一种用于冰-土混合体的低温标准化制样装置及制样方法

本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种用于冰-土混合体的低温标准化制样装置及制样方法。

背景技术：

在建川藏铁路及已建g318公路均穿越我国最大规模的海洋性冰川群分布区，在当前气候持续变暖的环境条件下，该区域特大冰川地质灾害多发、突发，其规模、破坏能力、危害范围往往数倍于普通灾害，导致大面积成灾，不仅造成巨大的人员伤亡，还会把多年的建设成果毁于一旦，危及重大工程安全。冰碛土作为冰川地质灾害的主要固体物源，是在冰川退缩融化过程中漂石、碎石、砂砾、粉土和黏土在毫无分选的条件下快速混杂堆积的产物，具有成分复杂、结构混杂、物理力学性质变化大的特点，其特殊的地质成因和赋存环境使其成为特殊的宽级配岩土体材料。尤其是小冰期以来形成的冰碛土中，含有大量的埋藏冰，这些冰体随着温度的升高和降雨径流的影响极易融化，易造成上覆土体结构破坏、强度劣化而发生破坏并形成大型灾害。这种冰-土混合体因其物质组成复杂、破坏机制尚未有深入系统研究，严重制约着冰川地质灾害形成机理和防灾减灾进展。在国内,大量的室内研究集中于低含冰量冻土,即为总含水量不超过饱和含水量或刚达到饱和值的冻土。在国外,早期就有少量关于冰-土混合体土力学特性的报道,但对于冰-土混合体试样的制备方法描述很少,或无据可查。随着寒区公路、铁路,输油管线等工程建设的发展,越来越多的工程在建设过程中会面临冰川地质灾害的威胁，所以研究冰-土混合体的力学特性就显得越来越重要,而冰-土混合体试样的制备可为开展冰-土混合体试验研究提供试样保证。

人工冰-土混合体试样的制备方法传统的有三种：分层击实法、固结法和压样机整体压实法,这三种方法目前都在常温下使用。整体状冰-土混合体试样是土、冰和水均匀混合制备而成的，所以试样的整个制备过程必须在负温环境下进行。使用分层击实法制备高冰-土混合体试样的时候,往往出现最后一层土体自身发生冻结,不易与其它层均匀的粘结到一起,最终将导致试样的极大不均一性，固结法是将风干土加蒸馏水配成大于液限的稀泥浆,倒入制样筒,在顶部施加静载加速土样固结,显然不适宜于冰-土混合体的制备，压样机适用于常温,在低温下无法正常运转。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提供了一种用于冰-土混合体的低温制样系统，使其在不同低温条件下制备整体状冰-土混合体试样，具体技术方案如下：

一种用于低温条件下冰-土混合体的制样装置，包括加载部件、恒温箱、制样桶和温控部件，所述加载部件下方设置应力环，所述应力环通过伸缩杆与制样桶连接，所述制样桶置于恒温箱中，所述恒温箱通过导流管与温控部件连接；所述应力环用于控制伸缩杆伸缩长度；所述制样装置利用伸缩杆的伸缩功能对制样桶中冰-土混合体进行压缩制样。

具体的，所述伸缩杆下端连接压块，所述压块下方连接成型压板，所述成型压板的上表面有平衡圈，所述制样装置通过所述成型压板在制样桶中挤压冰-土混合体进行制样。

具体的，所述成型压板直径与制样桶内径相同。

具体的，所述制样桶由三瓣不锈钢金属膜筒经紧箍固定制成，所述紧箍由松紧螺母进行开闭。

具体的，所述恒温箱内表面由保温材料组成，内部放置温度传感器监测恒温箱内部实际温度。所述恒温箱顶部为可开闭型的双开门，所述双开门两端分别设置有第一把手和第二把手。双开门正中央存在圆形开口，用于伸缩杆件的放置。

具体的，所述温控部件包括温度控制器、冷浴液和循环泵，所述循环泵根据温度控制器的设定温度调节冷浴液泵入导流管的流量。

具体的，当恒温箱温度高于或低于温度控制器设定的温度，泵入导流管的冷浴液流量加大；当恒温箱温度等于温度控制器设定的温度，泵入导流管的冷浴液流量保持不变；冷浴液通过ptc加热片和半导体制冷片进行升温或降温，温度控制器中放置温度传感器，温度传感器通过反映的温度开启或关闭温控系统。

具体的，所述冷浴液通过闭环式导流管流经所述恒温箱内表面后回流至所述温控部件。具体的，所述闭环式导流管流经恒温箱内表面，恒温箱内的闭环式导流管呈螺旋式分布。

本发明目的之二在于提供利用上述制样装置进行低温条件下冰-土混合体制样的方法，具体技术方案如下：

一种用于低温条件下冰-土混合体的制样方法，利用上述技术方案中的制样装置进行制样，具体步骤包括：

（1）将冰-土混合体装载进制样桶中；

（2）加载部件通过加载设定得到加载信号，将加载信号传送至所述应力环；

（3）所述应力环根据加载信号计算并控制伸缩杆伸缩长度，利用伸缩杆的伸缩功能对制样桶中冰-土混合体进行压缩制样。

具体的，所述成型压块挤压所述制样桶中的冰-土混合体得到冰-土混合体样品，所述成型压板直径与制样桶内径相同。

具体的，所述成型压板上放置平衡圈监测压样过程中样品表面是否保持水平。

具体的，制样过程中，所述温控部件通过导流管循环冷浴液以达到控温效果。

本发明的有益之处在于：

（1）本发明可进行可控温度环境下标准化冰-土混合体自动制样,可以实现在低温环境下，对松散冰-土混合体进行精细化、标准化制样，避免人为分层重塑样品导致的误差以及制样过程中冰体的融化，可以实现同一批试样的各项性能统一性，提高实验结果的准确性；

（2）本发明可提供一种低温环境下冰-土试样制备的分层压样装置，使用该装置进行制样，可以精确控制每层土样的压实高度和端面的水平，制得的冰-土混合样品均匀性更好，从而使温控三轴试验的试验误差小，试验结果更精确、可靠；并且其操作方便、试样的制备效率更高。

附图说明

图1为本发明的制样装置结构图；

图2为本发明的制样装置中的制样桶的结构示意图；

图3为本发明的制样装置局部拆分示意图。

图中，1-加载部件；2-恒温箱；21-双开门；211-第一把手；212-第二把手；3-制样桶；4-温控部件；41-温度控制器；42-冷浴液；43-循环泵；5-应力环；6-伸缩杆；7-导流管；71-闭环式导流管；8-压块；9-成型压板；10-平衡圈；11-紧箍；12-松紧螺母；13-支撑架；14-支撑平台。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的结构思路、使用范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

如图1所示的一种用于冰-土混合体的低温标准化制样装置，包括加载部件1、恒温箱2、制样桶3以及温控部件4。加载部件1安装于支撑架13上，支撑架13的立于支撑平台14上，加载部件1下方设置应力环5，其通过环上数值与实际加载速率可计算实际加载距离，即伸缩杆伸缩长度。下部为恒温箱2，恒温箱2内放置制样装置，箱体内部设有夹层，夹层内放置螺旋式的导流管7，供以导流管7经过从而对内部恒温箱2内部进行降温，导流管7连接外部温控部件4。

加载部件1包括控制模块和加载模块，控制模块报告控制终端和控制终端相连接的控制器；加载模块包括应力环5、伸缩杆6以及压块8、成型压板9以及平衡圈10组成。压块8连接于伸缩杆6下端，对成型压板9施加稳定压力，平衡圈10位于成型压板9上表面，用于监测成型垫板表面平衡、受力均匀等情况，基本骨架如图3所示，加载部件1置于支撑架13上，支撑架13立于支撑平台14上，加载部件1下方得应力环5直连伸缩杆6，伸缩杆6下端依次连接压块8和成型压板9，其中成型压板9上表面设置有平衡圈10。

制样桶3由三瓣不锈钢金属膜筒经紧箍11固定制成，所述紧箍11由松紧螺母12进行开闭，所述伸缩杆6、压块8、成型压板9与平衡圈10可置于制样桶内，成型压板9直径与制样桶3内径一致，均采用不锈钢制成。

所述控温部件4包括循环泵43、温度控制器41、冷浴液42、封闭式导流管71。冷浴液42通过循环泵43进出导流管7，对恒温箱2内部进行降温或升温，当恒温箱2内温度高于或低于温度控制器设定的温度，循环泵43泵入导流管7的冷浴液42流量加大；当恒温箱2内温度等于温度控制器设定的温度，循环泵43泵入导流管7的冷浴液42流量保持不变；冷浴液通过ptc加热片和半导体制冷片进行升温或降温，温度控制器中放置温度传感器，温度传感器通过反映的温度开启或关闭温控系统。在温度未达到设置数值时即启动加热片或制冷片，温度达到目标数值后自动停止。恒温箱2内表面由保温材料组成，用于保持内部温度的稳定。在箱体内部设置有夹层，夹层间放置螺旋式的封闭导流管71，封闭导流管71进、出口连接外部控温部件4。夹层表面材料采用透气性材料，有利于封闭导流管71对箱内空间进行降温。箱体上部设置双开门21，制样装置从此处放置或取出，双开门21正中间开设圆形孔，压缩杆6由此处连接压块8。

实施例2

利用实施例1所述的装置进行冰-土混合体的低温标准化制样，具体步骤如下：

制样开始时伸缩杆收拢至应力环5下方，通过第一把手211和第二把手212打开恒温箱2顶部，将冰-土混合体装载进制样桶3中，随即关闭恒温箱2；加载部件1通过加载设定得到加载信号，将加载信号传送至所述应力环5；应力环5根据加载信号计算并控制伸缩杆6伸缩长度，利用伸缩杆6的伸缩功能对制样桶3中冰-土混合体进行压缩制样。如图2所示，伸缩杆6压力作用于压块8上，随机将伸缩杆6压力传递至成型压板9上，成型压板9在制样桶3中挤压冰-土混合体进行制样，其中，成型压板9上放置平衡圈10监测压样过程中样品表面是否保持水平。

在某些实际情况下，为了更精准得对其制样桶3和伸缩杆6的位置，在恒温箱2底部设有能与制样桶3底部外直径契合的圆型凹槽，起到限位作用，以免成型压板9与制样桶3口径对齐，无法挤压制样的问题。

制样过程中，温控部件4通过导流管7循环冷浴液42，导流管7与闭环式导流管71直接连接，使冷浴液42分布于恒温箱2内表面，以达到控温效果，在某些实际情况下，导流管7与闭环式导流管71可以拆卸型组装，也可以仅用一根导管，即导流管7在温控箱内的部分称为闭环式导流管71。

制样完成时，通过第一把手211和第二把手212打开恒温箱2顶部，取出制样桶3，打开紧箍11上的松紧螺母，便能取出成型的样品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。