[发明专利]一种制作高含冰量冻土试样的装置及其使用方法

说明书

本发明公开一种制作高含冰量冻土试样的装置，其中包括塑料薄片、方形夹具、顶层恒温模具、中间层恒温模具、底层恒温模具、驱动装置和锯齿铲刀七个部分组成，恒温模具由两个空心密闭“T”形体组成，空心密闭“T”形体由控温管和恒温主体箱组成，驱动装置由四根支柱、两个底座、四根丝杠和四个摇把组成。本发明还提供了一种制作高含冰量冻土试样的装置的方法。本发明利用恒温模具特有的结构和通过温度调节的方法，可以制作出满足试验要求的高含冰量冻土试样。

技术领域

本发明涉及冻土力学研究领域，具体是一种制作高含冰量冻土试样的装置及其使用方法.

背景技术

由于寒区经济的发展和工程实践需要，人们在冻土强度和变形方面已经进行了大量深入研究，但这些工作主要集中于低含冰量冻土(总含水量小于或者等于饱和值)，相比较，对于含水量超过饱和值的高含冰量冻土讨论较少。随着冻土区已建和待建工程穿越冻土类型的复杂性和多变性，近年来，尤其在中国，如在青藏铁路、青藏公路等的建设过程中有不少路段穿越了高含冰量冻土区。所谓高含冰量冻土是指总含水率超过了饱和值。目前，在实验室中制备含水率分布均匀、结构密实且含水率大于液限的高含冰量冻土试样是高含冰量冻土研究的技术性难题。高含冰量冻土试样得制备主要有以下几种方法:

方法1：冰颗粒混合法。高志华等在2010年第31卷第6期《岩土力学》杂志上发表了题为“循环荷载作用下高温-高含冰量冻土特性试验研究”的学术论文。论文制样步骤为，①根据试样质量计算出制备一个土样需要的干土的质量、冰的质量和水的质量。假设所需要试样的含水率为ω，试样的大致质量为m，则需要的干土的质量为m_s＝m/(1+ω)；水的质量为m_w＝mω_w；冰的质量为m_i＝m(1-ω_w)。其中ω_w为制样时的含水率,当初始含水率为50％时，取ω_w＝23％，可以保证土样内冰晶体分布均匀，结构致密，无明显孔隙存在。②在温度为-6℃左右的低温实验室里将冰击碎，过0.5cm筛，称取冰，将冰和温度为-6℃左右的干土在塑料袋里混合，再将预先冷却接近于0℃的水倒入冰土混合物中充分搅拌均匀后，装入冷却的模具中，在冰箱中冻结48h。③在试样外表套一层塑料薄膜，并在两端各加一块环氧树脂帽，试样就制备完毕。

方法2：泥浆制备法。杜海民等在2017年第38卷第7期《岩土力学》杂志上发表了题为“围压与含水率对冻结砂土破坏应变能密度影响特性研究”的学术论文。论文中指出，首先将干土和蒸馏水混合来获得试样目标含水率的泥浆，然后将泥浆放在恒温箱在1.0℃条件下恒温至少12h；其次，将泥浆分层装入带有可分裂塑料衬砌的铁质模具的标准孔中。铁质模具放在一个保温箱中，并且通过其底部循环的低温酒精给模具降温，而保温箱旁边的冷浴给酒精降温。在制样的过程中，要每隔一段时间搅动已经倒入模具里的未冻泥浆，以阻止粉质砂土冻结过程中的下沉和分层，尽量保证试样的均匀性，从而制备出高含冰量冻土试样。

方法3：溶解替换法。在中国专利授权书，CN107727467B中公布了一种高含冰量冻土试样制备方法，将水溶性物质和干土混合并进行分层压实以形成冻土制样，将冻土试样放入饱和器，所述饱和器包括分离孔，打开分离孔后，将冻土试样连同饱和器置于水流中，通过水流进出饱和器以溶解去除冻土试样中的水溶性物质，随着水溶性物质的溶解使得冻土试样中形成空腔，使得水流进入空腔中并填满空腔后关闭分离孔，然后将饱和器取出水流并放置在冷冻器中进行冷冻至预定时间，取出饱和器，并将冻土试样与饱和器分离得高含冰量冻土。上述3种制备高含冰量冻土试样的方法分别存在以下不足之处：

(1)方法1制备出的高含冰量冻土试样内部的冰一部分由冰颗粒组成，力学性能不同于天然高含冰量冻土；

(2)方法2制备出的高含冰量冻土试样会产生明显的分层现象，导致试样的不均匀；

(3)方法3的制备的高含冰量冻土过程复杂，技术和成本要求过高。