高含冰水量冻土试样制样装置及其制样方法与流程

1.本发明涉及一种冻土试样制样技术，尤其涉及高含冰水量冻土试样制样装置及其制样方法。


背景技术：

2.现有的冻土试样制备装置和方法较为缺少，尚未完善，无法确保能够稳定制作高质量的高含冰水量的冻土试样。制备高含冰水量冻土试样实验采用方法一般包括分层压实法和固结法，其中，分层压实法会导致制备的土样每一层的含冰水量不同，进而使得整体的含冰水量极不均匀，饱和度也无法提高，因而对于那些需要高质量高含冰水量冻土试样的实验就较难开展，即使进行实验最后得到的数据也会有较大的不确定性，而不够完善。而固结法则因为需要将制备好的大于液限的土在常温下进行固结，显然无法用于制备冻土试样(冻土中的冰粒在常温下会发生溶解)。因而研发出一种能够解决上述问题的制备冻土试样的装置及方法对于高含冰水量冻土的力学特性研究就具有重大意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种高含冰水量冻土试样制样装置，通过在恒温且低温环境下混合冰水土而后再在恒温条件下压样，即可在实验过程中使得冰粒不至于融化而导致土样难以成型，保证高含冰水量冻土实验的土样质量。
4.为实现上述目的，本发明提供了、一种高含冰水量冻土试样制样装置，包括沿生产线布置的冰水土混合机构和压样机构，所述冰水土混合机构包括第一恒温箱、可拆卸设置于所述第一恒温箱顶端的第一恒温顶盖、设置于所述第一恒温箱内部的冷凝箱以及转动设置于所述冷凝箱内部的搅拌器，所述冷凝箱顶端可拆卸设置有冷凝顶盖，所述冷凝顶盖上连通有进料管的底端，所述进料管的顶端由所述第一恒温顶盖伸出后连接加料喇叭口；
5.所述进料管与所述搅拌器在竖向方向上交错布置。
6.优选的，所述搅拌器包括转动设置于所述冷凝顶盖底端与所述冷凝箱底端内壁之间的搅拌轴、固定于所述搅拌轴圆周侧的搅拌叶片以及搅拌电机，所述搅拌轴底端穿出所述冷凝箱底端后与所述搅拌电机连接。
7.优选的，所述冷凝箱包括冷凝底板和固定于所述冷凝地板顶端圆周边缘的冷凝侧板，所述冷凝底板和所述冷凝侧板内部均设置有冷凝液循环管，所述冷凝液循环管与冷凝设备连通；
8.所述冷凝液循环管上且靠近所述冷凝设备的位置设置有电动开关阀。
9.优选的，所述冷凝箱外部侧壁上以及所述第一恒温箱内部侧壁上均设置有温度传感器，所述温度传感器与所述温控器电性连接。
10.优选的，所述搅拌电机置于所述冷凝底板与所述第一恒温箱底端内壁之间，所述搅拌轴底端穿过所述冷凝底板后与所述搅拌电机连接。
11.优选的，所述搅拌叶片为固定于所述搅拌轴圆周侧的螺旋搅拌叶片。
12.优选的，所述压样机构包括第二恒温箱、可拆卸设置于所述第二恒温箱顶端的第二恒温顶盖以及设置于所述第二恒温箱内部的手扳式液压制样机。
13.优选的，所述第一恒温顶盖、第二恒温顶盖和所述冷凝顶盖均由两块盖板组成，所述盖板经开设于其外边缘上的螺纹孔和螺栓可拆卸连接。
14.基于高含冰水量冻土试样制样装置的制样方法，包括以下步骤：
15.s1、制备土样、冰样和冰水
16.土样制备：将土样筛分得到粒径≤2.0mm的土末后，在烘箱内将土样烘干，而后将干土进行置于-1～-2℃环境下进行预冷处理；
17.冰样制备：将整块冰敲碎后，再利用碎冰机粉碎冰粒，筛分出粒径≤5mm的冰粒；
18.冰水制备：取粉碎后的冰末放置于液态水中静置直至形成温度为0℃的冰水混合物；
19.s2、根据冻土的含冰水量确定土、冰和冰水的质量；
20.s3、将上述质量的土、冰和冰水沿加料喇叭口依次投入，而后打开冷凝设备和搅拌电机，使得搅拌电机在低温环境下带动搅拌器顺时针旋转，使得土样和冰水混合物向上旋转、搅拌混合，使其不会因为重力而堆积在冷凝箱底端，搅拌设定时间后，搅拌电机反转，使得搅拌器逆时针转动，使得物料搅拌的更为均匀，得到冰水土混合物，设定时间后，搅拌电机再次顺时针转动向上出料；
21.s4、取料后测试冰水土混合物含冰水量，若未达标，则向加料喇叭口内投入对应物料，若达标则将取出的冰水土混合物放入手扳式液压制样机内，即可在低温环境下借助手扳式液压制样机进行压样；
22.s5、压样完成后取出置于-20℃保存留用。
23.优选的，步骤s3和步骤s4中的低温环境温度均为-1～-2℃。
24.因此，本发明采用上述结构的高含冰水量冻土试样制样装置，通过在恒温且低温环境下混合冰水土而后再在恒温条件下压样，即可在实验过程中使得冰粒不至于融化而导致土样难以成型，保证高含冰水量冻土实验的土样质量。
25.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
26.图1为本发明的高含冰水量冻土试样制样装置的冰水土混合机构横向剖视图；
27.图2为本发明的高含冰水量冻土试样制样装置的冰水土混合机构俯视图。
28.其中：1、第一恒温顶盖；2、第一恒温箱；3、温度传感器；4、冷凝设备；5、电动开关阀；6、搅拌电机；7、温控器；8、冷凝底板；9、搅拌轴；10、冰水土混合物；11、搅拌叶片；12、冷凝液循环管；13、冷凝顶盖；14、进料管；15、加料喇叭口；16、冷凝侧板。
具体实施方式
29.以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
30.图1为本发明的高含冰水量冻土试样制样装置的冰水土混合机构横向剖视图；图2
为本发明的高含冰水量冻土试样制样装置的冰水土混合机构俯视图，如图1和图2所示，本发明的结构包括沿生产线布置的冰水土混合机构和压样机构，所述冰水土混合机构包括第一恒温箱2、可拆卸设置于所述第一恒温箱2顶端的第一恒温顶盖1、设置于所述第一恒温箱2内部的冷凝箱以及转动设置于所述冷凝箱内部的搅拌器，所述冷凝箱顶端可拆卸设置有冷凝顶盖13，所述冷凝顶盖13上连通有进料管14的底端，所述进料管14的顶端由所述第一恒温顶盖1伸出后连接加料喇叭口15；所述进料管14与所述搅拌器在竖向方向上交错布置，交错的布置方式用于避免由加料喇叭口15、进料管14进入冷凝箱后落到搅拌器上导致的进料堵塞。
31.优选的，所述搅拌器包括转动设置于所述冷凝顶盖13底端与所述冷凝箱底端内壁之间的搅拌轴9、固定于所述搅拌轴9圆周侧的搅拌叶片11以及搅拌电机6，所述搅拌轴9底端穿出所述冷凝箱底端后与所述搅拌电机6连接。所述冷凝箱包括冷凝底板8和固定于所述冷凝地板顶端圆周边缘的冷凝侧板16，所述冷凝底板8和所述冷凝侧板16内部均设置有冷凝液循环管12，所述冷凝液循环管12与冷凝设备4连通；所述冷凝液循环管12上且靠近所述冷凝设备4的位置设置有电动开关阀5。且所述冷凝箱外部侧壁上以及所述第一恒温箱2内部侧壁上均设置有温度传感器3，所述温度传感器3与所述温控器7电性连接，用于在工作时经温度传感器3采集工作环境温度配合温控器7，使得混合环境始终处于低温环境(本实施例中的低温环境温度为-1～-2℃，避免了搅拌过程中冰粒融化)，需要说明的是因温控器7和温度传感器3均为市场上成熟产品，本技术只需将其采购后按照说明书连接，并未对其进行改进，故在此不做赘述。
32.优选的，所述搅拌电机6置于所述冷凝底板8与所述第一恒温箱2底端内壁之间，所述搅拌轴9底端穿过所述冷凝底板8后与所述搅拌电机6连接。
33.优选的，所述搅拌叶片11为固定于所述搅拌轴9圆周侧的螺旋搅拌叶片11，搅拌叶片11的外径比冷凝箱的内径小2mm，即两者之间存在竖向孔隙使得土样能够在被搅拌器带到上方后从空隙再次掉落，能够最大程度的让土样搅拌均匀。
34.优选的，所述压样机构包括第二恒温箱、可拆卸设置于所述第二恒温箱顶端的第二恒温顶盖以及设置于所述第二恒温箱内部的手扳式液压制样机，需要说明的是手扳式液压制样机的结构原理以及使用方法均为本领域公知常识，故在此不做赘述。
35.优选的，所述第一恒温顶盖1、第二恒温顶盖和所述冷凝顶盖13均由两块盖板组成，所述盖板经开设于其外边缘上的螺纹孔和螺栓可拆卸连接。
36.基于高含冰水量冻土试样制样装置的制样方法，包括以下步骤：
37.s1、制备土样、冰样和冰水
38.土样制备：将土样筛分得到粒径≤2.0mm的土末后，在烘箱内将土样烘干，而后将干土进行置于-1～-2℃环境下进行预冷处理；
39.冰样制备：将整块冰敲碎后，再利用碎冰机粉碎冰粒，筛分出粒径≤5mm的冰粒；
40.冰水制备：取粉碎后的冰末放置于液态水中静置直至形成温度为0℃的冰水混合物；
41.s2、根据冻土的含冰水量确定土、冰和冰水的质量，需要说明的是由于加入的冰粒和预冷好的干土都是固态搅拌，两者不易粘合，土样不易成型，故加入冰水，加入冰水之后，能够提供粘聚力，让干土和冰粒能够顺利粘合，从而让土样和冰水混合物能够搅拌均匀，有
利于土样的成型；
42.为进一步说明，对土、冰和冰水的质量配比的计算步骤及公式举例说明(但不仅限于此)：
43.计算一个饱和青藏粘土试样需要的干土、冰和冰水的质量：根据需要配制的含冰水量为100％，试样尺寸为高10cm和直径10cm。青藏粘土在0℃时，粉末冰和未冻冰水比例为4:1，换算出试样含冰水量为20％，含冰量为80％，冰水的密度与冰的密度比为1.09，则由下式可得土样干密度：
[0044][0045]
其中，gs是比重(对于某种土为常数)，对于细颗粒土体一般取为2.7；sr为饱和度，对于完全饱和的情况取值为1；
[0046]
使用上式(1)计算，制备含冰水量在100％的土样的干密度为0.69g/cm3；则所需干土质量为ms＝ρd*v，其中v为试样体积，计算得干土质量为541.9g，粉末冰质量mi＝ms*80％为433.5g，冰水质量mu＝ms*20％为108.4g。
[0047]
需要说明的是，考虑到制样过程中的损耗，一般冰、冰水和干土末的实际质量比理论计算值多称取5％的质量。
[0048]
s3、将上述质量的土、冰和冰水沿加料喇叭口15依次投入，而后打开冷凝设备4和搅拌电机6，使得搅拌电机6在低温环境下带动搅拌器顺时针旋转，使得土样和冰水混合物向上旋转、搅拌混合，使其不会因为重力而堆积在冷凝箱底端，搅拌设定时间后(本实施例正转时间设定为5分钟)，搅拌电机6反转，使得搅拌器逆时针转动，使得物料搅拌的更为均匀，得到冰水土混合物10，设定时间后(本实施例反转时间设定为2分钟)，搅拌电机6再次顺时针转动向上出料；
[0049]
s4、打开第一恒温顶盖1和冷凝顶盖13，取料后测试冰水土混合物10含冰水量，若未达标，则向加料喇叭口15内投入对应物料，若达标则将取出的冰水土混合物10放入手扳式液压制样机内，即可在低温环境下借助手扳式液压制样机进行压样；
[0050]
s5、压样完成后取出置于-20℃保存留用。
[0051]
优选的，步骤s3和步骤s4中的低温环境温度均为-1～-2℃。
[0052]
因此，本发明采用上述结构的高含冰水量冻土试样制样装置，通过在恒温且低温环境下混合冰水土而后再在恒温条件下压样，即可在实验过程中使得冰粒不至于融化而导致土样难以成型，保证高含冰水量冻土实验的土样质量。
[0053]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。