一种新型多功能冻胀试验仪的制作方法

本发明主要用于岩土材料的单向冻结试验中测量冻结岩土材料的自由冻胀率、恒压冻胀率和冻胀力，是一种新型的测量装置，功能齐全，操作简单。

背景技术：

在人工冻结法施工过程中，冻胀会造成冻结管断裂，同时，岩土的冻胀会危害到附近管线及建筑物的安全，所以冻胀试验指标是冻土性能的重要指标，是冻土试验中重要的试验项目，是工程设计时的重要依据。冻胀变形由土中水相变成冰、体积膨胀形成，而水的冻结包含两部分，一是土中水的原位冻结，二是冻结引起的迁移水结冰。影响土体冻胀的因素有很多，但是归纳起来不外乎土的粒度组成、矿物组成、土中水分、密度、温度、荷载以及盐分。根据国家标准《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)，试样的最大冻胀量与试样原长的比值为试样的冻胀率。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压力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种新型、简易的仪器来测量冻结岩土材料的冻胀力、恒压冻胀率和自由冻胀率。

为实现上述目的，本发明可采取技术方案如下：一种新型多功能冻胀实验仪，由钢反力架、冷媒剂容器(包括冷媒剂进口和出口)、钢板、转盘、螺纹丝扣、恒压杆、荷重传感器、限位块、磁性位移计、双层绝热侧限环等构成。所述钢反力架固定在底座上，钢板盖在冷媒剂容器上，在其中心处有一直径为4D(D为土样直径)的圆形凹槽，凹槽内有一小型圆台(直径为D)，圆台上放置试样，目的是防止冷凝水聚集、冻结对实验过程及结果产生影响，同时，限定试样的位置，使其居中。冷媒剂进口在冷媒剂容器下端，冷媒剂出口在冷媒剂容器偏上端，并且冷媒剂出口底端持平于钢板凹槽内顶端，目的是保证对试样进行的是单向冻结。冷媒剂容器属于保温系统，故其材质应为保温材料，因为凹槽处要对试样进行冻结与承压，所以初步拟定材料为钢板。冷媒剂容器与钢反力架焊接。冷源来自外部的制冷系统，荷重传感器用于测定冻胀力。恒压冻胀率的测定只需在无压冻胀率实验的基础上利用恒压杆对试样施加一定的荷载，其他实验方法与无压冻胀率的测定步骤全部相同。双层绝热侧限环的内环是为了限制试样的侧向冻胀，双层侧限环中间填充棉花等热的不良导体材料，以保证试样的单向冻结。冷媒剂容器需要采取一定的保温措施来保持冻结温度的稳定。

本发明的基本理论原理：根据国家标准《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)，试样的最大冻胀量与试样原长的比值为试样的冻胀率。计算公式如下：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\Δ}h}{H_f}\×100\%$

式中：η为冻胀率，％；Δh为最大冻胀量，mm；H_f为冻结深度，不包括冻胀量，mm。试验中为试样初始高度减恒温过程土体在荷载作用下变形量。

本发明专利的有益效果为：操作方法简单易行，结果测量精确可靠。可以测量冻结岩土材料的冻胀力、自由冻胀率以及恒压冻胀率。

附图说明

图1是本发明的冻胀力测定实验主视结构示意图，图2是本发明的冻胀力测定实验俯视结构示意图。

图3是本发明的自由冻胀率测定实验主视结构示意图，图4是本发明的自由冻胀率测定实验俯视结构示意图。

图5是本发明的恒压冻胀率测定实验主视结构示意图，图6是本发明的恒压冻胀率测定实验俯视结构示意图。

图中：1钢反力架；2冷媒剂容器出口；3转盘；4螺纹丝扣；5荷重传感器；6试样；7双层绝热侧限钢环；8限位块；9钢板；10冷媒剂容器进口；11冷媒剂；12磁性位移计；13恒压杆；14冷媒剂容器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

本发明主要由钢反力架、冷媒剂容器、钢板、转盘、螺纹丝扣、恒压杆、限位块、荷重传感器、磁性位移计组合而成，通过外部制冷系统向冷媒剂容器内注入指定温度的冷媒剂，用温度计量测凹槽内的温度，待其达到制定温度后在凹槽内的圆台上放置套上双层绝热侧限环的岩土材料试样，放置垫块，安装磁性位移计，待冻胀稳定后，即可读出冻胀量，从而求出自由冻胀率。恒压冻胀率的测定，只需按图示在自由冻胀率测定装置的基础上安装恒压杆，即可得出恒压冻胀率。量测冻胀力时，卸下磁性位移计，在钢反力架上按图安装荷重传感器，转动转盘施加压力，待试样恢复初始高度时，荷重传感器测得的压力即为冻胀力。

具体实施步骤如下：

(1)将提前制定好的钢支架固定在底座上，从冷媒剂容器进口向其中注入指定温度的冷媒剂。

(2)将试样制作成标准圆柱形试样。

(3)用温度计量测凹槽内温度，待其达到指定冻结温度后，将土样放入固定好的设备中，即钢环内，并一起放置在凹槽内的圆台上。

(4)在试样上放置垫块，安装磁性位移计，调零，待位移计示数稳定之后，记录位移计读数，即为冻胀量，从而测算出自由冻胀率。

(5)拆除磁性位移计，安装转盘、螺纹丝扣、荷重传感器和限位块，转动转盘带动螺纹丝扣通过荷重传感器和限位块对试样施加压力，待其恢复初始高度时，荷重传感器测得的压力即为冻胀力。

(6)测恒压冻胀率时，前3个步骤相同，只是在步骤(4)时安装恒压杆，直至实验全部结束卸下荷载。其他步骤相同，故不再赘述。

试样安装前应用游标卡尺测量试样的高度，待实验结束后再次测量其高度，两次高度差即为冻胀量，从而亦可求出冻胀率。该步骤只是为校验实验结果。

以上部分描写和叙述了本发明的基本原理、主要特征、创新性和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施范例的限制，上述实施范例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。