CN110824141A - 一种多功能冻土模型试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能冻土模型试验装置及其试验方法，包括：箱体单元、监测单元，以及位于箱体单元中心的加载单元；所述箱体单元包括底板和开拆卸的安装在底板四周的围护板，用于填筑地基，并将试验基础构件放置在地基中；所述加载单元的一端固定在围护板上，另一端与试验基础构件连接，用于在垂直方向上对试验基础构件施加下压和上拔的力；在围护板的内侧设置有制冷单元，所述制冷单元外接低温冷浴器，所述监测单元分别与箱体单元内的地基、加载单元和制冷单元连接。本发明提供的试验装置由底板和围护板组合而成，各构件重量轻，便于搬运，同时将制冷单元直接箱体单元本体内，通过调节制冷单元满足试验对环境条件的要求。

Description

一种多功能冻土模型试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及冻土工程技术领域，具体涉及一种多功能冻土模型试验装置及其试验方法。

背景技术

冻土是指0℃以下并含有冰的各种土壤和疏松岩石，是一个由岩土颗粒、未冻水、冰、空气及盐分等组成的多相体***。由于土中水在固相和液相时的密度不同，相同质量的水在固相时的体积比液相时大9％，由于孔隙冰的存在，冻土表现出明显的流变性和温度依赖性。那么，对于季节性冻土，伴随地表一定深度范围内土体温度的季节性变化，土体在冬季负温状态下会出现膨胀现象。对于多年冻土，土中冰融化会引起地表的沉陷现象。当在上述地区进行工程建设时，由于地基冻胀融沉的自然属性，地基中的基础结构及上部建筑物会随之产生变形稳定性问题，甚至出现破坏现象。以电网工程为例，架空输电线路中的杆塔基础除承受下压荷载外，同时还承受上拔荷载。冻土地基中的杆塔基础，在施工完成的冻结期，会承受冻土施加于基础的冻胀力，对基础的稳定和强度会产生一定的影响；在输电线路的运行期，杆塔基础是在冻胀力与外界荷载双重作用下工作，因此其受力状态以及承载性能较常规条件下的杆塔基础要复杂的多。

为控制冻土地基上建筑物或构筑物的变形破坏，基础结构的合理与否影响重大，因此开发与验证不同基础结构的力学承载性能和设计施工方法对于工程实践有较强的指导意义。但是，由于冻土区基础设施及施工条件的限制，对基础结构进行现场试验的难度及代价过大，因此同比例的模型试验是当今地基与基础工程领域的一种有效研究方法。目前，已有的模型试验装置主要针对常规岩土问题开发，主要面向融土的地基基础工程、边坡工程等方面研究。由于冻土地基涉及温度场、水分场、应力场等多场耦合演化，一方面，冻土地基及基础结构试验对试验装置的尺寸要求较高，尺寸过小无法准确模拟冻土地基温度变化及水分迁移对试验基础构件的影响，而过大的试验装置又不便于运输及使用；另一方面，冻土地基及基础结构试验对环境条件的要求相比融土要更加严格，尤其对冷量输配功率的要求较高，因此目前还缺乏较为完善的大型冻土模型试验装置。

随着越来越多的交通、电力工程途径冻土地区，冻土地基的稳定性问题日趋严重，开发新型基础结构的需求日趋紧迫。所以，亟需一种更为有效和便捷的大型冻土模型试验装置来满足冻土地基及基础结构试验需求。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种多功能冻土模型试验装置，包括：可拼接的箱体单元、监测单元，以及位于箱体单元中心的加载单元；

所述箱体单元用于填筑地基(26)，并将试验基础构件(27)放置在地基(26)中；

所述加载单元的一端固定在所述箱体单元的顶端，另一端与试验基础构件(27)连接，用于在垂直方向上对试验基础构件(27)施加下压和上拔的力进行加载试验；

在所述箱体单元的内侧设置有制冷单元，所述制冷单元用于控制地基(26)的温度进行冻结试验；

所述监测单元分别与箱体单元内的地基(26)、加载单元和制冷单元连接，用于监测试验数据。

优选的，所述箱体单元包括底板(1)和通过螺栓固定在底板(1)四周的围护板；所述底板(1)和围护板分别包括多块矩形钢板(5)，各矩形钢板(5)的外侧面设置有肋条(6)，且在拼接成围护板的矩形钢板上设置肋条(6)时，在同一端留出与肋条(6)同宽的钢板；

各矩形钢板(5)之间通过螺栓将靠近的肋条(6)固定连接成底板(1)和围护板；

所述围护板之间通过螺栓将肋条(6)和与肋条(6)同宽的钢板固定连接。

优选的，所述围护板包括：I型围护板(2)、II型围护板(3)和III型围护板(4)；

箱体单元的一个对称面分别包括一块I型围护板(2)，所述箱体单元的另一个对称面分别包括两块II型围护板(3)，以及位于两块II型围护板(3)中间的一块III型围护板(4)；

所述I型围护板(2)呈与箱体单元等长等高的矩形，所述II型围护板(3)呈与箱体单元等高的矩形，所述III型围护板(4)呈比箱体单元的高更高的条形。

优选的，所述加载单元包括反力梁、加载柱(15)、拉力测力计(17)和液压加载装置；

所述反力梁架在III型围护板(4)上，所述液压加载装置和所述加载柱(15)的一端与所述反力梁连接，所述加载柱(15)的另一端与试验基础构件(27)连接；所述拉力测力计(17)固定在所述加载柱(15)上，用于测量所述液压加载装置通过加载柱(15)加载到试验基础构件(27)的力的大小。

优选的，所述反力梁包括上梁(13)和下梁(14)；所述上梁(13)放置在导轨槽(12)中，所述导轨槽(12)对称设置在两块III型围护板(4)的顶端，用于使所述上梁(13)可在垂直方向上移动；

所述下梁(14)固定设置在两块III型围护板(4)远离上梁(13)的一端。

优选的，所述液压加载装置包括千斤顶(18)和油泵(19)，所述千斤顶(18)和油泵(19)通过油管(20)连接；

所述下梁(14)中心的下部依次连接有千斤顶(18)、拉力测力计(17)和所述加载柱(15)的一端，所述加载柱的另一端与试验基础构件(27)连接，用于通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，向试验基础构件(27)输出下压荷载。

优选的，所述液压加载装置包括千斤顶(18)和油泵(19)，所述千斤顶(18)和油泵(19)通过油管(20)连接；

所述千斤顶(18)对称位于上梁(13)和下梁(14)之间的两侧，所述加载柱(15)的一端与所述上梁(13)的中心固定连接，所述加载柱(13)中间放置拉力测力计(17)，所述加载柱的另一端穿过下梁(14)与试验基础构件(27)连接，用于通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，使得上梁(13)沿导轨槽(12)向上移动，加载柱(15)在上梁(13)的拖带作用下向上移动，向试验基础构件(27)输出上拔荷载。

优选的，所述加载单元还包括：圆形垫片(16)；

所述加载柱(15)的一端伸出所述上梁(13)中心设置的加载柱孔(21)，通过圆形垫片(16)固定在上梁(13)的顶部。

优选的，所述制冷单元包括隔热板(23)、冷媒管(25)和低温冷浴器(22)，所述隔热板(23)安置在围护板的内侧，在所述隔热板(23)的内壁上循环设置有冷媒管槽路(24)，所述冷媒管(25)放置在冷媒管槽路(24)内并与地基(26)接触，冷媒管(25)的进口与出口分别与低温冷浴器(22)的出口与入口相连接，形成闭合的循环回路，用于通过冷媒管(25)内部传热介质的循环，将冷量传递给地基(26)，使其降温冻结。

优选的，所述监测单元包括：温度传感器、水分传感器、位移传感器、应变传感器、土压力传感器。

基于同一发明构思本发明还提供了对所述多功能冻土模型试验装置的试验方法，包括：

拼接箱体单元并在箱体单元的内侧安装制冷单元，以及按照荷载输出模式将加载单元安装在拼装好的箱体单元上；

在拼装好的箱体单元中填筑地基(26)，并将制作好的试验基础构件(27)与加载单元连接后放置在地基(26)中；

启动所述制冷单元进行冻结试验和加载试验，通过布置的监测单元获取试验数据。

优选的，所述拼接箱体单元并在箱体单元的内侧安装制冷单元，包括：

通过螺栓将底板(1)和I型围护板(2)、II型围护板(3)和III型围护板(4)连接为紧固的箱体单元；

在围护板内侧放置隔热板(23)，隔热板(23)内壁的冷媒管槽路(24)内放置冷媒管(25)。

优选的，所述按照荷载输出模式将加载单元安装在拼装好的箱体单元上，包括：

在两块III型围护板(4)之间安装上梁(13)和下梁(14)；

当输出下压载荷时，千斤顶(18)放置在下梁(14)中心位置的下部；

千斤顶(18)通过油管(20)与油泵(19)连通，通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，向试验基础构件(27)输出下压荷载。

优选的，所述按照荷载输出模式将加载单元安装在拼装好的箱体单元上，还包括：

在两块III型围护板(4)之间安装上梁(13)和下梁(14)；

当输出上拔载荷时，两个千斤顶(18)对称放置在下梁(14)上部两侧，并与上梁(13)的下部接触；

加载柱(15)的一端固定在所述上梁(13)的顶部，加载柱(15)的另一端与试验基础构件(27)连接；

千斤顶(18)通过油管(20)与油泵(19)连通，通过油泵(19)的荷载输出和下梁14的反力作用，使得上梁(13)沿导轨槽(12)向上移动，加载柱(15)在上梁(13)的拖带作用下向上移动，向试验基础构件(27)输出上拔荷载。

优选的，所述在拼装好的箱体单元中填筑地基(26)，包括：

基于工程背景中实际地基的颗粒级配、含水率和压实度，将试验现场的土样填筑在箱体单元内部，模拟试验工程背景的地基(26)。

优选的，所述启动所述制冷单元进行冻结试验和加载试验，包括：

启动低温冷浴器(22)，按照设定的制冷模式输出恒定的温度或冷量，通过冷媒管(25)内部传热介质的循环，将冷量传递给箱体单元内部的地基(26)，进行冻结试验；

根据设计的加载试验模式，通过油泵(19)进行下压或上拔试验。

优选的，所述通过布置的监测单元获取试验数据，包括：

通过在地基(26)中放置的温度传感器、水分传感器和土压力传感器，分别监测冻结试验过程中地基(26)不同位置的温度、未冻水含量和土压力的变化规律。

优选的，所述通过布置的监测单元获取试验数据，还包括：

通过在地基(26)和试验基础构件(27)的顶部放置的位移传感器(28)，分别监测地基(26)的冻胀位移和试验基础构件(27)的冻拔位移；

基于所述地基(26)的冻胀位移和试验基础构件(27)的冻拔位移评估试验基础构件(27)的抗冻拔性能。

优选的，所述通过布置的监测单元获取试验数据，还包括：

通过贴设在试验基础构件(27)表面的应变传感器，监测试验基础构件(27)的应变程度，并评估试验基础构件(27)的力学承载性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的试验装置包括可拼接的箱体单元、监测单元，以及位于箱体单元中心的加载单元；所述箱体单元用于填筑地基，并将试验基础构件放置在地基中；所述加载单元的一端固定在所述箱体单元的顶端，另一端与试验基础构件连接，用于在垂直方向上对试验基础构件施加下压和上拔的力进行加载试验；在所述箱体单元的内侧设置有制冷单元，所述制冷单元用于控制地基的温度进行冻结试验；所述监测单元分别与箱体单元内的地基、加载单元和制冷单元连接，用于监测试验数据，该试验装置可拼接便于搬运，同时将制冷单元直接箱体单元内，通过调节制冷单元满足试验对环境条件的要求。

(2)本发明提供箱体单元由底板和围护板组合而成，各构件重量轻，且安装简单，操作方便，实用性高。

(3)本发明提供的大型拼装式多功能冻土模型试验装置相比既有常规岩土模型试验装置，创新地将制冷单元直接引入到模型试验装置的本体构造内，制冷单元可以智能化地调节输出固定温度或固定冷量等热边界条件，结合可以实现下压和上拔荷载的加载单元，可以自主实现不同冻土地基热边界、荷载边界的输出，功能多样化。

(4)本发明提供的大型拼装式多功能冻土模型试验装置在不启用制冷单元的情况下，可以进行常规融土的各类模型试验，功能可以拓展化。

(5)本发明提供的大型拼装式多功能冻土模型试验装置结构简单，造价低廉，维修成本低，操作简单，试验效率高，可以满足一定尺寸范围基础结构的试验需求，同时可以根据试验基础结构的大小自主地进行装置的加工，有利于广泛开展冻土地基及基础结构的试验。

附图说明

图1是本发明提供的多功能冻土模型试验装置的三维结构示意图；

图2是本发明提供的多功能冻土模型试验装置的主视图；

图3是基于试验装置进行下压试验时加载单元的放置示意图；

图4是本发明实施例中冻结试验(-10℃)过程中的室内环境温度示意图；

图5是在冻结试验过程中处于垂直位置0.1m的冻土地基在水平方向上的温度分布示意图；

图6是在冻结试验过程中处于垂直位置0.3m的冻土地基在水平方向上的温度分布示意图；

图7是在冻结试验过程中处于垂直位置0.5m的冻土地基在水平方向上的温度分布示意图；

图8是在冻结试验过程中处于垂直位置0.7m的冻土地基在水平方向上的温度分布示意图；

图9是在冻结试验过程中处于垂直位置0.9m的冻土地基在水平方向上的温度分布示意图；

图10是在冻结试验过程中距离箱体0.15m的冻土地基在竖直方向的温度分布示意图；

图11是在冻结试验过程中距离箱体0.30m的冻土地基在竖直方向的温度分布示意图；

图12是在冻结试验过程中距离箱体0.45m的冻土地基在竖直方向的温度分布示意图；

图13是冻结试验过程中地基表面的冻胀位移示意图；

图14是冻结试验过程中基础顶部的冻拔位移示意图；

图15是冻结试验过程中锥形体试验基础构件应变的变化特征示意图；

图16是冻结试验过程中三孔方管-1试验基础构件应变的变化特征示意图；

图17是冻结试验过程中三孔方管-2试验基础构件应变的变化特征示意图；

图18是冻结试验过程中七孔方管-1试验基础构件应变的变化特征示意图；

图19是冻结试验过程中七孔方管-2试验基础构件应变的变化特征示意图；

图20是冻结试验过程中地基在竖直方向上冻胀力的变化特征示意图；

图21是冻结试验过程中地基在水平方向上冻胀力的变化特征示意图；

图22是冻结试验过程中地基-基础界面法向冻胀力的变化特征示意图；

图23是在冻结试验和上拔试验中荷载的变化特征示意图；

图24是在冻结试验和上拔试验中位移的变化特征示意图；

图25是在冻结试验和上拔试验中荷载—位移关系曲线示意图；

图26是在冻结试验和上拔试验中地基与基础界面冻胀力示意图；

图27是在冻结试验和上拔试验中试验基础构件应变的变化特征示意图；

图中：1、底板；2、I型围护板；3、II型围护板；4、III型围护板；5、矩形钢板；6、肋条；7、I型螺栓孔；8、II型螺栓孔；9、III型螺栓孔；10、螺栓；11螺母；12、导轨槽；13、上梁；14、下梁；15、加载柱；16、圆形垫片；17、拉压测力计；18、千斤顶；19、油泵；20、油管；21、加载柱孔；22、低温冷浴器；23、隔热板；24、冷媒管槽路；25、冷媒管；26、地基；27、试验基础构件；28、位移传感器。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1

如图1和图2所示，一种大型拼装式多功能冻土模型试验装置包括用于填筑地基和放置试验基础构件的箱体单元，用于在垂直方向输出下压荷载和上拔荷载的加载单元，用于模拟边界温度环境和输出冷量的制冷单元，以及用于监测地基和基础结构的温度、变形、应变、土压力的监测单元。对于箱体单元，包括底板1和围护板，底板1和围护板均由若干块矩形钢板组合而成；围护板包括I型围护板2、II型围护板3、III型围护板4，，底板1和三种类型围护板的外侧面焊接肋条6；底板1和三种类型围护板四周边缘的肋条上钻设I型螺栓孔7；组成各类型围护板以及底板1的矩形钢板之间均通过I型螺栓孔7、螺栓10、螺母11连接为紧固的一体，箱体单元的左侧和右侧分别由两块II型围护板和一块III型围护板通过I型螺栓孔7、螺栓10、螺母11组合而成，底板1四周边缘钻设II型螺栓孔8，底板1和围护板之间通过I型螺栓孔7、II型螺栓孔8、螺栓10、螺母11连接为紧固的一体；III型围护板4的中上部钻设有III型螺栓孔9和导轨槽12。对于加载单元，包括上梁13、下梁14、加载柱15，其中下梁14通过左侧和右侧的III型围护板4上的III型螺栓孔9，采用螺栓10和螺母11将下梁14固定在左侧和右侧的III型围护板4之间；通过左侧和右侧的III型围护板4上的导轨槽12，将上梁13放置在左侧和右侧的III型围护板4之间；上梁13的中心位置钻设有加载柱孔21，加载柱15的顶端伸出加载柱孔21，并采用圆形垫片16和螺母11固定在上梁13的顶部；千斤顶18通过上梁13和下梁14分别作为反力构件来向基础结构输出下压和上拔荷载，千斤顶18通过油管20与油泵19连通，油泵19通过油管20向千斤顶18提供荷载来源。拉压测力计17用来测试下压和上拔荷载的量值水平。

对于制冷单元，包括低温冷浴器22、隔热板23、冷媒管25，隔热板23放置在箱体单元围护板的内侧，隔热板23的内壁上采用机床雕刻一定深度的循环冷媒管槽路24，冷媒管25放置在冷媒管槽路24内部并与地基接触，冷媒管25的进口与出口分别与低温冷浴器22的出口与入口相连接，冷媒管25和低温冷浴器22形成闭合的循环回路，回路内部填充传热介质。低温冷浴器22可以自动化和智能化地输出恒定的温度或冷量，通过冷媒管25内部传热介质的循环，将冷量传递给箱体单元内部的地基26，使其降温冻结。

本实施例中底板和围护板的大小可以根据试验需要通过矩形钢板数量进行调整。

本发明提供的大型拼装式多功能冻土模型试验装置由不同类型的底板和围护板组合而成，各构件重量轻，便于搬运，各构件由螺栓连接，组合便捷，可拆卸拼装并自由地运输至相应的地点或实验室进行多工况试验。

在试验开始前，首先安装箱体单元和制冷单元，然后填筑地基26，并在地基26中放置基础结构27，之后启动制冷单元，进行地基及基础结构的冻结试验。

如图3所示，加载单元输出下压载荷时，液压加载装置的千斤顶18放置在下梁14中心位置的下部，拉压测力计17放置在千斤顶18的下部，拉压测力计17的轴线在垂直方向上与千斤顶18的轴线重合；拉压测力计17位于基础结构27的顶部；千斤顶18通过油管20与油泵19连通，通过油泵19的荷载输出和下梁14的反力作用，向基础结构27输出下压荷载。

本发明的一个实施例中，所述液压加载装置的两个千斤顶18位于下梁14上部两侧，并与上梁13的下部接触，两个千斤顶18对称地布置在上梁13加载柱孔21的两侧；加载柱15的上端通过固定垫片16和螺母11固定在所述上梁13的顶部，加载柱15的下端与基础结构27连接；加载柱15的中间放置拉压测力计17；两个千斤顶18通过油管20与油泵19连通，通过油泵19的荷载输出和下梁14的反力作用，使得上梁13沿导轨槽12向上移动，加载柱15在上梁13的拖带作用下向上移动，由此向基础27输出上拔荷载。

本发明的一个实施例中，试验开始前，首先安装箱体单元和制冷单元，然后填筑地基26；同时根据试验监测方案，在地基26中放置温度传感器、水分传感器和土压力传感器，然后在地基26中放置基础结构27；启动制冷单元并开始冻结试验后，通过自动化数据采集仪分别监测冻结试验过程中地基不同位置的温度、未冻水含量和土压力的变化规律。

本发明的一个实施例中，试验开始前，首先安装箱体单元和制冷单元，然后填筑地基26，在地基26中放置基础结构27；同时根据试验监测方案，在地基26和基础结构27的顶部放置位移传感器28；启动制冷单元并开始冻结试验后，通过自动化数据采集仪分别监测地基26的冻胀位移和基础结构27的冻拔位移，以此评估基础结构的抗冻拔性能。

本发明的一个实施例中，试验开始前，首先安装箱体单元和制冷单元，然后填筑地基26；同时根据试验监测方案，在基础结构的表面贴设应变传感器；启动制冷单元并开始冻结试验后，通过自动化数据采集仪监测基础结构本体的应变程度，以此评估基础的力学承载性能。

本发明的一个实施例中，试验开始前，首先安装箱体单元，然后填筑地基26；根据试验需求安装加载单元和监测单元，进行融土的模型试验。

实施例2

基于同一发明构思，本发明还提供了一种大型拼装式多功能冻土模型试验装置的使用方法，本发明的实施例提供了使用方法，包括：

步骤S501：在试验所需环境条件下拼装所述多功能冻土模型试验装置；

将本发明中大型拼装式多功能冻土模型试验装置的各个部件分散运输至试验场地，首先，通过螺栓将底板1和I型围护板2、II型围护板3、III型围护板4连接为紧固的箱体单元；然后，在左侧和右侧两块III型围护板4之间安装上梁13、下梁14，并按照荷载输出模式放置千斤顶18和加载柱15；之后，在围护板内侧放置隔热板23，隔热板23内壁的冷媒管槽路24内放置冷媒管25。

步骤S502：确定地基土体的种类和物理指标取值，包括含水率、压实度等；

采集试验背景工点的土样，通过室内基本物理性质试验，确定土样的颗粒级配、含水率、压实度等物理性质指标的取值水平。

步骤S503：选择所需研究的基础结构类型，并制作缩尺基础结构模型；

根据原始的基础结构类型、材料性质及尺寸，按照试验设计的相似比例关系，制作相应的缩尺化试验用基础构件27。

步骤S504：确定监测单元所采用的传感器类型及布设方案；

制定试验监测方案，在冻土地基26与基础结构27中，设计温度传感器、水分传感器、位移传感器、应变传感器、土压力传感器的监测位置，并配套的自动化数据采集仪。

步骤S505：填筑地基，放置基础结构，安装监测单元；

根据工程背景中实际地基的颗粒级配、含水率和压实度等物理条件，将现场土样填筑在箱体单元内部，形成与实际条件相似的地基26，放置试验基础构件27，并安装设计的监测传感器及自动化数据采集仪。

步骤S506：连通冷媒管与低温冷浴器；

将冷媒管25的进口与出口分别与低温冷浴器22的出口与入口相连接，使冷媒管25和低温冷浴器22形成闭合的循环回路。

步骤S507：启动监测单元与制冷单元，进行冻结试验；

启动低温冷浴器22，按照设定的制冷模式，自动化和智能化地输出恒定的温度或冷量，通过冷媒管25内部传热介质的循环，将冷量传递给箱体单元内部的地基26，进行冻结试验。同时启动监测单元，实时采集各个传感器的数据。

步骤S508：冻结试验结束后，开启油泵进行加载试验；

根据设计的加载试验模式，通过油泵进行下压、上拔试验，同时在试验过程还可以根据试验方案进行分级加载。

步骤S509：整理试验数据，分析地基与试验基础构件的冻胀性质。

汇总试验数据，进行试验结果的分析与总结，编制试验报告。

实施例3

本实施例基于本发明提供的试验装置以冻结温度为-10℃为例进行冻结试验和上拔试验，进行冻结试验时包括：

地基温度包括冻结环境温度和地基竖直方向温度分布特征。

(1)冻结环境温度

图4所示为步入式低温恒温实验室内部温度变化特征，冻结环境温度为-10℃。可以看出，由于初始室内温度较低，在试验过程开始后一段时间，冻结温度便达到环境平均温度-10℃，保持在-8～-12℃，在平均温度左右微小变化的原因是：针对步入式低温恒温实验室，恒温控制原理为位式控制法，将其目标温度设置为冻结环境温度-10℃，回差温度设置为2℃，故实际环境处于有限范围内温度波动状态是正常现象。

由图5至图9可以看出，试验条件为冻结环境温度-10℃时，箱体单元内部土体的温度降温速率相比-5℃时要快，且降温幅度较大。由于地基表层的热交换作用是双向的，所以在整个冻结过程中，地基表层的冻结速率比土体内部的冻结速率要快，且温度较低，例如垂直位置0.8m处所测温度，在试验后期临近侧壁处的温度达到-4.2℃，靠近基础处的温度为-2.9℃，虽然由于冻结时间的限制，箱体单元内的土体与外界环境未达到热交换平衡状态，但这证明了，在同一水平高度上，越是靠近箱体单元的土体，冻结效果越好。试验箱土体的最终平均温度为-3.72℃。

(2)地基竖直方向温度分布特征

由图10至图12可以看出，试验条件为冻结环境温度-10℃，所测温度位置越是处在浅层，且越是紧邻箱体单元的侧壁面，则冻结速率和降温幅度越大，比如，距离箱体0.15m的地基顶部温度达到-7℃，而其他部位温度则处在-4℃的水平，这就证明了，在不同的水平高度上，箱体单元内地基不同部位处土体温度的变化是随着与地基表面距离的增大而减小的，即冻结效果越差。

从图13可以看出，由于温度相比-5℃时更低，所以，在冻胀量方面，地基最终冻胀量分别为2.04、2.06、1.32mm，明显比冻结环境温度为-5℃时要大。

从图14可以看出，试验基础构件顶部受冻结影响后的冻拔位移变化规律与冻结环境温度为-5℃时大致相同，也是呈现先逐渐增大、后逐渐稳定的趋势，并且冻拔位移增大速率逐渐减小。试验基础构件的最终冻胀量约为1.15、1.13mm。在试验基础构件周围土体处于冻结阶段时，冻胀力处于逐步增加的过程，此时试验基础构件的位移值也较大。

从图15至图19可以看出，锥形体、三孔方管-1、三孔方管-2、七孔方管-1和七孔方管-2等不同试验基础构件的应变同样呈现出缓慢增大的变化趋势，试验基础构件的底部局部应变值变化幅度相对试验基础构件侧壁的应变值较为明显。原因在于，锥形段为焊接的整体，而底板通过螺栓连接，试验基础构件侧壁的刚度比试验基础构件底部的刚度大。同时，应变值比冻结环境温度为-5℃时要大。原因在于，地基冻胀力和地基-试验基础构件界面的冻胀力是随土体冻结温度的降低而增大，相应地试验基础构件界面弹塑性变形程度相对明显。

从图20和图21可以看出，地基冻胀力呈现出先逐渐增大、后逐渐稳定的变化规律，冻结试验初期冻胀力增大速率较大。冻结温度为-10℃时，地基内部冻胀力水平约为662.4kPa左右，最大值为713.1kPa，相比-5℃时要大，说明冻结环境温度的降低不仅可以增大冻胀位移，还可以增大地基土体的冻胀率，增强土颗粒间的约束作用。

从图22可以看出，地基与试验基础构件界面土压力呈逐渐增大的变化趋势，但相比冻结环境温度为-5℃时，地基-基础界面冻胀力有所增大，地基与基础界面的平均冻胀力水平约为660.9kPa左右，最大值为701.1kPa。

本实施例还提供了以下上拔试验数据：

从图23和图24可以看出，按照试验设计，在基础顶部处进行分级加载，第一级所加荷载为10KN，为了使荷载能够维持一段时间，我们根据荷载的示数变化，及时进行荷载补偿，直到位移能够基本稳定，继续加下一级荷载，以5KN的等级逐级递增，增加至第四级荷载，约为35KN(34.87KN)时发现，荷载无法继续增大，并随后出现逐渐减小的趋势。原因在于，随着上拔荷载的增大，抵抗上拔荷载的作用力随着基础逐渐与地基脱离而变小，相应地上拔位移逐渐增大，且增大幅度逐步增加。

从图25可以看出，当基础的承载能力接近极限承载能力，即当上拔荷载通过Q-s曲线拐点处时，此时基础的上拔位移明显增大，但越过该点后，荷载便难以维持稳定，上拔位移持续增大。

荷载-位移曲线的关系特征依然分为四个阶段：(1)冻结土体压密阶段(OA段)。在加载初始阶段，底板所承担荷载较小，且对其上部土体产生压缩影响，基础结构与地基之间尚未产生裂隙。(2)土体剪切阶段(AB段)。由于温度较-5℃更低，所以上拔荷载相应增大。基础与冻结土体之间的作用力逐渐被克服，底板所承担荷载越来越大，底板发生剪切变形，与周围土体的相对位移逐渐增大，产生局部塑形破坏。(3)滑动面形成阶段(BC段)。上拔荷载的不断增加，导致地基表面出现微小的径向裂缝和以基础为中心的环向裂缝，这证明基础与地基冻土之间逐渐脱离，剪切位移随着地板上部冻土承担上拔力的增加而逐渐增大。(4)下降段(CD段)。在这一阶段，基础在上拔荷载作用下与地基之间形成裂隙，完全脱离，基础的抗拔能力迅速减弱，上拔荷载急剧下降，地基塑性区不断发展，形成较为完整的滑动面，径向裂缝和环向裂缝迅速开展，缝隙加宽，整个基础连带周围土体被抬升，产生整体剪切破坏。

根据规范建议方法，基础的极限抗拔力的确定方法为：不同试验工况下塑性段的最大稳定上拔荷载值。对于本试验而言，在冻结环境温度为-10℃条件下，锥台型钢管立柱混凝土板条式装配基础的极限上拔荷载在34.9KN左右，极限上拔位移约为23.3mm。

从图26可以看出，由于上拔荷载的存在，试验基础构件与地基之间的作用力逐渐减小，带动土体产生松弛变形，甚至会出现裂缝和土体空腔，导致土压力在试验过程中呈现出逐渐减小的趋势。

从图27可以看出，所测基础本体的应变无明显增大现象，原因在于，基础本体的刚度很大，不易发生变形，但地基与基础间接触面的抗剪强度相对基础本体而言较小，地基的最终拔出是与之相关的，而与基础本体的变形基本无关。

试验后在基础结构上拔和地基破坏模式的现场情况可以看出，在施加上拔荷载初期，基础周边会形成3～5条微小的径向裂缝，电子百分表示数增加，意味着基础被抬起，产生向上位移。继续加载，基础发生突起现象上拔位移会不断增加，基础周围土体会随之***，这是由冻土受压和裂缝开展所导致的。与此同时，会形成更多的径向裂缝，之前出现的径向裂缝会加剧开展直至贯通，还会在径向裂缝末端出现以基础为中心的环向裂缝。在加载末期，基础与地基脱离，土体形成的空腔显而易见，地基在张拉和剪切作用下丧失承载力，发生整体破坏。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (19)

1.一种多功能冻土模型试验装置，其特征在于，包括：可拼接的箱体单元、监测单元，以及位于箱体单元中心的加载单元；

所述箱体单元用于填筑地基(26)，并将试验基础构件(27)放置在地基(26)中；

所述加载单元的一端固定在所述箱体单元的顶端，另一端与试验基础构件(27)连接，用于在垂直方向上对试验基础构件(27)施加下压和上拔的力进行加载试验；

在所述箱体单元的内侧设置有制冷单元，所述制冷单元用于控制地基(26)的温度进行冻结试验；

所述监测单元分别与箱体单元内的地基(26)、加载单元和制冷单元连接，用于监测试验数据。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述箱体单元包括底板(1)和通过螺栓固定在底板(1)四周的围护板；所述底板(1)和围护板分别包括多块矩形钢板(5)，各矩形钢板(5)的外侧面设置有肋条(6)，且在拼接成围护板的矩形钢板上设置肋条(6)时，在同一端留出与肋条(6)同宽的钢板；

各矩形钢板(5)之间通过螺栓将靠近的肋条(6)固定连接成底板(1)和围护板；

所述围护板之间通过螺栓将肋条(6)和与肋条(6)同宽的钢板固定连接。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述围护板包括：I型围护板(2)、II型围护板(3)和III型围护板(4)；

箱体单元的一个对称面分别包括一块I型围护板(2)，所述箱体单元的另一个对称面分别包括两块II型围护板(3)，以及位于两块II型围护板(3)中间的一块III型围护板(4)；

所述I型围护板(2)呈与箱体单元等长等高的矩形，所述II型围护板(3)呈与箱体单元等高的矩形，所述III型围护板(4)呈比箱体单元的高更高的条形。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述加载单元包括反力梁、加载柱(15)、拉力测力计(17)和液压加载装置；

所述反力梁架在III型围护板(4)上，所述液压加载装置和所述加载柱(15)的一端与所述反力梁连接，所述加载柱(15)的另一端与试验基础构件(27)连接；所述拉力测力计(17)固定在所述加载柱(15)上，用于测量所述液压加载装置通过加载柱(15)加载到试验基础构件(27)的力的大小。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述反力梁包括上梁(13)和下梁(14)；所述上梁(13)放置在导轨槽(12)中，所述导轨槽(12)对称设置在两块III型围护板(4)的顶端，用于使所述上梁(13)可在垂直方向上移动；

所述下梁(14)固定设置在两块III型围护板(4)远离上梁(13)的一端。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述液压加载装置包括千斤顶(18)和油泵(19)，所述千斤顶(18)和油泵(19)通过油管(20)连接；

所述下梁(14)中心的下部依次连接有千斤顶(18)、拉力测力计(17)和所述加载柱(15)的一端，所述加载柱的另一端与试验基础构件(27)连接，用于通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，向试验基础构件(27)输出下压荷载。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述液压加载装置包括千斤顶(18)和油泵(19)，所述千斤顶(18)和油泵(19)通过油管(20)连接；

所述千斤顶(18)对称位于上梁(13)和下梁(14)之间的两侧，所述加载柱(15)的一端与所述上梁(13)的中心固定连接，所述加载柱(13)中间放置拉力测力计(17)，所述加载柱的另一端穿过下梁(14)与试验基础构件(27)连接，用于通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，使得上梁(13)沿导轨槽(12)向上移动，加载柱(15)在上梁(13)的拖带作用下向上移动，向试验基础构件(27)输出上拔荷载。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述加载单元还包括：圆形垫片(16)；

所述加载柱(15)的一端伸出所述上梁(13)中心设置的加载柱孔(21)，通过圆形垫片(16)固定在上梁(13)的顶部。

9.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述制冷单元包括隔热板(23)、冷媒管(25)和低温冷浴器(22)，所述隔热板(23)安置在围护板的内侧，在所述隔热板(23)的内壁上循环设置有冷媒管槽路(24)，所述冷媒管(25)放置在冷媒管槽路(24)内并与地基(26)接触，冷媒管(25)的进口与出口分别与低温冷浴器(22)的出口与入口相连接，形成闭合的循环回路，用于通过冷媒管(25)内部传热介质的循环，将冷量传递给地基(26)，使其降温冻结。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述监测单元包括：温度传感器、水分传感器、位移传感器、应变传感器、土压力传感器。

11.一种对权利要求1-10所述的多功能冻土模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

拼接箱体单元并在箱体单元的内侧安装制冷单元，以及按照荷载输出模式将加载单元安装在拼装好的箱体单元上；

在拼装好的箱体单元中填筑地基(26)，并将制作好的试验基础构件(27)与加载单元连接后放置在地基(26)中；

启动所述制冷单元进行冻结试验和加载试验，通过布置的监测单元获取试验数据。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述拼接箱体单元并在箱体单元的内侧安装制冷单元，包括：

通过螺栓将底板(1)和I型围护板(2)、II型围护板(3)和III型围护板(4)连接为紧固的箱体单元；

在围护板内侧放置隔热板(23)，隔热板(23)内壁的冷媒管槽路(24)内放置冷媒管(25)。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述按照荷载输出模式将加载单元安装在拼装好的箱体单元上，包括：

在两块III型围护板(4)之间安装上梁(13)和下梁(14)；

当输出下压载荷时，千斤顶(18)放置在下梁(14)中心位置的下部；

千斤顶(18)通过油管(20)与油泵(19)连通，通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，向试验基础构件(27)输出下压荷载。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述按照荷载输出模式将加载单元安装在拼装好的箱体单元上，还包括：

在两块III型围护板(4)之间安装上梁(13)和下梁(14)；

当输出上拔载荷时，两个千斤顶(18)对称放置在下梁(14)上部两侧，并与上梁(13)的下部接触；

加载柱(15)的一端固定在所述上梁(13)的顶部，加载柱(15)的另一端与试验基础构件(27)连接；

千斤顶(18)通过油管(20)与油泵(19)连通，通过油泵(19)的荷载输出和下梁14的反力作用，使得上梁(13)沿导轨槽(12)向上移动，加载柱(15)在上梁(13)的拖带作用下向上移动，向试验基础构件(27)输出上拔荷载。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述在拼装好的箱体单元中填筑地基(26)，包括：

基于工程背景中实际地基的颗粒级配、含水率和压实度，将试验现场的土样填筑在箱体单元内部，模拟试验工程背景的地基(26)。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述启动所述制冷单元进行冻结试验和加载试验，包括：

启动低温冷浴器(22)，按照设定的制冷模式输出恒定的温度或冷量，通过冷媒管(25)内部传热介质的循环，将冷量传递给箱体单元内部的地基(26)，进行冻结试验；

根据设计的加载试验模式，通过油泵(19)进行下压或上拔试验。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述通过布置的监测单元获取试验数据，包括：

通过在地基(26)中放置的温度传感器、水分传感器和土压力传感器，分别监测冻结试验过程中地基(26)不同位置的温度、未冻水含量和土压力的变化规律。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述通过布置的监测单元获取试验数据，还包括：

通过在地基(26)和试验基础构件(27)的顶部放置的位移传感器(28)，分别监测地基(26)的冻胀位移和试验基础构件(27)的冻拔位移；

基于所述地基(26)的冻胀位移和试验基础构件(27)的冻拔位移评估试验基础构件(27)的抗冻拔性能。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述通过布置的监测单元获取试验数据，还包括：

通过贴设在试验基础构件(27)表面的应变传感器，监测试验基础构件(27)的应变程度，并评估试验基础构件(27)的力学承载性能。

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