[發明專利]非飽和凍土力學性質測試裝置及未凍水含量測試方法

在審

• 申請號: 202310277098.4
• 申請日: 2023-03-20
• 公開（公告）號: CN116380649A
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 劉偉;徐湘田;王永濤;劉宇航;劉慶朋
• 申請（專利權）人: 內蒙古大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N33/24
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 孫海杰

本發明涉及非飽和凍土研究設備技術領域，尤其是涉及一種非飽和凍土力學性質測試裝置及未凍水含量測試方法。所述非飽和凍土力學性質測試裝置，包括：控制系統、控溫倉、底座組件、頂帽組件、冷浴裝置、加載架和加載頭裝置；底座組件設置在控溫倉的底部，頂帽組件設置在控溫倉的上部，底座組件和頂帽組件之間用于安裝試樣；頂帽組件包括頂板和設置在頂板上的流道，流道和控溫倉均與冷浴裝置連通；控溫倉的側壁上設有冷凍劑壓力檢測元件；加載架與底座組件連接，加載頭裝置連接在加載架的頂部，加載頭裝置能夠與頂板接觸；冷浴裝置、加載頭裝置、冷凍劑壓力檢測元件均與控制器通信連接。

技術領域

本發明涉及非飽和凍土研究設備技術領域，尤其是涉及一種非飽和凍土力學性質測試裝置及未凍水含量測試方法。

背景技術

凍土占全國國土面積68.6％，多年凍土區面積達2.15×10⁶km²，季節性凍土地區面積5.14×10⁶km²。凍土的成分、組構、熱物理及物理力學性質均有著不同于一般土的許多特點。凍土區的活動層中每年都發生著季節融化和凍結，并伴生有各種凍脹現象，因此，在凍土地區筑路時會產生一系列特殊的工程地質問題和路基路面病害。寒區路基工程中常見的病害有橫向裂縫、縱向裂縫、車轍、波浪式不均勻沉降等，上述病害的產生與高寒高海拔區路基老化、破壞有關，調查發現富冰、飽冰凍土融化產生的沉降對上述病害的出現起到控制作用。

寒區凍土隨溫度變化而產生的力學性質改變,如體積變化,強度降低是路基等線性構筑物病害出現的重要誘因。由于以往研究主要關注飽和凍土，而自然界實際上大多凍土均為非飽和凍土。隨著寒區工程的發展，特別是高速鐵路和高速公路等線性構筑物對平順性和穩定性要求越來越高，而實際路基本體多處于非飽和狀態,如果只從飽和狀態進行相應的研究，忽視非飽和狀態下凍結土體的強度和變形特性，往往會導致試驗模擬與現場工況不符的情況，并且不能很好的解決實際非飽和凍土工程中涉及和施工中遇到的問題。

非飽和凍土由于土體內部存在空隙，在經歷凍融過程時，一部分水分凝結成冰進入土的內部空隙中，這部分冰并不會引起土的體積的增大，當空隙被凍結的冰充滿時，繼續發生凍結作用時就會產生土體積的增大，引發凍脹現象，從而引起地基的破壞，故而非飽和凍土的凍脹測試顯得尤為重要。

實際工程中凍土的變形不僅包括垂向變形，也存在水平向變形，而現有。而現有技術中的測試裝置能夠實現對非飽和凍土的軸向凍脹力進行測試，不易實現對非飽和凍土的水平凍脹力進行測試。

發明內容

本發明的目的在于提供一種非飽和凍土力學性質測試裝置，以在一定程度上解決上述技術問題。

本發明提供了一種非飽和凍土力學性質測試裝置，控制系統、控溫倉、底座組件、頂帽組件、冷浴裝置、加載架和加載頭裝置；所述底座組件設置在所述控溫倉的底部，所述頂帽組件設置在所述控溫倉的上部，所述底座組件和所述頂帽組件之間用于安裝試樣；所述頂帽組件包括頂板和設置在所述頂板上的流道，所述流道和所述控溫倉均與所述冷浴裝置連通；所述控溫倉的側壁上設有冷凍劑壓力檢測元件；所述加載架與所述底座組件連接，所述加載頭裝置連接在所述加載架的頂部，所述加載頭裝置能夠與所述頂板接觸；所述冷浴裝置、所述加載頭裝置、所述冷凍劑壓力檢測元件均與所述控制系統通信連接。

將試樣安裝在頂帽組件和底座組件之間，各個部件就位，控制系統控制冷浴裝置向頂板的流道和控溫倉內供入冷凍劑，使得頂板達到一定的凍結溫度，使得控溫倉保持在一定的溫度；試樣在頂板的冷卻下凍結，通過加載頭裝置給試樣施加一定的壓力，使得試樣在軸向上不發生位移，則在試樣凍結過程中，試樣在橫向上發生變形，控溫倉密閉，則試樣對控溫倉內的冷凍劑進行擠壓，從而冷凍劑壓力檢測元件檢測到相應的壓力值，該壓力值則為試樣在水平向上的凍脹力。本發明提供的非飽和凍土，通過對控溫倉內的冷凍劑受到的壓力的檢測從而獲得試樣在水平向的凍脹力，實現通過簡單的結構實現對試樣的水平向的凍脹力的測試，實用性強，成本低。通過加載頭裝置施加不同的壓力，可以測試試樣在不同工況下的水平向凍脹力，對于路基邊坡防護等設計可提供有力的理論支撐。