用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置及方法与流程

本发明涉及冻土试样制样，具体涉及一种用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置及方法。

背景技术：

1、高含冰量冻土指的是含水率超过饱和含水率，且温度低于零度的土体。这种高含冰量冻土广泛存在于青藏高原、东北等多年冻土区中。由于重复分凝机制的作用，多年冻土区的季节融化层下部极易产生高含冰量冻土。

2、而在全球气候变暖的大背景下，人类活动对冻土环境的影响日益加剧，越来越多的低温冻土逐渐转化为高温冻土。尤其对于高温高含冰量冻土来说，其主要有含冰量大、未冻水含量高、强度低、流变性强等特点。这些固有的特性使得高温高含冰量冻土的工程性质极差，导致了路面开裂、管道变形、房屋倾斜等工程病害，造成了工程运营安全隐患大、维护费用高等社会问题。因此，对于高含冰量冻土的研究具有极大的必要性，而掌握高含冰量冻土的制样方法也是进行科学研究的前提。

3、目前，已经有了一些较为成熟的高含冰量冻土制样方法，这些方法通常是将土颗粒、冰颗粒与未冻水三者混合并压制成样的方法进行制备。但是，这些制样方法通常是针对黏土、粉土等土质展开，一方面难以保证试样的饱和性，另一方面对于砂土等在水中易沉淀的材料难以保证试样的均匀性。因此，有必要探讨一种适用于砂土等在水中易沉淀材料的饱和高含冰量冻土制样方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是现有高含冰量冻土制样方法不能适用于砂土等在水中易沉淀材料，目的在于提供一种用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置及方法，能适用于砂土等在水中易沉淀材料的高含冰量饱和冻土制样装置与方法。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置，包括：模具组件和补水组件；

4、所述补水组件包括：水源装置和补水装置，所述补水装置通过输水管与所述水源装置连通，所述补水装置位于所述模具组件内，且位于所述模具组件的底部；

5、所述模具组件包括：顶盖、三瓣模和底板，所述底板上设置有通孔，所述输水管穿过所述通孔，且所述补水装置放置在所述底板的上侧面，所述三瓣模的下端放置在所述补水装置上且与所述补水装置密封，所述顶盖放置在所述三瓣模的上端。

6、具体地，所述补水装置包括：补水板和透水石，所述补水板内部设置有补水腔，所述补水板的上侧面设置有多个与所述补水腔连通的导水孔，所述透水石放置在所述补水板上且遮蔽所述导水孔，所述输水管与所述补水腔连通，所述三瓣模的下端放置在所述透水石上。

7、可选地，所述补水板的上侧面设置有用于放置所述透水石的凹槽，所述透水石放置在所述凹槽后，所述透水石的上侧面与所述补水板的上侧面重合；

8、放置所述三瓣模时，所述三瓣模的内径不大于所述透水石的直径，所述三瓣模的外径大于所述三瓣模的直径。

9、可选地，所述三瓣模与所述补水装置之间设置有密封橡胶圈。

10、可选地，所述三瓣模包括：三个依次连接的弧形板，相邻的两个所述弧形板之间可拆卸连接，三个所述弧形板的弧心重合，且三个所述弧形板的半径相等。

11、可选地，所述水源装置包括：补水桶和止水阀，所述补水桶的出水口通过所述止水阀与所述输水管连通，所述补水桶的出水口的高度高于所述模具组件的最大高度。

12、用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样方法，基于如上所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置，所述方法包括：

13、准备干砂样，并放入冷库中冷冻；

14、准备冰颗粒；

15、将干砂样与冰颗粒按照一定质量比均匀混合，并装入模具组件内；

16、通过补水装置向模具组件内补入设定温度的液态水；

17、补水完毕后，将模具组件和补水装置放入冷库冷冻；

18、完成冷冻后拆样获得冻土试样，并确定试样最终质量含冰量w：其中，m1为干砂样和冰颗粒的总质量，m2为冻土试样的质量，υ为干砂样与冰颗粒的质量比。

19、可选地，所述冰颗粒的获取方法为：冻结去离子水获得冰块，并通过碎冰机打碎，过amm筛，选取粒径大于amm的冰颗粒。

20、可选地，将干砂样和冰颗粒的混合物装入模具组件的方法包括：

21、将混合均匀的干砂样和冰颗粒分为n等份；

22、装入第1份试样，并通过重力锤以固定击实功击实土体，然后松散表层土体；

23、装入第2份试样，再次通过重力锤以固定击实功击实土体，然后松散表层土体；

24、重复上述步骤，直至完成第n份试样的击实。

25、可选地，a＝2；液态水为去离子水，且其温度不大于5℃；补水完毕后的试样的冷冻时间为24小时。

26、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

27、本发明将干砂样和冰颗粒混合均匀后装入模具组件，保证了砂土颗粒在试样中的均匀分布，并通过补水装置自下而上的补水避免了在试样中产生气泡，获得了粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土试样。

技术特征：

1.一种用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置，其特征在于，包括：模具组件和补水组件；

2.根据权利要求1所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置，其特征在于，所述补水装置包括：补水板(7)和透水石(6)，所述补水板(7)内部设置有补水腔，所述补水板(7)的上侧面设置有多个与所述补水腔连通的导水孔(13)，所述透水石(6)放置在所述补水板(7)上且遮蔽所述导水孔(13)，所述输水管(12)与所述补水腔连通，所述三瓣模(2)的下端放置在所述透水石(6)上。

3.根据权利要求2所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置，所述补水板(7)的上侧面设置有用于放置所述透水石(6)的凹槽，所述透水石(6)放置在所述凹槽后，所述透水石(6)的上侧面与所述补水板(7)的上侧面重合；

4.根据权利要求2所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置，所述三瓣模(2)与所述补水装置之间设置有密封橡胶圈。

5.根据权利要求1所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置，所述三瓣模(2)包括：三个依次连接的弧形板，相邻的两个所述弧形板之间可拆卸连接，三个所述弧形板的弧心重合，且三个所述弧形板的半径相等。

6.根据权利要求1所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置，所述水源装置包括：补水桶(8)和止水阀(11)，所述补水桶(8)的出水口通过所述止水阀(11)与所述输水管(12)连通，所述补水桶(8)的出水口的高度高于所述模具组件的最大高度。

7.用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样方法，其特征在于，基于如权利要求1-6中任意一项所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样方法，其特征在于，所述冰颗粒的获取方法为：冻结去离子水获得冰块，并通过碎冰机打碎，过amm筛，选取粒径大于amm的冰颗粒。

9.根据权利要求8所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样方法，其特征在于，将干砂样和冰颗粒的混合物装入模具组件的方法包括：

10.根据权利要求9所述的用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样方法，其特征在于，a＝2；液态水为去离子水，且其温度不大于5℃；补水完毕后的试样的冷冻时间为24小时。

技术总结
本发明冻土试样制样技术领域，具体涉及一种用于粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土的制样装置及方法，装置包括模具组件和补水组件；方法包括准备干砂样，并放入冷库中冷冻；准备冰颗粒；将干砂样与冰颗粒按照一定质量比均匀混合，并装入模具组件内；通过补水装置向模具组件内补入设定温度的液态水；补水完毕后，将模具组件和补水装置放入冷库冷冻；完成冷冻后拆样获得冻土试样；本发明将干砂样和冰颗粒混合均匀后装入模具组件，保证了砂土颗粒在试样中的均匀分布，并通过补水装置自下而上的补水避免了在试样中产生气泡，获得了粗颗粒砂土的高含冰量饱和冻土试样。

技术研发人员：马付龙,刘恩龙,李建,钟贻辉,罗启迅,吴夏,沈志文,马欣
受保护的技术使用者：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29