CN113092282B - 一种低温冻土原状试样的土工测试装置 - Google Patents

一种低温冻土原状试样的土工测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温冻土原状试样的土工测试装置，包括水银压力加载装置，在水银压力加载装置表面叠设环形冷却装置，在环形冷却装置的中心位置设有放置原状冻土试样的腔室，腔室的开口端覆设上承压板，上承压板上安装剪切波速发射器，在腔室的底部固设下承压板，在下承压板中心安装剪切波速接收器，剪切波速接收器的中心位置垂直固设温度探针，且温度探针向腔室内部方向延伸，剪切波速接收器与剪切波速发射器形成匹配；本发明解决了现有冻土原状试样测试扰动大、测试过程中难以保证低温环境的的缺陷，能够快速精确的确定冻土地区岩土工程相关的设计参数。

Description

一种低温冻土原状试样的土工测试装置
技术领域
本发明涉及一种低温冻土原状试样的土工测试装置，属于岩土工程试验研究技术领域。
背景技术
随着寒区经济的发展，在冻土地区掀起了大规模的水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设浪潮。由于大型水利工程、高速铁路、超高层建筑、等基础设施在进行设计时对岩土体参数的测试精度的要求越来越高。由于土工试验过程耗时较长，试样内部水份的溶解、流动会破坏试样结构进而影响测试结果。因此为了确保冻土层上部建筑物的稳定与安全，提高冻土试样测试精度，需最大程度的保证冻土试样的原状结构。
静止土压力系数和压缩特性是重要的岩土工程参数，能否准确测定冻土静止土压力系数和压缩特性对于冻土场地的基坑工程、边坡稳定性设计等有直接影响。传统的三轴试验、固结试验测试设备，由于试样制备繁琐，耗时较长，测试过程中无法保证冻土试验内部水份的冻结。即便是将测试设备置于低温环境，试验制备期间溶解的水份无法快速冻结恢复，土体内部孔隙水的流动也会较大的影响试验结果。剪切波速是反应土体剪切模量、杨氏模量等土动力学参数的关键指标，目前剪切波速的测定往往整合于动三轴弯曲元设备中。对于冻土试样的测试，需严格控制试样制备、转移安装至仪器上所花费的时间，对试验技能熟练度有较高要求，且测试为常温下测定，忽略了温度对试样的影响。对于冻土试样的测试精度较低。冻土的热导率系数是表征冻土响应外界热扰动、继发热量传递过程和冻结、消融速率的重要指标。
目前国内外对热导率系数的测定主要为稳态法和瞬态法。稳态法虽然原理简单、计算方法，但耗时长，需持续几个甚至十几个小时才能完成一个试样的测定。瞬态法虽然计算、原理复杂，但耗时短，对于难以保存的冻土试样更为适合，因而较多采用。但传统的瞬态法测试设备只能于室温下、土样不受力的状态下进行测试，不能考虑土体应力状态对测试结果的影响，因而无法精确表征原位土体的热学特性。综上所述，为提高冻土原状试样的测试精度，快速、综合的测试冻土原状试样的静止土压力系数、剪切波速、压缩、应力应变特性等土工参数，需减少测试中温度变化对试样的扰动，并还原土体的原位应力状态。研发一种低温冻土原状试样的土工测试装置是非常必要的。
发明内容
本发明提供一种低温冻土原状试样的土工测试装置，解决了现有冻土原状试样测试扰动大、测试过程中难以保证低温环境的的缺陷，能够快速精确的确定冻土地区岩土工程相关的设计参数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种低温冻土原状试样的土工测试装置，包括放置在反力架内的土工测试装置本体，土工测试装置本体包括水银压力加载装置，在水银压力加载装置表面叠设环形冷却装置，在环形冷却装置的中心位置设有放置原状冻土试样的腔室，腔室的开口端覆设上承压板，上承压板上安装剪切波速发射器，在腔室的底部固设下承压板，在下承压板中心安装剪切波速接收器，剪切波速接收器的中心位置垂直固设温度探针，且温度探针向腔室内部方向延伸，剪切波速接收器与剪切波速发射器形成匹配；
剪切波速发射器与剪切波激发装置形成连通，剪切波速接收器与剪切波速测定及温度监测器形成连通；
水银压力加载装置位于环形冷却装置的底部，通过启动水银压力加载装置实现对放置原状冻土试样的腔室的底部施压，从而对原状冻土试样施加荷载；
作为本发明的进一步优选，前述的环形冷却装置包括环形冷却腔室，其为空心环状的环柱结构，在环形冷却腔室的环形中心设有放置原状冻土试样的腔室；
环形冷却腔室的内壁采用柔性薄膜制作，其内腔的外壁上安装液体压力计；
在环形冷却腔室的侧壁上分别安装进液阀和出液阀，进液阀和出液阀对称分布；
在环形冷却腔室的表面与底面分别开设线槽；
作为本发明的进一步优选，在环形冷却腔室内盛装冷冻液，冷冻液循环压力控制器分别与进液阀、出液阀连通，冷冻液循环压力控制器还与液体压力计形成连通；
作为本发明的进一步优选，柔性薄膜采用硅橡胶制作，其厚度小于后者等于1mm；
作为本发明的进一步优选，前述的水银压力加载装置包括环形加压腔室，其为空心环状的环柱结构，环形中心为加压腔室，在加压腔室的开口处嵌设活塞，活塞与下承压板匹配贴合设置；
在环形加压腔室内设置水银加压通道，在环形加压腔室环形外壁内侧安装水银压力计；
作为本发明的进一步优选，水银加压通道、水银压力计同时与水银压力及体积量测控制器形成连接；
作为本发明的进一步优选，活塞与加压腔室侧壁之间设有密封圈；
作为本发明的进一步优选，前述的温度探针长度为20mm，直径小于2mm；
作为本发明的进一步优选，剪切波速测定及温度监测器对温度数据的采集频率小于或者等于5s/次。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的土工测试装置包含的部件，可拆卸自由组合，大大缩短了冻土样品的制样时间，降低了制样难度，以及降低了对操作人员的技术要求；
2、本发明能够保证测量的精度，同时解决了现有土工测试设备无法测量冻土试样静止土压力系数以及测试冻土原状试样热导率系数的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的优选实施例的整体结构示意图；
图2是本发明提供的环形冷却装置的结构示意图；
图3是本发明提供的水银压力加载装置的结构示意图；
图4是本发明提供的剪切波速发射器、剪切波速接收器的结构示意图。
图中：1为冷冻液循环压力控制器，2为水银压力及体积量测控制器，3为剪切波激发装置，4为剪切波速测定及温度监测器，5为反力架，6为环形冷却装置，7为水银压力加载装置，8为剪切波速发射器，9为带有温度探针的剪切波速接收器，10为原状冻土试样，11为柔性薄膜，12为进液阀，13为出液阀，14为液体压力计，15为线槽，16为水银加压通道，17为水银压力计，18为加压腔室，19为活塞，20为上承压板，22为下承压板，21为温度探针。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
为提高冻土原状试样的测试精度，快速、综合的测试冻土原状试样的静止土压力系数、剪切波速、压缩、应力应变特性等土工参数，本申请旨在提供一种低温冻土原状试样的土工测试装置，图1所示，是其整体结构示意图，从图中可以看出，整个土工测试装置包括以下几个部分：水银压力加载装置7以及环形冷却装置6，在水银压力加载装置表面叠设环形冷却装置，整个土工测试装置的核心在于，图4所示的，在环形冷却装置的中心位置设有放置原状冻土试样10的腔室，腔室的开口端覆设上承压板20，上承压板上安装剪切波速发射器8，在腔室的底部固设下承压板22，在下承压板中心安装剪切波速接收器；在剪切波速接收器的中心位置垂直固设温度探针21，且温度探针向腔室内部方向延伸，剪切波速接收器与剪切波速发射器形成匹配；为了减少对土样的破坏与扰动并考虑探针的耐久性，温度探针的长度设置为20mm，直径小于2mm。
具体的，图2所示为环形冷却装置的具体结构示意图，包括环形冷却腔室，其为空心环状的环柱结构，在环形冷却腔室的环形中心设有放置原状冻土试样的腔室；环形冷却腔室的内壁采用柔性薄膜11制作，柔性薄膜采用硅橡胶或者其他耐低温、低弹膜橡胶制作，其厚度小于后者等于1mm，环形冷却腔室内腔的外壁上安装液体压力计14，液体压力计为薄膜压力计，其通过位于环形冷却腔室外壁上的密封阀与冷冻液循环压力控制器1形成连通；采用贴于环形冷却腔室内壁的液体压力计量测冷冻液压力，由冷冻液传递土体侧向水平有效应力，并结合水银压力计17算静止土压力系数。解决了传统固结仪无法精确测量冻土试样静止土压力系数的问题。
在环形冷却腔室的侧壁上分别安装进液阀12和出液阀13，在环形冷却腔室内盛装冷冻液，冷冻液循环压力控制器分别与进液阀、出液阀连通，用于控制冷冻液循环；进液阀和出液阀对称分布；在环形冷却腔室的表面与底面分别开设线槽15，用于放置剪切波速发射器以及剪切波速接收器的数据线；
剪切波速发射器与剪切波激发装置3形成连通，用于控制剪切波速的激发；剪切波速接收器与剪切波速测定及温度监测器4形成连通，用于控制剪切波速的接收以及温度，前述均可实现实时显示数据；
在本申请中，采用冷冻液作为制冷剂，可快速冻结因冻土试样制备期间溶解的孔隙水。并且在测试过程中，即能施加围压还原冻土试样的原位应力状态，还可以保证土样的冻结状态。
图3所示为水银压力加载装置的结构示意图，其位于环形冷却装置的底部，包括环形加压腔室18，其为空心环状的环柱结构，环形中心为加压腔室，在加压腔室的开口处嵌设活塞19，活塞与下承压板匹配贴合设置，为了保证密封性，在活塞与加压腔室侧壁之间设有密封圈；在环形加压腔室内设置水银加压通道16，用于将水银由水银压力及体积量测控制器2注入加压腔室，在环形加压腔室环形外壁上安装水银压力计，用于量测加载压力，水银推动活塞对原状冻土试样进行压力加载。
采用水银作为压缩液对冻土试样进行加载，通过量测加压腔室水银体积变化量测试样竖向变形，与传统加载装置相比，省略了外置的位移表，使得结构更为简单，操作更为简便，同时鉴于水银的低压缩性，使得测量更为精确。
实施例：
为了对本申请提供的土工测试装置进行阐述，提供一个实施例的实施过程进行阐明，首先检查仪器是否完好，并连接仪器设备，将带有温度探针的剪切波速接收器9放置于水银压力加载装置的活塞上，连通剪切波速测定及温度监测器；环形冷却装置放置于水银压力加载装置上方，进液阀、出液阀以及液体压力计连接冷冻液循环压力控制器，水银压力加载装置的水银加压通道、水银压力计连接水银压力及体积量测控制器。
待检测的原状冻土试样制成后，压入环形冷却装置的环形中心的腔室内，使温度探针***原状冻土试样中心，接着将剪切波速发射器放置在原状冻土试样的顶部后，整个土工测试装置本体完成基本组装，放入反力架5内。
试验时，设定原状冻土试样的内径为39.1mm，外径为100mm，高度为50mm，按照此种设置标准设置环形冷却装置，同时设定水银压力加载装置的环形加压腔室外径为100mm，高位50mm，活塞直径为39.1mm；
开启冷冻液循环压力控制器，将冷冻液注满环形冷却装置，并将冷冻液温度设置为-20℃以下，开启水银压力及体积量测控制器，将水银住满加压腔室，水银压力及体积量测控制器将水银由水银加压通道注入加压腔室内，并施加压力，推动活塞向环形冷却装置移动，从而对冻土试样加压，施压过程中记录注入的水银体积，并由水银压力计进行水银压力采集，根据试验要求分别提供围压、竖向荷载对原状冻土试样进行加载测试。
试验过程中可获取多个读数：具体的，由冷冻液循环压力控制器，水银压力及体积量测控制器中的荷载、体积读数，计算原状冻土试样的静止土压力系数、压缩、应力应变特性等土工参数。其中，静止土压力系数采用下式计算：
Figure BDA0002967828040000051
式中，K0为土体静止土压力系数，σ′h为土体侧向水平有效应力(kPa)，即为上述冷冻液循环压力控制器的压力读数，σ′v为土体竖直向有效应力(kPa)，即为上述水银压力及体积量测控制器的压力读数。
试验中在原状冻土试样处于不同应力状态下，由剪切波速发射器、带有温度探针的剪切波速接收器分别发射、接受剪切波，研究不同应力条件下原状冻土试样的土动力学特性。其中，土体剪切波速采用下式计算：
Figure BDA0002967828040000061
Figure BDA0002967828040000062
式中，Vs为冻土试样剪切波速(mm/ms)，l′为剪切波激发时冻土试样高度(mm)，t为上述剪切波速测定及温度监测器中的时间读数，L为冻土试验初始高度即50mm，ΔV为冻土试样压缩体积，即为上述水银压力及体积量测控制器的体积读数，S为冻土试样底面积。
在试验中，热导率系数的测定需将环形冷却腔室内冷冻液排空，使环形冷却腔室真空，通过冷冻液循环压力控制器控制冷冻液为0℃，由剪切波速测定及温度监测器以小于5s/次的频率控制温度探针进行加热，并记录温度随时间的上升、下降，进而研究原状不同应力状态对原状冻土试样热导率系数的影响；此种试验方法，可于试验开始前、后，通过温度探针快速测定冻土试样处于原位应力状态下的热导率系数，同时可以研究随固结压力、时间，冻土试样的热导率系数的变化，解决了现有土工测试设备无法测试冻土原状试样热导率系数的问题。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种低温冻土原状试样的土工测试装置，包括放置在反力架内的土工测试装置本体，其特征在于：土工测试装置本体包括水银压力加载装置，在水银压力加载装置表面叠设环形冷却装置，在环形冷却装置的中心位置设有放置原状冻土试样的腔室，腔室的开口端覆设上承压板，上承压板上安装剪切波速发射器，在腔室的底部固设下承压板，在下承压板中心安装剪切波速接收器，剪切波速接收器的中心位置垂直固设温度探针，且温度探针向腔室内部方向延伸，剪切波速接收器与剪切波速发射器形成匹配；
剪切波速发射器与剪切波激发装置形成连通，剪切波速接收器与剪切波速测定及温度监测器形成连通；
水银压力加载装置位于环形冷却装置的底部，通过启动水银压力加载装置实现对放置原状冻土试样的腔室的底部施压，从而对原状冻土试样施加荷载。
2.根据权利要求1所述的低温冻土原状试样的土工测试装置，其特征在于：前述的环形冷却装置包括环形冷却腔室，其为空心环状的环柱结构，在环形冷却腔室的环形中心设有放置原状冻土试样的腔室；
环形冷却腔室的内壁采用柔性薄膜制作，其内腔的外壁上安装液体压力计；
在环形冷却腔室的侧壁上分别安装进液阀和出液阀，进液阀和出液阀对称分布；
在环形冷却腔室的表面与底面分别开设线槽。
3.根据权利要求2所述的低温冻土原状试样的土工测试装置，其特征在于：在环形冷却腔室内盛装冷冻液，冷冻液循环压力控制器分别与进液阀、出液阀连通，冷冻液循环压力控制器还与液体压力计形成连通。
4.根据权利要求2所述的低温冻土原状试样的土工测试装置，其特征在于：柔性薄膜采用硅橡胶制作，其厚度小于或者 等于1mm。
5.根据权利要求1所述的低温冻土原状试样的土工测试装置，其特征在于：前述的水银压力加载装置包括环形加压腔室，其为空心环状的环柱结构，环形中心为加压腔室，在加压腔室的开口处嵌设活塞，活塞与下承压板匹配贴合设置；
在环形加压腔室内设置水银加压通道，在环形加压腔室环形外壁内侧安装水银压力计。
6.根据权利要求5所述的低温冻土原状试样的土工测试装置，其特征在于：水银加压通道、水银压力计同时与水银压力及体积量测控制器形成连接。
7.根据权利要求5所述的低温冻土原状试样的土工测试装置，其特征在于：活塞与加压腔室侧壁之间设有密封圈。
8.根据权利要求1所述的低温冻土原状试样的土工测试装置，其特征在于：前述的温度探针长度为20mm，直径小于2mm。
9.根据权利要求1所述的低温冻土原状试样的土工测试装置，其特征在于：剪切波速测定及温度监测器对温度数据的采集频率小于或者等于5s/次。
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