一种基于杠杆加载的冻胀融沉试验系统

1.本发明主要用于土工试验岩土技术领域，具体涉及一种能够研究岩土材料在恒压加载条件下的冻胀融沉特性的试验系统。


背景技术：

2.冻胀融沉现象是现代工程建设中不容忽视的一个重要问题。无论是寒冷地区季节性冻土的反复冻胀还是温暖地区人工地层冻结法施工引起的地层冻胀，都给地表构筑物运营及地下空间的开发带来极大的危害。冻胀变形一方面是由土中水分在冻结温度下发生相变引起的体积变形，另一方面是在温度梯度的作用下所产生的水分迁移。而根据多年的经验表明，融沉在危害程度上也是占有一席之地。融沉破坏实际是由两种破坏叠加，一是冻土区土层在水、热条件所产生的热融沉陷，二是土层在荷载作用下压密变形所产生的压缩沉降。故在现代工程建设中，分析岩土材料在冻结过程中的基本物理指标和冻胀融沉特性之间的关系便显的尤为重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于为土工试验中冻结岩土材料的冻胀力、恒载冻胀率、恒载融沉率的测定提供一种功能齐全、使用方便的冻胀融沉试验系统。
4.本发明的技术方案如下：本发明提供的冻胀融沉试验系统，包括支撑体系、试样腔体部分、加载系统、温度系统、应力、位移监测系统。支撑体系包括钢架、与钢架用螺栓连接的钢、木板台面、固定在底板上的两根滑动导柱、设在所述滑动导柱上的限位板；试样腔体部分包括由有机玻璃制圆柱式试样腔体、覆盖在所述腔体上的钢制顶板以及腔体下的钢制底板、布置在底板下与试样腔体所匹配的圆台，圆台上方设置成凹槽以方便固定住试件，布置在底板下的补水装置，布置在试样腔体上下的透水石，开设在透水石上方可关闭的排水口；加载系统由钢制框架由螺栓连接在台面下和上顶板上、焊接在框架下方的吊勾相连的砝码盘、冻胀力传感器由顶点嵌入框架并与上述限位板共同固定在框架上方；温度系统包括冷水机、安置在试样腔体上下方的冷媒循环装置以及内部的导流板、设在冷媒循环装置上的冷媒进出口，可以实现体现封闭式双向冻结；应力、位移监测系统包括上述冻胀力传感器、设在试样腔体侧面的温度传感器、设置在上顶板上磁性底座以及吸附在上位移传感器、与上述传感器用导线相连的信号解调器、数据采集模块及计算机。
5.本发明的基本理论原理：根据国家标准gb/t50123-2019《土工试验方法标准》：冻胀力是指在冻胀发生后，冻胀率为零时冻结土体对约束结构所施加的最大稳定压力；在上覆荷载作用下，试样的最大稳定冻胀量与试样原长的比值为试样的恒载冻胀率。计算公式如下：
式中：η为恒载冻胀率，％；δh为最大稳定冻胀量，mm；hf为冻结深度，mm。在上覆荷载作用下，试样的最大融化下沉量与冻土试样的高度的比值为试样的融沉率。计算公式如下：式中：δ0为恒载融沉系数，％；δh为冻土最大融化下沉量，mm；h为冻土试样高度，mm。
6.本发明的有益效果为：1、冻胀融沉试验系统的整体结构设计合理、安拆方便、数据读取精确。2、精确的温度控制系统，能够使温度精确的控制在试验所需求的范围内，土体每个部位传感器可以实时反馈出土体内部的温度，能更好的体现出冻胀融沉过程中土体内部的温度梯度。3、砝码-加载装置可以使得荷载直接均匀作用在试样上，可以较好的模拟出土样在各种压力条件下冻胀力和冻胀量的变化。4、冷媒循环装置内部导流板采用螺旋状布置，从而使冷媒剂的流通效率，提高冻结速率。4、冷媒循环装置以及导温板采用保温隔温板，隔温板内部采用铝板，提高隔温板的抗压力，使隔温板可以在荷载和温度作用不至产生变形，外部由 pef发泡板胶合在铝板双面，从而提高冻胀融沉的效率并避免外部温度的影响。5、补水装置采用马氏瓶，并在马氏瓶的管道处安装流量计，可以实时记录冻结过程中水分迁移量，并可以测量随着冻结时间的变化水分流入的速率。6、采用轮辐式压式荷重传感器和应变式位移传感器与土体和计算机相连，可以实时监测土体冻胀力、冻胀量和融沉量的变化。7、描述一种针对冻胀-融沉的试验方案，描绘出冻胀率、融沉率在不同压力条件下的变化曲线，使得试验对于冻胀融沉特性的认识更加深入。下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
附图说明
7.图1是冻胀融沉试验系统冷媒循环装置的三视示意图。
8.图2是冻胀融沉试验系统试样筒的正视示意图。
9.图3是冻胀融沉试验系统模具的正视、俯视示意图。
10.图4是冻胀融沉试验系统整体结构示意图。
11.图示序号：
12.1-螺栓；2-压力传感器；3-冷媒循环口；4-冷媒循环装置；5-冷媒循环口；6-导流板；7-螺栓；8-加载框架；9-砝码盘；10-螺纹筒；11-马氏瓶；12
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温度传感器插口；13-试样腔体；14-透水石；15-钢反力架；16-吊钩；17-螺纹筒；18-限位板；19-钢板；20-木板；21-滑动导柱；22-凹槽；23-磁性底座；24
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位移传感器；25-流量计；26-钢架；27-排水口。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
14.如图1-4所示的冻胀融沉试验系统，包括支撑体系、试样腔体部分、加载系统、温度系统、应力、位移监测系统。
15.冻胀融沉试验系统的支撑体系包括钢架26坐落在底板27，将19钢、 20木板覆盖在台面上，用螺栓7固定，同时滑动导柱21与底板27用螺栓17连接，同时将限位板18用螺栓1与滑动导柱21固定。
16.冻胀融沉试验系统的温度系统将由冷媒循环装置4安置在19钢制台面以及试样腔体上部，冷媒容器下部设置成腔体所匹配的圆台，将冷媒循环装置及上部装置安置在凹槽内，外部包裹有保温棉，试样腔体13下部设置由透水石14，马氏瓶11连接在试样腔体下方，以用来模拟土壤的地下水位，冷媒容器内部设置了螺旋状导流板6以防冷媒在容器内停滞，并提高冻融效率，冷媒循环装置在侧面设置冷媒进出口3、5。
17.加载系统将框架8用螺丝纹扣与焊接在冷媒循环装置上顶板上的螺纹孔28和焊接在钢反力架台面下的螺纹孔10连接，砝码盘9与焊接在框架8下方的吊钩16相连。
18.应力、位移监测系统包括压力传感器、温度传感器和位移传感器，压力传感器采用轮辐式压式荷重传感器，测量范围在0～100kg，精度为0.1kg；温度传感器采用wzp-pt-100铂热电阻式传感器，测量范围-50～420℃，精度0.1℃；位移传感器采用差动变压式位移传感器，测量范围10mm，线性误差≤0.25％fs，重复误差≤0.1μm。将压力传感器2置于框架8上方，温度传感器则通过试样腔体侧面孔12插入土体，将位移传感器23吸附在设置于上顶板上的磁性底座24，上述传感器与信号解调器、数据采集模块及电脑用导线相连，通过电脑程序，可以实时记录试验中的冻胀力、冻胀位移以及温度，根据公式从而求出自由及恒压冻胀率。
19.具体试验方案如下：
20.将土料进行筛分，烘干，配制不同含水率的土料，将配制好的土料置于试样腔体内，分层压实至目标高度，制备目标试样，同时在试样的目标高度处插入温度传感器，安装好位移传感器，将温度和位移传感器均与数据采集模块、电脑连接好，并连接电源，调零；
21.启动仪器后将冷媒剂注入容器恒温放置6h，之后待试样初始温度稳定后，设定目标温度；
22.打开数据采集软件，记录相关数据；
23.根据测得的试样温度，绘制土体温度分布曲线，求得冻结深度hf，通过位移传感器测得的冻胀量δh，根据公式即可求出冻胀率η；
24.安装荷重传感器，调节限位板，使得土样冻胀量在压力作用下恢复如初，此时荷重传感器所反馈的数据即为试样的冻胀力；
26.添加砝码，模拟上覆压力，重复上述步骤，即可得到土样在不同荷载作用下的冻胀率，即恒压冻胀率；
27.更换试样重复试验，记录不同含水率试样在规定条件作用下的冻胀率和冻胀力变化；
26.调节冷端温度，重复试验，记录在不同冷端温度下冻胀率、力的变化；
28.调节仪器温度，使试样在目标温度下融化，当试样融沉量在2小时内小于0.02mm
时，记录相关试验数据；
26.重复上述步骤，记录观察在不同规定条件下融沉量的变化；
27.根据以上试验数据，分析试样基本物理指标与冻胀融沉特性之间的关系，得出试验结果。