一种模拟冻融循环快速测试土体强度及渗透系数的试验装置的制作方法

本发明涉及土力学和岩土工程技术领域，特别是一种模拟冻融循环快速测试土体强度及渗透系数的试验装置。

背景技术

我国是一个膨胀土分布广泛的国家，大量的施工地段都位于膨胀土分布区，而膨胀土在经低温冻结，常温融化的过程后其土体各项参数都会发生较大的变化。

在以往针对土体基本强度和变形特性测试时，每次只能单一的测试土体单项指标，如土体压缩模量、黏土的不排水强度，侧摩阻力、抗剪强度或剪切模量等，没有针对同一试样进行多参数综合测定的试验设备。

目前，求软土不排水抗剪强度的方法一般有三种:一是现场十字板剪切试验，这是主要的现场测试方法，但经常受到场地条件条件限制，当软土埋深较大时也无法实施，试验过程较复杂、费时，试验成果也受埋深、剪切速度等因素影响；二是室内无侧限抗压强度及三轴剪切试验，这种方法常因软土样取样、制样困难等因素影响，实验成果也受样品质量影响不准确性较大；三是利用静力触探指标求软土的不排水抗剪强度，这种方法适用性广，快速简便，不失为一种好方法。现场十字板剪切试验一般只用于软土，其成果可用于估算软土地基承载力、估算单桩承载力、确定软土路基临界高度、分析地基稳定性等。相对而言，静力触探应用的条件更多，或范围更宽，除软土外，还可用于填土、一般粘性土、砂性土等，成果可用于划分土层、确定土的类别、估算地基承载力、估算单桩承载力、估算土的强度指标c、φ值和变形性指标等，另外就是通过静力触探比贯入阻力p或锥头阻力q与不排水抗剪强度c之间的线性相关关系式求软土的不排水抗剪强度。

在以往针对土体基本强度和变形特性测试时，每次只能单一的测试土体单项指标，如土体压缩模量、黏土的不排水强度，侧摩阻力、抗剪强度或剪切模量等，没有针对同一试样进行多参数综合测定的试验设备。

以往在研究土体的室内静力触探试验中，通常只测量锥尖阻力，没有考虑到侧摩阻力的影响，得出的试验数据不具有准确性。同时由于没有在贯入的过程对孔隙水压力进行实时监测，无法对锥尖阻力进行合理的修正，不能使锥尖阻力合理反应土的力学性质，无法对土的渗流，固结特性做出评价。不能够保证土分层和土质分类的可靠性。

以往十字板剪切试验都用于测试现场土的不排水抗剪强度，针对室内试验研发的十字板剪切仪往往不根据膨胀土在冻融循环过程中抗剪强度指标的变化去针对性设计，因此不能提供同一土样在不同冻融循环次数下的抗剪强度。

以往在室内试验过程中没有设置同步取样，使得对试验结果进行分析时缺少依据，也不能对土体当前的基本物理性质进行监测和反馈。

技术实现要素：

本发明的目是针对土体冻融循环综合测试其内部多项力学指标并在测试过程中同步取样，具体的，为膨胀土在实验室内模拟冻融循环，并通过测试获得膨胀土冻融循环一定次数后抗剪强度、孔隙水压力、渗透系数等数据的试验装置，主要用于膨胀土在冻融循环后土体参数变化的研究，以完善此方向研究中土工试验仪器的劣势与不足，设计了一种模拟冻融循环快速测试土体强度及渗透系数的试验装置。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种模拟冻融循环快速测试土体强度及渗透系数的试验装置，包括箱体和试样盒，所述试样盒设置在箱体内，还包括用于对土体各项物理力学参数进行测定的测量系统，用于为土样的冻融过程提供温度控制的冻融循环系统以及用于各传感器水平和竖向精确移动的位移控制系统；所述测量系统包括取样器、十字剪切板和微型静力触探头，所述冻融循环系统包括水浴装置和设置在箱体内的温度传感器，负责为土样的冻融过程提供温度控制，所述位移控制系统包括控制面板、行走电机、伸缩轴，“井”字形的横梁、履带和底座；所述横梁通过设置在箱体中部的伸缩轴悬挂在箱体内，所述横梁的四角设置为行走电机的轨道，所述取样器、十字剪切板和微型静力触探头通过行走电机设置在横梁的轨道上；所述箱体通过履带和底座转珠设置在底座上，以实现任意方向的旋转；所述控制面板控制行走电机、伸缩轴和履带运动。

进一步的，所述试样盒的底端布有冷凝管，所述水浴装置通过导管连接冷凝管。

更进一步的，所述冷凝管设置在试样盒内的形状为凹槽型。

更进一步的，所述冷凝管的截面为半圆型。

进一步的，所述测量系统还包括光纤和光纤解调仪，所述光纤解调仪设置在箱体的外侧，所述光纤环绕在试样盒的内壁上。

进一步的，所述伸缩轴的下方正对试样盒。

进一步的，所述试样盒的保温盖由酚醛泡沫制成。

进一步的，还包括扭矩数显器和孔隙水压力数显器，所述扭矩数显器和孔隙水压力数显器与控制面板连接且设置在箱体的顶端外侧。

进一步的，所述取样器有两个，且分别设置在同一方向的两个轨道上。

利用本发明的技术方案制作的一种模拟冻融循环快速测试土体强度及渗透系数的试验装置，其有益效果是：

(1)可以检测不同压实度，不同含水率对应土样在不同次数的冻融循环过程后的抗剪强度。

(2)在十字剪切板与微型静力触探头贯入土体的同时完成取样，并监测孔隙水压力，对锥尖阻力进行修正。

(3)通过集成微型静力触探头、十字板剪切探头的联合运用，实现抗剪强度与锥尖阻力数据同步获得，推导出用锥尖阻力表示的抗剪强度经验公式。

(4)可模拟自然状态下的冻融循环作用，减少了传统方式繁琐的试验流程，能够真实的模拟并评价干湿循环后试样内部的力学特性和结构特性。

(5)同一个试样可以进行多次冻融循环后进行测量，相比于传统的试验方法，消除了因试样不同而造成的误差，可节约时间，提高效率。

(6)将微型静力触探、十字剪切板和取样器置于横梁上，使其沿横梁导轨水平往复移动，再通过水平旋转机箱框架的的方式，精准并快捷的实现了探头、十字剪切板和取样器在空间内任意一点的定位。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图；

图2是本发明试样盒的结构示意图；

图3是本发明横梁和测量系统的连接示意图；

图4是本发明凹槽型冷凝管的外形示意图；

图5是本发明凹槽型冷凝管安装示意图。

以上各图中，1、扭矩数显器；2、孔隙水压力数显器；3、横梁；4、取样器；5、控制面板；6、十字剪切板；7、微型静力触探头；8、钢制框架；9、试样盒；10、冷凝管；11、光纤；12、底座转珠；13、履带；14、底座；15、电源；16、光纤解调仪；17、水浴装置；18、行走电机；19、伸缩轴。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

一种模拟冻融循环快速测试土体强度及渗透系数的试验装置，如图1至图3所示，包括箱体8和试样盒9，将试样盒9设置在箱体8内，并在试样盒9内放置配置好的土样。

本申请包括用于对土体各项物理力学参数进行测定的测量系统，其包括取样器4、十字剪切板6和微型静力触探头7；用于为土样的冻融过程提供温度控制的冻融循环系统，其包括水浴装置，负责为土样的冻融过程提供温度控制；用于各传感器水平和竖向精确移动的位移控制系统，其包括控制面板5、行走电机18、伸缩轴19，“井”字形的横梁3、履带13和底座14。具体的：

横梁3通过设置在箱体8中部的伸缩轴19悬挂在箱体8内，控制面板5控制伸缩轴19进行伸缩运动。横梁3的四角设置为行走电机18的轨道，取样器4、十字剪切板6和微型静力触探头7通过行走电机18设置在横梁3的轨道上，通过控制面板5控制行走电机18运动，进而实现对测量系统的控制，图中，取样器4有两个，且分别设置在同一方向的两个轨道上。箱体8通过履带13和底座14转珠设置在底座14上，控制面板5控制履带13运动，实现任意方向的旋转。将伸缩轴19的下方正对试样盒9，以测量多个位置处的土样结果及方便设计控制程序。扭矩数显器1和孔隙水压力数显器2与控制面板5连接且设置在箱体8的顶端外侧，方便控制和调节。上述横梁3可通过控制面板5实现纵向的位移，控制十字剪切板6、微型静力触探头7和取样器4贯入。因此，该试验装置可以实现土体内任一点的数据测量和取样过程。

试样盒9的底端布有冷凝管10，水浴装置通过导管连接冷凝管10。为了提高冷凝效果，如图4和图5所示，冷凝管10设置在试样盒9内的形状为凹槽型，即冷凝管10围绕着试样盒9的侧壁旋转排列，然后铺设在试样盒9的底部，冷凝管10上部平面与试样盒9底部紧密接触，达到最大效率的热量传递。另外，为了保证冷凝管10的铺设稳定，其截面为半圆型。

再参考图1和图2，测量系统还包括光纤11和光纤解调仪16，光纤解调仪16设置在箱体8的外侧，光纤11环绕在试样盒9的内壁上，具体的，光纤11是在试样盒9内壁上刻槽布设的。通过光纤11和光纤解调仪16测得试样内部当前温度，水浴装置17根据当前温度值调整输出功率，实现温度的精准调控。

试样盒9的保温盖由酚醛泡沫制成，提高保温效果。

十字剪切版与微型静力触探头组合在一起的巧妙之处在于：微型静力触探头可测得土体锥尖贯入阻力，十字剪切板可测得土样的不排水抗剪强度与剪切模量，针对特定软土试样通过试验分析两者之间关系，可以为现场土体通过静力触探试验计算其抗剪强度提供最为简便与可行的方案，具体的：

本试验装置主要是检测和研究软黏土试样在冻融循环一定次数后试样内部的力学特性和结构特性。试验开始，先将配置好的土样装入试样盒9内，使温度传感器与土样接触，盖上试样盒9的保温盖。通过水浴装置17使土样温度下降，待土样内部温度稳定在冻结温度设定值，静置1至2min后控制温度升高至融化温度设定值；冻融循环次数可根据试验需要进行增减。

冻融循环完成后，不关闭水浴装置17，使温度保持当前值。调节各行走电机18在横梁3上的位置，控制整个横梁3部分向下位移，当贯入土样一定深度后停止向下位移并开始测量所需数值，待测量、取样完成后横梁3回到原位置。通过横梁3的旋转和行走电机18在横梁3上的往复移动我们可以得到整个土样内部任意一点的压缩模量、摩阻力、抗剪强度、剪切模量和渗透系数等。在后续处理中可采用云图形式表示各数值在图样内部的空间变化与干湿循环间的关系。

数据处理

测量抗剪强度：先测得十字剪切板直径d(m)、十字板的轴杆直径dl(m)和十字板高度h(m)。其中：破坏土体的高度为十字板高度，直径为十字板头直径。

设剪切破坏时所施加的扭矩为m，则它与土体抗剪时的抵抗力矩相等，即

当轴杆直径dl足够小时，多项式最后一项忽略不计，上述公式简化为:

取cv＝＝ch，以cu(待测土体抗剪强度)代替两个参数时，上述公式进一步简化:

利用微型静力触探静力触探可测得锥尖阻力qp、侧摩阻力qs和孔隙水压力pw，通过对试样进行多次试验，总结出锥尖阻力qp值与不排水抗剪强度cu值存在线性相关关系。

抗剪强度经验公式：

cu＝aqp+b

其中：a,b为根据十字板剪切与静力触探同步试验得出的针对试验土体在试验时含水率与压实度下的经验系数。

渗透系数计算公式

其中：γw为水的重度；α为锥头角度；σv0为初始的竖向有效应力；u为锥头触探速度；a为锥头半径；kd为渗透系数指数。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。