试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法，涉及岩土工程技术领域，该装置包括恒温箱体，以及恒温箱体内腔中的试验模块；该试验模块包括样品试验筒、检测模块和支架；检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；当样品容纳空间放置有试验样品时，配置在样品试验筒上的移动部与试验样品接触；位移检测器对移动部的位移进行测量；设置在样品试验筒的内侧壁上的温度检测器和水分检测器通过接触试验样品来检测试验样品的温度参数和水分参数。通过调控恒温箱体的内腔环境温度，模拟实际环境的温度变化，检测模块观测试验样品在不同温度下的冻胀情况，试验装置简单，操作容易且直观，具有很好的实用性。

Testing device and frost heave strain test method for unsaturated soils

The invention provides a test device and a test method for frost heave strain of unsaturated soil, which relates to the field of geotechnical engineering. The device includes a thermostat chamber and a test module in the thermostat chamber; the test module includes a sample test cylinder, a test module and a bracket; the test module includes at least a displacement detector, a temperature detector and a moisture detector; and when the sample contains space, the test module comprises a displacement detector, a temperature detector and a water detector. When the test sample is placed, the moving part disposed on the test barrel contacts the test sample; the displacement detector measures the displacement of the moving part; the temperature detector and the water detector disposed on the inner side wall of the test barrel detect the temperature and water parameters of the test sample by contacting the test sample. By adjusting the temperature of the inner chamber of the thermostat, simulating the temperature change of the actual environment, and observing the frost heave of the test sample at different temperatures, the test device is simple, easy to operate and intuitive, and has good practicability.

【技术实现步骤摘要】
试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法
本专利技术涉及岩土工程
，尤其是涉及一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法。
技术介绍
冻胀是由于土中水的冻结和冰体的增长而引起的土体膨胀、地表不均匀隆起的一种现象，在寒区工程建设和运营中所面临的主要问题之一即为土体的冻胀问题。作为工程结构物承载体的土体变形直接影响其上工程的运营性能，其变形过大会使得路基、铺砌物、构筑物的基础、管道、栅栏等被抬起、扭曲甚至断裂破坏。特别在高纬度的寒带，一年四季的温差过大，气温的巨变对路基、钢轨、接触网等都有更高的施工要求。在这种区域，设计和建设高铁时，需要对地基土体的冻胀变形量进行预算。地基土体分为饱和土体和非饱和土体，饱和土在冻结过程中，土体中水分相变成冰所膨胀的体积全部用于挤压骨架，产生冻胀，故可通过土体中水分相变成冰体积膨胀来建立冻胀应变与水热场的关系；而非饱和土体存在非饱和孔隙，在冻结过程中，土体中水分相变成冰所膨胀的体积一部分用于填充非饱和孔隙，不对土体造成冻胀，另一部分用于挤压骨架，造成土体冻胀。目前工程设计中通常使用冻胀率公式对土体的冻胀变形量进行计算，而这种计算方法没有考虑到土体是否饱和的问题，因此该计算方法具有局限性，且存在较大的误差，另外，非饱和土水热力三场耦合模型因缺乏土体冻胀应变与水热场关系而无法对其冻胀进行预测。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法，以缓解了现有技术方法中无法准确获得非饱和土冻胀应变的技术问题。第一方面，本专利技术实施例提供了一种试验装置，该试验装置包括恒温箱体，以及设置在恒温箱体内腔中的试验模块；试验模块包括一端开口的样品试验筒、检测模块和支架；其中，检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；位移检测器设置在支架的顶端；样品试验筒配置有移动部，样品试验筒的筒底、样品试验筒的内侧壁和移动部组成样品容纳空间；温度检测器和水分检测器设置在组成样品容纳空间的内侧壁上；当样品容纳空间放置有试验样品时，移动部与试验样品接触；位移检测器的检测探头与移动部接触，用于检测移动部的位移参数；温度检测器和水分检测器与试验样品接触，用于检测试验样品的温度参数和水分参数。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，支架包括支架底座，以及设置在底座上的支撑架；支撑架包括支撑杆和设置在支撑杆上，且与支撑杆垂直设置的横杆，横杆组成支架的顶端，位移传感器设置在横杆上。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，组成样品容纳空间的内侧壁上还设置有与温度检测器和水分检测器匹配的通孔；温度检测器和水分检测器的检测探头通过通孔延伸至试验样品内部，与试验样品接触。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，移动部为透水板。结合第一方面的第三种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，样品试验筒的筒底也设置有透水板。结合第一方面的第三种或第四种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，透水板的径向尺寸与样品试验筒的内径相匹配。第二方面，本专利技术实施例还提供一种非饱和土冻胀应变试验方法，该方法包括：获得试验样品的试验参数，其中，试验样品为非饱和土，试验参数为通过第一方法所述的试验装置获取到的参数；试验参数包括试验样品的位移参数、温度和水分参数；根据试验参数计算试验样品的冻胀应变；按照预先设置的冻胀应变与土体体应变的对应关系计算试验样品的土体体应变；根据土体体应变，以及水分参数，计算当前温度下试验样品的有效应变比。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，根据试验参数计算试验样品的冻胀应变的步骤包括：提取位移参数，根据位移参数计算试验样品的总应变，其中，总应变表示为：其中，ε为总应变；z为位移参数；h为试验样品的高度；根据总应变，计算试验样品的冻胀应变，其中，冻胀应变表示为：εv＝ε-εe-εvp；式中，εv为冻胀应变；εe为弹性应变；εvp为塑性应变。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，冻胀应变与土体体应变的对应关系为纵向对应关系，纵向对应关系表示为：εv＝3εv(1-vT)/(1+vT)，式中，εv为土体体应变，vT为泊松比；根据土体体应变，以及水分参数，计算当前温度下试验样品的有效应变比的步骤包括：式中，β为有效应变比；θf为冻结水含量；ρw为水密度；ρi为冰密度。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，该方法还包括：根据有效应变比计算试验样品的冻胀应变与水热场的对应关系，对应关系表示为：式中，Ev为计算得到的冻胀应变。本专利技术实施例带来了以下有益效果：本专利技术实施例提供了一种试验装置及非饱和土冻胀应变试验方法，该装置包括恒温箱体，以及设置在恒温箱体内腔中的试验模块；该试验模块包括样品试验筒、检测模块和支架；检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；位移检测器设置在支架的顶端；样品试验筒配置有移动部；温度检测器和水分检测器设置在样品试验筒的内侧壁上；当样品容纳空间放置有试验样品时，移动部与试验样品接触；位移检测器的检测探头通过与移动部接触对移动部的位移进行测量；温度检测器和水分检测器与试验样品接触，用于检测试验样品的温度参数和水分参数。通过调控和保持恒温箱体的内腔环境温度，模拟试验样品在实际环境中的温度变化，试验模块中的检测模块对样品试验筒存放的试验样品的位移参数、温度和水分参数进行检测，可以直观的观测到试验样品在不同温度下的冻胀情况，试验装置简单，操作容易且直观，具有很好的实用性。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种试验装置的内腔结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的另一种试验装置的内腔结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种非饱和土冻胀应变与水热场关系的示意图；图4为本专利技术实施例提供的一种非饱和土冻胀应变试验方法的流程图；图5为本专利技术实施例提供的一种非饱和土有效应变比的温度变化曲线；图6为本专利技术实施例提供的另一种非饱和土冻胀应变试验方法的流程图。图标：100-恒温箱体；102-试验样品；104-位移检测器；106-温度检测器；108-水分检测器；110-移动部；112-筒底；114-内侧壁；116-位移检测器的检测探头；202-底座；204-支撑杆；206-横杆。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种试验装置，其特征在于，包括恒温箱体，以及设置在所述恒温箱体内腔中的试验模块；所述试验模块包括一端开口的样品试验筒、检测模块和支架；其中，所述检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；所述位移检测器设置在所述支架的顶端；所述样品试验筒配置有移动部，所述样品试验筒的筒底、所述样品试验筒的内侧壁和所述移动部组成样品容纳空间；所述温度检测器和所述水分检测器设置在组成所述样品容纳空间的内侧壁上；当所述样品容纳空间放置有试验样品时，所述移动部与所述试验样品接触；所述位移检测器的检测探头与所述移动部接触，用于检测所述移动部的位移参数；所述温度检测器和所述水分检测器与所述试验样品接触，用于检测所述试验样品的温度参数和水分参数。

【技术特征摘要】
1.一种试验装置，其特征在于，包括恒温箱体，以及设置在所述恒温箱体内腔中的试验模块；所述试验模块包括一端开口的样品试验筒、检测模块和支架；其中，所述检测模块至少包括位移检测器、温度检测器和水分检测器；所述位移检测器设置在所述支架的顶端；所述样品试验筒配置有移动部，所述样品试验筒的筒底、所述样品试验筒的内侧壁和所述移动部组成样品容纳空间；所述温度检测器和所述水分检测器设置在组成所述样品容纳空间的内侧壁上；当所述样品容纳空间放置有试验样品时，所述移动部与所述试验样品接触；所述位移检测器的检测探头与所述移动部接触，用于检测所述移动部的位移参数；所述温度检测器和所述水分检测器与所述试验样品接触，用于检测所述试验样品的温度参数和水分参数。2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述支架包括支架底座，以及设置在所述底座上的支撑架；所述支撑架包括支撑杆和设置在所述支撑杆上，且与所述支撑杆垂直设置的横杆，所述横杆组成所述支架的顶端，所述位移传感器设置在所述横杆上。3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，组成所述样品容纳空间的内侧壁上还设置有与所述温度检测器和所述水分检测器匹配的通孔；所述温度检测器和所述水分检测器的检测探头通过所述通孔延伸至所述试验样品内部，与所述试验样品接触。4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述移动部为透水板。5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，所述样品试验筒的筒底也设置有所述透水板。6.根据权利要求4或5所述的试验装置，其特征在于，所述透水板的径向尺寸与所述样品试验筒的内径相匹配。7.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：白瑞强，赖远明，张明义，
申请(专利权)人：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62