压力转变、甚至再到被动土压力)。
[0068]
反力架1、横向支架1a、竖向支架1b、竖向加载电机2、水平轴力采集传感器3、盖板4、上层盖板4a、下层隔热盖板4b、侧向约束板5、左侧向约束板 5a、右侧向约束板5b、侧向支撑6、定向板7、水平步进导轨8、推进板9、等效约束模块10、水平导轨11、加载架12、热量交换模块冷端13、热量交换模块暖端14、保温罩15、温度传感器16、测试试样17、加载控制器18、冷端冷浴19、暖端冷浴20、试验平台21、补水系统22、水平位移传感器23、水平加载电机24、水平传力杆25、侧向约束板孔槽26、摄像头27、传力杆孔28、定向板导轨孔29、锚索30、支护桩31、腰梁32、地面33、基坑底34、竖向位移传感器35、竖向荷载传感器36、竖向加载杆37、加载控制系统38、数据采集系统39、影像拍摄系统40、温度控制系统41、土压力传感器42、推进板孔43、支架44、供水孔45、点滴管46、供水瓶47、滤纸48、透水石49、集水槽50、冠梁51、导向块52、导向架53、导向槽54、冻结层55，隔热层56、金属层57。
具体实施方式
[0069]
实施例1
[0070]
寒区土体多向应力场水-热-力耦合土压力测试装置，有试验平台21。
[0071]
试验平台21上设置水平加载系统和竖向加载系统。
[0072]
水平加载系统包括水平动力装置(水平加载电机24和水平步进导轨8)、水平传力杆25、水平轴力采集传感器3、水平位移传感器23、水平导轨11、定向板7、推进板9、等效约束模块10、加载架12、热量交换模块冷端13、侧向约束板5、侧向支撑6和热量交换模块暖端14。
[0073]
水平动力装置的输出部连接水平传力杆25的后端。
[0074]
水平步进导轨8及其水平加载电机24(步进)固定设置在试验平台21上。
[0075]
水平传力杆25后端固定在水平步进导轨8的输出部。
[0076]
试验平台21上固定两个前后设置的定向板7，水平传力杆25穿过定向板7 中部的传力杆孔28。
[0077]
水平传力杆25前端固定连接推进板9。推进板9位于两个定向板7前方。
[0078]
推进板9通过两个推进板孔43套设在两个水平导轨11上，每个水平导轨 11均穿过定向板7上对应的定向板导轨孔29。
[0079]
水平传力杆25位于两个水平导轨11之间。
[0080]
水平传力杆25上设有水平轴力采集传感器3(具体安装方式可将水平传力杆25分成前后两端，中间设置水平轴力采集传感器3)，以随时采集水平传力杆 25的轴力数值。
[0081]
水平轴力采集传感器3在位于前方的定向板7和推进板9之间。
[0082]
水平位移传感器23位于前方的定向板7和推进板9之间，位于水平导轨11 外侧。
[0083]
在推进板9两侧分别设置水平位移传感器23，采集的位移取平均值。
[0084]
水平位移传感器23壳体固定在位于前方的定向板7前方，水平位移传感器 23探头连接在推进板9后方。
[0085]
两个水平导轨11前端固定连接加载架12。
[0086]
加载架12前端接触热量交换模块冷端13外壳。
[0087]
热量交换模块冷端13前方放置测试试样17。
[0088]
水平导轨11上设有等效约束模块10，等效约束模块10位于推进板9和加载架12之间，等效约束模块10为弹簧。
[0089]
在放置测试试样17的区域前方固定设置有热量交换模块暖端14。
[0090]
在放置测试试样17的区域左右两侧固定设有竖向的侧向约束板5。
[0091]
侧向约束板5外侧均有侧向支撑6。
[0092]
热量交换模块暖端14、侧向约束板5和侧向支撑6均固定在试验平台21上。
[0093]
侧向约束板5上沿着水平中线横向开设多个侧向约束板孔槽26，可供插入温度传感器16。
[0094]
两侧的侧向约束板5分别为左侧向约束板5a和右侧向约束板5b，上面的侧向约束板孔槽26(预留孔)为交错设置的梅花形分布。
[0095]
侧向约束板5(左侧向约束板5a)上沿着水平方向开设多个侧向约束板压力传感器孔，供设置土压力传感器42。
[0096]
试验平台21上还设置摄像头27，位于测试试样17左侧。
[0097]
侧向约束板5和侧向支撑6均为透明有机玻璃材质。
[0098]
保温罩15固定在试验平台21上，罩住测试试样17、侧向约束板5、侧向支撑6、热量交换模块冷端13、热量交换模块暖端14、加载架12和摄像头27。
[0099]
水平导轨11和等效约束模块10的前端伸入保温罩15。
[0100]
热量交换模块冷端13与加载架12的接触面用尼龙材质覆盖形成隔热层56 (尼龙层)，目的是隔绝测试试样17与外界空气的热量交换。
[0101]
热量交换模块冷端13与测试试样17接触面为金属层57(黄铜材质)，黄铜导热效率高，便于控制测试试样17的温度。
[0102]
测试试样17的前端为热量交换模块暖端14，测试试样17两侧由侧向约束板5约束，常温状态下在侧向形成静止土压力σ2状态，在上部施加竖向荷载形成σ1应力状态，在热量交换模块冷端13施加水平向荷载形成σ3主动土压力应力状态，如图16所示。
[0103]
水平传力杆25轴线与测试试样17中心线同轴，并与水平导轨11轴线平行，确保加载过程中方向恒定。
[0104]
定向板7中部预留三个孔(两个定向板导轨孔29和一个传力杆孔28各孔轴线平行)，分别为两个水平导轨11和水平传力杆25通过，孔的直径比水平导轨11和水平传力杆25的直径大0.5mm～1.0mm，并在水平导轨11和水平传力杆 25上涂抹润滑脂。
[0105]
推进板9设置两个预留孔(推进板孔43)，两孔的间距与定向板导轨孔29 中心距及孔径相同，便于水平导轨11通过。推进板9与加载架12之间设置等效约束刚度弹簧，其刚度为k
eq
。
[0106]
水平加载电机24通过螺纹传动带动水平步进导轨8上的水平传力杆25沿着水平步进导轨8前后移动，推动推进板9，水平导轨11沿着定向板7内滑动，压缩等效约束模块10(弹簧)，通过等效约束模块10(弹簧)将水平力加载到加载架12、热量交换模块13(冷端)，对测试试样17加载。为保证加载均匀，水平传力杆25、推进板9、水平导轨11和加载架12只能沿着定向板7的三个孔前后滑动。
[0107]
测试试样17侧向由侧向支撑6支撑侧向约束板5约束，保证测试试样17 侧向无变形及位移。测试试样17后方由热量交换模块暖端14约束。
[0108]
定向板7固定在试验平台21，起导向作用，水平导轨11穿入定向板7的定向板导轨孔29，所有水平方向移动的部件只能在定向板7的定向板导轨孔29 方向移动。
[0109]
摄像头27与影像拍摄系统40对应连接，通过透明的侧向约束板5观察测试试样17冻结-冻胀过程发展规律。
[0110]
温度传感器16和土压力传感器42插在测试试样17里。
[0111]
等效约束模块10是模拟部件，本设备通过等效约束模块10模拟实际工程中的冠梁51、锚索30、钢支撑、支护桩31、钢围檩或腰梁32的变形刚度，加载架12与热量交换模块冷端13之间的预留空间，便于冷端冷浴19的冷媒循环管与热量交换模块冷端13相连接。
[0112]
每块侧向约束板5在其长轴中心线上预留5-8个侧向约束板孔槽26，左侧向约束板5a、右侧向约束板5b两块板交叉开槽，侧向约束板孔槽26，轴向间距1-3cm，开槽长度2-4cm，并在测试试样17(土样)两侧的左侧向约束板5a 和右侧向约束板5b接触处布置温度传感器16和土压力传感器42，开槽便于为冻胀时保留位移空间，侧向约束板5a和5b的开槽如图4和5所示相互错开，两板的开槽成梅花形分布。
[0113]
侧向约束板5的厚度为2～4cm，采用有机玻璃板等透明、低导热的材料，侧向约束板5两个外侧采用均匀侧向支撑6(支撑板)的办法限制侧向约束板5 的侧向变形。
[0114]
水平加载系统用隔热保温箱15罩住，降低热量交换，维持测试试样17周边一定范围内的温度恒定，热量交换模块冷端13和热量交换冷端暖块14的尺寸特征:在水平方向的尺寸比测试试样17小0.5～2mm，在竖向尺寸比测试试样 17尺寸小2～5mm，以防止初始阶段固结过程中模块限制了加载系统活动。
[0115]
热量交换模块冷端13与冷端冷浴19对应连接。
[0116]
热量交换模块暖端14与暖端冷浴20对应连接。
[0117]
竖向加载系统：竖向加载系统包括反力架1、竖直动力装置(竖向加载电机 2)竖向荷载传感器36、竖向加载杆37、盖板4和竖向位移传感器35。
[0118]
反力架1固定在试验平台21上。
[0119]
反力架1为框架结构，包括两个竖向支架1b(位于保温罩15左右两侧外) 和固定在上面的横向支架1a(位于保温罩15上侧外)
[0120]
横向支架1a下方固定有竖直动力装置。
[0121]
竖直动力装置的输出部(竖向加载电机2动力轴螺纹)连接竖向加载杆37 上方。
[0122]
竖向加载杆37上设有导向块52，横向支架1a下方设有导向架53，导向架 53开设有竖向的导向槽54，导向块52位于导向槽54内。
[0123]
竖向加载杆37下端固定有盖板4。
[0124]
盖板4包括固定连接的上层盖板4a(钢质)和下层隔热盖板4b(有机玻璃低热量传导材料，以减少热量传导引起的温度场干扰)。竖向荷载传感器36位于竖向加载杆37上。具体安装方式为：竖向荷载传感器36位于分成上下两端的竖向加载杆37之间。
[0125]
竖向加载杆37穿入保温罩15。竖向荷载传感器36位于保温罩15内。
[0126]
竖向位移传感器35位于盖板4上方和固定在试验平台21上的支架44之间。
[0127]
支架44位于保温罩15内。
[0128]
竖向位移传感器35壳体由固定在试验平台21上的支架44固定支撑，竖向位移传感器35探头固定在盖板4上方(上层盖板4a)。
[0129]
盖板4位于保温罩15内，测试试样17上方。
[0130]
反力架1、竖向加载电机2、竖向荷载传感器36和竖向加载杆37在同一轴线且与测试试样17(测试土样)平面中心重合。
[0131]
竖向加载杆37下端为半球形，与上层盖板4a上表面的等直径半球形凹槽相接触，半球形接触面积大。受力更加均匀。且利于定位。
[0132]
上层盖板4a(钢质)和下层隔热盖板4b的宽度与测试试样17宽度相同。
[0133]
竖向加载电机2动力轴螺纹连接竖向加载杆37上方。
[0134]
竖向加载电机2动力轴转动，在导向块52和导向槽54的导向作用下竖向加载杆37带着盖板4上下移动。
[0135]
补水系统22：热量交换模块暖端14壳体后方上开设多个供水孔45，热量交换模块暖端14壳体内设置多个点滴管46，点滴管46出口和供水孔45对应连接。
[0136]
供水瓶47连接点滴管46入口。
[0137]
热量交换模块暖端14壳体后方和测试试样17之间设有滤纸48。
[0138]
测试试样17下方设有透水石49。透水石49设置在试验平台21的开槽内，
[0139]
透水石49下方设有集水槽50。集水槽50固定在试验平台21下方。
[0140]
水依靠重力从供水瓶47进入点滴管46，从供水孔45处测试试样17和热量交换模块暖端14壳体接触处浸润滤纸48。
[0141]
通过外部供水将水用点滴管46不停的导入，多余水分由重力作用下通过测试试样17下端的透水石49进入集水槽50中。
[0142]
补水系统22为测试试样17补水，只需提供水分与测试试样17底部接触，水分通过测试试样17的毛细原理吸收分散均匀。
[0143]
供水瓶47和集水槽50都各自设有水量刻度，测试过程中可根据供水量和集水量计算出土体吸收的水量。
[0144]
1、加载控制系统38：加载控制系统38主要包括加载控制器18、竖向加载系统和水平加载系统。加载控制器18可以控制竖向加载和水平加载系统的加载值并自动保持恒定，同时水平加载系统具有位移控制功能(位置锁定)。
[0145]
加载控制器18采用独立电源供电，通过rs232/485接入电脑。输入端连接数据采集系统39，输出端连接竖向加载和水平加载系统的两个电机。
[0146]
加载控制器18主要为plc控制器，可通过软件预设加载值。软件将根据数据采集系统39采集的数据反馈式调节加载系统的电机，对测试试样17土体进行加载或卸载，使土体荷载恒定在软件预设值。
[0147]
其中，等效约束模块10应根据深基坑支护结构的变形刚度进行推算，考虑地面33和基坑底34之间的锚索30、支护桩31或腰梁32、等参数特性进行等效计算得到基坑某点处等效变形刚度e
eq
，如图12、13、14所示。
[0148]
2.温度控制系统41：温度控制系统41主要包括两台低温恒温循环槽作为冷端冷浴19和暖端冷浴20，一台负责控制测试试样17的热量交换模块冷端13的温度从而控制测试试样17冷端温度，一台负责控制热量交换模块暖端14的温度，从而在测试试样17的轴向形成一个温度梯度。其中，测试试样17左右的侧向约束板5采用透明有机玻璃，也有效地降低了热量传导与辐射影响，通过外侧的隔热保温罩15也进一步降低温度的波动。
[0149]
在土样固结完毕，开始温度工况后，因冷端一侧测试试样17的冻结相变而从主动土压力到静止土压力转变、甚至再到被动土压力状态，其受力状态变为如图17和18所示。
[0150]
在温度控制系统41中可以通过软件设定好温度。软件会根据系统内的温度传感器16的数据控制高低温循环装置的运行。冷媒热媒均为高纯度无水酒精，供温控设备用。温度控制系统41制冷制热温控设备部件，为采购的设备成品。
[0151]
3.数据采集系统39：主要包括数据采集仪和多个传感器，数据采集仪包括静态应变采集仪和温度采集仪，传感器包括水平轴力采集传感器3、水平位移传感器23、土压力传感器42、竖向位移传感器35、竖向荷载传感器36和温度传感器16均与对应数据采集仪连接。
[0152]
在加载控制系统38中，通过软件设定好加载力。软件会根据水平轴力采集传感器3、水平位移传感器23、竖向位移传感器35和竖向荷载传感器36的输出数据控制对应的加载电机进行加载或卸载。同时软件会采集测试试样17的位移数据，也可以设定好位移数据，由软件控制对应加载电机(步进、伺服)加载到设定位置。同时采集土压力的大小。
[0153]
实施例2
[0154]
使用寒区土体多向应力场水-热-力耦合土压力测试方法，包括下列步骤：
[0155]
步骤1、制作测试试样，并安装到试验平台上，设置左侧向约束板和右侧向约束板，以及左侧向约束板和右侧向约束板上的传感器(土压力传感器42和温度传感器16)。
[0156]
步骤2、模拟深基坑土体多向应力场，对测试试样进行竖向加载、水平加载及固结。
[0157]
步骤3、对测试试样进行温度加载，并根据实际工程情况模拟出测试试样土体中温度场及温度梯度。
[0158]
步骤4、通过等效约束模块模拟实际工程中的深基坑支护结构的变形刚度。等效刚度数值需要根据实际深基坑支护结构情况计算。
[0159]
步骤5、测试过程中记录测试试样补水量。在测试结束后对测试试样进行切片分析测试前后测试试样含水量的变化情况。
[0160]
步骤6、通过多组不同温度梯度测试可以得到深基坑在时间和空间上的整体冻胀发育特征与分布规律。
[0161]
具体为：
[0162]
多应力场耦合冻胀测试开始前，需要开展一系列常规的辅助试验，主要包括密度试验、含水率试验、击实试验、三轴试验和固结试验等，以获得土体的原始密度ρ、自然含水率ω1并换算干密度ρ
d1
、最大干密度ρ
dmax
、最优含水量ω
opt
、土体摩擦角φ和压缩模量e
土
等参数，并记录取土位置深度。
[0163]
取得的土样进行破碎、烘干以便于配置目标含水率ω2的土体(ω2可为ω1～ω
饱和
)，配置完毕浸润不少于24h，并在制样前再检测3次。采用制样器制作目标干密度ρ
d2
的测试试样17(长方体土样)，干密度ρ
d2
可选择ρ
d1
～ρ
d3
范围，其中ρ
d3
＝(0.8～0.9)ρ
dmax
。
[0164]
测试试样17制作完毕进行脱模，并安装到试验平台21上，设置左侧向约束板5a和右侧向约束板5b，以及其上的土压力传感器42。
[0165]
其中测试试样17四周的左侧向约束板5a和右侧向约束板5b均涂抹凡士林等润滑以减少测试试样17冻胀过程中侧摩阻，同时将热量交换模块冷端13和热量交换模块暖端14安置到测试试样17的后、前两端贴紧，用以限定热量交换模块暖端14的位移，根据所模拟的位置深度设置上部竖直加载和水平加载的数值。
[0166]
竖向加载终值：n
竖
＝ρ
pj
·
g
·
h
·
a
·
l
ꢀꢀꢀ
(1)。
[0167]
其中，ρ
pj
为模拟位置以上所有土层的平均密度。
[0168]
g为重力加速度。
[0169]
h为所模拟位置的深度。
[0170]
a为测试试样17的水平面边长，l为测试试样17纵向边长。
[0171]
通过换算可得测试试样17在竖向将达到σ1初始应力状态：
[0172]
σ1＝ρ
pj
·
g
·
h
ꢀꢀꢀ
(2)。
[0173]
水平加载终值：
[0174]
对于静止土压力状态：
[0175]
n
sp
＝k0·
σ1·
a
·
b
ꢀꢀꢀ
(3)。
[0176]
其中，k0＝1-sinφ。
[0177]
对于主动土压力状态：
[0178]
n
sp
＝(tan2(45-φ/2)
·
σ
a-2c
·
tan(45-φ/2))
·
a
·
b
ꢀꢀꢀ
(4)。
[0179]
其中，σ
a
为所模拟位置的主动土压力。
[0180]
固结：在测试试样17放置完毕，通过加载控制系统38实现在测试试样17 在竖向和水平(轴向)同步等比例加载或者按照一定的路径进行加载，以实现测试试样17初期在侧向和轴向两个正交方向的应力达到目标状态，(各方向可处于主动、静止或被动土压力状态。
[0181]
在加载的同时，启动数据采集系统39采集测试试样17在竖向和轴向的变形δ1和δ2(竖向位移传感器35和水平位移传感器23)。
[0182]
自动加载控制系统38将根据土样尺寸或土体应力变化自动调整加载，当加载稳定后将温度传感器16沿两侧向约束板5的侧向约束板孔槽26插入到测试试样17中，保持水平
加载方向固结后的位置不变。或者温度传感器16也可以与土压力传感器42一起插在侧向约束板5上。
[0183]
温度加载：温度加载在固结完毕后，通过调节冷端冷浴19和暖端冷浴20，实现热量交换模块冷端13和热量交换模块暖端14均达到(0-2)℃的低温，并通过分布在测试试样17两侧的温度传感器16监测测试试样17整体温度场情况，当测试试样17温度场整体达到一致且均匀分布时，通过降低冷端冷浴19温度达到降低热量交换模块冷端13的目的，降温速度为(0.5-1.5)℃/h，最终热量交换模块冷端13的温度稳定在所模拟的环境温度。随热量交换模块冷端13 温度的降低，测试试样17在此端开始逐渐冻结并因水分的迁移及相变而产生冻胀现象。测试前应预估总体冻胀量δ
冻
，等效约束模块10(弹簧)的冻胀压缩可变形量δ应满足以下条件：
[0184]
δ≥2(n
sp
/k
eq-n
sp
·
l/(a
·
b
·
e
土
)+δ
冻
)
ꢀꢀꢀ
(5)。
[0185]
等效约束模块10的初始长度应满足如下条件：
[0186]
l0≥n
·
d
弹
+δ
ꢀꢀꢀ
(6)。
[0187]
其中，δ为等效约束模块10(弹簧)的可压缩变形量。
[0188]
n
sp
为水平加载系统初始加载数值。
[0189]
k
eq
为根据深基坑支护体系等效换算的弹簧虎克刚度。
[0190]
e
土
为测试试样17(土体)的压缩模量。a、b分别为测试试样17(土体) 的横截面尺寸。
[0191]
δ
冻
为预估冻胀量。l为测试试样17纵向长度。
[0192]
l0为等效约束模块10的初始长度。
[0193]
n为等效约束模块10弹簧的螺旋圈数。d
弹
为弹簧的直径。
[0194]
本测试方法采用弹性支点法进行设计。测试方法可用于评估寒区深基坑侧壁土压力，测试方法涉及到将基坑支护结构(支护桩31、锚索30、钢支撑、钢围檩、冠梁51和腰梁32等)的支护刚度等效为测试装置上的约束刚度。本装置通过一根具有等效约束刚度的弹簧综合模拟基坑支护结构在深基坑内侧受到的支护结构约束和嵌固端被动土压力，考虑地面和基坑底之间的锚索30、支护桩31和腰梁32等参数特性进行等效计算得到深基坑某点处等效变形刚度k
eq
。
[0195]
k
eq
＝k
总
/c
k
ꢀꢀꢀ
(7)。
[0196]
其中，k
总
为基坑支护结构约束和嵌固端被动土压力的综合刚度。
[0197]
c
k
为弹簧刚度相似系数。
[0198]
基坑支护结构约束和嵌固端被动土压力的综合刚度应按以下公式计算。
[0199][0200]
其中，α1、α2、α3、α4为刚度调整系数。
[0201]
k
i
为第i道锚索30的变形刚度。
[0202]
k
′
i
为每道钢围檩的变形刚度。
[0203]
n为锚索30道数。
[0204]
ks为支护桩身嵌固端被动土压力等效刚度。
[0205]
kp为支护桩身的约束刚度。
[0206]
kg为冠梁51的约束刚度。
[0207]
根据现场监测数据发现，深基坑不同深度处的温度存在较大差别，通过多组不同温度梯度测试可以得到深基坑在时间和空间上的整体冻胀发育特征与分布规律。测试的测试试样17温度梯度范围为(0.05～1)℃/cm。热量交换模块冷端13加载土体冻胀后土体的应力状态为图17所示，土样的应力状态由常温时的侧向为σ2、在轴向为σ3初始应力状态转变为负温加载后在轴向为σ2、侧向为σ3，甚至在轴向侧向均为σ2，应力状态。
[0208]
测试过程中水平轴力采集传感器3、水平位移传感器23、温度传感器16、土压力传感器42、竖向位移传感器35和竖向荷载传感器36采集对应的数据传送到数据采集系统39。
[0209]
测试过程中记录试样补水量，在测试结束后对测试试样17进行切片分析测试前后试样含水量的变化情况，深入分析水分迁移的规律，便于验证数值分析结果。补水系统22可以从热量交换模块冷端13和热量交换模块暖端14开始降温时进行补水至测试结束。