一种聚氨酯-冻土界面原位注浆剪切试验装置及使用方法与流程

本发明涉及界面剪切试验，尤其涉及一种聚氨酯-冻土界面原位注浆剪切试验装置及使用方法。

背景技术：

1、

2、我国冻土以季节性冻土为主，受温度变化冻土将会发生冻融破坏，常见的就是冻胀和融沉，特别是公路、铁路、输油管道等基础设施，若不是采取维护和养护措施、一旦遭受冻融将会造成重大的工程事故。

3、注浆修复是常用的一种基础设施加固方法，聚氨酯注浆材料由于具有早强、反应速度块、膨胀力高和隔温效果好等特点，因此在公路、大坝、隧道、管网等基础设施的加固中广泛应用并取得诸多成果和经济效益。

4、近年来，聚氨酯注浆技术逐渐被应用到冻土路基的冻胀融沉修复。然而，聚氨酯注浆修复后冻土路基的性能主要受聚氨酯-冻土界面性能的影响，聚氨酯-冻土界面性能也往往会受到环境温度、荷载环境、聚氨酯和土体参数等影响。

5、目前针对聚氨酯-冻土界面的研究缺乏相应的试验装置，大量的研究还停留在数值模拟方面，且数值模拟中对界面参数的选取大都基于数值模拟软件中土体的界面模型，严重影响数据的可行性。

6、现有的公开专利如专利公开号cn112683654a公开的一种基于多功能剪切盒的冻融循环冻土剪切装置、cn110940598b公开的一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法，均是单纯的冻土界面剪切装置，不能满足聚氨酯原位注浆和环境温度、冻结温度的控制。因此，亟需开发一种聚氨酯-冻土界面性能试验装置，特别是一种聚氨酯-冻土界面原位注浆剪切试验装置及使用方法。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有界面剪切仪无法进行聚氨酯-冻土界面原位注浆，无法控制环境温度和冻土冻结温度的问题，提供一种聚氨酯-冻土界面原位注浆剪切试验装置及使用方法，实现了聚氨酯-冻土界面剪切试验的原位注浆、注浆环境温度、冻土冻结温度、剪切试验环境温度和聚氨酯与土体参数的控制，更好的开展聚氨酯-冻土界面性能试验。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种聚氨酯-冻土界面原位注浆剪切试验装置，包括冻融循环箱、剪切单元、注浆单元、横向加载单元和竖向加载单元以及数据采集单元；

4、所述冻融循环箱能便于营造不同的温度环境，方便对试样进行冻结处理，冻融循环箱内设置所述剪切单元，剪切单元包括剪切平台、设置在剪切平台中部的滑动板和滑接在滑动板上的剪切盒，所述剪切盒内上下设置有聚氨酯注浆层和冻土层；

5、所述注浆单元包括聚氨酯注浆机、注浆管和出浆管，所述聚氨酯注浆机通过注浆管连通剪切盒，便于向剪切盒内注浆形成聚氨酯注浆层，所述剪切盒顶部还连通所述出浆管，出浆管起到溢流作用；

6、所述横向加载单元包括设置在剪切平台两侧的左反力座和右反力座、横向伺服油缸和传力杆，所述左反力座和所述剪切盒左下方之间设置所述横向伺服油缸，便于施加水平剪切力，所述右反力座和剪切盒右上方之间设置所述传力杆；

7、所述竖向加载单元包括门字形的反力架、设置在反力架下方的竖向伺服油缸和加载板，竖向伺服油缸便于竖向压力的加载，所述加载板伸入至剪切盒内、抵在聚氨酯注浆层上表面；

8、所述数据采集单元包括用于监测剪切盒上下两端位移的带支架的横向位移计、分别设置在传力杆与剪切盒以及横向伺服油缸与剪切盒之间的横向荷载传感器、设置在竖向伺服油缸和加载板之间的竖向荷载传感器、用于检测加载板位移的带支架的竖向位移计、用于拍摄聚氨酯注浆层和冻土层之间界面变化的数字照相机和数据采集仪以及计算机。

9、进一步地，所述剪切盒包括剪切底板、剪切顶板、连接竖杆和剪切盒本体，所述剪切底板和剪切顶板上下间隔布置，剪切底板和剪切顶板之间设置所述剪切盒本体，便于对剪切盒本体两端进行封闭，剪切盒本体两端分别插入剪切底板和剪切顶板内，避免发生错位；

10、所述剪切底板周侧螺纹连接多个所述连接竖杆，每个连接竖杆上端向上穿过剪切顶板后、连接有螺母，剪切底板和剪切顶板上下夹持所述剪切盒本体，便于实现剪切盒安装的牢固，剪切盒本体一侧壁为透明状、与数字照相机相对应，便于观察剪切盒本体内的聚氨酯注浆层和冻土层界面变化。

11、进一步地，所述剪切盒本体包括上盒体、下盒体和带有螺栓的密封板，所述上盒体为上下开口的中空盒体，所述下盒体和上盒体结构相同，上盒体和下盒体上下布置，上盒体内布设所述聚氨酯注浆层，下盒体内布置所述冻土层；

12、所述剪切盒本体周侧设置有多个所述密封板，密封板与上盒体和下盒体的接合位置处相对应，密封板通过螺栓分别和上盒体、下盒体连接固定，便于将上盒体、下盒体连接起来。

13、进一步地，所述剪切盒沿滑动板左右滑动，所述滑动板上设置有若干个滚珠，所述滚珠为滚珠螺丝，若干个滚珠矩形阵列排布；所述剪切底板底面横向开设有多条弧形的滑道，成排布设的滚珠之间沿所述滑道横向滑动，方便对剪切盒本体的滑动提供导向，还能减小滑动摩擦力。

14、进一步地，所述注浆管包括相互连通的软管和硬管，所述软管布设在冻融循环箱外，所述硬管伸入至冻融循环箱内、穿过剪切顶板连通所述剪切盒本体，硬管包括多节管道以及设置在相邻连接管道之间的管接头，便于硬管的组装，硬管下端与剪切顶板中部螺纹连接，便于硬管的安装；

15、所述出浆管布设在冻融循环箱内，出浆管和硬管竖向平行排布，出浆管下端与剪切顶板一侧螺纹连接，出浆管下端与剪切盒本体连通，出浆管上端伸出冻融循环箱，出浆管上端呈漏斗状，防止浆液直接溢出撒漏。

16、进一步地，所述左反力座和右反力座之间布设所述剪切盒，左反力座下部设置所述横向伺服油缸，横向伺服油缸和剪切盒本体左下部对应；所述右反力座上部设置所述传力杆，传力杆为螺栓结构，传力杆和剪切盒本体右上部对应；

17、所述剪切盒本体左下部、右上部侧壁分别设置有安装台，每个所述安装台上布设所述横向荷载传感器，横向伺服油缸的活塞杆抵在一个横向荷载传感器上，传力杆抵在另一个横向荷载传感器上。

18、进一步地，所述左反力座上部设置有所述横向位移计，右反力座下部也设置有所述横向位移计，两个所述横向位移计一端分别抵在剪切盒本体左上部和右下部侧壁上，便于测量上盒体、下盒体的水平剪切位移量。

19、进一步地，所述反力架包括竖直杆和反力梁，所述反力梁水平布设在剪切盒上方，反力梁两端穿设有所述竖直杆，竖直杆下端与剪切平台螺纹连接，方便竖直杆的固定，反力梁上下两侧的竖直杆上螺纹连接有螺母，螺母紧抵在反力梁表面，便于实现反力梁的固定；

20、所述反力梁中部下方布设所述竖向伺服油缸，所述加载板为截面呈“凸”字形板体结构，加载板下端伸入至剪切盒本体内、抵在聚氨酯注浆层上表面，加载板上端布设所述竖向荷载传感器，竖向伺服油缸的活塞杆抵在竖向荷载传感器上；

21、所述反力梁两侧下方布设所述竖向位移计，竖向位移计下端抵在加载板表面，方便监测加载板的位移量。

22、进一步地，所述横向位移计、竖向位移计、横向荷载传感器和竖向荷载传感器分别和数据采集仪连接，所述数据采集仪和计算机连接，所述计算机分别与横向伺服油缸、纵向伺服油缸和数字照相机连接。

23、一种聚氨酯-冻土界面原位注浆剪切试验装置的使用方法，适用于上述的一种聚氨酯-冻土界面原位注浆剪切试验装置，包括以下步骤：

24、步骤1、组装剪切单元：首先将剪切盒本体组装在一起，在剪切盒本体内壁涂抹脱模剂，方便后续脱模，将组装好的剪切盒本体插在剪切底板上，便于实现剪切盒本体下端的封闭；根据试验要求配置一定含水率和级配的土样，根据密度要求称量土样，将称量好的土样分层夯实到下盒体中，完成后将土样表面刮平；

25、而后利用连接竖杆将剪切顶板固定在剪切盒本体上端，此时整个剪切盒组装完成，将剪切盒置于冻融循环箱内的滑动板上；在剪切顶板上安装注浆管的硬管和出浆管；

26、步骤2、土样的冻结：根据试验要求设定好土样冻结温度，冻结1天后根据试验设定环境温度、来调节冻融循环箱内温度，土样形成冻土层；

27、步骤3、注浆聚氨酯注浆层：冻融循环箱内温度稳定后，通过软管将硬管和聚氨酯注浆机连通，根据试验要求聚氨酯密度、设置聚氨酯注浆机上的注浆参数进行聚氨酯注浆，当出浆管有浆液冒出时封堵出浆管管口；

28、注浆完成一小时后，拆除出浆管、注浆管的硬管、连接竖杆和剪切顶板，这样不影响后续横向、竖向加载单元的安装；

29、步骤4、组装横向加载单元：在剪切盒本体两侧的安装台上安装横向荷载传感器，在剪切平台两侧安装左反力座和右反力座，左反力座上安装横向伺服油缸和横向位移计，右反力座上安装传力杆和横向位移计；

30、步骤5、组装竖向加载单元：在剪切平台上安装反力架，反力架中部下方安装竖向伺服油缸，将安装好竖向荷载传感器的加载板放置在聚氨酯注浆层表面，并在反力架两侧安装竖向位移计；

31、步骤6、布置数字照相机、使其朝向剪切盒本体透明状的侧壁，并将各个电控部件通过数据线连接至计算机和数据采集仪；

32、步骤7、剪切试验：首先通过计算机设置竖向伺服油缸提供竖向预压力、压紧剪切盒本体，促使聚氨酯注浆层侵入冻土层；拆除剪切盒本体周侧的密封板，根据试验要求设置好水平剪切速率、竖向荷载大小和环境温度，启动横向伺服油缸和数据采集单元，进行界面剪切试验，试验结束后对数据进行分析处理。

33、通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

34、本发明结构设计合理，在冻融循环箱内先后布置剪切盒和加载单元，冻融循环箱能便于控制冻土冻结温度、注浆环境温度和剪切试验环境温度。剪切盒能方便制备试样，也就是剪切盒内有冻土层和聚氨酯注浆层，冻土层是普通土样经过冻融循环箱冻结而成的，聚氨酯注浆层则是通过聚氨酯注浆机向剪切盒内注入的，这样能便于形成聚氨酯-冻土界面剪切试验的前提条件。加载单元由横向加载单元和竖向加载单元构成，横向加载单元作用在剪切盒本体上、进行水平剪切，竖向加载单元作用在聚氨酯注浆层上，便于对其施加竖向荷载。

35、本发明的数据采集单元中有各种传感器，能监测横向加载单元作用下、剪切盒本体所受的水平剪切压力值和水平剪切位移量，也监测竖向加载单元作用下、聚氨酯注浆层所受的竖向压力值和竖向位移量，并根据该数值对伺服油缸进行控制。同时通过数字照相机能拍摄剪切试验时聚氨酯-冻土界面的破坏特征，记录剪切面的变化，计算机方便对各电控部件进行控制，并对传感器采集的数据进行分析处理，能更好的分析聚氨酯-冻土界面性能。这个试验装置可以考虑聚氨酯注浆密度、冻土密度、含水率、水平剪切速率和竖向荷载等重要参数的影响，适应性广，操作简单方便，成本低。