基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置及其方法，通过在剪切盒上下两端设置电极对土体进行电解，实现土体内部阳离子置换，从而实现对土体吸水性的改良，改变结合水与自由水的比重，为研究土体吸水性与冻融循环下土体力学性质的变化规律提供依据；剪切盒顶部设计冷凝管循环恒温液进行温度交换，实现对土样进行单端冻融的模拟，土体内部内置含水率探头，可测试土体在冻结时，含水率的变化，对水分迁移进行研究。通过环形剪切盒的设计，可实现循环剪切，避免了循环减中漏土的问题，从而实现对冻融循环条件下土体抗剪强度，动力特性的测试与变化规律的研究，该装置结构设计巧妙，实施方便，具有较高的实用价值及推广价值。

【技术实现步骤摘要】
基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置及其方法
本专利技术涉及土工试验
，具体涉及一种基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置及其方法，通过室内试验对土体物理性质进行改良并测试土体在冻融循环条件下力学性质。
技术介绍
冻融循环会对一些特殊非饱和粘性土的物理力学特性产生显著影响，如膨胀土、黄土等。在工程实践中，经常需要研究这类土在冻融循环下的土体力学特性和结构特性，其研究结果对分析和改良粘性土工程特性显得尤为重要。但是，现有技术中：(1)针对土体物理力学特性的改良方式主要有土体加土工合成材料，土体加固化剂，其中后者主要原理为固化剂中阳离子可以将黏土矿物层中原有亲水性阳离子置换成疏水性阳离子，以降低土体中结合水的比重，从而使土体更有效的固结，冻融循环后土体稳定性得以提高，但直接加阳离子固化剂不能有效置换土体中原有阳离子；(2)针对土体的抗剪强度试验中，主要方法有直剪试验与三轴剪切试验，这两种试验方法均无法直接测试土体在冻融循环作用下的抗剪强度，无法针对冻融循环这一特定的环境去模拟和研究土体内部力学特性和结构特性的改变；(3)针对土体进行模拟冻融循环的试验装置，采用正负温冻融循环箱对试样进行温度调控，在冻融循环过程中，无法对土体施加应力，即冻融循环在无应力状态下完成，与实际工程中土体的应力状态严重不符，不能对不同应力状态下土体在冻融循环过程中的力学性质变化进行研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对现有土体物理力学特性改良方式以及土体抗剪强度试验中存在的缺陷，提出一种基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置及其方法，为研究电化学对非饱和粘性土的改良及其在冻融循环的影响下、土体本身抗剪强度参数变化提供一种易于操作，控制精准的试验方案。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置，包括剪切系统、电解系统、温控系统、应力施加系统以及应力应变监测系统，具体的：所述剪切系统包括底座和设置在底座上的钢制框架，钢制框架的顶部设置有一轴压加载板，轴压加载板通过轴压螺栓与钢制框架相连；底座上设置有一圆柱形剪切盒，剪切盒的顶部设置有端盖，剪切盒内设置有土样，所述剪切盒包括上段剪切盒、中段剪切盒和下段剪切盒，该三段剪切盒独立结构设计，各段剪切盒之间相接触；上段剪切盒和下段剪切盒分别对应的通过第一刚性触手和第二刚性触手与钢制框架固定连接，中段剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动；所述电解系统包括变压电源、电解液循环端、设置在土样上部的阳极电极以及设置在土样下部的阴极电极，阳极电极与变压电源正极相连，阴极电极与变压电源的负极相连，可根据需要设定不同的电压，通电时阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应；阳极电极和阴极电极均采用石墨材质，且阳极电极和阴极电极均为双层结构，阳极电极的中间夹层内设置有阳极离子交换管，阴极电极的中间夹层内设置有阴极离子交换管，阳极离子交换管和阴极离子交换管均与电解液循环端相连，且阳极离子交换管和阴极离子交换管通过阳离子浓度测试管相连，阳离子浓度测试管为U型管，U型管内设置有半透膜(只允许水分子通过，不允许溶质通过)，电解过程中，半透膜偏向浓度较低的一端，以判断电解的程度；所述温控系统包括水浴装置、设置在剪切盒顶部端盖内的冷凝管，所述冷凝管通过冷凝液输入管和冷凝液输出管与水浴装置相连、并形成循环回路，水浴装置根据设定的温度将恒温液通过冷凝液输入管输入到冷凝管中，以实现对土样温度的调控，恒温液流经冷凝管后，由冷凝液输出管流回水浴装置，通过设定水浴装置温控系统的目标温度与时间来实现对土样的冻融循环模拟；所述应力施加系统包括轴压加载板、轴压螺栓和弹簧组件；所述弹簧组件设置在轴压加载板与剪切盒之间，通过调节轴压螺栓，实现弹簧组件提供法向恒刚度加载；所述应力应变系统包括压力数显装置、第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器，第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器均与压力数显装置相连，所述第一压力传感器设置在弹簧组件与剪切盒之间，第二压力传感器设置在第一刚性触手与钢制框架之间，第三压力传感器设置在第二刚性触手与钢制框架之间，在剪切过程中，中段剪切盒产生转动位移，会带动上段剪切盒和下段剪切盒一同转动，而上段剪切盒的第一刚性触手与钢制框架固定连接，限制了上段剪切盒的位移变形，下段剪切盒的第二刚性触手与钢制框架固定连接，限制了下段剪切盒的位移变形，第一压力传感器检测的轴向压力以及第二压力传感器和第三压力传感器检测采集的数据实时传递给压力数显装置进行数据的观测与记录。进一步的，所述变频电机与一电机数控显示系统电连接，变频电机的输出轴与一齿轮相连，沿中段剪切盒侧壁的圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，通过变频电机带动中段剪切盒进行不同速率的往返剪切运动。进一步的，为防止剪切时土样随动，所述剪切盒的内壁上还设置有竖直挡板，以防止土体与剪切盒产生相对位移，可以确保在剪切盒产生位移时，土体可以与剪切盒位移情况相一致，避免因为剪切盒采用了圆形的设计而使土体与剪切盒产生相对位移，产生误差。进一步的，所述阳极离子交换管和阴极离子交换管采用内外双层结构设计，内层为纤维增强两性离子交换膜，仅允许离子进出，避免试验过程中水分的迁移，外层为多孔铂金管，多孔铂金管可以有效防止管线被压扁，而且侧壁上小孔的设计可以有效保证离子交换，铂金稳定性高，能够有效避免电腐蚀。进一步的，所述中段剪切盒的侧壁上设置有亚克力材质的透明窗口，透明窗口的外侧设置有电镜，电镜设置在中段剪切盒的外面，可进行上下移动实现对剪切面的拍摄，记录剪切时剪切面的变化，通过后续数据处理分析剪切面宏细观变化情况。进一步的，所述阳极离子交换管和阴极离子交换管采用螺旋形结构设计，以增大与土体离子交换的接触面积。进一步的，所述竖直挡板为十字形挡板，与剪切盒的内壁固定连接，且在竖直挡板内置含水率探头，所述含水率探头与一含水率数显装置相连，通过测量土体的共振频率来确定土壤含水率。进一步的，所述电解液循环端包括循环盐溶液端和循环去离子水端，循环盐溶液端与阳极离子交换管相连，循环去离子水端与阴极离子交换管相连。进一步的，所述轴压加载板的下表面上还设置有位移传感器，所述位移传感器采用激光位移传感器，以实时检测轴向位移。本专利技术另外还提出一种基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置的测试方法，包括以下步骤：(1)、将按照设计含水量配置的土体分层置于剪切盒内，逐层压实；并通过干密度来控制压实度(制样干密度与最大干密度之比即为压实度)，各层土体之间刮毛，以避免出现土体分层；(2)、通过旋紧轴压螺栓，观察第一压力传感器读数，直至第一压力传感器读数达到设定轴向压力时停止，确保整个电解冻融循环过程以及剪切过程均在常法向刚度下完成；(3)、根据前期对土体矿物成分的测定，确定要置换的阳离子，选定盐溶液并确定盐溶液浓度；在阳极离子交换管中通入确定浓度的盐溶液，在阴极离子交换管中通入去离子水；(4)设定变压电源的电压，开始电解，观察阳离子浓度测试管，待半透膜从阴极离子交换管侧偏移至阳极离子交换管侧时，说明阳离子经过电解后已迁移至阴极，证明土体内部阳离子已经完成置换，以进行下一步试验；(5)剪切盒顶部内置的冷凝管与水浴装置相连，通过设定水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置，其特征在于，包括剪切系统、电解系统、温控系统、应力施加系统以及应力应变监测系统；所述剪切系统包括底座(27)和设置在底座(27)上的钢制框架(3)，钢制框架(3)的顶部设置有一轴压加载板(28)，轴压加载板(28)通过轴压螺栓(16)与钢制框架(3)相连；底座(27)上设置有一圆柱形剪切盒(6)，剪切盒(6)的顶部设置有端盖，剪切盒(6)内设置有土样，所述剪切盒(6)包括上段剪切盒、中段剪切盒和下段剪切盒；上段剪切盒和下段剪切盒分别对应的通过第一刚性触手(19)和第二刚性触手(11)与钢制框架(3)固定连接，中段剪切盒与一变频电机(24)相连，实现往返剪切运动；所述电解系统包括变压电源(13)、电解液循环端(12)、设置在土样上部的阳极电极(14)以及设置在土样下部的阴极电极(10)，阳极电极(14)与变压电源(13)正极相连，阴极电极(10)与变压电源(13)的负极相连；阳极电极(14)和阴极电极(10)均采用石墨材质，且阳极电极(14)和阴极电极(10)均为双层结构，阳极电极(14)的中间夹层内设置有阳极离子交换管(15)，阴极电极(10)的中间夹层内设置有阴极离子交换管(9)，阳极离子交换管(15)和阴极离子交换管(9)均与电解液循环端(12)相连，且阳极离子交换管(15)和阴极离子交换管(9)通过阳离子浓度测试管(8)相连，阳离子浓度测试管(8)为U型管，U型管内设置有半透膜，以判断电解的程度；所述温控系统包括水浴装置(23)、设置在剪切盒(6)顶部端盖内的冷凝管(4)，所述冷凝管(4)通过冷凝液输入管(18)和冷凝液输出管(20)与水浴装置相连、并形成循环回路；所述应力施加系统包括轴压加载板、轴压螺栓(16)和弹簧组件(2)；所述弹簧组件(2)设置在轴压加载板(28)与剪切盒(6)之间，通过调节轴压螺栓(16)，实现弹簧组件(2)提供法向恒刚度加载；所述应力应变系统包括压力数显装置(22)、第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器，第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器均与压力数显装置相连，所述第一压力传感器设置在弹簧组件(2)与剪切盒(6)之间，第二压力传感器设置在第一刚性触手(19)与钢制框架(3)之间，第三压力传感器设置在第二刚性触手(11)与钢制框架(3)之间。...

【技术特征摘要】
1.基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置，其特征在于，包括剪切系统、电解系统、温控系统、应力施加系统以及应力应变监测系统；所述剪切系统包括底座(27)和设置在底座(27)上的钢制框架(3)，钢制框架(3)的顶部设置有一轴压加载板(28)，轴压加载板(28)通过轴压螺栓(16)与钢制框架(3)相连；底座(27)上设置有一圆柱形剪切盒(6)，剪切盒(6)的顶部设置有端盖，剪切盒(6)内设置有土样，所述剪切盒(6)包括上段剪切盒、中段剪切盒和下段剪切盒；上段剪切盒和下段剪切盒分别对应的通过第一刚性触手(19)和第二刚性触手(11)与钢制框架(3)固定连接，中段剪切盒与一变频电机(24)相连，实现往返剪切运动；所述电解系统包括变压电源(13)、电解液循环端(12)、设置在土样上部的阳极电极(14)以及设置在土样下部的阴极电极(10)，阳极电极(14)与变压电源(13)正极相连，阴极电极(10)与变压电源(13)的负极相连；阳极电极(14)和阴极电极(10)均采用石墨材质，且阳极电极(14)和阴极电极(10)均为双层结构，阳极电极(14)的中间夹层内设置有阳极离子交换管(15)，阴极电极(10)的中间夹层内设置有阴极离子交换管(9)，阳极离子交换管(15)和阴极离子交换管(9)均与电解液循环端(12)相连，且阳极离子交换管(15)和阴极离子交换管(9)通过阳离子浓度测试管(8)相连，阳离子浓度测试管(8)为U型管，U型管内设置有半透膜，以判断电解的程度；所述温控系统包括水浴装置(23)、设置在剪切盒(6)顶部端盖内的冷凝管(4)，所述冷凝管(4)通过冷凝液输入管(18)和冷凝液输出管(20)与水浴装置相连、并形成循环回路；所述应力施加系统包括轴压加载板、轴压螺栓(16)和弹簧组件(2)；所述弹簧组件(2)设置在轴压加载板(28)与剪切盒(6)之间，通过调节轴压螺栓(16)，实现弹簧组件(2)提供法向恒刚度加载；所述应力应变系统包括压力数显装置(22)、第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器，第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器均与压力数显装置相连，所述第一压力传感器设置在弹簧组件(2)与剪切盒(6)之间，第二压力传感器设置在第一刚性触手(19)与钢制框架(3)之间，第三压力传感器设置在第二刚性触手(11)与钢制框架(3)之间。2.根据权利要求1所述的基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置，其特征在于：所述变频电机(24)与一电机数控显示系统(26)电连接，变频电机(24)的输出轴与一齿轮相连，沿中段剪切盒侧壁的圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，通过变频电机(24)带动中段剪切盒进行不同速率的往返剪切运动。3.根据权利要求1所述的基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置，其特征在于：所述剪切盒(6)的内壁上还设置有竖直挡板(5)，以防止土体与剪切盒(6)产生相对位移。4.根据权利要求1所述的基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置，其特征在于：所述阳极离子交换管(15)和阴极离子交换管(9)采用内外双层结构设计，内层为纤维增强两性离子交换膜。5.根据权利要求1-4任一项所述的基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置，其特征在于：所述中段剪切盒的侧壁上设置有亚克力材质的透明窗口(7)，透明窗口(7)的外侧设置有电...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨忠年，张亮，时伟，凌贤长，涂志斌，张莹莹，王勇，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37