一种考虑冻融循环的岩土体剪切蠕变试验仪的制作方法

本实用新型涉及岩土力学试验技术领域，具体属于一种冻融循环过程中岩土材料的剪切蠕变试验装置，主要用于测试处于冻融循环环境中岩土材料的力学参数。

背景技术：

冻融循环是一种强烈的自然风化作用，常见于冰川区、高山区和冻土区，对岩土材料具有明显的劣化作用。岩土材料的冻结和融化是一个连续的过程，冻融循环导致岩土材料反复受到冻结和融化作用，加速了水与岩土材料发生复杂的物理和化学反应，并最终导致岩土材料力学特性的逐渐变化。岩土材料在冻融循环作用下，其力学特性发生逐步劣化，主要表现为岩土体的强度参数和变形参数随冻融循环次数的增加而逐渐降低，并逐步产生蠕变变形。因此，冻融循环是造成冰川区、高山区和冻土区许多工程破坏的主要因素之一，比如边坡失稳、路基破坏和硐室变形等。

目前已有不少学者针对冻融循环开展了研究，主要集中在室内冻融循环环境的模拟方面，陆续公开了多项冻融循环试验装置的专利。但鲜有可在冻融循环环境下开展岩土材料力学特性测试的试验装置公开，尤其是冻融循环环境下岩土材料的蠕变特性研究，目前尚未有任何公开的仪器设备可用。现有的冻融循环试验装置主要存在两个问题：1.岩土材料在冻融循环过程中，脱离原有应力环境，导致岩土材料受到的冻结和融化作用与实际情况不符，影响其力学参数的变化规律；2.不能在冻融循环环境下直接开展岩土材料的蠕变试验，而岩土材料的蠕变过程与冻融循环是直接相关的。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种考虑冻融循环的岩土体剪切蠕变仪，用于开展冻融循环过程中岩土材料的剪切蠕变试验。本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种考虑冻融循环的岩土体剪切蠕变仪，包括试验平台系统，冻融循环系统，蠕变试验系统和监测控制系统，所述冻融循环系统，所述蠕变试验系统和所述监测控制系统通过所述试验平台系统构成一个整体，所述冻融循环系统通过制冷循环和制热循环为试验提供冻融循环环境，所述蠕变试验系统通过数控液压千斤顶为试验提供法向应力和剪切应力，所述监测控制系统通过位移传感器和温度传感器对试验过程进行监测、控制与数据采集。

在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述试验平台系统包括试验平台和悬架，所述试验平台为四腿桌型平台，作为整个试验仪的支撑结构和操作平台，其上部空间用于安装所述蠕变试验系统、所述监测控制系统和部分所述冻融循环系统的设备；所述悬架采用4条悬柱固连于试验平台台面下方，其内部空间用于安装部分所述冻融循环系统的设备。

所述冻融循环系统包括制冷机、制热机、连接软管、冷/热循环管、试验箱体、保温壳体、铰链、试验箱门和双层中空玻璃观察窗，所述制冷机和所述制热机均安装于所述试验平台系统的所述悬架上，可通过所述连接软管和所述冷/热循环管构成制冷或制热循环回路，为试验提供稳定可控的制冷或制热效果；所述试验箱体为一端开口的长方体中空构件，固连于所述试验平台上方；所述试验箱门通过所述铰链与所述试验箱体构成密闭中空腔体，可沿所述铰链进行开合操作，闭合时可为试验提供相对密闭的试验环境；所述试验箱门中部开设有所述双层中空玻璃观察窗，用于在试验过程中观察试验仪各部件及岩土试样的状态；所述保温壳体包裹于所述试验箱体外侧，用于隔绝所述试验箱体内部与外部之间的冷热交换，为试验的冻融循环提供相对稳定的温度环境。

所述蠕变试验系统包括法向千斤顶锚固螺栓、法向数控液压千斤顶、法向千斤顶进油嘴、水平千斤顶锚固螺栓、水平数控液压千斤顶、水平千斤顶进油嘴、主动剪切盒、被动剪切盒、滚动钢珠和限位挡板，所述法向数控液压千斤顶通过所述法向千斤顶锚固螺栓固连于所述试验箱体内部顶板，为试验提供稳定可控的法向应力；所述法向千斤顶进油嘴贯穿所述试验箱体和所述保温壳体延伸至外侧；所述水平数控液压千斤顶通过所述水平千斤顶锚固螺栓固连于所述试验箱体内部右侧壁，为试验提供稳定可控的剪切应力；所述主动剪切盒为一端开口的长方体中空构件，右侧部位有与所述水平千斤顶配套使用的耳状突出，使用时开口向下；所述被动剪切盒为一端开口的长方体中空构件，使用时开口向上，与所述主动剪切盒配合形成的内部空腔用于填装待测试的岩土体试样；所述滚动钢珠成列开设于所述主动剪切盒的顶部，作为所述主动剪切盒的减阻构件，使所述主动剪切盒在在剪切应力作用下可发生剪切位移；所述限位挡板固连于所述试验箱体的顶部，与所述被动剪切盒配套使用，防止所述被动剪切盒在剪切应力作用下发生剪切位移。

所述监测控制系统包括温度传感器和水平位移传感器，所述温度传感器安装于所述试验箱体内部侧壁，用于实时监测所述试验箱体内部的温度，当温度达到设定值时，停止所述制冷机或所述制热机的工作，待温度偏离设定值一定范围时，再次启动所述制冷机或所述制热机的工作，保证所述试验箱体内部的温度维持在设定值附近；所述水平位移传感器安装于所述试验箱体内部侧壁，用于实时监测试验过程中所述主动剪切盒的水平向位移。

本实用新型的有益效果是：

1、在一台仪器内同步开展岩土试样的冻融循环过程和蠕变测试过程，从而实现了冻融循环环境下岩土体的蠕变测试研究；

2、在冻融循环过程中可恢复岩土试样的原始应力，确保岩土试样处于实际地质条件相近的应力环境中进行冻融循环，大幅提高了试验结果的准确性；

3、可采用方形大尺寸的岩土试样开展试验，由于方形岩土试样优化的受力方式和简洁的几何形状，有效简化了岩土试样力学参数的计算方法，并大幅降低了试验尺寸效应的影响。

附图说明

图1是一种考虑冻融循环的岩土体剪切蠕变试验仪的正视图。

图2是一种考虑冻融循环的岩土体剪切蠕变试验仪的侧视图。

图3是图2的A-A’剖面图。

图4是一种考虑冻融循环的岩土体剪切蠕变试验仪的立体图。

图中标号：1：试验平台；2：悬架；3：制冷机；4：制热机；5：连接软管；6：冷热循环管；7：试验箱体；8：保温壳体；9：铰链；10：试验箱门；11：双层中空玻璃观察窗；12：法向千斤顶锚固螺栓；13：法向数控液压千斤顶；14：法向千斤顶进油嘴；15：水平千斤顶锚固螺栓；16：水平数控液压千斤顶；17：水平千斤顶进油嘴；18：主动剪切盒；19：被动剪切盒；20：限位挡板；21：滚动钢珠；22：温度传感器；23：水平位移传感器。

具体实施方式

参照附图。本实用新型提供的考虑冻融循环的岩土体剪切蠕变试验仪，包括试验平台系统，冻融循环系统，蠕变试验系统和监测控制系统，所述冻融循环系统、所述蠕变试验系统和所述监测控制系统通过所述试验平台系统构成一个整体，所述冻融循环系统通过制冷循环和制热循环为试验提供冻融循环环境，所述蠕变试验系统通过数控液压千斤顶为试验提供法向应力和剪切应力，所述监测控制系统通过位移传感器和温度传感器对试验过程进行监测、控制与数据采集。

所述试验平台系统包括试验平台1和悬架2，所述试验平台1为四腿桌型平台，作为整个试验仪的支撑结构和操作平台，其上部空间用于安装所述蠕变试验系统、所述监测控制系统和部分所述冻融循环系统的设备；所述悬架2采用4条悬柱固连于试验平台下方，其内部空间用于安装部分所述冻融循环系统的设备。

所述冻融循环系统包括制冷机3、制热机4、连接软管5、冷热循环管6、试验箱体7、保温壳体8、铰链9、试验箱门10和双层中空玻璃观察窗11，所述制冷机3和所述制热机4均安装于所述试验平台系统的所述悬架2上，可通过所述连接软管5和所述冷热循环管6构成制冷或制热循环回路，为试验提供稳定可控的制冷或制热效果，所述冷热循环管6设置在试验箱体7内；所述试验箱体7为一端开口的长方体中空构件，固连于所述试验平台1上方；所述试验箱门10通过所述铰链9与所述试验箱体7构成密闭中空腔体，所述试验箱门10可沿所述铰链9进行开合操作，闭合时可为试验提供相对密闭的试验环境；所述试验箱门10中部开设有所述双层中空玻璃观察窗11，用于在试验过程中观察试验仪各部件及岩土试样的状态；所述保温壳体8包裹于所述试验箱体7外侧，用于隔绝所述试验箱体7内部与外部之间的冷热交换，为试验的冻融循环提供相对稳定的温度环境。

所述蠕变试验系统包括法向千斤顶锚固螺栓12、法向数控液压千斤顶13、法向千斤顶进油嘴14、水平千斤顶锚固螺栓15、水平数控液压千斤顶16、水平千斤顶进油嘴17、主动剪切盒18、被动剪切盒19、滚动钢珠21和限位挡板20，所述法向数控液压千斤顶13通过所述法向千斤顶锚固螺栓12固连于所述试验箱体7内部顶板，为试验提供稳定可控的法向应力；所述法向千斤顶进油嘴14贯穿所述试验箱体7和所述保温壳体8延伸至外侧；所述水平数控液压千斤顶16通过所述水平千斤顶锚固螺栓15固连于所述试验箱体内部右侧壁，为试验提供稳定可控的剪切应力；所述主动剪切盒18为一端开口的长方体中空构件，右侧部位设有与所述水平千斤顶配套使用的耳状突出，使用时开口向下；所述被动剪切盒19为一端开口的长方体中空构件，使用时开口向上，与所述主动剪切盒18配合形成的内部空腔用于填装待测试的岩土体试样；所述滚动钢珠21成列开设于所述主动剪切盒18的顶部，作为所述主动剪切盒18的减阻构件，使所述主动剪切盒18在剪切应力的作用下可发生剪切位移；所述限位挡板20为一对条状构件，固连于所述试验箱体7的顶部，与所述被动剪切盒19配套使用，防止所述被动剪切盒19在剪切应力的作用下发生剪切位移。

所述监测控制系统包括温度传感器22和水平位移传感器23，所述温度传感器22安装于所述试验箱体7内部侧壁，用于实时监测所述试验箱体7内部的温度，当温度达到设定值时，停止所述制冷机3或所述制热机4的工作，待温度偏离设定值一定范围时，再次启动所述制冷机3或所述制热机4的工作，保证所述试验箱体7内部的温度维持在设定值附近；所述水平位移传感器23安装于所述试验箱体7内部左侧壁，用于实时监测试验过程中所述主动剪切盒18的水平向位移。

采用本实用新型开展考虑冻融循环的岩土体剪切蠕变试验的具体步骤如下：

(1)试样安装：打开试验箱门，取出主动剪切盒和被动剪切盒，将制备完成的岩土试样装入主动剪切盒和被动剪切盒之间，再将主动剪切盒和被动剪切盒连同岩土体试样作为整体沿限位挡板推入试验箱体内部，关闭试验箱门；

(2)仪表连接：将法向千斤顶进油嘴和水平千斤顶进油嘴分别与油泵连接；将法向数控液压千斤顶、水平数控液压千斤顶、温度传感器和水平位移传感器与微机连接，并将数据初始化；

(3)初始应力：根据岩土试样所处的实际地应力条件，确定岩土试样的法向应力值，采用法向数控液压千斤顶施加法向应力；

(4)冻融循环：设定冻结温度、融化温度和循环时间，施加第一级剪切应力时开启冻融循环，通过制冷机降低试验箱体内部的温度，达到设定冻结温度后维持一定时间；通过制热机增高试验箱体内部的温度，达到设定融化温度后维持一定时间，从而实现冻融循环。

(5)剪切蠕变：采用数控剪切千斤顶逐级施加剪切应力，在冻融循环环境下，加载每一级剪切应力后，维持剪切应力恒定并连续观测记录剪切蠕变变形，待剪切蠕变变形稳定后(在24小时内变形量小于0.01mm视为稳定)再施加下一级剪切应力，直至试样剪切蠕变破坏。

(6)重复试验：调整不同的冻结温度，重复步骤(1)～(5)；

(7)通过式1计算剪应变：

其中，ε为剪应变；κ为剪切蠕变变形；L为岩土试样沿剪切方向的长度。

(8)结果处理：绘制不同冻结温度对应的冻融循环环境中岩土体的剪切应变与时间的关系曲线。

以上所述仅为实用新型的具体实施案例，本实用新型的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的保护范围之中。