[发明专利]一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置，主要用于冻土力学测试中高含水(冰)量（土、水混合物在融化条件下处于流塑状态）冻土试样的人工制备使用。

背景技术     

由于寒区经济的发展和工程实践的指引，冻土学者在冻土力学性质方面已进行了大量深入的研究, 并从微细观方面对其力学性质变化机理进行了阐述，但这些工作主要集中于低含水(冰)量冻土，即冻土体中的总质量含水量小于或等于饱和值。相比较，对于总含水量超过饱和值的高含水(冰)量冻土却讨论很少，而在实体工程的建设中(如青藏铁路、青藏公路等)，有不少路段穿越了高含水(冰)量冻土区。人们在进行工程设计时发现，这些地区土体力学参数的选取即不能用低含水(冰)量冻土的研究成果，也不能用冰力学来解释; 如果温度接近于水的相变区，其力学性质就非常的不稳定，极易在外界温度和压力变化的影响下发生实质性的改变，所以高含水(冰)量冻土的力学性质即不同于冰的，又有别于常规低含水(冰)量冻土的。随着全球气候的转暖和高含水(冰)量冻土区基础工程建设的增多，不论在待建工程的设计还是已运营工程的稳定性评价中，都要考虑到高含水(冰)冻土的力学特性，那么高含水(冰)量冻土试样的人工制备技术就成为关键。

基于已有的国、内外研究，高含水(冰)量冻土的人工制备方法可归纳为三种：一、将压碎冰(粒径为0~16.0mm)和干土的均匀混合物以松散的状态装入模具，完成30分钟左右的抽气补水饱和后快速冻结；二、在低温（-7.0℃左右）实验室将压碎冰(占总质量含水量的85~90%，粒径0~5.0mm)、干土和0℃液态水的均匀混合物按需求比例装入模具，一次性压制成标样；三、将冰、水直接混合成的泥浆一次性倒入模具、摇匀，然后在-20.0℃以下进行24h以上的快速多向冻结。通过一、二两种方式可以保证试样具有较高的含水(冰)量，但是改变了冰在土体中的自然形成过程；而在第三种方式下，当试样的总含水量较低时，在冻结过程中水分迁移不明显，所得试样内部含水量分布比较均匀；但当含水量更大时，在快速多向冻结过程中，水分会向四周迁移，最终易造成试样中的绝大多数含水量分布在试样边缘部位，尤其在试样两端冰、土分离比较严重。显然，在高含水(冰)量冻土试样的人工制备方面还存在诸多问题，因此，研发一种可模拟性强，且适用于常温实验室制备高含水(冰)量冻土试样的人工制备装置及方法，对于研究高含水(冰)量冻土的力学特性问题具有非常重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有高含水(冰)量冻土的人工制备技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置。利用该装置，能在常温实验室实现高含水(冰)量（土、水混合物在融化条件下处于流塑状态）冻土的人工制备。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置，主要由冷浴、冷却液循环管路、方形冷却盘管、铝板、环氧树脂试样筒、试样、制样模具，保温箱、热敏电阻温度传感器和温度调控单元组成。提供冷能的冷浴与冷却液循环管路一端相连，冷却液循环管路另一端与方形冷却盘管相连，方形冷却盘管固定在铝板下表面的扣槽内，热敏电阻温度传感器等间距分布在铝板下表面，铝板上表面铺设一层滤纸，环氧树脂试样筒置于滤纸上，通过螺母将铝板和环氧树脂试样筒固定并位于保温箱的中心，环氧树脂试样筒中置有制样模具及与模具相箍的试样，环氧树脂试样筒顶部有匹配的环氧树脂顶盖，温度调控单元由温控器和数显式数据采集仪组成，其中温控器与热敏电阻温度传感器上的引线连接，数显式数据采集仪与温控器连接。

本发明的优点：

本发明由温控系统、分层装样系统和保温箱三部分构成，其中温控系统包括冷浴、冷液循环管路、冷却盘管、热敏电阻温度传感器和温度调控单元；分层装样系统包括铝制底板、滤纸、环氧树脂试样筒、环氧树脂顶盖和制样模具。温控系统自动调节分层装样系统的底板温度，保温箱为分层装样系统提供稳定的环境温度。

本发明通过温控系统和恒温箱控制环氧树脂试样筒底部温度，将呈流塑态的土、水均匀混合物由制样模具上端口分次加入，然后通过调节环氧树脂试样筒底部温度、每次加入土、水混合物的层厚及每加完一层后的恒温时间，实现具有层状或整体状构造的高含水(冰)量冻土试样的人工制备，从而为高含水(冰)量冻土力学特性的试验研究提供了试样保证。

 

附图说明

图1是本发明立体示意图。

图2是图1中环氧树脂试样筒与保温箱剖面示意图。