CN213275196U

CN213275196U - 一种土体冻融交界面直剪试验装置

Info

Publication number: CN213275196U
Application number: CN202021926347.6U
Authority: CN
Inventors: 何鹏飞; 穆彦虎; 黄永庭; 栗晓林; 马巍
Original assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Current assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2030-09-07

Abstract

本申请涉及一种土体冻融交界面直剪试验装置，包括上剪切盒（2）、下剪切盒（3）、制冷机构、测温部件和温度控制器（17），其特征在于：制冷机构设在下剪切盒（3）底部，上剪切盒（2）和下剪切盒（3）在靠近剪切面的侧壁处分别设有测温部件并且两者在装配完成后中间存在一条微小缝隙；温度控制器（17）与制冷机构和两处测温部件相连。本申请能够实现土样沿着垂直方向的单向温度控制，进而实现在特定位置的冻融交界面，配合直剪仪动力装置可以对土体冻融交界面的剪切特性开展试验，并且温度控制器（17）根据剪切盒内温度反馈自动控制功能、剪切盒绝热材料的使用为试验精度提供了保证。

Description

一种土体冻融交界面直剪试验装置

技术领域

本申请涉及土工试验技术领域，尤其涉及一种土体冻融交界面直剪试验装置。

背景技术

我国为世界第三冻土分布大国，多年冻土区面积约占国土面积21.5%，季节冻土面积约占国土面积的53.5%。因此，冻土为宝贵的土地资源。进入新世纪以来，由于国家重点工程，如青藏铁路、川藏铁路、青藏特高压输电线路及青藏高速公路等重大工程的上马，以及科研与生产的紧密结合，使得对冻土物理力学性质的研究获得广泛关注。

但是，由于人为活动（工程施工、挖方取土等）和自然环境变化（气候变暖、河流侵蚀、多年冻土融化等）对原有土体物理和力学场的影响，冻土地区修建的工程面临诸多问题，其中之一是多年冻土区和季节冻土区边坡滑塌。造成土质边坡滑塌的原因是活动层和季节冻土层在春季融化过程中水分下渗，在冻融土体交界面位置形成滞水润滑界面，界面处土体剪切强度显著下降。随着融化深度的增加上部融土自重不断增加，最终因冻融界面强度无法支撑上部土体自重而引起滑塌。因此，研究土体冻融交界面的剪切强度特征是预测和解决冻融滑塌问题的关键所在。

在现有技术中，已有的冻土直剪仪可以实现土体的整体冻结或融化效果，比如申请号201110221970.0、一种全自动数字大型冻土直剪仪，但是由于这些方案都是通过整体降温或侧壁降温，无法实现垂直于剪切面方向上的温度控制，也就无法真正实现冻融交界面与剪切面的重合，进而也就无法真实模拟实际环境中土体冻融交界面受到的受力状态，使得试验结果（土体冻融界面应力应变关系、界面剪切强度参数等）与实际情况之间存在较大差距，失去应有的研究价值。此外，使用冷浴或液氮降温，价格昂贵、噪音大及占用空间大。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种实验结果更接近实际情况的土体冻融交界面直剪试验装置。

为解决上述问题，本申请提供了一种土体冻融交界面直剪试验装置，包括上剪切盒、下剪切盒、制冷机构、测温部件和温度控制器，其特征在于：所述制冷机构设在所述下剪切盒底部，所述上剪切盒和所述下剪切盒在靠近剪切面的侧壁处分别设有所述测温部件并且两者在装配完成后中间存在一条微小缝隙；所述温度控制器与所述制冷机构和两处所述测温部件相连，用于在准备工作完成后根据两处所述测温部件的实时温度值控制所述制冷机构的工作情况以使两处所述测温部件均达到各自的预设目标温度值，进而实现冻融交界面的形成。

优选的，所述制冷机构包括半导体制冷器和设在所述半导体制冷器上的蓄冷板，工作时所述蓄冷板的上表面与所述下剪切盒内的土样直接接触。

优选的，所述制冷机构还包括设在所述半导体制冷器底部的散热器。

优选的，所述制冷机构还包括设在所述半导体制冷器与所述蓄冷板之间的导热硅胶。

优选的，所述上剪切盒和所述下剪切盒采用导热系数小的材料制成。

优选的，所述导热系数小的材料为有机玻璃。

本申请与现有技术相比具有以下优点：

1、本申请通过制冷机构从下剪切盒3底部开始沿垂直于剪切面的方向向上降温，能够实现土样沿着垂直方向的单向温度控制即实现与剪切面垂直的温度梯度分布，进而实现在特定位置（上下剪切盒交界处）的冻融交界面，配合直剪仪动力机构可以对土体冻融交界面的剪切特性开展试验。并且，温度控制器具有根据剪切盒内温度反馈自动控制功能，从而可以精确的实现土体冻融交界面位置在垂直于剪切面方向的控制，为土体冻融交界面直剪试验提供精度保证。

2、相较现有技术中冷浴或液氮降温，制冷机构使用半导体降温方法费用小、占用空间小、噪音小并且效率高。

3、本申请进一步通过使用有绝热效果的有机玻璃剪切盒设置土样四周绝热边界，通过有机玻璃上盖设置土样上部绝热边界，进一步保证了试验精度。

4、在实际应用中，可以使本申请剪切盒在尺寸和结构上与标准的剪切盒完全相同，由此能够与土工试验规程（SL237-1999）中建议使用的1联或4联直剪仪相匹配，以实现降低成本和快速使用的效果。

附图说明

下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1本申请实施例提供的土体冻融交界面直剪试验装置的整体结构示意图。

图2为本申请实施例提供的土体冻融交界面直剪试验装置的右视图。

图3为本申请实施例提供的上剪切盒的俯视图。

图4为本申请实施例提供的下剪切盒的俯视图。

图5为本申请实施例提供的剪切面温度的有限元模拟结果。

图中：1—加压板，2—上剪切盒，3—下剪切盒，4—第一水平荷载杆，5—第二水平荷载杆，6—剪切盒底座，7—滑动滚珠，8—上剪切盒内土样，9—下剪切盒内土样，10—蓄冷板，11—半导体制冷器，12—散热器，13—风扇，14—安全网，15—第一温度传感器，16—第二温度传感器，17—温度控制器，18—电源。

具体实施方式

参考图1至图4，本申请实施例提供了一种土体冻融交界面直剪试验装置，该装置主要包括上剪切盒2、下剪切盒3、制冷机构、测温部件和温度控制器17；其中，上剪切盒2和下剪切盒3为剪切部分，制冷机构、测温部件和温度控制器17为控温部分。制冷机构设在下剪切盒3底部，上剪切盒2和下剪切盒3在靠近剪切面的侧壁处分别设有测温部件（用于检测界面处土样的温度值）并且上剪切盒2和下剪切盒3在装配完成后中间存在一条微小缝隙，该缝隙用于使冻融交界面与剪切面完全重合。

温度控制器17与制冷机构和两处测温部件相连，用于在准备工作完成后根据两处测温部件的实时温度值控制制冷机构的工作情况（启停状态）以使两处测温部件均达到各自的预设目标温度值，进而实现冻融交界面的形成。

测温部件包括第一温度传感器15和第二温度传感器16。在上剪切盒2靠近剪切面的侧壁处开有温度传感器孔，用于安装第一温度传感器15，同时基于剪切面相对的位置，在下剪切盒3靠近剪切面的侧壁处开有温度传感器孔，用于安装第二温度传感器16，然后在温度传感器孔中安装陶瓷杆温度探头。

下剪切盒3侧壁下部设计有剪切盒底座6，底座下部安装有滑动滚珠7，滑动滚珠7设在支架上，使得下剪切盒3（连同其底部的制冷机构一起）可以在直剪仪平台上沿剪切方向滑动，并且保持较低摩阻力，从而提高界面剪切试验的精确度。

在实际应用中，除了上剪切盒2和下剪切盒3，剪切部分还包括分设在上剪切盒2侧壁和顶部的第一水平荷载杆4和竖向加载件以及在下剪切盒3侧壁与第一水平荷载杆4相对的第二水平荷载杆5。第一水平荷载杆4和第二水平荷载杆5用于与外接动力装置软连接，从而测量剪切过程中的剪切力变化和剪切变形。

本申请中，竖向加载件为直接设在上剪切盒内土样8上表面的加压板1。加压板1、上剪切盒2和下剪切盒3均采用导热系数小的材料制成，比如有机玻璃（PMMA）。有机玻璃导热系数约为0.18 W/mK,远远低于金属材料的导热系数，有良好的保温效果。

本申请中，制冷机构设在下剪切盒3底部，用于从下剪切盒3底部开始沿垂直于剪切面的方向向上降温。制冷机构具体包括半导体制冷器11和设在半导体制冷器11上的蓄冷板10，工作时蓄冷板10的上表面与下剪切盒3内的土样直接接触。

其中，半导体控温原理是利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。

在实际应用中，蓄冷板10可以为铜制材料制成，中间开有细孔，以减小温度变化过程中蓄冷板的变形；铜制材料导热系数高（约为381 W/mK），温度传播快，可使温度均匀的分布在下剪切盒内土样9底部。半导体制冷器11的制冷功率为35W，稳定电流3.9A，电压12V。

上述制冷机构还包括设在半导体制冷器11底部的散热器12，用于将半导体制冷器11散热端产生的热量排出；在实际应用中，散热器12可由风扇13和安全网14组成，安全网14与半导体制冷器11散热端之间架设出容纳风扇13的空间。制冷机构还包括设在半导体制冷器11与蓄冷板10之间填充间隙的导热硅胶，用于加强温度传导效率。

基于上述内容，对本申请土体冻融交界面直剪试验装置的实际应用以及使用（试验）方法进行举例介绍。

加压板1、上剪切盒2和下剪切盒3均采用有机玻璃。上剪切盒2和下剪切盒3侧壁厚度为20 mm，中间土样仓直径为61.8 mm。上部加压板1为圆锥形，边缘厚度为10 mm，中心厚度为20 mm，下部直径为61.8 mm，与剪切盒内土样仓之间相匹配。

温度控制器17测温范围为-50-110℃，测温精度为±0.1℃，刷新频率为0.5s，控温范围-40-100℃，控温精度0.1℃。温度控制器17通过12V直流电源18提供动力。

试验方法包括以下步骤：

1、使用压样机制作圆柱形土体试样，土体使用粉质黏土，土样高度40 mm，直径61.8 mm。土样含水率和干密度根据试验要求具体确定。

2、将制作好的土样用塑料薄膜包裹，防止水分散失，放置在恒温箱内，温度设置为5℃静止12 h，使土体内部温度场均匀。

3、将土样装入上剪切盒2和下剪切盒3盒内（在剪切之前上剪切盒内土样8和下剪切盒内土样9是一体的），通过加压板1施加垂直荷载。

4、开启温度控制器17，首先将两个温度传感器的目标温度值都设置为2 ℃，半导体制冷器11开始工作，从下剪切盒3底部开始沿垂直于剪切面的方向向上缓慢降温。

5、待温度传感器测得界面处温度达到2℃并稳定保持30min以上后，将第二温度传感器16的目标温度值设置为-0.2℃，将第一温度传感器15的目标温度值设置为0.2℃，半导体制冷器11再次开始工作。

6、由于两个温度传感器设置的温度不同，第二温度传感器16会在-0.1到-0.3℃之间波动，第一温度传感器15会在0.1-0.3℃之间波动，待这种波动状态能够保持30min后，表明冻融交界面出现在剪切面处。

7、此时，启动直剪仪剪切控制装置，开始剪切试验。由于上下剪切盒之间在剪切过程中存在一个微小的缝隙（剪切过程中为防止上下剪切盒冻结在一起，在上下盒接触处涂有一薄层凡士林，从而形成微小缝隙），因此，冻融交界面可以认为与剪切面完全重合，满足试验精度要求。

图5 为剪切面温度的有限元模拟结果。剪切盒采用有机玻璃材料，土体使用粉质黏土，下边界温度分别设定为-4、-5、-6和-8℃，土体初始温度设定为5℃，热传导模型为傅里叶非稳态热传导模型。从图5 中可以看到，当剪切面中间位置温度到达0℃后，除了靠近边缘的位置温度波动较大外，整个剪切面上温度波动都在0.1℃以内，完全可以满足土体冻融交界面剪切试验的精度要求。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的结构及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种土体冻融交界面直剪试验装置，包括上剪切盒（2）、下剪切盒（3）、制冷机构、测温部件和温度控制器（17），其特征在于：所述制冷机构设在所述下剪切盒（3）底部，所述上剪切盒（2）和所述下剪切盒（3）在靠近剪切面的侧壁处分别设有所述测温部件并且两者在装配完成后中间存在一条微小缝隙；所述温度控制器（17）与所述制冷机构和两处所述测温部件相连，用于在准备工作完成后根据两处所述测温部件的实时温度值控制所述制冷机构的工作情况以使两处所述测温部件均达到各自的预设目标温度值，进而实现冻融交界面的形成。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述制冷机构包括半导体制冷器（11）和设在所述半导体制冷器（11）上的蓄冷板（10），工作时所述蓄冷板（10）的上表面与所述下剪切盒（3）内的土样直接接触。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述制冷机构还包括设在所述半导体制冷器（11）底部的散热器（12）。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述制冷机构还包括设在所述半导体制冷器（11）与所述蓄冷板（10）之间的导热硅胶。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上剪切盒（2）和所述下剪切盒（3）采用导热系数小的材料制成。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述导热系数小的材料为有机玻璃。