非饱和冻土力学性质测试装置及未冻水含量测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及非饱和冻土研究设备技术领域，尤其是涉及一种非饱和冻土力学性质测试装置及未冻水含量测试方法。所述非饱和冻土力学性质测试装置，包括：控制系统、控温仓、底座组件、顶帽组件、冷浴装置、加载架和加载头装置；底座组件设置在控温仓的底部，顶帽组件设置在控温仓的上部，底座组件和顶帽组件之间用于安装试样；顶帽组件包括顶板和设置在顶板上的流道，流道和控温仓均与冷浴装置连通；控温仓的侧壁上设有冷冻剂压力检测元件；加载架与底座组件连接，加载头装置连接在加载架的顶部，加载头装置能够与顶板接触；冷浴装置、加载头装置、冷冻剂压力检测元件均与控制器通信连接。冻剂压力检测元件均与控制器通信连接。冻剂压力检测元件均与控制器通信连接。

【技术实现步骤摘要】
非饱和冻土力学性质测试装置及未冻水含量测试方法


[0001]本专利技术涉及非饱和冻土研究设备
，尤其是涉及一种非饱和冻土力学性质测试装置及未冻水含量测试方法。

技术介绍

[0002]冻土占全国国土面积68.6％，多年冻土区面积达2.15
×
106km2，季节性冻土地区面积5.14
×
106km2。冻土的成分、组构、热物理及物理力学性质均有着不同于一般土的许多特点。冻土区的活动层中每年都发生着季节融化和冻结，并伴生有各种冻胀现象，因此，在冻土地区筑路时会产生一系列特殊的工程地质问题和路基路面病害。寒区路基工程中常见的病害有横向裂缝、纵向裂缝、车辙、波浪式不均匀沉降等，上述病害的产生与高寒高海拔区路基老化、破坏有关，调查发现富冰、饱冰冻土融化产生的沉降对上述病害的出现起到控制作用。
[0003]寒区冻土随温度变化而产生的力学性质改变,如体积变化,强度降低是路基等线性构筑物病害出现的重要诱因。由于以往研究主要关注饱和冻土，而自然界实际上大多冻土均为非饱和冻土。随着寒区工程的发展，特别是高速铁路和高速公路等线性构筑物对平顺性和稳定性要求越来越高，而实际路基本体多处于非饱和状态,如果只从饱和状态进行相应的研究，忽视非饱和状态下冻结土体的强度和变形特性，往往会导致试验模拟与现场工况不符的情况，并且不能很好的解决实际非饱和冻土工程中涉及和施工中遇到的问题。
[0004]非饱和冻土由于土体内部存在空隙，在经历冻融过程时，一部分水分凝结成冰进入土的内部空隙中，这部分冰并不会引起土的体积的增大，当空隙被冻结的冰充满时，继续发生冻结作用时就会产生土体积的增大，引发冻胀现象，从而引起地基的破坏，故而非饱和冻土的冻胀测试显得尤为重要。
[0005]实际工程中冻土的变形不仅包括垂向变形，也存在水平向变形，而现有。而现有技术中的测试装置能够实现对非饱和冻土的轴向冻胀力进行测试，不易实现对非饱和冻土的水平冻胀力进行测试。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种非饱和冻土力学性质测试装置，以在一定程度上解决上述技术问题。
[0007]本专利技术提供了一种非饱和冻土力学性质测试装置，控制系统、控温仓、底座组件、顶帽组件、冷浴装置、加载架和加载头装置；所述底座组件设置在所述控温仓的底部，所述顶帽组件设置在所述控温仓的上部，所述底座组件和所述顶帽组件之间用于安装试样；所述顶帽组件包括顶板和设置在所述顶板上的流道，所述流道和所述控温仓均与所述冷浴装置连通；所述控温仓的侧壁上设有冷冻剂压力检测元件；所述加载架与所述底座组件连接，所述加载头装置连接在所述加载架的顶部，所述加载头装置能够与所述顶板接触；所述冷浴装置、所述加载头装置、所述冷冻剂压力检测元件均与所述控制系统通信连接。
[0008]将试样安装在顶帽组件和底座组件之间，各个部件就位，控制系统控制冷浴装置向顶板的流道和控温仓内供入冷冻剂，使得顶板达到一定的冻结温度，使得控温仓保持在一定的温度；试样在顶板的冷却下冻结，通过加载头装置给试样施加一定的压力，使得试样在轴向上不发生位移，则在试样冻结过程中，试样在横向上发生变形，控温仓密闭，则试样对控温仓内的冷冻剂进行挤压，从而冷冻剂压力检测元件检测到相应的压力值，该压力值则为试样在水平向上的冻胀力。本专利技术提供的非饱和冻土，通过对控温仓内的冷冻剂受到的压力的检测从而获得试样在水平向的冻胀力，实现通过简单的结构实现对试样的水平向的冻胀力的测试，实用性强，成本低。通过加载头装置施加不同的压力，可以测试试样在不同工况下的水平向冻胀力，对于路基边坡防护等设计可提供有力的理论支撑。
[0009]进一步地，非饱和冻土力学性质测试装置还包括与所述控制系统通信连接的气体供给装置；所述气体供给装置与所述控温仓连通以用于给试样输送气体；所述底座组件包括陶土板，所述陶土板的底部连接有冲刷板，所述冲刷板的面向所述陶土板的底面上设有冲刷槽；所述非饱和冻土力学性质测试装置还包括均与所述控制系统通信连接的陶土板冲刷装置、试样张力计、试样温度检测元件和试样孔隙水压力检测元件，所述陶土板冲刷装置与所述冲刷槽连通。
[0010]进一步地，所述顶帽组件包括多孔透气板；所述多孔透气板设置在所述顶板的下方，且用于位于所述试样的上方，所述气体供给装置与所述多孔透气板连通。
[0011]进一步地，所述气体供给装置和所述冷浴装置连通，所述气体供给装置和所述冷浴装置的连通管路上设有控制阀门。
[0012]进一步地，所述陶土板冲刷系统包括控制器、废液收集器、两个体积压力控制器和两个管路；两个所述体积压力控制器一一对应连接在两个所述管路上；两个所述管路中的一个的一端与所述冲刷槽的一端连通冲刷板另一端与所述废液收集器连通；两个所述管路中的另一个的一端与所述冲刷槽的另一端连通，另一端与所述废液收集器连通；在所述管路的与所述废液收集器连通的一侧设有电控制阀门；所述体积压力控制器和所述电控制阀门均与所述控制器通信连接，所述控制器与所述控制系统通信连接。
[0013]进一步地，所述非饱和冻土力学性质测试装置还包括膜套，所述膜套用于套设在试样外；所述顶帽组件还包括顶部固定环和顶部密封圈，所述膜套的上端包裹在所述顶板的外壁上，所述顶部固定环套设在所述膜套的上端以将所述膜套压紧在所述顶板外，所述顶部密封圈夹设在所述顶部固定环和所述控温仓的内壁之间。
[0014]进一步地，所述顶帽组件还包括多个限位杆，多个所述限位杆沿所述固定环的圆周方向间隔设置；所述限位杆的一端与所述固定环连接，另一端与所述控温仓的内壁连接。
[0015]进一步地，所述底座组件还包括底部固定环和底部密封圈，所述膜套的下端包裹在所述陶土板的外壁上，所述底部固定环套设在所述膜套的下端以将所述膜套压紧在所述陶土板外，所述底部密封圈夹设在所述底部固定环和所述控温仓的内壁之间。
[0016]进一步地，所述膜套的外壁上连接有尼龙条，所述尼龙条上设有定位螺纹孔，所述定位螺纹孔处设有密封垫。
[0017]本专利技术提供一种未冻水含量测试方法，利用上述非饱和冻土力学性质测试装置，包括：
[0018]利用模具按照标准制作土样，根据所取的土样及试验要求，确定试样的密度、含水
率；
[0019]将试样装在顶帽组件和底座组件之间，将试样张力计、试样温度检测元件和试样孔隙水压力检测元件插入试样中；
[0020]设定初始的轴向力(通过上覆压力进行计算确定P＝rH)，通过冷浴装置使得顶板温度达到第一设定温度，通过冷浴装置向控温仓内供入冷冻剂以使控温仓保持在第二设定温度，试样进行单向冻结；
[0021]记录试样张力计获取的张力数据q、试样温度检测元件获取的温度数据t、试样孔隙水压力检测元件获取的孔隙水压力s；
[0022]第一公式：
[0023]第二公式：
[0024]其中，ω
‑
试样含水量；m
水
‑
试样中水的质量；m
s
‑
试样中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非饱和冻土力学性质测试装置，其特征在于，包括：控制系统(1)、控温仓(2)、底座组件(3)、顶帽组件(4)、冷浴装置(5)、加载架(6)和加载头装置(7)；所述底座组件(3)设置在所述控温仓(2)的底部，所述顶帽组件设置在所述控温仓(2)的上部，所述底座组件(3)和所述顶帽组件之间用于安装试样(70)；所述顶帽组件(4)包括顶板(41)和设置在所述顶板(41)上的流道，所述流道和所述控温仓(2)均与所述冷浴装置(5)连通；所述控温仓(2)的侧壁上设有冷冻剂压力检测元件(8)；所述加载架(6)与所述底座组件(3)连接，所述加载头装置(7)连接在所述加载架(6)的顶部，所述加载头装置(7)能够与所述顶板(41)接触；所述冷浴装置(5)、所述加载头装置(7)、所述冷冻剂压力检测元件(8)均与所述控制系统(1)通信连接。2.根据权利要求1所述的非饱和冻土力学性质测试装置，其特征在于，非饱和冻土力学性质测试装置还包括与所述控制系统(1)通信连接的气体供给装置(10)；所述气体供给装置(10)与所述控温仓(2)连通以用于给试样(70)输送气体；所述底座组件(3)包括陶土板(31)，所述陶土板(31)的底部连接有冲刷板(20)，所述冲刷板(20)的面向所述陶土板的底面上设有冲刷槽；所述非饱和冻土力学性质测试装置还包括均与所述控制系统(1)通信连接的陶土板冲刷装置(30)、试样张力计(40)、试样温度检测元件和试样孔隙水压力检测元件，所述陶土板冲刷装置(30)与所述冲刷槽连通。3.根据权利要求2所述的非饱和冻土力学性质测试装置，其特征在于，所述顶帽组件包括多孔透气板(42)；所述多孔透气板(42)设置在所述顶板(41)的下方，且用于位于所述试样(70)的上方，所述气体供给装置(10)与所述多孔透气板(42)连通。4.根据权利要求2所述的非饱和冻土力学性质测试装置，其特征在于，所述气体供给装置(10)和所述冷浴装置(5)连通，所述气体供给装置(10)和所述冷浴装置(5)的连通管路(304)上设有控制阀门。5.根据权利要求2所述的非饱和冻土力学性质测试装置，其特征在于，所述陶土板(31)冲刷系统包括控制模块(301)、废液收集器(302)、两个体积压力控制器(303)和两个管路(304)；两个所述体积压力控制器(303)一一对应连接在两个所述管路(304)上；两个所述管路(304)中的一个的一端与所述冲刷槽的一端连通，另一端与所述废液收集器(302)连通；两个所述管路(304)中的另一个的一端与所述冲刷槽的另一端连通，另一端与所述废液收集器(302)连通；在所述管路(304)的与所述废液收集器(302)连通的一侧设有电控制阀门(305)；所述体积压力控制器(303)和所述电控制阀门均与所述控制模块(301)通信连接，所述控制模块(301)与所述控制系统(1)通信连接。6.根据权利要求2所述的非饱和冻土力学性质测试装置，其特征在于，所述非饱和冻土力学性质测试装置还包括膜套(60)，所述膜套(60)用于套设在试样(70)外；所述顶帽组件(4)还包括顶部固定环和顶部密封圈，所述膜套(60)的上端包裹...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，徐湘田，王永涛，刘宇航，刘庆朋，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：发明
国别省市：