季节性冻土直剪试验系统及其试验方法技术方案

发明专利技术提供季节性冻土直剪试验系统及其试验方法。该试验系统包括布置在试验平台上的剪切盒、冻融循环系统和加载系统。所述剪切盒的侧壁内封装有液氮冷却室。所述剪切盒可拆分为上剪切盒和下剪切盒。工作时，被测试的冻土试样置于剪切盒内腔中。液氮在液氮冷却室和液氮冷却装置之间循环流动，加热氮气在剪切盒内腔和氮气加热通风装置之间循环流动，实现土体的冻融循环。所述自动垂直加压装置对冻土试样施加正应力，自动水平推动装置对下剪切盒施加水平推力。该试验系统的试验方法包括制备土体试样、施加直荷载和采集记录数据等步骤。该试验系统可观察试样试验过程中的细观特性。可实现现场土体的冻融循环，模拟阳光下的冻融循环作用。

【技术实现步骤摘要】
季节性冻土直剪试验系统及其试验方法
本专利技术涉及工程冻土学
，具体涉及冻土剪切试验设备。
技术介绍
冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤，对温度极为敏感，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正是由于这些特性，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。其中起重要作用的是水的存在形态，当水变成冰时体积增大，使土体膨胀，地表因此而拱起升高，这就是冻胀；当土中的冰转变为水时，体积收缩了，地表便发生融化下沉，简称融沉。在这两种现象的反复作用下，道路或房屋的基底就会出现破裂或者塌陷。因此，在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设，就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。直剪试验是土力学基本剪切试验的一种，其原理是根据库伦定律，土的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比，将同一种土制备成几个土样，分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得其剪坏时剪应力，即为抗剪强度，然后根据剪切定律确定土的抗剪强度指标内摩擦角φ和内粘聚力c。直剪试验是测定土抗剪强度的一种常用的、古老的、又最简单的方法。测定土不同压力下的抗剪强度，得出土的抗剪强度指标粘聚力c和摩擦角φ，可以估算地基承载力，评价地基稳定性，计算挡土墙土压力等。现有技术中，没有实现土体现场的冻融循环，也没有直剪试验与冻土相结合的现场模拟。因此本实验两者结合，解决了以前模拟存在的缺陷，主要是针对边坡滑坡，测定冬季冻土的残余强度,利用直剪的性质与自动化的操作来实现冻土的模拟直剪，从而测出冻土的基本力学参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供季节性冻土直剪试验系统及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，季节性冻土直剪试验系统，包括布置在试验平台上的剪切盒、冻融循环系统和加载系统。所述剪切盒整体为一个矩形箱体。这个矩形箱体的四侧周壁依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述剪切盒的第二侧壁与第四侧壁内封装有液氮冷却室。所述剪切盒可拆分为上剪切盒和下剪切盒。所述上剪切盒整体为矩形框体。所述上剪切盒的第一侧壁和第三侧壁上设置有加热氮气通风口。所述上剪切盒的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮注入口。所述下剪切盒整体为矩形箱体。所述下剪切盒的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮输出口。所述上剪切盒和下剪切盒上下对齐，共同拼合为剪切盒。所述加热氮气通风口连通剪切盒外侧与剪切盒内腔。所述液氮注入口和液氮输出口连通剪切盒外侧与液氮冷却室。所述冻融循环系统包括氮气加热通风装置和液氮冷却装置。所述氮气加热通风装置通过加热氮气循环管道与加热氮气通风口连接。所述液氮冷却装置通过液氮循环管道与液氮注入口以及液氮输出口连接。工作时，被测试的冻土试样置于剪切盒内腔中。液氮在液氮冷却室和液氮冷却装置之间循环流动，加热氮气在剪切盒内腔和氮气加热通风装置之间循环流动，实现土体的冻融循环。所述加载系统包括自动垂直加压装置、自动水平推动装置和转动轴承。所述转动轴承布置在下剪切盒与试验平台之间。所述自动垂直加压装置的试样施压面板覆盖在冻土试样上。所述自动水平推动装置的推力盘固接在下剪切盒的第二侧壁上。试验时，所述剪切盒的第一侧壁和第三侧壁外侧分别布置有一台工业CT。所述控制工业CT、冻融循环系统和加载系统均与数据采集仪连接。所述自动垂直加压装置对冻土试样施加正应力，自动水平推动装置对下剪切盒施加水平推力。下剪切盒的水平移动距离和应力大小传回数据采集仪。进一步，所述剪切盒采用PEEK树脂制成。进一步，所述剪切盒的外壁上布置有LED阵列。所述LED阵列位于加热氮气通风口的上方。所述LED阵列由多组LED电路并联组成，通过调节每路的输出光强并通过在剪切盒内LED灯光阵列表面的微纳导光膜中的混光元件实现多种光的混合达到最接近于阳光的色温和光强，从而实现太阳光谱的模拟，并提供良好的面光源，使土体得以均匀照射。本专利技术还公开一种关于权利要求1所述季节性冻土直剪试验系统的试验方法，包括以下步骤：1)在剪切盒内放入土体并压实。打开冻融循环系统，实现土体的冻融循环。2)自动垂直加压装置对试样施加垂直荷载，自动水平推动装置对下剪切盒施加水平推力。3)数据采集仪采集并记录剪应力数据和剪切位移数据。数据采集仪对数据初步处理后，将数据传输至电脑。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的：A.可观察试样试验过程中的细观特性；B.可实现现场土体的冻融循环，模拟阳光下的冻融循环作用；C.实现冬季冻土模拟的自动化，控制冻融循环的作用时间；D.能够有效模拟现场的冻土直剪；E.加热的氮气从通风口通入剪切盒内腔，可与试样直接接触，对试样起到加热并通风的效果。附图说明图1为直剪试验系统结构示意图；图2为冻融循环系统结构示意图；图3为加载系统示意图；图4为剪切盒结构示意图。图中：工业CT1、数据采集仪2、氮气加热通风装置3、液氮冷却装置4、自动垂直加压装置5、自动水平推动装置6、上剪切盒7、转动轴承8、下剪切盒10、加热氮气通风口9、液氮循环管道11、加热氮气循环管道12、LED阵列13、液氮注入口14、液氮输出口15。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。实施例1：参见图1，本实施例公开季节性冻土直剪试验系统，包括布置在试验平台上的剪切盒、冻融循环系统和加载系统。参见图4，所述剪切盒采用PEEK树脂(聚醚醚酮)制成。所述剪切盒整体为一个矩形箱体。这个矩形箱体的四侧周壁依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述剪切盒的第二侧壁与第四侧壁内封装有液氮冷却室。所述剪切盒可拆分为上剪切盒7和下剪切盒10。所述上剪切盒7整体为矩形框体。所述上剪切盒7的第一侧壁和第三侧壁上设置有加热氮气通风口9。所述上剪切盒7的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮注入口14。所述下剪切盒10整体为矩形箱体。所述下剪切盒10的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮输出口15。所述上剪切盒7和下剪切盒10上下对齐，共同拼合为剪切盒。所述加热氮气通风口9连通剪切盒外侧与剪切盒内腔。所述液氮注入口14和液氮输出口15连通剪切盒外侧与液氮冷却室。所述剪切盒的外壁上布置有LED阵列13。所述LED阵列13位于加热氮气通风口9的上方。所述LED阵列13由多组LED电路并联组成，通过调节每路的输出光强并通过在矩形盒内的微纳导光膜中的混光元件实现多种光的混合达到最接近于阳光的色温和光强，从而实现太阳光谱的模拟，并提供良好的面光源，使土体得以均匀照射。参见图2，所述冻融循环系统包括氮气加热通风装置3和液氮冷却装置4。所述氮气加热通风装置3通过加热氮气循环管道12与加热氮气通风口9连接，从而对土体加热和通风，达到融化和通风的效果。所述液氮冷却装置4通过液氮循环管道11与液氮注入口14以及液氮输出口15连接，从对土体冷冻，达到冷冻土体的效果。工作时，被测试的冻土试样置于剪切盒内腔中。图中箭头表示加热氮气和液氮的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.季节性冻土直剪试验系统，其特征在于：包括布置在试验平台上的剪切盒、冻融循环系统和加载系统；所述剪切盒整体为一个矩形箱体；这个矩形箱体的四侧周壁依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述剪切盒的第二侧壁与第四侧壁内封装有液氮冷却室；所述剪切盒可拆分为上剪切盒(7)和下剪切盒(10)；所述上剪切盒(7)整体为矩形框体；所述上剪切盒(7)的第一侧壁和第三侧壁上设置有加热氮气通风口(9)；所述上剪切盒(7)的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮注入口(14)；所述下剪切盒(10)整体为矩形箱体；所述下剪切盒(10)的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮输出口(15)；所述上剪切盒(7)和下剪切盒(10)上下对齐，共同拼合为剪切盒；所述加热氮气通风口(9)连通剪切盒外侧与剪切盒内腔；所述液氮注入口(14)和液氮输出口(15)连通剪切盒外侧与液氮冷却室；所述冻融循环系统包括氮气加热通风装置(3)和液氮冷却装置(4)；所述氮气加热通风装置(3)通过加热氮气循环管道(12)与加热氮气通风口(9)连接；所述液氮冷却装置(4)通过液氮循环管道(11)与液氮注入口(14)以及液氮输出口(15)连接；工作时，被测试的冻土试样置于剪切盒内腔中；液氮在液氮冷却室和液氮冷却装置(4)之间循环流动，加热氮气在剪切盒内腔和氮气加热通风装置(3)之间循环流动，实现土体的冻融循环；所述加载系统包括自动垂直加压装置(5)、自动水平推动装置(6)和转动轴承(8)；所述转动轴承(8)布置在下剪切盒(10)与试验平台之间；所述自动垂直加压装置(5)的试样施压面板覆盖在冻土试样上；所述自动水平推动装置(6)的推力盘固接在下剪切盒(10)的第二侧壁上；试验时，所述剪切盒的第一侧壁和第三侧壁外侧分别布置有一台工业CT(1)；所述控制工业CT(1)、冻融循环系统和加载系统均与数据采集仪(2)连接；所述自动垂直加压装置(5)对冻土试样施加正应力，自动水平推动装置(6)对下剪切盒(10)施加水平推力；下剪切盒(10)的水平移动距离和应力大小传回数据采集仪(2)。...

【技术特征摘要】
1.季节性冻土直剪试验系统，其特征在于：包括布置在试验平台上的剪切盒、冻融循环系统和加载系统；所述剪切盒整体为一个矩形箱体；这个矩形箱体的四侧周壁依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述剪切盒的第二侧壁与第四侧壁内封装有液氮冷却室；所述剪切盒可拆分为上剪切盒(7)和下剪切盒(10)；所述上剪切盒(7)整体为矩形框体；所述上剪切盒(7)的第一侧壁和第三侧壁上设置有加热氮气通风口(9)；所述上剪切盒(7)的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮注入口(14)；所述下剪切盒(10)整体为矩形箱体；所述下剪切盒(10)的第二侧壁和第四侧壁上设置有液氮输出口(15)；所述上剪切盒(7)和下剪切盒(10)上下对齐，共同拼合为剪切盒；所述加热氮气通风口(9)连通剪切盒外侧与剪切盒内腔；所述液氮注入口(14)和液氮输出口(15)连通剪切盒外侧与液氮冷却室；所述冻融循环系统包括氮气加热通风装置(3)和液氮冷却装置(4)；所述氮气加热通风装置(3)通过加热氮气循环管道(12)与加热氮气通风口(9)连接；所述液氮冷却装置(4)通过液氮循环管道(11)与液氮注入口(14)以及液氮输出口(15)连接；工作时，被测试的冻土试样置于剪切盒内腔中；液氮在液氮冷却室和液氮冷却装置(4)之间循环流动，加热氮气在剪切盒内腔和氮气加热通风装置(3)之间循环流动，实现土体的冻融循环；所述加载系统包括自动垂直加压装置(5)、自动水平推动装置(6)和转动轴承(8)；所述转动轴承(8)布置在下剪切盒(10)与试验平台...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱珍锋，杨少博，李施衡，王俊杰，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50