[發明專利]一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結分層制樣裝置

有效

• 申請號: 201310367161.X
• 申請日: 2013-08-21
• 公開（公告）號: CN103471884A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 馬巍;張淑娟;孫志忠;杜玉霞;杜海明
• 申請（專利權）人: 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 馬正良

技術領域

本發明涉及一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結分層制樣裝置，主要用于凍土力學測試中高含水(冰)量（土、水混合物在融化條件下處于流塑狀態）凍土試樣的人工制備使用。

背景技術?????

由于寒區經濟的發展和工程實踐的指引，凍土學者在凍土力學性質方面已進行了大量深入的研究,?并從微細觀方面對其力學性質變化機理進行了闡述，但這些工作主要集中于低含水(冰)量凍土，即凍土體中的總質量含水量小于或等于飽和值。相比較，對于總含水量超過飽和值的高含水(冰)量凍土卻討論很少，而在實體工程的建設中(如青藏鐵路、青藏公路等)，有不少路段穿越了高含水(冰)量凍土區。人們在進行工程設計時發現，這些地區土體力學參數的選取即不能用低含水(冰)量凍土的研究成果，也不能用冰力學來解釋;?如果溫度接近于水的相變區，其力學性質就非常的不穩定，極易在外界溫度和壓力變化的影響下發生實質性的改變，所以高含水(冰)量凍土的力學性質即不同于冰的，又有別于常規低含水(冰)量凍土的。隨著全球氣候的轉暖和高含水(冰)量凍土區基礎工程建設的增多，不論在待建工程的設計還是已運營工程的穩定性評價中，都要考慮到高含水(冰)凍土的力學特性，那么高含水(冰)量凍土試樣的人工制備技術就成為關鍵。

基于已有的國、內外研究，高含水(冰)量凍土的人工制備方法可歸納為三種：一、將壓碎冰(粒徑為0~16.0mm)和干土的均勻混合物以松散的狀態裝入模具，完成30分鐘左右的抽氣補水飽和后快速凍結；二、在低溫（-7.0℃左右）實驗室將壓碎冰(占總質量含水量的85~90%，粒徑0~5.0mm)、干土和0℃液態水的均勻混合物按需求比例裝入模具，一次性壓制成標樣；三、將冰、水直接混合成的泥漿一次性倒入模具、搖勻，然后在-20.0℃以下進行24h以上的快速多向凍結。通過一、二兩種方式可以保證試樣具有較高的含水(冰)量，但是改變了冰在土體中的自然形成過程；而在第三種方式下，當試樣的總含水量較低時，在凍結過程中水分遷移不明顯，所得試樣內部含水量分布比較均勻；但當含水量更大時，在快速多向凍結過程中，水分會向四周遷移，最終易造成試樣中的絕大多數含水量分布在試樣邊緣部位，尤其在試樣兩端冰、土分離比較嚴重。顯然，在高含水(冰)量凍土試樣的人工制備方面還存在諸多問題，因此，研發一種可模擬性強，且適用于常溫實驗室制備高含水(冰)量凍土試樣的人工制備裝置及方法，對于研究高含水(冰)量凍土的力學特性問題具有非常重要的意義。

發明內容

為了克服上述現有高含水(冰)量凍土的人工制備技術的缺點，本發明的目的在于提供一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結分層制樣裝置。利用該裝置，能在常溫實驗室實現高含水(冰)量（土、水混合物在融化條件下處于流塑狀態）凍土的人工制備。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結分層制樣裝置，主要由冷浴、冷卻液循環管路、方形冷卻盤管、鋁板、環氧樹脂試樣筒、試樣、制樣模具，保溫箱、熱敏電阻溫度傳感器和溫度調控單元組成。提供冷能的冷浴與冷卻液循環管路一端相連，冷卻液循環管路另一端與方形冷卻盤管相連，方形冷卻盤管固定在鋁板下表面的扣槽內，熱敏電阻溫度傳感器等間距分布在鋁板下表面，鋁板上表面鋪設一層濾紙，環氧樹脂試樣筒置于濾紙上，通過螺母將鋁板和環氧樹脂試樣筒固定并位于保溫箱的中心，環氧樹脂試樣筒中置有制樣模具及與模具相箍的試樣，環氧樹脂試樣筒頂部有匹配的環氧樹脂頂蓋，溫度調控單元由溫控器和數顯式數據采集儀組成，其中溫控器與熱敏電阻溫度傳感器上的引線連接，數顯式數據采集儀與溫控器連接。

本發明的優點：

本發明由溫控系統、分層裝樣系統和保溫箱三部分構成，其中溫控系統包括冷浴、冷液循環管路、冷卻盤管、熱敏電阻溫度傳感器和溫度調控單元；分層裝樣系統包括鋁制底板、濾紙、環氧樹脂試樣筒、環氧樹脂頂蓋和制樣模具。溫控系統自動調節分層裝樣系統的底板溫度，保溫箱為分層裝樣系統提供穩定的環境溫度。

本發明通過溫控系統和恒溫箱控制環氧樹脂試樣筒底部溫度，將呈流塑態的土、水均勻混合物由制樣模具上端口分次加入，然后通過調節環氧樹脂試樣筒底部溫度、每次加入土、水混合物的層厚及每加完一層后的恒溫時間，實現具有層狀或整體狀構造的高含水(冰)量凍土試樣的人工制備，從而為高含水(冰)量凍土力學特性的試驗研究提供了試樣保證。

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附圖說明

圖1是本發明立體示意圖。

圖2是圖1中環氧樹脂試樣筒與保溫箱剖面示意圖。