一种冻结力测定试验装置及其测定方法与流程

本发明属于地下工程领域，尤其是涉及一种天然冻土区及人工冻土加固区地下结构物与冻土接触面冻结力测定试验装置及其测定方法，适用于测定不同冻结温度条件下冻土与不同粗糙度结构物接触面冻结力及冻结强度。

背景技术：

天然冻土区和人工冻土加固区的地下结构物与冻土接触面间存在冻结力，该冻结力的存在易引起起地下结构物应力场重新分布，当冻结力过大时甚至引发结构物变形或损伤，故有必要准确测定冻土区地下结构物与冻土接触面冻结力的大小。冻结力难以进行现场实测，一般都是通过室内模型试验测定，常用的冻结力测定方法有两种：一种是利用冻土直剪仪测定剪切板与冻土接触面间抗剪强度，以此作为结构物与冻土接触面冻结力，该测定方法有关冻土接触面模拟、受力状态、边界条件等与实际工况差别较大；另一种是利用土压力计测定结构物与冻土接触面处法向压力，然后利用经验公式推算冻结力，由于结构物与冻土接触面处法向压力测定试验操作较为困难，且不同地区土质差异性较大，故这种依赖于地区经验的测定方法所得的冻结力与实际值差距也较大。专利申请号CN201310004478.7一种冻土地区桩侧壁冻结力测试装置及其使用方法，该装置“可以模拟各种地温工况下桩侧与土层的冻结力”，但该装置很难确保每次试验时模型桩周 边土体都具有定量准确的密实度，测试数据的随机误差较大；由于先压密试样土后插入模型桩，一方面模型桩插入会比较困难，另一方面也会扰动土样使模型桩周土体松动，直接影响冻结力的大小；该装置采用模型桩内部布置制冷盘管方式冻结土样，难以确保桩周不同距离处冻土体温度均匀一致。鉴于以上现状，如何准确测定结构物与冻土接触面冻结力已成为冻土区地下结构物设计的难题，因此迫切需要研发一种能够准确、方便测定结构物与冻土接触面冻结力的试验装置及其冻结力测定方法。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种冻结力测定试验装置及其测定方法，解决现有技术中冻结力测定装置试验随机误差大、测定结果不准确、测定试验操作困难的问题。

本发明采用的技术方案有：一种冻结力测定试验装置，包括土样试模、钢管模型桩、液压土样压制器、加载托架、有机玻璃保温隔热板、有机玻璃恒温保温罩、竖向位移传递板、热电偶温度传感器、压力传感器、竖向位移传感器、数字采集仪，所述热电偶温度传感器导线从钢管模型桩中空钢管温度传感器内侧放置孔穿入、在外侧放置孔中连接并焊接，钢管模型桩插入土样试模并从土样试模底盖中心孔穿出；所述土样试模置于液压土样压制器底板中心位置进行土样分层压制；所述有机玻璃恒温保温罩连同压制后的土样一起置于恒温低温箱中进行冷冻；所述加载托架顶面放置有机玻璃保温隔热板，土样试模置于有机玻璃保温隔热板上，并使钢管模型桩从加载托架中心孔穿出， 有机玻璃恒温保温罩罩住土样试模；所述竖向位移传感器固定于位移传感器支座上端，竖向位移传感器测量端支撑在钢管模型桩上端的竖向位移传递板两侧；所述压力传感器置于竖向位移传递板顶面，压力试验机上压头紧压住压力传感器；所述热电偶温度传感器、竖向位移传感器、压力传感器的导线连接数字采集仪。

作为本发明的进一步改进，所述土样试模为无上下底的不锈钢桶，由于冻结力沿模型桩竖向分布不均，为使试验测得的冻结强度更切合实际，土样试模高径比不宜太大，通过对比试验并参照人工冻土试验取样及试样制备方法，确定该装置土样试模高径比为0.5，土样试模内径为300mm、壁厚为5mm、高度为150mm。所述土样试模底盖和顶盖均为不锈钢制成，其内径为311mm、壁厚为5mm、高度为20mm，其底面中心开圆形孔，开孔直径91mm。

作为本发明的进一步改进，所述钢管模型桩为不锈钢空心圆管，考虑到钢管模型桩直径相对于土样试模直径的尺寸效应对于冻结强度测定结果影响较大，故保持土样试模直径及其它试验参数不变选用多组不同外径(30mm～120mm)的钢管模型桩进行冻结力测试，依据钢管模型桩直径-冻结力关系曲线尺寸效应渐趋平稳的拐点优选钢管模型桩直径，由此确定该装置钢管模型桩外径为90mm、内径为70mm、高度为360mm；依据表面粗糙度有关定义，表面粗糙度大小与表面痕迹深浅、疏密、形状和纹理有关，故在钢管模型桩外侧表面沿水平环向车削不同深度的直角凹痕(每道凹痕形状相同、深度相等，其直角边与桩外侧表面切线方向成45°夹角，相邻凹痕之间保持等间距， 其间距等于凹痕直角边长度)以模拟不同表面粗糙度的结构物；在距钢管模型桩底130mm、190mm、250mm三个不同高度、不同方向处开设3个温度传感器放置孔，并使3个温度传感器放置孔在径向和轴向都三等分钢管模型桩，温度传感器放置孔的外侧孔径为6mm、孔深为4mm，内侧孔径为3mm、孔深为6mm。所述热电偶温度传感器为3组相同型号的热电偶温度传感器，每组热电偶温度传感器均由两根铜-康铜热电偶导线组成，将3组热电偶温度传感器从空心钢管内部穿过不同高度处的温度传感器内侧放置孔，在外侧放置孔中将两根热电偶导线连接，用锡焊将连接端焊接并使焊锡填充满整个外侧放置孔，通过打磨使焊锡表面与钢管模型桩外侧表面齐平。

作为本发明的进一步改进，所述液压土样压制器由反力架、压土板、双作用千斤顶、手动双作用液压油泵组成，反力架由550mm×550mm×40mm不锈钢板构成的上下底板以及4根直径35mm、长度860mm的不锈钢螺栓组成，手动双作用液压油泵固定于液压土样压制器上底板上部，双作用千斤顶固定于液压土样压制器上底板下部，双作用千斤顶通过液压油管连接手动双作用液压油泵，压土板由外径为298mm、内径为92mm、厚度为20mm的环形不锈钢板和外径为112mm、内径为92mm、长度为150mm中空不锈钢管组合焊接而成，并通过中空不锈钢管上端的内丝接头固定于双作用千斤顶的顶升端。

作为本发明的进一步改进，所述加载托架由上底板、下底板、中隔板及支承圆管构成，上、下底板为直径420mm、厚度10mm的圆形不锈钢板，上、下底板中心位置分别开直径91mm圆形孔，下底板 两侧对称焊接长120mm、宽50mm、厚10mm的矩形钢板，钢板端部开设直径为10mm的螺丝孔用作固定位移传感器支座，中隔板为直径290mm、厚度10mm的圆形不锈钢板，支承圆管为外径300mm、壁厚10mm、高150mm的不锈钢圆管，支承圆管侧面对称开4个宽20mm、高50mm的矩形观察孔。

作为本发明的进一步改进，所述有机玻璃恒温保温罩由有上底、无下底的三层有机玻璃圆桶制成，有机玻璃恒温保温罩外径为420mm、内径为340mm、高度为210mm，上底中心位置开直径为112mm圆孔，其有机玻璃壁厚为5mm，三层有机玻璃之间为两层厚度12.5mm的中空层，内侧中空层中注满用以恒温的多元丙烯酸多元醇聚合体制冷剂，外侧中空层中填充满用以保温的聚氨酯发泡材料。所述有机玻璃保温隔热板由直径为420mm、厚度为20mm的圆形有机玻璃板制成，其中心位置开直径为91mm圆形孔。

作为本发明的进一步改进，所述竖向位移传递板由圆管和翼板构成，圆管为外径111mm、壁厚10mm、高度40mm的不锈钢管，不锈钢管顶面加焊直径91mm、厚度10mm的圆形不锈钢板作为上底，翼板为两块长度100mm、宽度30mm、厚度5mm的不锈钢板，翼板对称焊接于圆管顶面两侧用以支撑竖向位移传感器测量端，并使翼板上表面与圆管顶面平齐。

所述数字采集仪为现有成型装置，非本发明内容，建议采用8通道以上的高精度多功能数字采集仪。

所述低温箱为现有成型装置，非本发明内容，建议采用控温精度 小于0.5℃的实验室低温保存箱。

所述压力试验机为现有成型装置，非本发明内容，建议采用具有等速加载功能液压万能试验机或多功能冻土试验机。

考虑到冻结力测定加载速率效应对冻结力测定结果影响较大，故保持其它试验参数不变设定压力试验机在多种不同加载速率(1mm/min～10mm/min)条件下分别进行冻结力测试，依据加载速率-冻结力关系曲线加载速率效应渐趋平稳的拐点优选冻结力测定加载速率为5mm/min。

本发明还提供了一种冻结力测定试验装置的测定方法，包括以下步骤：

步骤一、制备试验：将试验土样置于温度为105℃～110℃电热鼓风烘箱中烘干24小时以上，直至土样被完全烘干，然后放入干燥器中冷却至室温，将烘干、冷却的土样进行破碎，根据土样试验设计含水率，对干土进行配水并搅拌均匀，密封后放入保湿器内养护24h以上。

步骤二、组装试模：土样试模下端套上底盖，将已固定好热电偶温度传感器的钢管模型桩插入土样试模并从底盖中心孔穿出，使钢管模型桩下端外露出底盖长度为50mm，将土样试模连同底盖、钢管模型桩整体置于液压土样压制器底板中心位置。

步骤三、压制土样：往土样试模内装入养护完成后的土样，每次装样量为土样总量的三分之一，一次装样完成后按压手动液压油泵顶推双作用千斤顶前端压土板以压实土样，直到压土板将土样压实至三 分之一刻度线止，切换手动液压油泵回油阀开关，按压手动液压油泵缩回双作用千斤顶前端压土板，重复上述步骤两次，直至土样全部装入并压实至指定刻度线，控制土样压实度为92％。

步骤四、冷冻土样：待土样压制完成后，在土样试模上端套以顶盖，贴上标签并装入塑料袋内密封，然后将土样连同有机玻璃恒温保温罩一起置于已调节至试验设计冻结温度的低温箱内冷冻48小时以上。

步骤五、安装托架：在加载托架顶面放置有机玻璃保温隔热板，并使有机玻璃保温隔热板中心孔与加载托架顶面中心孔位置重合，将冷冻至指定时间后的土样试模置于有机玻璃保温隔热板顶面中心位置，使土样试模底部外露的钢管模型桩穿出有机玻璃保温隔热板及加载托架中心孔，将从钢管模型桩底部穿出的热电偶温度传感器导线从加载托架侧壁观察孔穿出。

步骤六、安装保温罩：将与土样试模同条件冷冻至指定时间后的有机玻璃保温罩开口朝下罩住土样试模，使钢管模型桩上端从有机玻璃恒温保温罩上底面中心孔穿出，并使有机玻璃恒温保温罩开口紧密支承在加载托架顶面的有机玻璃保温隔热板顶面。

步骤七、安装位移传感器：钢管模型桩顶端套以竖向位移传递板，使竖向位移传递板与钢管模型桩中心位置重合，位移传感器支座固定于加载托架底板两侧，竖向位移传感器固定于位移传感器支座上端，并使竖向位移传感器测量端对称支撑于竖向位移传递板翼板顶面

步骤八、装置组合：将加载托架连同土样试模、有机玻璃保温罩 整体置于压力试验机下承载板顶面中心位置，并将压力传感器置于竖向位移传递板顶面中心位置，使加载托架、钢管模型桩、竖向位移传递板、压力传感器与压力试验机下承载板的中心位置均重合，调节压力试验机上压头使其与压力传感器紧密接触，将热电偶温度传感器导线、压力传感器导线、竖向位移传感器导线与数字采集仪相连接。

步骤九、加载试验：启动压力试验机以5mm/min的速率进行等速加载，直至钢管模型桩与冻土样发生相对滑移破坏(钢管模型桩与冻土样相对位移大于10mm)则停止加载，在此过程中数字采集仪全程记录加载过程中桩土接触面处的温度变化情况、桩顶轴向压力变化情况、桩土相对位移变化情况，根据数字采集仪记录数据绘制冻结力试验应力-应变曲线，并由此计算出钢管模型桩与冻土样接触面间的极限冻结力、残余冻结力及冻结强度。

该装置的工作原理是：通过液压土样压制器的反力架、手动双作用液压油泵、双作用千斤顶、压土板等机构实现液压加载方式压制土样，相对于手工制作土样来说，使压制后的土样密度更均匀、密实度更准确；通过在有机玻璃恒温保温罩的三层有机玻璃中空处分别填充具有恒温功能的多元丙烯酸多元醇聚合体制冷剂和具有保温功能的聚氨酯发泡材料对冻土样及试模进行有效保温，使冻土样在加载试验过程中能够保持温度恒定；通过在钢管模型桩外壁水平环向车削不同深度的直角凹痕模拟不同表面粗糙度的结构物，使该装置能够实现测定多种不同结构物与冻土接触面冻结力；通过在钢管模型桩内壁不同高度、不同方向处嵌入热电偶温度传感器，并借助于数字采集仪，能 够实现对试验过程中冻土与结构接触面温度变化情况进行全程监测并记录；通过支撑于竖向位移传递板上的竖向位移传感器和位于钢管模型桩顶的压力传感器，并借助于数字采集仪，能够实现全程监测并记录加载试验过程中钢管模型桩与冻土之间的相对位移变化情况和作用于钢管模型桩顶的轴向压力变化情况；通过在加载托架中心开孔，既能有助对钢管模型桩导向，又能托举土样试模并使钢管模型桩压入冻土而不触及试验机下承载板；由现有成型装置低温箱产生制冷量使土样冻结并与钢管模型桩接触面间产生冻结力；由现有成型装置压力试验机在加载托架的配合作用下对钢管模型桩顶加压使桩土间产生相对滑移趋势，当桩土间相对位移达到设定的界限值时试验机所施加于钢管模型桩顶的压力即为所侧得的桩土接触面间冻结力，桩土接触面处单位面积冻结力即为冻结强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、从原理上符合测定冻结力的条件即用压入或拔出已冻结于土中的竖杆的办法来测定，且合理确定了土样试模、钢管模型桩的尺寸大小及试验加载速率；2、利用液压土样压制器压制土样使每个土样都能达到与试验标准一致的密实度，有效克服手工制作土样密度不均、密实度随机误差大的缺陷；3、钢管模型桩外壁水平环向车削不同深度的直角凹痕模拟不同表面粗糙度结构物，使该装置能够测定多种不同结构物与冻土接触面冻结力，适用范围更广；4、利用钢管模型桩内壁不同高度、不同方向处嵌入热电偶温度传感器采集桩土接触面处温度，有效解决传统方法中将温度传感器直接插入冻土中很难准确测 得桩土接触面处温度且温度传感器易被剪切损坏的问题；5、利用现有成型装置低温箱产生制冷量使土样冻结，借助有机玻璃恒温保温罩和有机玻璃保温隔热板对试验过程中的土样和试模进行保温，不需要专门配备制冷设备实现高效制冷和有效保温，使试验装置更为简洁有效；6、利用现有成型装置压力试验机配合加载托架进行加载试验，相对于传统的使用千斤顶加载的方式来说，使加载试验更为稳定可靠，且不需要单独配备加载设备，进一步简化了试验装置。

附图说明

图1是本发明冻结力测定试验装置立体图。

图2是本发明冻结力测定试验装置正立面图。

图3是本发明冻结力测定试验装置局部剖面图。

图4是本发明冻结力测定试验装置组装流程图。

图中：1-土样，2-钢管模型桩，3-土样试模，4-土样试模顶盖，5-土样试模底盖，6-加载托架，7-加载托架底板，8-有机玻璃保温隔热板，9-有机玻璃恒温保温罩，10-竖向位移传递板，11-位移传感器支座，12-压力试验机，13-压力试验机下承载板，14-压力试验机上压头，15-数字采集仪，16-热电偶温度传感器，17-压力传感器，18-竖向位移传感器，19-液压土样压制器，20-液压土样压制器底板，21-液压土样压制器顶板，22-手动双作用液压油泵，23-双作用千斤顶，24-压土板，25-液压土样压制器反力架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、2所示，本发明冻结力测定试验装置，包括液压土样压制器(19)，所述液压土样压制器(19)由液压土样压制器反力架(25)、手动双作用液压油泵(22)、双作用千斤顶(23)、压土板(24)构成，手动双作用液压油泵(22)固定于液压土样压制器顶板(21)上方，双作用千斤顶(23)固定于液压土样压制器顶板(21)下方，压土板(24)固定于双作用千斤顶(23)顶升端，手动双作用液压油泵(22)通过液压油管与双作用千斤顶(23)相连接；固定好热电偶温度传感器(16)导线的钢管模型桩(2)插入土样试模(3)并从土样试模底盖(5)中心孔穿出，土样试模(3)置于液压土样压制器底板中心位置，使钢管模型桩(2)下端插入压土样压制器底板(20)中心孔；加载托架(6)顶面放置有机玻璃保温隔热板(8)，土样试模(3)置于有机玻璃保温隔热板(8)上，并使钢管模型桩(2)从加载托架(6)中心孔穿出，有机玻璃恒温保温罩(9)罩住土样试模(3)；位移传感器支座(11)固定在加载托架底板(7)上，竖向位移传感器(18)测量端支撑在钢管模型桩(2)上端的竖向位移传递板(10)两侧翼板顶面；压力传感器(17)置于竖向位移传递板(10)顶面，压力试验机上压头(14)紧压住压力传感器(17)；热电偶温度传感器(16)、竖向位移传感器(18)、压力传感器(17)的导线连接数字采集仪(15)。

如图3所示，将3组热电偶温度传感器(16)导线分别从钢管模型桩(2)内部穿过3个不同位置处的温度传感器内侧放置孔，在外侧放置孔中分别将两根热电偶导线连接，用锡焊将连接端焊接并使焊锡填充满整个外侧放置孔，通过打磨使焊锡表面与钢管模型桩(2)外表面齐平；压土板(24)由空心不锈钢管连接中心开孔的不锈钢圆盘制成， 固定于双作用千斤顶(23)的顶升端，在土样压制过程中钢管模型桩(2)上部可以穿过不锈钢圆盘中心孔进入空心不锈钢管内腔；有机玻璃恒温保温罩(9)由三层有机玻璃圆桶制成，圆桶上底中心开孔，三层有机玻璃之间为两层中空层，分别注入恒温制冷剂和保温发泡材料；竖向位移传递板(10)由圆管和翼板构成，翼板对称焊接于圆管顶面两侧，翼板上表面与圆管顶面平齐；加载托架(6)由支承圆管内焊接中心开孔的圆形上底板、下底板和中隔板制成，下底板两侧对称焊接端部开设螺丝孔的矩形钢板，支承圆管侧面对称开设4个矩形观察孔。

如图4所示，测试装置的组装方法及试验步骤包括：步骤一、制备试样：根据粉细砂试验设计含水率27％，对充分烘干后的粉细砂进行配水并搅拌均匀，密封后放入保湿器内养护24h以上；步骤二、组装试模：土样试模(3)下端套上土样试模底盖(5)，将已固定好热电偶温度传感器(16)的钢管模型桩(2)插入土样试模(3)并从土样试模底盖(5)中心孔穿出，使钢管模型桩(2)下端外露出土样试模底盖(5)长度为50mm，将土样试模(3)连同土样试模底盖(5)、钢管模型桩(2)整体置于液压土样压制器底板(20)中心位置；步骤三、压制土样：往土样试模(3)内装入养护完成后的土样，每次装样量为土样总量的三分之一，一次装样完成后按压手动双作用液压油泵(22)顶推双作用千斤顶(23)前端压土板(24)以压实土样，直到压土板(24)将土样压实至三分之一刻度线止，切换手动双作用液压油泵(22)回油阀开关，按压手动双作用液压油泵(22)缩回双作用千斤顶(23)前端压土板(24)，重复上述步骤两次，直至土样全部装入并压实至指定刻度线，控制土样压实度为 92％；步骤四、冷冻土样：待土样压制完成后，在土样试模上端套以顶盖，贴上标签，装入塑料袋内密封，然后将土样连同有机玻璃恒温保温罩一起置于已调节至试验设计冻结温度为-10℃的低温箱内冷冻48小时以上；步骤五、安装托架：在加载托架(6)顶面放置有机玻璃保温隔热板(8)，并使有机玻璃保温隔热板(8)中心孔与加载托架(6)顶面中心孔位置重合，将冷冻至指定时间后的土样试模(3)置于机玻璃保温隔热板(8)顶面中心位置，使土样试模(3)底部外露的钢管模型桩(2)穿出机玻璃保温隔热板(8)及加载托架(6)中心孔，将从钢管模型桩(2)底部穿出的热电偶温度传感器(16)导线从加载托架(6)侧壁观察孔穿出；步骤六、安装保温罩：将同条件冷冻后的有机玻璃保温罩(9)开口朝下罩住土样试模(3)，使钢管模型桩(2)上端从有机玻璃恒温保温罩(9)上底面中心孔穿出，并使有机玻璃恒温保温罩(9)开口紧密支承在有机玻璃保温隔热板(8)顶面；步骤七、安装位移传感器：钢管模型桩(2)顶端套以竖向位移传递板(10)，使竖向位移传递板(10)与钢管模型桩(2)中心位置重合，位移传感器支座(11)下端固定于加载托架底板(7)两侧，竖向位移传感器(18)固定于位移传感器支座(11)上端，并使竖向位移传感器(18)测量端对称支撑于竖向位移传递板(10)两侧翼板顶面；步骤八、装置组合：将加载托架(6)连同土样试模(3)、有机玻璃保温罩(9)整体置于压力试验机下承载板(13)顶面中心位置，并将压力传感器(17)置于竖向位移传递板(10)顶面中心位置，使加载托架(6)、钢管模型桩(2)、竖向位移传递板(10)、压力传感器(17)的中心位置与压力试验机下承载板(13)的中心位置重合，调节压力试验机上 压头(14)使其与压力传感器(17)紧密接触，将热电偶温度传感器(16)导线、压力传感器(17)导线、竖向位移传感器(18)导线分别与数字采集仪(15)相连接；步骤九、加载试验：启动压力试验机(12)以5mm/min的速率进行等速加载，直至钢管模型桩(2)与冻土样(1)发生相对滑移破坏(钢管模型桩(2)与冻土样(1)相对位移大于10mm)则停止加载，在此过程中数字采集仪(15)全程记录加载过程中桩土接触面处的温度变化情况、桩顶轴向压力变化情况、桩土相对位移变化情况，根据数字采集仪(15)记录数据绘制冻结力试验应力-应变曲线，并由此计算出钢管模型桩(2)与冻土样(1)接触面间的极限冻结力、残余冻结力及冻结强度。

选定同一试验参数，依次重复上述试验步骤共完成5次冻结力测定试验。5次试验结果显示：钢管模型桩(2)不同高度、不同方向处桩土接触面温度的最大差值为±0.1℃，钢管模型桩(2)不同高度、不同方向处桩土接触面温度的算术平均值在加载前后的最大差值为±0.2℃；5次接触面冻结力测定值与其算术平均值之差均小于3倍标准差，且其变异系数小于0.1。上述试验结果证明：该冻结力测定试验装置保温效果良好，能保持桩土接触面温度稳定，测得的接触面冻结力数据有效、可靠。

本申请内容为本发明的示例及说明，但不意味着本发明可取得的优点受此限制，凡是本发明实践过程中可能对结构的简单变换、和/或一些实施方式中实现的优点的其中一个或多个均在本申请的保护范围内。