一種凍融土循環剪切試驗裝置的製作方法

2023-06-14 13:44:06 1

本發明涉及土力學技術領域土工室內直剪試驗裝置，具體說是一種凍融土循環剪切試驗裝置。

背景技術：

凍融土的物理力學性質複雜，是深部巖土體重要技術問題之一。常規的凍融土樣的剪切試驗從制樣到一次剪切結束往往需要兩天時間，土樣的利用率和試驗效率均受到制約，不同批次土樣的均一性難以保證。

目前使用的大部分剪切試驗裝置只能對普通土進行直剪試驗，其適用範圍雖廣，但是不能實現土樣在高壓固結狀態下的凍結與解凍。目前可以進行凍融循環的剪切裝置，由於剪切平臺的固定，不能進行伸縮，一個試樣只能進行一次剪切。不能實現同一土樣的不同剪切面的多次往復剪切。大大影響了土樣的利用率和試驗的效率。

技術實現要素：

本發明目的是為解決現有土工室內直剪試驗中存在的技術問題，提供一種凍融土循環剪切試驗裝置。該裝置能夠自動控制溫度，可以對同一個土樣不同截面多次剪切，進行剪切試驗。

為了實現上述目的，本發明提出的凍融土循環剪切試驗裝置，包括上剪切盒、下剪切盒、透水板和法向加載裝置。其特徵是：

所述上剪切盒中心位置設有上下貫通的土樣通道；上剪切盒內設有環繞土樣通道的第一冷浴循環通路；所述透水板和法向加載裝置的形狀與土樣通道的斷面形狀適配。

所述法向加載裝置設有法向應力傳感器和法向位移傳感器。所述透水板為銅質板材，板面上均布若干透水孔。

下剪切盒中心位置設有上部敞口的土樣承接桶，土樣承接桶底部設有伸縮支撐裝置，伸縮支撐裝置上設置剪切土樣臺。下剪切盒內設有環繞土樣承接桶的第二冷浴循環通路。下剪切盒側部設置有水平加載裝置（水平驅動裝置）。

下剪切盒的土樣承接桶敞口位置與上剪切盒的土樣通道的位置對應，也就是說，當上下剪切盒準確合為一體時，土樣通道與土樣承接桶相互銜接為一個通道。

所述下剪切盒底部設有滑動或滾動裝置。

上剪切盒和下剪切盒的非剪切面為保溫面。所述剪切面是指上下剪切盒拼接為一體時，相對的兩個盒面。

在透水板和剪切土樣臺上均設有溫度傳感器探頭凹槽。

本發明裝置用於凍融土剪切試驗的試驗操作方法及過程：

一、將溫度探頭插入到透水板和剪切臺預定的凹槽中，然後將上、下剪切盒對應位置拼接到一起，將第一冷浴循環通路、第二冷浴循環通路分別與冷浴循環系統接通。完成剪切盒的安裝工作。

二、安裝好剪切盒後，將製作好的土樣對準土樣通道，小心地推入土樣通道內，土樣被置於剪切土樣臺上。此時，剪切土樣臺臺面低於下剪切盒剪切面一個設定的土樣剪切厚度值（如：3～8mm）。再在土樣上方放置透水板，然後在透水板上安裝法向加載裝置。完成土樣的安裝工作。

三、裝樣完畢後，對土樣進行壓縮固結，固結完成後，啟動冷浴循環系統。待土樣凍結溫度達到設計凍結溫度後，持續保持凍結溫度12小時。完成土樣的凍結工作。

四、根據試驗條件，設定土樣的解凍溫度邊界，停止凍結，開始解凍。待土樣解凍到所需的溫度後保持該溫度不變，水平加載裝置（水平驅動裝置）推動下剪切盒開始水平移動，開始凍融土樣第一次剪切。當土樣第一次剪切完成後，下剪切盒自動緩慢移動至初始位置，然後伸縮支撐裝置自動緩慢下移一個設定的土樣剪切厚度值（3～8mm），在法向應力的作用下土樣會整體緩慢下移一個設定的土樣剪切厚度值（3～8mm）。土樣剪切位置調整完成後，再次解凍。當凍融循環作用至所需溫度後，開始第二次剪切。如此往復土樣不能再被剪切或完成實驗需要時，結束剪切過程。

在本發明中，上、下剪切盒內部結構採用銅質材料，可以有效地實現溫度的傳遞，在外層又加上了保溫板，有效地隔絕了剪切盒同外部進行熱交換，實現了-40℃至45℃的精準控溫。

本發明凍融土循環剪切試驗裝置，結構簡單，操作方便。可以實現不同試驗條件下對同一個土樣進行不同剪切截面的多次剪切，提高了試驗效率，保證了不同試驗條件下土樣的均一性。一個土樣可以實現不同試驗條件下的剪切試驗，試驗條件不局限於一個解凍過程，也可以包括不同次數的凍融循環或不同的法向應力。

附圖說明

圖1為本發明凍融土循環剪切試驗裝置結構示意圖。

圖2為本發明凍融土循環剪切試驗裝置俯視圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖，對本發明做更進一步的詳細說明。

如圖1、2所示，本發明提出的一種凍融土循環剪切試驗裝置，包括上剪切盒1、下剪切盒2、透水板9和法向加載裝置12。

上剪切盒1中心位置設有上下貫通的土樣通道，土樣通道的斷面為圓面。上剪切盒內設有環繞土樣通道的第一冷浴循環通路3，第一冷浴循環通路兩端的接頭管4設置在上剪切盒1側壁之外，便於與冷浴循環系統連接。所述透水板9和法向加載裝置12的形狀為圓盤狀，其直徑與土樣通道的斷面直徑適配，透水板9和法向加載裝置12可以活塞式套裝在土樣通道內。上剪切盒1右側設有水平應力傳感器16，水平應力傳感器的另一端定位固定。

所述法向加載裝置12正上方位置設有法向應力傳感器17。法向加載裝置12右側部設有法向位移傳感器14。所述透水板採用銅材質，板面上均布若干透水孔。

下剪切盒2中心位置設有上部敞口的土樣承接桶，土樣承接桶底部設有伸縮支撐裝置6，伸縮支撐裝置6上設置剪切土樣臺7。下剪切盒2內設有環繞土樣承接桶的第二冷浴循環通路，第二冷浴循環通路與第一冷浴循環通路結構相同。下剪切盒2側壁設置有水平加載裝置（水平驅動裝置）13，與其相對的另一側壁設有水平位移傳感器15。下剪切盒2底部設有滾珠裝置8。

下剪切盒的土樣承接桶敞口位置與上剪切盒的土樣通道的位置對應，也就是說，當上下剪切盒準確合為一體時，土樣通道與土樣承接桶相互銜接為一個通道。

透水板9底部和剪切土樣臺7頂部均設有溫度傳感器探頭凹槽5。

上剪切盒1和下剪切盒2的非剪切面上覆蓋有保溫板10。

使用本發明裝置進行凍融土循環剪切試驗的操作方法：

一、將溫度傳感器探頭插入到剪切土樣臺7和透水板9的溫度傳感器探頭凹槽5中，然後將上、下剪切盒對應位置拼接到一起，同時將剪切土樣臺7放到下剪切盒2中土樣承接桶內的伸縮支撐裝置6上，再將接頭管與冷浴系統相連。完成剪切盒的安裝工作。

二、安裝好上、下剪切盒後，將製作好的土樣11對準土樣通道，小心地推入土樣通道內，土樣被置於剪切土樣臺7上。此時，剪切土樣臺臺面低於下剪切盒剪切面3～8mm。再在土樣11上方鋪上濾紙，然後再在濾紙上放置透水板9，然後在透水板上安裝法向加載裝置12。完成土樣11的裝樣工作。

三、裝樣完畢後，在法相加載裝置的作用下對土樣進行壓縮固結，固結完成後，啟動冷浴循環系統。待土樣凍結溫度達到設計凍結溫度後，持續保持凍結溫度12小時。完成土樣的凍結工作。

四、根據試驗條件，設定土樣的解凍溫度邊界，停止凍結，開始解凍。待土樣解凍到所需的溫度後保持該溫度不變，水平加載裝置（水平驅動裝置）13推動下剪切盒開始水平移動，開始凍融土樣第一次剪切。當土樣第一次剪切完成後，上剪切盒不動，下剪切盒在水平加載裝置（水平驅動裝置）13的作用下自動緩慢移動至初始位置，然後伸縮支撐裝置6緩慢下移3~8mm，帶動剪切土樣臺下降3~8mm。同時在法向應力的作用下土樣11會整體緩慢下移3~8mm。土樣剪切位置調整完成後，再次解凍。當凍融循環作用至所需溫度後，開始第二次剪切。如此往復，土樣不能再被剪切或完成實驗需要時，結束剪切過程。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。