一种冻结力测定试验装置及其测定方法制造方法及图纸

本发明专利技术属地下工程领域，尤其涉及一种天然冻土区及人工冻土加固区地下结构物与冻土接触面冻结力测定试验装置及其测定方法。液压土样压制器压制土样使其密实度均匀一致，三层有机玻璃恒温保温罩中空层充填制冷剂和发泡材料以对冻土恒温、保温，钢管模型桩外壁水平环向车削不同深度直角凹痕模拟不同粗糙度结构物，钢管模型桩侧壁不同高度、不同方向处埋置热电偶温度传感器以准确测定桩土接触面温度，热电偶温度传感器、压力传感器、竖向位移传感器连接数字采集仪同步测定桩土接触面温度、桩顶竖向荷载及桩土相对位移变化。本发明专利技术冻结力测定试验装置结构简单、性能稳定可靠、适用范围广，能准确测定不同温度冻土与不同粗糙度结构物冻结力及冻结强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地下工程领域，尤其是涉及一种天然冻土区及人工冻土加固区地下结构物与冻土接触面冻结力测定试验装置及其测定方法，适用于测定不同冻结温度条件下冻土与不同粗糙度结构物接触面冻结力及冻结强度。
技术介绍
天然冻土区和人工冻土加固区的地下结构物与冻土接触面间存在冻结力，该冻结力的存在易引起起地下结构物应力场重新分布，当冻结力过大时甚至引发结构物变形或损伤，故有必要准确测定冻土区地下结构物与冻土接触面冻结力的大小。冻结力难以进行现场实测，一般都是通过室内模型试验测定，常用的冻结力测定方法有两种：一种是利用冻土直剪仪测定剪切板与冻土接触面间抗剪强度，以此作为结构物与冻土接触面冻结力，该测定方法有关冻土接触面模拟、受力状态、边界条件等与实际工况差别较大；另一种是利用土压力计测定结构物与冻土接触面处法向压力，然后利用经验公式推算冻结力，由于结构物与冻土接触面处法向压力测定试验操作较为困难，且不同地区土质差异性较大，故这种依赖于地区经验的测定方法所得的冻结力与实际值差距也较大。专利申请号CN201310004478.7一种冻土地区桩侧壁冻结力测试装置及其使用方法，该装置“可以模拟各种地温工况下桩侧与土层的冻结力”，但该装置很难确保每次试验时模型桩周边土体都具有定量准确的密实度，测试数据的随机误差较大；由于先压密试样土后插入模型桩，一方面模型桩插入会比较困难，另一方面也会扰动土样使模型桩周土体松动，直接影响冻结力的大小；该装置采用模型桩内部布置制冷盘管方式冻结土样，难以确保桩周不同距离处冻土体温度均匀一致。鉴于以上现状，如何准确测定结构物与冻土接触面冻结力已成为冻土区地下结构物设计的难题，因此迫切需要研发一种能够准确、方便测定结构物与冻土接触面冻结力的试验装置及其冻结力测定方法。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种冻结力测定试验装置及其测定方法，解决现有技术中冻结力测定装置试验随机误差大、测定结果不准确、测定试验操作困难的问题。本专利技术采用的技术方案有：一种冻结力测定试验装置，包括土样试模、钢管模型桩、液压土样压制器、加载托架、有机玻璃保温隔热板、有机玻璃恒温保温罩、竖向位移传递板、热电偶温度传感器、压力传感器、竖向位移传感器、数字采集仪，所述热电偶温度传感器导线从钢管模型桩中空钢管温度传感器内侧放置孔穿入、在外侧放置孔中连接并焊接，钢管模型桩插入土样试模并从土样试模底盖中心孔穿出；所述土样试模置于液压土样压制器底板中心位置进行土样分层压制；所述有机玻璃恒温保温罩连同压制后的土样一起置于恒温低温箱中进行冷冻；所述加载托架顶面放置有机玻璃保温隔热板，土样试模置于有机玻璃保温隔热板上，并使钢管模型桩从加载托架中心孔穿出，有机玻璃恒温保温罩罩住土样试模；所述竖向位移传感器固定于位移传感器支座上端，竖向位移传感器测量端支撑在钢管模型桩上端的竖向位移传递板两侧；所述压力传感器置于竖向位移传递板顶面，压力试验机上压头紧压住压力传感器；所述热电偶温度传感器、竖向位移传感器、压力传感器的导线连接数字采集仪。作为本专利技术的进一步改进，所述土样试模为无上下底的不锈钢桶，由于冻结力沿模型桩竖向分布不均，为使试验测得的冻结强度更切合实际，土样试模高径比不宜太大，通过对比试验并参照人工冻土试验取样及试样制备方法，确定该装置土样试模高径比为0.5，土样试模内径为300mm、壁厚为5mm、高度为150mm。所述土样试模底盖和顶盖均为不锈钢制成，其内径为311mm、壁厚为5mm、高度为20mm，其底面中心开圆形孔，开孔直径91mm。作为本专利技术的进一步改进，所述钢管模型桩为不锈钢空心圆管，考虑到钢管模型桩直径相对于土样试模直径的尺寸效应对于冻结强度测定结果影响较大，故保持土样试模直径及其它试验参数不变选用多组不同外径(30mm～120mm)的钢管模型桩进行冻结力测试，依据钢管模型桩直径-冻结力关系曲线尺寸效应渐趋平稳的拐点优选钢管模型桩直径，由此确定该装置钢管模型桩外径为90mm、内径为70mm、高度为360mm；依据表面粗糙度有关定义，表面粗糙度大小与表面痕迹深浅、疏密、形状和纹理有关，故在钢管模型桩外侧表面沿水平环向车削不同深度的直角凹痕(每道凹痕形状相同、深度相等，其直角边与桩外侧表面切线方向成45°夹角，相邻凹痕之间保持等间距，其间距等于凹痕直角边长度)以模拟不同表面粗糙度的结构物；在距钢管模型桩底130mm、190mm、250mm三个不同高度、不同方向处开设3个温度传感器放置孔，并使3个温度传感器放置孔在径向和轴向都三等分钢管模型桩，温度传感器放置孔的外侧孔径为6mm、孔深为4mm，内侧孔径为3mm、孔深为6mm。所述热电偶温度传感器为3组相同型号的热电偶温度传感器，每组热电偶温度传感器均由两根铜-康铜热电偶导线组成，将3组热电偶温度传感器从空心钢管内部穿过不同高度处的温度传感器内侧放置孔，在外侧放置孔中将两根热电偶导线连接，用锡焊将连接端焊接并使焊锡填充满整个外侧放置孔，通过打磨使焊锡表面与钢管模型桩外侧表面齐平。作为本专利技术的进一步改进，所述液压土样压制器由反力架、压土板、双作用千斤顶、手动双作用液压油泵组成，反力架由550mm×550mm×40mm不锈钢板构成的上下底板以及4根直径35mm、长度860mm的不锈钢螺栓组成，手动双作用液压油泵固定于液压土样压制器上底板上部，双作用千斤顶固定于液压土样压制器上底板下部，双作用千斤顶通过液压油管连接手动双作用液压油泵，压土板由外径为298mm、内径为92mm、厚度为20mm的环形不锈钢板和外径为112mm、内径为92mm、长度为150mm中空不锈钢管组合焊接而成，并通过中空不锈钢管上端的内丝接头固定于双作用千斤顶的顶升端。作为本专利技术的进一步改进，所述加载托架由上底板、下底板、中隔板及支承圆管构成，上、下底板为直径420mm、厚度10mm的圆形不锈钢板，上、下底板中心位置分别开直径91mm圆形孔，下底板两侧对称焊接长120mm、宽50mm、厚10mm的矩形钢板，钢板端部开设直径为10mm的螺丝孔用作固定位移传感器支座，中隔板为直径290mm、厚度10mm的圆形不锈钢板，支承圆管为外径300mm、壁厚10mm、高150mm的不锈钢圆管，支承圆管侧面对称开4个宽20mm、高50mm的矩形观察孔。作为本专利技术的进一步改进，所述有机玻璃恒温保温罩由有上底、无下底的三层有机玻璃圆桶制成，有机玻璃恒温保温罩外径为420mm、内径为340mm、高度为210mm，上底中心位置开直径为112mm圆孔，其有机玻璃壁厚为5mm，三层有机玻璃之间为两层厚度12.5mm的中空层，内侧中空层中注满用以恒温的多元丙烯酸多元醇聚合体制冷剂，外侧中空层中填充满用以保温的聚氨酯发泡材料。所述有机玻璃保温隔热板由直径为420mm、厚度为20mm的圆形有机玻璃板制成，其中心位置开直径为91mm圆形孔。作为本专利技术的进一步改进，所述竖向位移传递板由圆管和翼板构成，圆管为外径111mm、壁厚10mm、高度40mm的不锈钢管，不锈钢管顶面加焊直径91mm、厚度10mm的圆形不锈钢板作为上底，翼板为两块长度100mm、宽度30mm、厚度5mm的不锈钢板本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冻结力测定试验装置，包括钢管模型桩(2)、土样试模(3)、液压土样压制器(19)、有机玻璃恒温保温罩(9)、有机玻璃保温隔热板(8)、加载托架(6)、竖向位移传递板(10)、数字采集仪(15)、热电偶温度传感器(16)、压力传感器(17)、竖向位移传感器(18)，其特征在于所述钢管模型桩(2)插入土样试模(3)并穿过土样试模底盖(5)及土样试模顶盖(4)中心孔；所述液压土样压制器(19)由液压土样压制器反力架(25)、手动双作用液压油泵(22)、双作用千斤顶(23)、压土板(24)构成；所述有机玻璃恒温保温罩(9)由三层有机玻璃圆桶中空层内充填制冷剂和发泡材料构成；所述加载托架(6)支承土样试模(3)并钢管模型桩(2)下端从其中心孔穿过；所述竖向位移传递板(10)套在钢管模型桩(2)顶端，竖向位移传感器(18)测量端支撑于竖向位移传递板(10)两侧翼板顶面；所述数字采集仪(15)通过导线分别连接热电偶温度传感器(16)、压力传感器(17)、竖向位移传感器(18)。

【技术特征摘要】
1.一种冻结力测定试验装置，包括钢管模型桩(2)、土样试模(3)、液压土样压制器(19)、有机玻璃恒温保温罩(9)、有机玻璃保温隔热板(8)、加载托架(6)、竖向位移传递板(10)、数字采集仪(15)、热电偶温度传感器(16)、压力传感器(17)、竖向位移传感器(18)，其特征在于所述钢管模型桩(2)插入土样试模(3)并穿过土样试模底盖(5)及土样试模顶盖(4)中心孔；所述液压土样压制器(19)由液压土样压制器反力架(25)、手动双作用液压油泵(22)、双作用千斤顶(23)、压土板(24)构成；所述有机玻璃恒温保温罩(9)由三层有机玻璃圆桶中空层内充填制冷剂和发泡材料构成；所述加载托架(6)支承土样试模(3)并钢管模型桩(2)下端从其中心孔穿过；所述竖向位移传递板(10)套在钢管模型桩(2)顶端，竖向位移传感器(18)测量端支撑于竖向位移传递板(10)两侧翼板顶面；所述数字采集仪(15)通过导线分别连接热电偶温度传感器(16)、压力传感器(17)、竖向位移传感器(18)。2.根据权利要求1所述的一种冻结力测定试验装置，其特征在于：所述钢管模型桩(2)外壁水平环向车削不同深度的直角凹痕模拟不同粗糙度的结构物，钢管模型桩(2)侧壁开设3个温度传感器放置孔，并使3个放置孔在径向和轴向三等分钢管模型桩(2)，所述热电偶温度传感器(16)从温度传感器放置孔内部穿出并使其焊接端与钢管模型桩(2)外侧表面齐平。3.根据权利要求1所述的一种冻结力测定试验装置，其特征在于：所述液压土样压制器底板(20)中心开孔，压制土样时钢管模型桩
\t(2)下端插入其中心孔，压土板(24)由环形不锈钢板制成，通过中空不锈钢管端部内丝连接头固定于双作用千斤顶(23)顶升端，其中空不锈钢管内径比钢管模型桩(2)外径大2-3mm，压制土样时钢管模型桩(2)上端插入压土板(24)中空不锈钢管内以使土样压制到位。4.根据权利要求1所述的一种冻结力测定试验装置，其特征在于：所述有机玻璃恒温保温罩(9)为有上底、无下底的三层有机玻璃圆桶，上底面中心开设圆孔，其直径比竖向位移传递板(10)的圆形钢管外径大1-2mm，三层有机玻璃恒温保温罩(9)内侧中空层注入多元丙烯酸多元醇聚合体制冷剂用以恒温，三层有机玻璃恒温保温罩(9)外侧中空层填充聚氨酯发泡材料用以保温。5.根据权利要求1所述的一种冻结力测定试验装置，其特征在于：所述加载托架(6)上、下底板及中隔板中心分别开设圆孔，其直径比钢管模型桩(2)外径大1-2mm，加载托架下底板两侧对称加焊用作固定位移传感器支座(11)的矩形钢板，加载托架(6)支承圆管侧面对称开4个矩形观察孔，所述有机玻璃保温隔热板(8)置于加载托架(6)上底板中心位置。6.根据权利要求1所述的一种冻结力测定试验装置，其特征在于：所述竖向位移传递板(10)圆管顶面两侧对称焊接用以支撑竖向位移传感器测量端的翼板，其圆管直径比钢管模型桩(2)外径大1-2mm，所述竖向位移传感器(18)固定于位移...

【专利技术属性】
技术研发人员：石泉彬，杨平，张婷，何文龙，王海波，
申请(专利权)人：南京林业大学，石泉彬，
类型：发明
国别省市：江苏;32