一种加筋土开放式冻融循环‑拉拔综合试验仪的制作方法

本发明涉及一种试验仪器，特别是一种加筋土开放式冻融循环-拉拔综合试验仪，适用于观测多次冻融后加筋土体的融沉位移和剪应力以及测定表示筋材-土体间力学性能的有关参数。

背景技术：

我国季节性冻土约为5.14×10⁶km²，约占国土总面积的53.5％，季冻区渠道衬砌因渠基土体冻融变形产生严重冻害。陈轮(1996，《冰川冻土》)、汪恩良(2010，《岩土工程学报》)研究表明，土体加筋能有效约束其冻胀，减小水平冻胀力60％以上。加筋还可削弱土体融沉破坏，柴艳飞(2012，《低温建筑技术》)研究表明，融沉期铺设土工格栅过渡段路堤边坡安全系数提高11.9％。赵荣飞(2014，《冰川冻土》)研究表明，粘土路堤加入格栅可使其冻融后的竖向位移和最大剪应力减小7％和1.8％。

季冻土发生融沉破坏的主要原因是冻融后抗剪强度的改变，抗剪强度指标主要有粘聚力c和内摩擦角可通过冻融前后土体三轴试验获得。研究表明，土体冻融稳定性与土体压实度、初始含水率、冻结温度、冻融次数和形式等因素有关，现有关于土体冻融后稳定性研究未能充分考虑各因素综合作用，并给出各冻融条件下土体合理初始状态，为有效提高冻融后土体稳定性提供理论依据。

筋-土接触面作用特性直接影响加筋土内部稳定，是加筋土力学性能关键指标，可通过大型拉拔试验获得。国内外许多学者对筋-土接触面作用特性进行了研究。结果表明，筋-土接触面作用特性与上覆载荷、压实度、含水率和加筋层数等因素有关。现有关于加筋结构力学性能研究未能充分考虑各因素综合作用，给出各类筋材和土体最优加筋形式，深刻揭示筋-土相互作用规律。

现有试验设备主要完成非加筋土冻融后的稳定性和加筋土非冻融条件下的筋材-土体间力学性能的测定。能够直接用于多次冻融后加筋土体融沉位移和剪应力的观测以及测定表示冻融后筋材-土体间力学性能有关参数的试验设备还不完善。

加筋土开放式冻融循环-拉拔综合试验仪，可用于测定冻融终了状态结构最大融沉位移和剪应力，通过大型拉拔试验得出渠基融化终了状态格栅-土接触面古德曼模型各参数，在各融化终了状态采集位移和土压力传感器数据，分析结构最大融沉位移及剪应力，并开展大型拉拔试验得出融化终了状态格栅-土接触面古德曼模型各参数值，建立上述渠基稳定性参数与主要影响因素间关系的数学模型，并对渠基冻融稳定性受各因素变化的影响规律进行研究，为季冻区格栅加筋粉质粘土渠基融沉破坏控制提供理论依据。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种加筋土开放式冻融循环-拉拔综合试验仪，能够直接用于多次冻融后加筋土体融沉位移和剪应力的观测以及测定表示冻融后筋材-土体间力学性能有关参数。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明包括冻融部分和拉拔部分：

(1)冻融部分设置恒温恒湿箱，在恒温恒湿箱内，设置由固定挡板，活动挡板和多孔底板形成填料箱，两侧活动挡板通过铰链与底板铰接；两侧活动挡板上开有能穿出土工格栅端部的豁口；在固定挡板上部焊接固定弹簧钢板，在多孔底板上面铺设透水石；多孔底板的下面设置水箱，水箱连接补水装置；两侧的活动挡板外侧与固定弹簧钢板之间设置弹簧；同时在活动挡板外侧设置锚栓；

(2)拉拔部分：在一侧活动挡板的外端设置夹住土工格栅端部的夹具，夹具的另一端连接拉拔装置，夹具上连接拉力传感器和百分表；

填料前，将透水石平放在多孔底板上部；填料时，为保证活动挡板竖直放置并防止活动挡板因土压力作用而倾倒，通过插入固定挡板上的锚栓卡住活动挡板外表面；将温度传感器和土压力盒埋设在加筋土中对应测试部位；填料稳定后，将适量的多个弹簧压缩置于固定弹簧钢板和活动挡板间，将水平位移传感器置于活动挡板内侧与弹簧同一高度处，同时撤去锚栓；在填料顶部放置加载板，在加载板上距离活动挡板较近位置处放置竖向位移传感器，将铸铁块荷载加到加载板上；待变形稳定后，将装有填料及各种配件的填料箱放在水箱上部，将以上整体放入恒温恒湿箱中。

冻融部分能够在不同冻结温度和顶部压力下开展各冻融次数补水条件下的土体单向冻结、融化试验，通过位移和土压力传感器观测结构的融沉位移和应力分布情况，确定结构在给定试验条件下的最大融沉位移和剪应力。

拉拔部分将完成各模型进行融化终了状态下拉拔试验，测定模拟格栅-土接触面作用的古德曼模型切向剪切劲度系数中各参数：kc、nc、rfj、和cj(kc为接触面切向弹性系数；nc为接触面切向弹性指数；为接触面内摩擦角，°；cj为接触面粘聚力，kpa；rfj为破坏比)，获得表示筋材-土体间力学性能的表达式，为加筋土体有限元计算提供依据。

本发明的积极效果：适用于测定冻融终了状态结构最大融沉位移和剪应力，通过大型拉拔试验得出渠基融化终了状态格栅-土接触面古德曼模型各参数，在各融化终了状态采集位移和土压力传感器数据，分析结构最大融沉位移及剪应力，并开展大型拉拔试验得出融化终了状态格栅-土接触面古德曼模型各参数值，建立上述渠基稳定性参数与主要影响因素间关系的数学模型，并对渠基冻融稳定性受各因素变化的影响规律进行研究，为季冻区格栅加筋粉质粘土渠基融沉破坏控制提供理论依据。

附图说明

图1是开放式冻融循环-拉拔综合试验仪结构示意图(上部局剖)。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图。

图4是开放式冻融循环-拉拔综合试验仪工作原理示意图(平行拉拔方向)。

图5是图4的左视图。

附图中的零部件序号：固定弹簧钢板1，弹簧2，锚栓3，荷载4，加载板5，固定挡板6，活动挡板7，豁口7-1，铰链8，透水石9，底板10，水箱11，补水装置12，恒温恒湿箱13，竖向位移传感器14(现有的ktm-100mm型直线位移传感器，最大线位移100mm，精度0.5％)，水平位移传感器15(现有的ktm-200mm型直线位移传感器，最大线位移200mm，精度0.5％)，夹具16，拉力传感器17(现有的tjl-1s型拉力传感器，额定荷载0.05～200kn，工作温度-20℃～65℃)，百分表18(现有的wbd-50百分表式电阻应变位移传感器，最低工作温度-45℃)，温度传感器19(现有的dm-301型温度传感器，工作温度：-50℃～200℃，土压力盒20(现有的jdy-110型单膜土压力盒，温度范围：-30℃～80℃，量程：1.5mpa)，拉拔装置21(现有的速率可控的水平拉拔试验机，其拉拔速率范围是0.07～8.67mm/min，可提供的最大拉拔力为3t)，粉质粘土22，土工格栅23(现有的tgsg30-30型双向拉伸塑料土工格栅)。

具体实施方式

本发明包括冻融部分和拉拔部分：

(1)冻融部分

见图1-3，在恒温恒湿箱13内，设置由固定挡板6，活动挡板7和多孔底板10形成填料箱，其中，两块固定挡板6焊接于底板10，两块活动挡板7置于底板10上部，通过铰链8与底板10铰接。活动挡板7开设缺口7-1；将固定弹簧钢板1焊接于固定挡板6上部(填料的上表面位置)。在底板10上面铺设透水石9；底板10的下面设置水箱11，水箱11连接补水箱12。在恒温恒湿箱13内两侧固定弹簧钢板1，两侧的活动挡板7外侧与固定弹簧钢板1之间在水平方向等间距固定5个弹簧；同时在活动挡板7外侧设置锚栓3。冻融前，松开固定挡板上部锚栓3，保证该处弹簧约束和原有锚栓3具有相同的围护效果。冻融过程，冻结、融化作用引起渠基结构沿长度方向的受力和变形将通过弹簧变形反映。

(2)拉拔部分

见图2-5，在一侧活动挡板7的外端设置夹住土工格栅23端部的夹具16，夹具16的另一端连接拉拔装置21(为现有装置)，夹具16上连接拉力传感器17和百分表18。

填料前，将透水石9平放在多孔底板10上部。填料时，为保证活动挡板7竖直放置，通过位于固定弹簧钢板1下部插入固定挡板6中的锚栓3卡在活动挡板7外表面，防止活动挡板7因土压力作用而倾倒；将温度传感器19和土压力盒20埋设在加筋土中对应测试部位。填料稳定后，将水平等距的多个弹簧2置于固定弹簧钢板1和活动挡板7间(冻融过程，冻结、融化作用引起渠基结构沿长度方向的受力和变形将通过弹簧变形反映。)，将水平位移传感器15置于活动挡板内侧与弹簧2同一高度处，同时撤去锚栓3；在填料顶部放置加载板5，在加载板5上距离活动挡板7较近位置处放置竖向位移传感器14，将铸铁块荷载4加到加载板5上。待变形稳定后，将装有填料及各种配件的填料箱放在水箱11上部，水箱11与补水箱12相连接，保证填料冻胀时，能从水箱中吸收水分。装样时，仅让各层格栅从活动挡板7的缺口7-1穿出，并保证格栅与缺口接触面摩擦较小，以保证拉拔过程格栅与缺口无干扰，确保拉拔试验各参数测定的准确性。

将以上整体放入恒温恒湿箱13(采用现有的tx-ths-1500型双开门恒温恒湿试验箱)中。

试验方法：

(1)冻融试验

冻融循环试验的主要步骤为：装样→加载→恒温保载→单向冻结(多次)→单向融化(多次)→数据采集。装样过程：不同初始含水率的回填土料按压实度k＝{m/[v(1+w)ρdmax]}×100％(m为制备相应压实度的填料层所需土质量，g；w为填料初始含水率，％；v为填料层体积，cm³；ρdmax为4℃下水的容重，g/cm³。)均匀铺放，并人工击实；加载过程：装样结束后，在加载板中心区域由内向外堆放铸铁块荷载4使渠基达到试验所需基顶压力；恒温保载过程：加载结束后，调节恒温恒湿箱至+1℃，冻融前恒温保载24h，确保土样内温度均匀，固结较好，并保持该荷载直至冻融结束，为保证试件在恒温恒湿箱内单向冻结、融化，需要对试件进行保温隔热处理，即给恒温恒湿箱内所有试验件穿上由纳米气凝胶毡和苯板复合材料制作的“保温隔热服”(现有产品)，只暴露试件冻融面。单向冻结过程：调节恒温恒湿箱达试验所需冻结温度，保持稳定，通过温度及位移传感器监测试件不同土层温度和土体整体变形，各土层温度及冻胀变形趋于稳定后，停止冻结，温度、位移及土压力传感器均通过导线与外部的dh3820型高速静态应变测试分析系统相连，并采用计算机自动采集数据；单向融化过程：冻结结束后，将箱内温度调至+15℃加热融化(研究表明，强制解冻对融土压缩变形总量无影响，只是加快其完成速度)，同样监测试件不同深度处温度与土体整体融沉变形，融沉稳定后，停止融化；数据采集过程：融化结束，立刻通过位移和土压力传感器检测试件变形和受力情况。补水系统为防止土体从多孔底板挤出，并保证水流通畅，可在试件底端与底板间设置透水石，同时，需保证冻结过程补水系统水温在0℃以上。

(2)拉拔试验

为反映不同加筋条件下冻融后格栅-土接触面作用特性的差异，准确获得相关计算参数，可在拉拔方向挡板不同部位设置高度为30mm(考虑因上部填土自重、竖向加载及冻融变形使各层格栅产生竖向位移，造成格栅与挡板缺口的干扰作用，影响拉拔试验的准确性)、宽550mm的缺口7-1(格栅宽度为500mm)，各层拉拔试验自上而下进行。水平加载由现有的拉拔试验机进行，拉拔时让夹具紧贴拉拔端挡板表面，格栅伸出挡板两端分别为30mm和70mm(见图4，以保证拉拔全程格栅-土接触面面积不变。试验机和格栅拉拔端间设置拉力传感器，用以测量水平拉力，水平位移通过量程为50mm的电阻式百分表测量，拉力传感器和电阻式百分表均通过导线与外部的dh3820型高速静态应变测试分析系统相连，并采用计算机自动采集数据。冻融结束后，即将试件从恒温恒湿箱内整体移出，调试数据显示和采集设备，开动水平方向拉拔装置，控制拉拔速率为1.0mm/min，当拉拔力出现峰值后，继续拉拔直至拉拔力稳定，即停止试验。通过分析剪应力与水平位移及竖向应力关系曲线，获得模拟格栅-土接触面作用的古德曼模型各参数：kc、nc、rfj、和cj。