一种冻土抗拉强度试验系统及试验方法

本发明涉及冻土拉伸试验，具体涉及一种冻土抗拉强度试验系统及试验方法。

背景技术：

1、在传统土力学与工程实践中，由于土的松散特性导致其抗拉强度远低于抗压和抗剪强度，因此未冻土抗拉强度往往被忽略不计。冻土作为一种温度低0℃且含有冰的多孔多相介质，广泛分布于地球表层。全球陆地面积的70％分布着不同形式的冻土，我国国土面积的75％分布着对工程建设影响较大的天然冻土。冻土由于冻结作用使得土体内部孔隙水相变成冰，原本松散的土颗粒被冰晶胶结，土体的抗拉强度特性也由此得到提升。冻土抗拉强度作为冻土力学研究的重要参数之一，在寒区工程和人工冻结建设中有着广泛的应用。

2、目的针对冻土的抗拉强度的研究方法有如下几种方法：直接测量法，例如利用使用单轴拉伸仪器，直接进行拉伸试验；间接测量法，例如进行巴西圆盘劈裂试验，最后利用相应的理论公式计算得到抗拉强度。

3、但是无论是直接测量法还是间接测量法大都只考虑了温度对冻土抗拉强度的影响，均没有考虑水热力三场耦合环境下对冻土的抗拉强度的影响，都无法满足在多种因素影响对冻土的抗拉强度进行研究。

技术实现思路

1、(一)本发明所要解决的问题是：传统的冻土抗拉强度试验中没有考虑水热力三场耦合环境下对冻土的抗拉强度的影响，无法满足在多种因素影响对冻土的抗拉强度进行研究。

2、(二)技术方案

3、一种冻土抗拉强度试验系统，包括试验装置和制样装置，所述制样装置用于制作试样；

4、所述试验装置包括低温箱、拉力组件、补水组件和荷载加载组件；

5、所述低温箱内形成有试验腔，所述试验腔用于进行冻土抗拉强度试验，所述低温箱用于控制试验时的环境温度或用于养护所述冻土样本；

6、所述荷载加载组件用于朝所述冻土样本的顶部施加压力以调节所述冻土样本受到的荷载；

7、所述补水组件用于朝所述冻土样本补水以使得补水组件内的水渗入到所述冻土样本中；

8、所述拉力组件包括第一钢丝绳、第二钢丝绳和动力机构；

9、所述第一钢丝绳的一端与所述冻土样本相固定，所述第一钢丝绳的另一端沿着第一方向延伸；

10、所述第二钢丝绳的一端与所述冻土样本相固定，所述第二钢丝绳的另一端沿着第二方向延伸并与所述动力机构相连接，所述动力机构朝所述第二方向拉紧所述第二钢丝绳；

11、所述第一方向和所述第二方向为方向相反的两个方向。

12、根据本发明的一个实施例，所述补水组件包括供水机构、储水槽和透水石，所述储水槽安装在所述试验腔的内底壁上，所述储水槽内部形成有储水腔，所述储水槽的顶部设有开口，所述开口与所述储水腔相连通，所述透水石密封安装在所述储水槽的顶部开口内，所述冻土样本放置在所述透水石上，所述供水机构用于朝所述储水腔内供水，以使得所述储水腔内的水穿过所述透水石后渗入所述冻土样本。

13、根据本发明的一个实施例，所述供水机构包括水泵和至少一个水压传感器，所述水泵的出水口与所述储水槽之间通过水管相连通，所述水压传感器安装在所述储水槽内部，所述水压传感器用于测量所述储水槽内的水压。

14、根据本发明的一个实施例，所述补水组件还包括钢板，所述钢板密封安装在所述储水槽的顶部开口处，所述钢板上开设有多个供所述储水槽内的水穿过的孔，所述透水石安装在所述钢板的上表面。

15、根据本发明的一个实施例，所述荷载加载组件包括加压件和压力板，所述加压件安装在所述低温箱的顶壁上，所述压力板安装在所述加压件的底端，所述加压件用于带动所述压力板朝所述冻土样本的方向移动以朝所述冻土样本施加压力。

16、根据本发明的一个实施例，所述冻土抗拉强度试验系统还包括单向冻结组件，所述单向冻结组件包括低温冷却液循环设备、进液管、出液管和循环管；

17、所述压力板内部设有安装腔，所述循环管安装在所述安装腔内，所述循环管的进液口与所述低温冷却液循环设备的出水口之间通过进液管相连通，所述循环管的出液口与所述低温冷却液循环设备的出水口之间通过出液管相连通。

18、根据本发明的一个实施例，所述动力机构包括拉力机，所述拉力机包括提升梁和导向结构，所述拉力机设置在所述低温箱朝向所述第一方向的一侧，所述低温箱朝向所述第二方向的一侧设有立柱，所述导向结构用于改变所述第二钢丝绳的方向；

19、所述第一钢丝绳沿着所述第一方向穿过所述低温箱一侧内壁后与所述立柱固定连接，所述第二钢丝绳延着所述第二方向从所述低温箱的另一侧内壁穿过，所述第二钢丝绳的一端穿过所述导向结构后与所述拉力机的提升梁相连接。

20、根据本发明的一个实施例，所述制样装置包括砂桶、制样箱、移动梁、悬挂架、支架和角度调节机构；

21、所述悬挂架位于所述支架的正上方，所述制样箱转动安装在所述支架上，所述角度调节机构用于带动所述制样箱绕着所述制样箱与所述支架的铰接点转动；

22、所述移动梁滑动安装在所述悬挂架上，所述砂桶悬挂并滑动安装在所述移动梁上；

23、所述悬挂架上安装有第一推动件，所述第一推动件用于推动所述移动梁朝第三方向移动，所述移动梁上安装有第二推动件，所述第二推动件用于推动所述砂桶朝第四方向移动，所述第三方向和所述第四方向相垂直。

24、一种冻土抗拉强度试验方法，使用了上述的一种冻土抗拉强度试验系统，所述冻土抗拉强度试验方法包括如下步骤：

25、s1：利用取样工具进行现场取样，取出土样后晒干，测出土样的参数指标，然后根据试验需求配置所需要土样；

26、s2：将土样倒入到砂桶内，利用第一推动件和第二推动件配合使用调节砂桶的运动轨迹使得砂桶按照预设的运动轨迹移动并朝制样箱内均匀撒入土样以制备出试样，试样制备好后，用塑料保险膜包好；

27、s3：将低温箱的温度调至试验所需温度并冷冻一段时间，使低温箱试验时环境温度达标；

28、s4：将试样与两个端板一同放置低温箱中进行养护，使得试样和两个端板达到试验所需温度要求，从而制得冻土样本；

29、s5：取出低温箱中的冻土样本，先在冻土样本两端钻一些浅孔，将两个端板与冻土样本用环氧树脂黏结在一起，之后再将冻土样本放置到储水槽上的透水石的上方，继续养护一段时间，以此来消除装样时外界温度对冻土样本的影响；

30、s6：打开控制器，朝控制器内输入所需的各项参数以控制拉力机、加压件和水泵工作，

31、加压件带动压力板朝冻土样本施压以调节冻土样本所受到的荷载；

32、水泵朝储水腔内供水以使得储水腔内的水穿过透水石后渗入冻土样本；

33、拉力机朝第二方向拉紧第二钢丝绳，开始试验；

34、通过软件界面观察冻土样本的应力应变曲线并及时记录数据，当冻土样本被拉裂后，停止试验并保存数据；

35、s7：取出冻土样本，分析冻土样本的抗拉情况并拍照存档，整理保存的数据，进行分析总结。

36、根据本发明的一个实施例，所述s2步骤中还包括根据冻土样本的要求，选择性的开启角度调节机构以带动制样箱绕着制样箱与支架的铰接点转动。

37、(三)有益效果

38、本发明的有益效果：

39、本发明提供的一种冻土抗拉强度试验系统，包括试验装置和制样装置，制样装置用于制作试样；试验装置包括低温箱、拉力组件、补水组件和荷载加载组件；低温箱内形成有试验腔，试验腔用于进行冻土抗拉强度试验，低温箱用于控制试验时的环境温度或用于养护冻土样本；荷载加载组件用于朝冻土样本的顶部施加压力以调节冻土样本受到的荷载；补水组件用于朝冻土样本补水以使得补水组件内的水渗入到冻土样本中；拉力组件包括第一钢丝绳、第二钢丝绳和动力机构；第一钢丝绳的一端与冻土样本相固定，第一钢丝绳的另一端沿着第一方向延伸；第二钢丝绳的一端与冻土样本相固定，第二钢丝绳的另一端沿着第二方向延伸并与动力机构相连接，动力机构朝第二方向拉紧第二钢丝绳；第一方向和第二方向为方向相反的两个方向。

40、在对冻土样本进行抗拉强度试验时，首先将低温箱的温度调至试验所需温度并冷冻一段时间，使低温箱试验时环境温度达标，然后利用制样装置制备试样，试样制备好以后将冻土样本放入到低温箱中进行养护，以达到试验所需温度要求，从而制备出冻土样本。之后取出低温箱中的冻土样本，先在冻土样本两端钻一些浅孔，将两个端板与冻土样本用环氧树脂黏结在一起，之后再将冻土样本放置到储水槽上的透水石的上方，继续养护一段时间，以此来消除装样时外界温度对冻土样本的影响。将冻土样本放置到透水石上，然后将第一钢丝绳与冻土样本的一侧的端板相连接，接着将第二钢丝绳的一端与冻土样本的另一端的端板相连接。开启补水组件，补水组件朝冻土样本补水以使得补水组件内的水渗入到冻土样本中接着开启荷载加载组件，荷载加载组件朝冻土样本的顶部施加压力以调节冻土样本受到的荷载，最后开启动力机构，动力机构朝第二方向拉紧第二钢丝绳，当冻土样本被拉裂后，停止试验并保存数据，最后取出冻土样本，分析冻土样本的抗拉情况进行分析总结。

41、这样可以测出在温度、竖向荷载以及考虑水分迁移的情况下对冻土样本抗拉强度的影响，实现了能在多种因素影响下对冻土的抗拉强度进行研究，测得的冻土抗拉强度更加贴合冻土的实际抗拉情况，测量结果更加准确。

42、本发明提供的一种冻土抗拉强度试验方法，按照本冻土抗拉强度试验方法进行抗拉强度试验，可以模拟低温条件下地下水和土层重量对冻土抗拉强度的影响，冻土抗拉强度更加贴合实际情况，使得抗拉强度试验的准确性得到提高。

43、按照本发明的制样方式制样，能近似地复现天然条件下砂土颗粒的堆积及沉积过程，且获得土体力学特性与天然地基较为相似，具有较好的均匀性和重复性。还可通过调节制样箱的角度制样来考虑土的各向异性，可以探究土的各向异性对冻土抗拉强度的影响。