多加载模式的非饱和土冻胀仪及冻胀量测试方法与流程

本发明属于岩土工程技术领域，特别是涉及一种多加载模式的非饱和土冻胀仪及冻胀量测试方法。

背景技术：

路基冻胀是寒区工程的主要病害，特别是对寒区高速公路、高速铁路等影响重大。试验模拟是研究路基填料冻胀性的重要手段。当寒区环境温度达到负温时，土中孔隙水的温度达到冰点而结冰。路基的冻胀需要有水分的补给，最新研究成果表明，气态水的迁移是诱发非饱和粗粒土等岩土材料冻胀的核心因素。诸如非饱和粗粒土填料是高铁路基的主要材料，但是在关于高速铁路冻胀现象的报道中，很少涉及有关于气态水迁移成冰的理论与实验。

土的冻胀一直都是岩土工程领域的重要研究课题，土的冻胀试验是研究其冻胀机理，及其冻胀敏感性等性质的重要手段。冻胀量和冻胀力是冻土的两个重要的基础物理量，需要通过土的冻胀试验测得。研究土自身的冻胀特性时，需要测量无负荷条件下的自由冻胀量，即土的零荷载状态是测量土的自由冻胀量的先决条件。上覆荷载是土的冻胀的重要边界条件，不同荷载条件下土的冻胀特性是寒区工程路基基础设计等的重要依据。上覆静荷载用于模拟静态荷载对路基冻胀的影响，上覆动荷载用于模拟交通荷载等动态荷载对基冻胀的影响。

国内外已有多种冻胀仪面世，但都无法实现气态水的补给，同时无法消除土样顶部的压力(由温度盘和冷冻液的自重，及温度盘与试样筒的摩擦力提供)。无法实现气态水补给的冻胀仪不能用于研究非饱和粗粒土等路基填料的冻胀特性。无法消除土样顶部的压力，测得的冻胀量误差较大，已无法满足现阶段更高要求的科学研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种可实现气态水补给、诱发粗粒土冻胀的多加载模式的非饱和土冻胀仪及冻胀量测试方法。

本发明提供的这种非饱和土冻胀仪，它包括试样存放系统、荷载控制系统、湿度控制系统、温度控制系统和恒温箱；试样存放系统包括试样筒和温度盘，试样筒的底端设有进气口，温度盘内设空腔、腔底外设有隔水隔气膜、腔顶上设进液口和出液口，温度盘设置于试样筒的顶端内，试样筒置于恒温箱内；荷载控制系统包括反力架和荷载控制机构，荷载控制机构设置于反力架中，反力架立于恒温箱内，荷载控制机构设置于反力架中与温度盘相连；湿度控制系统与试样筒的进气口连通；温度控制系统的输出口与温度盘上的进液口连通、出口与温度盘上的出液口连通。

作为优选，所述试样筒为两端开口的圆筒，试样筒内试样不同高度处埋设温度传感器和应力传感器，试样筒底部内设钢筋网。

进一步的，所述试样存放系统还包括底座、定位筒和保温筒；底座为环形座，其内壁设有温湿度计和电加热棒；定位筒的顶面设有钢筋网，定位筒同轴设置于底座上；所述试样筒套于定位筒外，试样筒与定位筒之间设有密封圈；保温筒包覆于试样筒外。

在一个具体实施方式中，所述反力架为门型架，包括横梁和一对立柱，立柱上设螺纹段，横梁的两端设有通孔，横梁套于两立柱上通过一对螺母锁紧。

为了进行动、静加载的冻胀试验，所述荷载控制机构包括液压伺服控制装置和轴力传感器；液压伺服控制装置安装于所述横梁下，加载端与所述温度盘相连；轴力传感器设置于温度盘上。

为了进行无负载的冻胀试验，所述荷载控制机构包括卷筒、滑索和滑轮；卷筒连接于所述反力架内，滑轮连接于所述横梁下，滑索的一端绕于卷筒上、另一端绕过滑轮后与所述温度盘相连；卷筒转动通过滑索提起温度盘能够保证试样土在试验过程中所受荷载为始终零。

在一个具体实施方式中，所述湿度控制系统包括环境箱、空气搅拌器、加热器、冷却器、鼓风机、加湿器和除湿器；环境箱的侧壁上设有出风口和回风口，鼓风机设置于出风口处、输出端通过蒸汽管与试样筒的进气口连通，蒸汽管的另一端与回风口连通；环境箱的底面设有一对通孔分别与加湿器和除湿器连通；空气搅拌器吊装于环境箱的顶面；加热器和冷却器设置于环境箱的底面上。

具体实施时，所述温度控制系统包括可设置恒温或正弦变化温度，其输出口与温度盘进液口连通，回流口与出液口连通，通过冷冻液的循环控制温度。

本发明还提供了一种非饱和土负动、静荷载冻胀试验方法，该方法利用上述的冻胀仪为工具，包括以下步骤：

(1)配制试样土，将试样土置于试样筒内；

(2)在试样顶部覆盖隔水隔气膜；

(3)在隔水隔气膜上放置温度盘；

(4)在反力架上安装液压伺服控制装置，使施力端与温度盘接触，记录初始位置；

(5)设定目标相对湿度，启动湿度控制系统；

(6)设定目标温度，启动温度控制系统，冷冻液循环进入温度盘，控制温度，设定恒温箱目标温度，启动恒温箱；

(7)设定目标上覆压力，启动液压伺服控制装置；

(8)开始量测并记录、储存相关数据，根据测得的土体温度，绘制土体温度分布曲线，求得冻结深度，通过变形计测得的冻胀量，可得出冻胀率。

本发明还提供了一种非饱和土自由冻胀量的测试方法，该方法利用上述的冻胀仪为工具，包括以下步骤：

(1)配制试样，将试样置于试样筒内；

(2)试样顶部覆盖隔水隔气膜；

(3)隔水隔气膜上放置温度盘；

(4)反力架上安装滑轮；

(5)滑索连接温度盘，转动卷筒，调节滑索，使温度盘刚接触试样顶部，并且无压力；

(6)开启湿度控制系统，补给气态水；

(7)开启温度控制装置，冷冻液进入温度盘，实现温度控制；

(8)控制卷筒转动，滑索提升，至试样顶部压力为零，以此维持温度盘接触试样顶部，即可进行零负载冻胀试验；试验过程中当土体向上冻胀引起顶部受到荷载时，通过温度盘与试样间的压力传感器传递出的信号，控制滑索继续提升，保证试样在整个试验过程中上覆荷载一直为零。

本发明使用时，首先将试样土置于试样筒内，其次敷设隔水隔气膜和温度盘，接着根据工况选用不同的荷载控制机构安装于反力架下，可开展不同荷载下的冻胀试验，能够消除土样顶部的压力，测得的冻胀量误差小，能够满足现阶段更高要求的科学研究；同时启动湿度控制系统和温度控制系统，能够向试样筒内的试样土注入蒸汽实现气态水补给从而诱发粗粒土冻胀，能够适用于研究非饱和粗粒土等路基填料的冻胀特性。

附图说明

图1为本发明优选实施例一的使用状态示意图。

图2为优选实施例一中试样存放系统的放大示意图。

图3为优选实施例一中荷载控制机构的装配放大示意图。

图4为优选实施例一中湿度控制系统的放大示意图。

图5为优选实施例一中温度控制系统与温度盘的连接放大示意图。

图6为优选实施例二中零荷载控制机构的装配放大示意图。

图示序号：

1—试样存放系统，11—试样筒，12—温度盘，13—底座，14—定位筒，15—保温筒，16—温度传感器，17—应力传感器，18—隔水隔气膜，19—钢筋网；

2—荷载控制系统，

21—反力架、211—横梁、212—立柱、213—螺母，

22—荷载控制机构、221—液压缸、222—轴力传感器，223—位移传感器；

3—湿度控制系统，31—环境箱，32—空气搅拌器，33—加热器，34—冷却器，35—鼓风机，36—加湿器，37—除湿器，38—温湿度计；

4—温度控制系统；5—恒温箱；6—蒸汽管；

7—零荷载控制机构，71—卷筒，72—滑索，73—滑轮。

具体实施方式

优选实施例一，如图1所示，本实施例公开的这种非饱和土冻胀仪，适用于进行非饱和土负动、静荷载冻胀试验，它包括试样存放系统1、荷载控制系统2、湿度控制系统3、温度控制系统4和恒温箱5。

如图2所示，试样存放系统1包括试样筒11、温度盘12、底座13、定位筒14和保温筒15。试样筒11为两端开口的圆筒，采用有机玻璃材料，并在筒壁上根据目标需要打孔，并在筒内的试样土中埋设温度传感器16和应力传感器17，温度传感器16采用热电阻用以测量试样土的土体温度，应力传感器17选用膜式土压力盒。温度盘12为外径匹配于试样筒内径的圆柱盘，采用不锈钢制成，其内设有空腔，腔顶上设进液口和出液口，试样土装入试样筒内后，敷设好隔水隔气膜18后将温度盘12置于隔水隔气膜18上，隔水隔气膜18选用pe材料，用以避免湿空气从顶部进入试样土。底座13为环形座，其内壁设有温湿度计和电加热棒。定位筒14和保温筒15均为圆柱筒，定位筒14的外径匹配于试样筒的内径，并在定位筒的顶面设有钢筋网19，钢筋网的开孔面积不低于50％，保温筒15采用玻璃棉制成。试样存放系统装配时，先将定位筒同轴设置于底座上，然后将试样筒套于定位筒外，并在两者之间设置有密封圈。钢筋网处为试样筒的进气口以保证蒸汽能够顺畅的进入，然后将试样土放入试样筒内，再将隔水隔气膜敷于试样土的底面，再放上温度盘即可。

如图3所示，荷载控制系统2包括反力架21和荷载控制机构22。其中反力架21为门型架，包括横梁211和一对立柱212，立柱上设螺纹段，横梁的两端设有通孔，横梁套于两立柱上通过一对螺母213锁紧，使得横梁的高度可调。荷载控制机构22连接于横梁下，荷载控制机构22包括液压伺服控制装置和轴力传感器222；液压伺服控制装置的液压缸221安装于横梁下，加载头的端部外设有轴力传感器222；位移传感器223设置于温度盘上。装配时，先将试样存放系统置于恒温箱5内，然后将荷载控制系统的反力架跨于试样筒上，并将荷载控制系统的加载端与温度盘相连。液压伺服控制装置的型号为ttcsud-1，轴力传感器选用spx-2型力传感，位移传感器选用lwx002型直线位移传感器。

如图4所示，湿度控制系统3通过蒸汽管6向试样筒11内试样土输入蒸汽。湿度控制系统3包括环境箱31、空气搅拌器32、加热器33、冷却器34、鼓风机35、加湿器36和除湿器37；环境箱31的顶部设有温湿度计38用于监测环境箱的温度和湿度，并将测量结果及时反馈到控制系统。环境箱31的顶面吊装空气搅拌器32，用于均匀平衡环境箱内相对湿度。环境箱31的底面安装加热器33和冷却器34，加热器的型号为：kew-m47dr；冷却器的型号为：or-60，分别用于加热和冷却环境箱温度，维持环境箱温度处于动态平衡状态。环境箱31的一侧设有出风口、另一侧设有回风口，鼓风机35设置于出风口处用于将蒸汽通过蒸汽管6鼓入试样筒中。蒸汽管6为三通管，蒸汽管的一端与鼓风机的输出口连通，一端与试样筒的进气口连通，另一端与回风口连通，使得蒸汽能够环境箱出发，经过试样底部开口处，一部分蒸汽进入试样，一部分蒸汽循环回到环境箱。环境箱的底面还设有一对通孔，分别与加湿器36和除湿器37连通，加湿器36为超声波加湿器，选用wm-sca1000型，除湿器18选用efa5-100-a型，分别用于增加和降低环境箱中的相对湿度，使环境箱中的相对湿度处于动态平衡状态。

如图5所示，温度控制系统4选用tms8035-r40型温度控制系统，可设置恒温或正弦变化温度，温度控制系统的输出口与温度盘上的进液口连通、出口与温度盘上的出液口连通，冷冻液从进液口流入温度盘，经过温度盘后出液口回到温度槽，通过冷冻液的循环控制温度。

本实施例进行气态水补给的有上覆荷载的非饱和土冻胀仪试验，按如下具体步骤进行：

(1)将相关数据线、电源线连接完好；

(2)将土料进行筛分，烘干，配制不同含水量的土料，将配制好的土料置于试样筒内，分层压实至目标高度，制备目标试样，同时在试样的目标高度处埋设温度传感器和应力传感器；

(3)试样顶部覆盖隔水隔气膜；

(4)隔水隔气膜上放置温度盘；

(5)反力架上安装好液压伺服控制加载装置，调整传力轴与温度盘接触；调整变形计，记录初始位置。

(6)设定目标相对湿度，启动湿度控制系统；

(7)设定目标温度，启动温度控制系统，冷冻液循环进入温度盘，控制温度；设定恒温箱目标温度，启动恒温箱；

(8)设定目标上覆压力，启动加载装置；

(9)启动数据采集系统，开始量测并记录、储存相关数据；

(10)根据测得的土体温度，绘制土体温度分布曲线，求得冻结深度δh，通过变形计测得的冻胀量δh，可得出冻胀率η：

式中：η，冻胀率；δh，冻胀量；δh，冻结深度；

上述为考虑上覆压力条件下，这种冻胀仪实施方法，可用于工程实践。在无负荷条件下的自由冻胀量，是研究土的冻胀特性，对岩土材料进行冻胀敏感性分类的重要依据。

优选实施例二，如图6所示，本实施例与优选实施例一的区别在于：本市实施中的荷载控制机构选用为零荷载控制机构7。零荷载控制机构7包括卷筒71、滑索72和滑轮73；装配时将卷筒连接于反力架21内，滑轮连接于横梁211下，滑索的一端绕于卷筒上、另一端绕过滑轮后与温度盘12相连；试验初始时，卷筒转动通过滑索提起温度盘以使试样土所受荷载为零；试验过程中当土体向上冻胀引起顶部受到荷载时，通过温度盘与试样间的压力传感器传递出的信号，控制滑索提升，保证试样在整个试验过程中上覆荷载一直为零。

本优选实施例适用于量测无负荷条件下的自由冻胀量及土的冻胀应力。按如下具体步骤进行：

(1)将相关数据线、电源线连接完好；

(2)将土料进行筛分，烘干，配制不同含水量的土料，将配制好的土料置于试样筒内，分层压实至目标高度，制备目标试样，同时在试样的目标高度处埋设温度传感器和应力传感器；

(3)试样顶部覆盖隔水隔气膜；

(4)隔水隔气膜上放置温度盘；

(5)反力架上安装好滑轮，滑索连接温度盘，调节滑索，使温度盘刚接触试样顶部，并且无压力；调整变形计，记录初始位置。

(6)设定目标相对湿度，启动湿度控制系统；

(7)设定目标温度，启动温度控制系统，冷冻液循环进入温度盘，控制温度；设定恒温箱目标温度，启动恒温箱；

(8)控制卷筒工作，卷起滑索，通过滑索提升温度盘，消除试样顶部压力；当压力为零后，滑索停止提升，以此维持温度盘接触试样顶部处于无压力状态；

(9)开始试验，开始量测并记录、储存相关数据，试验过程中当土体向上冻胀引起顶部受到荷载时，通过温度盘与试样间的压力传感器传递出的信号，控制滑索提升，保证试样在整个试验过程中上覆荷载一直为零。

综上所述，本发明能够实现气态水补给从而诱发粗粒土冻胀，给出了研究气态水补给诱发土体冻胀的试验装置，适用于研究非饱和粗粒土等路基填料的冻胀特性；提供的零荷载控制系统，给出了测量土体无负荷条件下的自由冻胀量的解决方案；提供的液压伺服控制加载系统，提高了已有机械加载式冻胀仪的测量精度。本发明给出了这种可气态水补给的动、静加载式非饱和土冻胀仪的实施方法，具有高精度，操作简单，实用性强等优点。