一种冻融循环SHPB试验制样装置的制作方法

本实用新型涉及冻融循环试验技术领域，具体地说，涉及一种冻融循环SHPB试验制样装置。

背景技术：

冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤，对温度极为敏感，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正是由于这些特性，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。其中起重要作用的是水的存在形态，当水变成冰时体积增大，使土体膨胀，地表因此而拱起升高，这就是冻胀；当土中的冰转变为水时，体积收缩了，地表便发生融化下沉，简称融沉。在这两种现象的反复作用下，道路或房屋的基底就会出现破裂或者塌陷。因此，在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设，就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。SHPB试验主要是针对土体，测定土体在冲击荷载下的应力应变关系。冻土地区道路下的深部土体常年处于冻融循环和动荷载下，而现有技术，还有办法没有实现土体现场的冻融循环，也没有SHPB试验与冻土相结合的现场模拟。因此将两者结合，解决了以前模拟存在的缺陷，利用SHPB试验的性质与自动化的操作来实现冻土的模拟冻融循环SHPB试验，从而测出冻土的基本力学参数。

而在SHPB试验前，要先进行冻土制样。冻土试样的制备一般使用两种方法，第一种是：按照现场冻土的含水率配置干土和水，击实后放入冷冻箱直接冷冻；另一种是：将土与冰屑混合击实，再放入冷冻箱冷冻。首先，这两种方法无法模拟深部冻土的冻融循环过程，其次，对于有特殊尺寸和形状要求的SHPB试验，这两种方法是不易实现要求的。因此，需要一种冻融循环SHPB试验的制样和试验装置，使冻土试样的制备、SHPB试验能够正常进行，进一步测出SHPB试验中冻融循环土的基本力学参数。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供了一种冻融循环SHPB试验制样装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是：

一种冻融循环SHPB试验制样装置，其特殊之处在于：包括制样器和至少一个介质容器，所述介质容器包括相互隔开的两个腔体，一个腔体为冷冻液氮容置腔，另一个为加热氮气容置腔；所述制样器包括外壳和土体放置腔，所述外壳侧面相对的两个位置上设有用于容置液氮的冷冻腔，每个冷冻腔设有至少一个液氮出入口，每个液氮出入口上均设有与冷冻液氮容置腔连通的液氮循环管道，外壳侧面另外两个相对的位置上设有与土体放置腔连通的加热气体出入口，每个加热气体出入口上均设有与加热氮气容置腔连通的加热循环管道。

进一步地，所述外壳为无盖的方形盒子，其中冷冻腔设在方形盒子两个相对的侧面上，加热气体出入口设在方形盒子另外两个相对的侧面上。

进一步地，所述冷冻腔设在方形盒子的盒体内外壁之间。

进一步地，每个冷冻腔上设有两个液氮出入口，两个液氮出入口一上一下排布在方形盒子的盒体上。

进一步地，所述介质容器有两个，制样器设置在两个介质容器之间。

进一步地，还包括用于压实土体的击实器。

进一步地，所述击实器包括操作杆、固定在操作杆端部的压块和设在操作杆上并且可沿操作杆自由滑动的质量块。

进一步地，所述方形盒子由不锈钢制成。

采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本实用新型将温度可控的液氮从介质容器的冷冻液氮容置腔通过液氮循环管道通入位于制样器两侧的冷却室中，从对土体进行冷冻，达到冷冻土体的效果。将氮气在介质容器的加热氮气容置腔中加热并通过加热氮气循环管道将加热的氮气通入制样盒中，从而对土体加热和通风，达到融化和通风的效果，该装置可以模拟深部冻土的冻融循环过程，可用于冻融循环下多年冻土的SHPB试验的试件制作。

2、用于容置液氮的冷冻腔设在制样装外壳侧面，既能隔绝土体与液氮的作用，还可以对土体起到冷冻的效果。并且冷冻腔设在置外壳壳体内外壁之间，节省空间，加工方便。

3、制样器设有与之适配的击实器，所述击实器包括操作杆、固定在操作杆端部的压块和设在操作杆上并且可沿操作杆自由滑动的质量块，通过自由释放击实器上的质量块击打压块，通过压块对土体就行击实做工，操作省力，土体击实效果好。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1为本实用新型实施例冻融循环SHPB试验制样装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中制样器的局部剖面结构示意图；

图3为本实用新型实施例SHPB试验制样装置的土体击实过程的初始状态示意图；

图4为本实用新型实施例SHPB试验制样装置的土体击实过程的中间状态示意图；

图5为本实用新型实施例SHPB试验制样装置的土体击实过程的最终状态示意图。

图中：1-介质容器；2-加热循环管道；3-液氮循环管道；4-击实器；5-制样器；11-冷冻液氮容置腔；12-加热氮气容置腔；41-操作杆；42-压块；43-质量块；51-外壳；52-土体放置腔；53-液氮出入口；54-加热气体出入口；55-冷冻液氮容置腔。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例

一种冻融循环SHPB试验制样装置，包括制样器5和两个介质容器1，制样器5设置在两个介质容器1之间。所述介质容器1包括相互隔开的两个腔体，一个腔体为冷冻液氮容置腔11，另一个为加热氮气容置腔12；所述制样器包括外壳51和土体放置腔52，外壳51为无盖的方形盒子，所述方形盒子由不锈钢制成。方形盒子两个相对的侧面上设有用于容置液氮的冷冻腔55，所述冷冻腔55设在方形盒子的盒体内外壁之间，在隔绝土体与液氮的作用的同时起到对土体冷冻的效果。每个冷冻腔55上设有两个液氮出入口53，两个液氮出入口53一上一下排布在方形盒子的盒体上。每个液氮出入口53上均设有与冷冻液氮容置腔55连通的液氮循环管道3，气方形盒子体另外两个相对的侧面上设有与土体放置腔52连通的加热气体出入口54，每个加热气体出入口54上均设有与加热氮气容置腔12连通的加热循环管道2。冻融循环SHPB试验制样装置还包括用于压实土体的击实器4。所述击实器包括操作杆41、固定在操作杆端部的压块42和设在操作杆42上并且可沿操作杆自由滑动的质量块43。

冻融循环SHPB试验制样装置的使用方法

首先确定土料、水、冰屑的用量。根据冻土的含水率不同，分为两种方式配置试样：

(1)当模拟含水率较低的冻土时，按一定的含水率配置融土试样，搅拌均匀，分4-5次加入土体放置槽内，并分层击实。

(2)当模拟含水率较高的冻土时，应使用冰屑，将试验用土与冰屑搅拌均匀，分4-5次加入模型箱内，并分层击实。

击实完成后，开启冻融循环系统，控制温度，使冻土试样达到预期的冻融循环状态，至此冻土试样制备完成。

具体过程如下：

将土体置于制样器的土体放置腔52中，用击实器4对土体进行击实，设置在操作杆41上的质量块43自由滑动不断击打压块42，通过压块42对土体就行击实做工。土体击实后将温度可控的液氮从介质容器1的冷冻液氮容置腔11通过液氮循环管道3通入位于制样器两侧的冷却室55中，从对土体进行冷冻，达到冷冻土体的效果。将氮气在介质容器1的加热氮气容置腔12中加热并通过加热氮气循环管道2将加热的氮气通入土体放置腔52中，从而对土体加热和通风，达到融化和通风的效果。对放入的土体进行冻融循环，并最终将土体制成φ0.1m*0.05m的圆柱型试件。该试验制样装置既可以用于冻土单轴SHPB试验，还可以用于冻土三轴SHPB试验，也可以用于其他冻土相关试验。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。