[發明專利]一種基于杠桿加載的凍脹融沉試驗系統

在審

• 申請號: 202210993735.3
• 申請日: 2022-08-18
• 公開（公告）號: CN115616187A
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 朱杰;唐文鋮
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01D21/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明實例公開了一種基于杠桿加載的凍脹融沉試驗系統，該系統包括支撐體系、試樣腔體部分、加載系統、溫度系統、應力、位移監測系統。支撐體系包括鋼架、鋼、木板臺面、兩根滑動導柱、限位板；試樣腔體部分包括由有機玻璃制圓柱式試樣腔體、鋼制頂板及底板、布置在底板下與試樣腔體所匹配的圓臺、補水裝置；加載系統由鋼制框架和砝碼盤；溫度系統包括冷水機、冷媒循環裝置以及內部的導流板、冷媒進出口；應力、位移監測系統包括上述凍脹力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、信號解調器、數據采集模塊及電腦。本發明可用于土體試樣的凍脹融沉試驗，凍脹融沉率都可以得出，且能在恒載下得出，可推導凍土融沉系數，計算土體的沉降量。

技術領域

本發明主要用于土工試驗巖土技術領域，具體涉及一種能夠研究巖土材料在恒壓加載條件下的凍脹融沉特性的試驗系統。

背景技術

凍脹融沉現象是現代工程建設中不容忽視的一個重要問題。無論是寒冷地區季節性凍土的反復凍脹還是溫暖地區人工地層凍結法施工引起的地層凍脹，都給地表構筑物運營及地下空間的開發帶來極大的危害。凍脹變形一方面是由土中水分在凍結溫度下發生相變引起的體積變形，另一方面是在溫度梯度的作用下所產生的水分遷移。而根據多年的經驗表明，融沉在危害程度上也是占有一席之地。融沉破壞實際是由兩種破壞疊加，一是凍土區土層在水、熱條件所產生的熱融沉陷，二是土層在荷載作用下壓密變形所產生的壓縮沉降。故在現代工程建設中，分析巖土材料在凍結過程中的基本物理指標和凍脹融沉特性之間的關系便顯的尤為重要。

發明內容

本發明的目的在于為土工試驗中凍結巖土材料的凍脹力、恒載凍脹率、恒載融沉率的測定提供一種功能齊全、使用方便的凍脹融沉試驗系統。

本發明的技術方案如下：

本發明提供的凍脹融沉試驗系統，包括支撐體系、試樣腔體部分、加載系統、溫度系統、應力、位移監測系統。支撐體系包括鋼架、與鋼架用螺栓連接的鋼、木板臺面、固定在底板上的兩根滑動導柱、設在所述滑動導柱上的限位板；試樣腔體部分包括由有機玻璃制圓柱式試樣腔體、覆蓋在所述腔體上的鋼制頂板以及腔體下的鋼制底板、布置在底板下與試樣腔體所匹配的圓臺，圓臺上方設置成凹槽以方便固定住試件，布置在底板下的補水裝置，布置在試樣腔體上下的透水石，開設在透水石上方可關閉的排水口；加載系統由鋼制框架由螺栓連接在臺面下和上頂板上、焊接在框架下方的吊勾相連的砝碼盤、凍脹力傳感器由頂點嵌入框架并與上述限位板共同固定在框架上方；溫度系統包括冷水機、安置在試樣腔體上下方的冷媒循環裝置以及內部的導流板、設在冷媒循環裝置上的冷媒進出口，可以實現體現封閉式雙向凍結；應力、位移監測系統包括上述凍脹力傳感器、設在試樣腔體側面的溫度傳感器、設置在上頂板上磁性底座以及吸附在上位移傳感器、與上述傳感器用導線相連的信號解調器、數據采集模塊及計算機。

本發明的基本理論原理：根據國家標準GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》：凍脹力是指在凍脹發生后，凍脹率為零時凍結土體對約束結構所施加的最大穩定壓力；在上覆荷載作用下，試樣的最大穩定凍脹量與試樣原長的比值為試樣的恒載凍脹率。計算公式如下：

式中：η為恒載凍脹率，％；Δh為最大穩定凍脹量，mm；H_f為凍結深度，mm。在上覆荷載作用下，試樣的最大融化下沉量與凍土試樣的高度的比值為試樣的融沉率。計算公式如下：

式中：δ₀為恒載融沉系數，％；ΔH為凍土最大融化下沉量，mm；H為凍土試樣高度，mm。

本發明的有益效果為：

1、凍脹融沉試驗系統的整體結構設計合理、安拆方便、數據讀取精確。

2、精確的溫度控制系統，能夠使溫度精確的控制在試驗所需求的范圍內，土體每個部位傳感器可以實時反饋出土體內部的溫度，能更好的體現出凍脹融沉過程中土體內部的溫度梯度。

3、砝碼-加載裝置可以使得荷載直接均勻作用在試樣上，可以較好的模擬出土樣在各種壓力條件下凍脹力和凍脹量的變化。