一种含冰量均匀的土石混合体试样的制备方法

本技术涉及土石混合体，特别涉及一种含冰量均匀的土石混合体试样的制备方法。

背景技术：

1、土石混合体是一种极不均匀的复合地质材料，很容易受到外界环境的干扰。地表表层的土石混合体在冻融作用下导致其力学性能发生恶化，影响道路边坡的稳定性，从而导致滑坡，崩塌等地质灾害的产生。

2、公开号为cn104359747b的专利公开了一种冻土样品的制备和测量装置，其不仅能在室内制备均匀冻土样品，而且能在原位无干扰条件下测量冻土样品的热学、渗透参数，为冻土区水合物成藏评价与水合物开采方案的制定提供科学依据和技术支持。

3、公开号为cn102230856b的专利公开一种高含冰冻土试样的制备方法。该方法对于具有整体状构造的高含冰人工冻土试样在低温环境下进行力学试验，分析其力学性能具有重要意义。

4、上述专利虽然在一定程度上完善了冻土的制作和测量，但是土石混合体中孔隙水的冰点随孔的大小而异，小孔隙中冰点低，冻结温度低。在冻结处，大孔隙中的水先结冰，随后吸附邻近土粒周围的弱黏滞水冻结。该土颗粒由于水膜吸附减弱而失去了电分子引力的平衡，又从下部邻近土颗粒抽吸水分，把下部的水迁移到上部的大孔隙中，逐渐冻结并形成冰夹层。当冻结速率大时，冻结深度发展快，水分迁移速度相对缓慢，则冻胀小。只有在某一适宜的温度梯度下，即自冻结面散发出的热量恰好等于迁移水转变为0℃时的相变潜热，且冰冻区底部位于毛细水上升区内时，使下方水连续不断向冻结面迁移形成冰晶，并逐渐聚集成透镜状冰夹层。当内外部传热量均匀一致时，冻结面散发出的热量均匀一致，孔隙水迁移所形成冰晶聚集成透镜状冰夹层均匀，即试件的含冰量均匀一致。据此，上述专利在制作土石混合体的过程中无法保证内外部传热量均匀一致。这会导致根据其提出的方法所制备的土石混合体内部的含冰量是不均匀的。

5、因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。

技术实现思路

1、为了克服土石混合体在冻融循环过程中内外部热量传导不均匀导致孔隙水在土石混合体中迁移形成冰晶的位置不同，从而导致土石混合体中含冰量不均匀的问题，本发明提供一种含冰量均匀的土石混合体试样的制备方法，该方法使孔隙水在土石混合体内部迁移所形成的冰晶位置不尽相同，从而达到制作含冰量均匀的土石混合体的目的。

2、为了实现上述目的，本技术提供的一种含冰量均匀的土石混合体试样的制备方法采用如下技术方案：

3、一种含冰量均匀的土石混合体试样的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)根据含石率、含水量和土石混合体的干密度以及试件盒尺寸，计算土、石、水的重量；

5、(2)将土、石筛分处理，分别制得土样品和石样品；

6、(3)根据步骤(1)中所确定的含石率，分别称取步骤(2)中的土样品和石样品进行混合，制成均匀的土石标准试件；

7、(4)根据步骤(1)所确定的含水量，将水加入土石标准试件中，搅拌均匀后应将其表面覆上一层保湿膜，静置，制成土石混合体的标准试件；

8、(5)将步骤(4)中土石混合体的标准试件移入土石混合体试件盒中，置于恒温箱中静置，确保土石混合体试件盒内外部温度均匀一致；

9、(6)确定制备土石混合体试件的含冰量(根据以下公式可以计算出土石混合体中的冰的含量)；

10、qtotal＝qwater+qsrm+qice→water

11、qwater＝mwatercwaterδt

12、qsrm＝msrmcsrmδt

13、qice→water＝micel

14、mwater＝mω/(1+ω)

15、式中，qwater表示土石混合体中水(包括冰与液态水)的吸热量，qsrm表示

16、土石混合体中土基质和砾石颗粒的吸热量，qice→water表示土石混合体中冰转为液态水的潜热吸热量，l为冰的潜热，m为试样总重，ω为土石混合体的含水量。

17、由于试样是从0℃吸热升温至20℃，因此在计算过程中不需要考虑超冷水(温度小于0℃的液态水)的影响。

18、(7)将步骤(5)中静置后的土石混合体试件盒取出，转移至低温箱中静置，使土石混合体试件盒外部冻结；

19、(8)将步骤(7)中低温箱静置后的土石混合体试件盒取出，置于室温下静置，使土石混合体试件盒外部解冻；

20、(9)将步骤(8)中室温下静置后的土石混合体试件盒置于低温环境静置，使得土石混合体试件盒内部温度均匀；

21、(10)将步骤(9)中低温环境静置后的土石混合体试件盒取出，将试件脱模后测定试件的含冰量，以及试件的尺寸和重量；若符合上述实验所需要求，将试样装入密封的标配防油胶套中放入低温箱完成式样的制备，以备实验用；若不符合，再次进行步骤7-9直至达到所要求的含冰量。

22、优选地，步骤(1)中，根据实验所需试样的含石率、含水量和干密度以及试件盒尺寸，计算制备标准试样所需要的土、石、水的重量；其中，m石＝m总*w石，m水＝m总*w水。m土＝m总-m石-m水。

23、优选地，步骤(2)中，将土、石进行筛分处理，其中，土样品的粒径≤2.0mm；石样品的直径为5～20mm。

24、优选地，步骤(5)中，所述土石混合体试件盒包括依次设置的上盖、试件盒体和下盖；所述上盖中心位置设有铜制导管，所述铜制导管一端部延伸至试件盒体内；所述试件盒体为由铜制成的圆桶状结构。

25、进一步优选地，所述铜制导管直径φ＝2mm；所述试件盒体的内径φ’＝60mm，所述试件盒体的高度h＝120mm。

26、优选地，步骤(5)中，所述恒温箱的温度为20～25℃。

27、优选地，步骤(7)中，所述低温箱的温度为-25～-20℃。

28、优选地，步骤(8)中，所述室温为20～25℃。

29、优选地，步骤(8)中，所述低温环境的温度为0±5℃。

30、有益效果：

31、(1)本发明自制的土石混合体试件盒由导热性良好的铜制成，保证试件在冻结过程中受冷均匀。上盖中央位置连接一根铜制导管并插入土石混合体试样中，试件盒为导热性良好的铜制成，一是为了使得试样在冻结过程中不仅可以从四周往内部冻结，也可以从中间往四周冻结；二是可以直接作为冻结后测量试件热传导系数的孔道。本发明在保证原试样整体性的同时更不会因为测量等外部因素的影响而破坏孔隙水在土石混合体中迁移形成冰晶的位置。

32、(2)本发明采用分步冻结法，与传统的直接冻结法不同，因为直接冻结法是将试件直接放进低温环境中保存，再取出，在这个过程中温度只有逐渐下降的趋势，孔隙水在土石混合体中的迁动位移量不会有显著的改变，所生成冰晶会逐渐聚集成大块的透镜状冰夹层。而本发明采用的分步冻结法，将试件置于低温环境中后会拿出放到20℃的环境下使试件外部解冻，同时由于热传导的作用，试件内部温度重分布。在此过程中，孔隙水迁移生成冰晶的位置会在孔隙中逐渐移动，当再次置入冰点环境中时，则会使孔隙中的冰晶均匀的聚集成透镜状冰夹层，以保证整个试件的含冰量相对均匀。

33、(3)本发明采用分步冻结法和试错法相互结合，进而可以控制每组标准试件的含冰量的不同。采用试错法控制每组含冰量的大小，即首先人为选定试样的冻结时长，冻结后测试试件的含冰量，依据含冰量的大小动态调整分步冻结法中的冻结和融化时长，直至达到目标含冰量的要求。

34、(4)本发明摒弃了复杂的装置系统，工艺简单灵活，成本低廉，可以根据实际所需要的尺寸在低温条件下制作均匀的含冰量的人工土石混合体，为开展冻土试验研究提供试样保证。