[发明专利]季节性冻土直剪试验系统及其试验方法

说明书

发明提供季节性冻土直剪试验系统及其试验方法。该试验系统包括布置在试验平台上的剪切盒、冻融循环系统和加载系统。所述剪切盒的侧壁内封装有液氮冷却室。所述剪切盒可拆分为上剪切盒和下剪切盒。工作时，被测试的冻土试样置于剪切盒内腔中。液氮在液氮冷却室和液氮冷却装置之间循环流动，加热氮气在剪切盒内腔和氮气加热通风装置之间循环流动，实现土体的冻融循环。所述自动垂直加压装置对冻土试样施加正应力，自动水平推动装置对下剪切盒施加水平推力。该试验系统的试验方法包括制备土体试样、施加直荷载和采集记录数据等步骤。该试验系统可观察试样试验过程中的细观特性。可实现现场土体的冻融循环，模拟阳光下的冻融循环作用。

技术领域

本发明涉及工程冻土学技术领域，具体涉及冻土剪切试验设备。

背景技术

冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤，对温度极为敏感，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正是由于这些特性，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。其中起重要作用的是水的存在形态，当水变成冰时体积增大，使土体膨胀，地表因此而拱起升高，这就是冻胀；当土中的冰转变为水时，体积收缩了，地表便发生融化下沉，简称融沉。在这两种现象的反复作用下，道路或房屋的基底就会出现破裂或者塌陷。因此，在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设，就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。

直剪试验是土力学基本剪切试验的一种，其原理是根据库伦定律，土的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比，将同一种土制备成几个土样，分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得其剪坏时剪应力，即为抗剪强度，然后根据剪切定律确定土的抗剪强度指标内摩擦角φ和内粘聚力c。直剪试验是测定土抗剪强度的一种常用的、古老的、又最简单的方法。测定土不同压力下的抗剪强度，得出土的抗剪强度指标粘聚力c和摩擦角φ，可以估算地基承载力，评价地基稳定性，计算挡土墙土压力等。

现有技术中，没有实现土体现场的冻融循环，也没有直剪试验与冻土相结合的现场模拟。因此本实验两者结合，解决了以前模拟存在的缺陷，主要是针对边坡滑坡，测定冬季冻土的残余强度,利用直剪的性质与自动化的操作来实现冻土的模拟直剪，从而测出冻土的基本力学参数。

发明内容

本发明的目的是提供季节性冻土直剪试验系统及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，季节性冻土直剪试验系统，包括布置在试验平台上的剪切盒、冻融循环系统和加载系统。

所述剪切盒整体为一个矩形箱体。这个矩形箱体的四侧周壁依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述剪切盒的第二侧壁与第四侧壁内封装有液氮冷却室。所述剪切盒可拆分为上剪切盒和下剪切盒。所述上剪切盒整体为矩形框体。所述上剪切盒的第一侧壁和第三侧壁上设置有加热氮气通风口。所述上剪切盒的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮注入口。所述下剪切盒整体为矩形箱体。所述下剪切盒的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮输出口。所述上剪切盒和下剪切盒上下对齐，共同拼合为剪切盒。所述加热氮气通风口连通剪切盒外侧与剪切盒内腔。所述液氮注入口和液氮输出口连通剪切盒外侧与液氮冷却室。

所述冻融循环系统包括氮气加热通风装置和液氮冷却装置。所述氮气加热通风装置通过加热氮气循环管道与加热氮气通风口连接。所述液氮冷却装置通过液氮循环管道与液氮注入口以及液氮输出口连接。工作时，被测试的冻土试样置于剪切盒内腔中。液氮在液氮冷却室和液氮冷却装置之间循环流动，加热氮气在剪切盒内腔和氮气加热通风装置之间循环流动，实现土体的冻融循环。

所述加载系统包括自动垂直加压装置、自动水平推动装置和转动轴承。所述转动轴承布置在下剪切盒与试验平台之间。所述自动垂直加压装置的试样施压面板覆盖在冻土试样上。所述自动水平推动装置的推力盘固接在下剪切盒的第二侧壁上。