一种循环压剪土体冻胀试验系统及试验方法与流程

1.本发明属于土工试验技术领域，涉及一种循环压剪土体冻胀试验系统及试验方法。


背景技术：

2.在寒区的岩土体工程中，土体冻胀带来了众多的工程病害，导致了较多的经济损失。现有研究表明，土的冻胀是一个复杂的物理过程，受到温度、水分、荷载、土质等因素的影响。对于路基土体而言，在移动交通荷载作用下，路基土单元承受的应力包括竖向动压应力、水平向动压应力、水平向循环剪切应力。实际上，对处于正温下的土体而言，水平向循环剪切应力会带来土颗粒的剪胀现象，对土体的变形、土体内部的孔隙水压力均有较大的影响。在正冻土中，水平向循环剪切应力分量对土体冻结过程中的水分迁移与冰晶分凝的影响也应当得到考虑。此外，交通荷载应力效应下的土单元存在应力主轴旋转现象，开展温度
‑
复杂应力路径耦合下的土体冻胀试验，是当前冻土研究中亟需突破的技术瓶颈之一。
3.目前，国内外已经开发了众多的土体冻胀试验系统，奠定了土体冻胀特性、行为、规律等测试与研究的基础。美国的《土体冻胀及融沉敏感性的标准测试方法(astm d5819
‑
13)》中规定需在直径146mm、高度150mm的土试件侧面采用隔热环包裹，并施加底部补水、采用负重板的上覆静荷载与指定顶底部温度下“自上而下”的冻结方式；日本的《土体冻胀敏感性测试方法(jgs0172
‑
2003)》中规定需对直径100mm、高度50mm的土试件侧面采用隔热环，并施加顶部补水、采用负重板的上覆静荷载与指定顶底部温度下“自下而上”的冻结；俄罗斯的《人工冻土冻胀率及冻胀力测试方法(ссср
№
746033)》中规定需对直径100mm、高度150
±
5mm的土试件侧向增加刚性套筒与绝热环，并施加底部补水、借助气压的上覆静荷载与指定顶部温度下“自上而下”的冻结方式；我国《土工试验方法标准(gbt50123
‑
1999)》中规定需对直径100mm、高度50mm的土试件侧面包裹保温环，并施加采用砝码的上覆静态荷载、顶部补水与指定顶底温度下“自下而上”的冻结方式。期刊文献(动、静荷载作用下细粒土的冻胀特性实验研究)，采用了完全侧限、上覆循环压应力的荷载边界来开展土体冻胀试验。cn110940598a公开了一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法，由于其剪切盒采用循环制冷液的方式来控制试件的侧面温度，造成单个剪切盒厚度过大，这对于细粒土试件而言会造成施加的水平向剪切应力在土单元内部并不均匀，不适合用作细粒土的循环单剪加载。
4.综上，可以看出当前土体冻胀试验系统及试验方法方面尚存在以下不足：(1)大部分试验系统通过在试件侧面增设保温材料以实现侧向绝热，然而现实情况下空隙的存在导致保温效果并不理想，试验过程中的温度依旧受到外界影响(2)尚未有针对细粒土开展循环单剪冻胀试验的装置，无法反映水平循环剪切应力分量对土体冻胀的影响；(3)当前的土体冻胀试验系统尚未能同时施加上覆动压应力、水平向动压应力、水平向剪切应力，无法实现试验过程中土单元主应力轴旋转的效果。模拟完整交通荷载应力效应下的土体冻胀过程、开展温度
‑
复杂应力路径耦合下的土体冻胀试验，仍然是当前冻土研究中亟需突破的方
向之一。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种循环压剪土体冻胀试验系统及试验方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种循环压剪土体冻胀试验系统，包括温控试验舱、水平向加载电机、竖向加载电机、水平向位移传感器、水平向力传感器、竖向位移传感器、竖向力传感器、孔压采集仪、温控仪、马氏补水瓶、电源，其中：
8.所述温控试验舱包括侧板、折叠式保温布、底座、底板、叠环、上冷盘、顶板、乳胶膜、土试件、热电偶、透水石、孔压传感器、限位构件；
9.所述侧板、底板、顶板共同组成土试件的温控试验环境空间；
10.所述侧板、顶板、上冷盘、底板均设有进出液口、温度传感器和半导体制冷片；
11.所述顶板通过其下部的顶板传力杆与上冷盘的顶部连接；
12.所述底板位于底座上部；
13.所述折叠式保温布的一端与侧板粘结，另一端与底座粘结；
14.所述土试件外部包裹有乳胶膜，内部埋设有热电偶和孔压传感器，上冷盘底部与土试件顶部之间、土试件底部与底板顶部之间均夹有透水石；
15.所述底板含有3条孔通道，孔通道a、孔通道c分别用于土试件内热电偶、孔压传感器导线的引出，孔通道b用于外接马氏补水瓶给土试件底部补水；
16.所述乳胶膜外侧套有数个叠环，限位构件底部固定于底板上且对称安装于叠环垂直与水平剪切方向的位置，用于限制叠环在垂直方向上的运动；
17.所述水平向加载电机用于控制底座的水平向运动，进而带动底板与叠环水平运动，实现土试件水平向剪切应力的施加；
18.所述竖向加载电机通过传力杆对顶板进行加载；
19.所述水平向位移传感器和水平向力传感器用于水平向位移与水平向荷载采集；
20.所述竖向位移传感器和竖向力传感器用于竖向位移与竖向荷载采集；
21.所述水平向位移传感器、水平向力传感器、竖向位移传感器、竖向力传感器均与压力与位移采集仪相连；
22.所述孔压传感器与孔压采集仪相连；
23.所述侧板、顶板、上冷盘、底板的进出液口与外界的循环冷浴箱相连；
24.所述半导体致冷片、温度传感器、热电偶均与温控仪相连；
25.所述电源与温控仪连接。
26.一种利用上述试验系统进行循环压剪土体冻胀试验的方法，包括如下步骤：
27.步骤一、设置侧板、顶板、底板、上冷盘的温度为所需试验环境温度，并对土试件施加竖向静态荷载，使土试件固结；
28.步骤二、待土试件的温度稳定在试验所需初始温度、竖向固结位移基本趋于稳定；
29.步骤三、将上冷盘的控制温度改为试验所需负温，并根据需要施加水平向与竖向均为循环荷载的循环压剪荷载或水平向为循环荷载、竖向为静态荷载的循环单剪荷载，进
而开展温度
‑
复杂应力路径耦合下的土体冻胀试验。
30.相比于现有技术，本发明具有如下优点：
31.1、本发明的土体冻胀试验装置针对试验土单元，温控试验舱采用控温金属板形成试件周边的温控空间，一方面避免了试验受大气环境的影响，另一方面也便于在冻土试验中采用厚度较小的叠环，提高土单元水平循环剪切应力的加载效果，适合用作细粒土的循环单剪加载。
32.2、本发明的土体冻胀试验系统可在土体冻结试验过程中对土单元分别或同时施加水平向循环剪切应力、竖向动压应力，可有效测试并研究交通荷载应力效应下的土体冻胀特性。其中同时施加指定的竖向与水平循环荷载时，可模拟交通荷载中的主应力轴旋转的荷载施加效果。
33.3、本发明的土体冻胀试验系统的竖向与水平向可设置为静态或动态加载，结合配套的试验环境控温设计与试件顶、底部控温设计，可开展温度
‑
复杂应力路径耦合下的土体冻胀试验、土体融化试验或土体冻融循环试验，也可测试冻土或正温土体的动态剪切模量、阻尼比等动力学参数。
附图说明
34.图1为温控试验舱的侧向与正向结构示意图；
35.图2为侧板的结构示意图，(a)为侧板的整体结构示意图，(b)为侧板金属板与侧板控温板的结构示意图，(c)为侧板控温板的结构示意图；
36.图3为底板的结构示意图，(a)为底板的整体结构示意图，(b)为底板控温板与底板金属板的结构示意图；(c)为底板控温板底部的结构示意图；
37.图4为顶板结构示意图，(a)为顶板的整体结构示意图，(b)为顶板散热箱中部及底部控温板示意图，(c)为顶板控温板的结构示意图；
38.图5为上冷盘的结构示意图，(a)为上冷盘的结构示意图，(b)为上冷盘散热箱中部与上冷盘控温板的结构示意图，(c)为上冷盘控温板的结构示意图；
39.图6为限位构件的结构示意图；
40.图7为循环压剪土体冻胀试验系统的具体实施方式示意图；
41.图8为模拟交通荷载主应力轴旋转时水平与竖向循环荷载的施加方式(以0.2s的加载周期为例)；
42.图中，1：侧板、1
‑
1：侧板散热箱、1
‑1‑
1：侧板散热箱金属板a、1
‑1‑
2：侧板散热箱橡胶片、1
‑1‑
3：侧板散热箱金属板b、1
‑
2：侧板控温板、1
‑
3：温度传感器a、1
‑
4：半导体致冷片a、2：折叠式保温布、3：底座、4：底板、4
‑
1：底板金属板a、4
‑1‑
a：孔通道a、4
‑1‑
b：孔通道b、4
‑1‑
c：孔通道c、4
‑
2：底板控温板、4
‑
3：底板橡胶片、4
‑
4：底板金属板b、4
‑
5：半导体致冷片b、4
‑
6：温度传感器b、5：叠环、6：上冷盘、6
‑
1：温度传感器d、6
‑
2：上冷盘控温盘、6
‑
3：半导体致冷片d、6
‑
4：上冷盘散热箱、6
‑4‑
1：上冷盘散热箱中部、6
‑4‑
2：上冷盘橡胶片、6
‑4‑
3：上冷盘散热箱顶部、7：顶板、7
‑
1：顶板散热箱、7
‑1‑
1：顶板金属板、7
‑1‑
2：顶板橡胶片、7
‑1‑
3：顶板散热箱中部、7
‑
2：顶板控温板、7
‑
3：温度传感器c、7
‑
4：半导体致冷片c、7
‑
5：顶板传力杆、8：乳胶膜、9：土试件、10：热电偶、11：透水石、12：孔压传感器、13：限位构件、14：竖向位移传感器、15：温控试验舱、16：金属框架、17：水平向位移传感器、18：水平向力传感器、19：水平向
加载电机、20：传力杆、21：水平滑动导轨、22：温控仪、23：孔压采集仪、24：马氏补水瓶、25：电源、26：竖向力传感器、27：竖向加载电机、28：压力与位移采集仪。
具体实施方式
43.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
44.本发明提供了一种循环压剪土体冻胀试验系统，所述试验系统的主体部分为温控试验舱15。如图1所示，温控试验舱15主要由侧板1、折叠式保温布2、底座3、底板4、叠环5、上冷盘6、顶板7、乳胶膜8、土试件9、热电偶10、透水石11、孔压传感器12、限位构件13组成，其中：
45.试验环境控温方面：4块侧板1、1块底板4、1块顶板7共同组成了土试件9的温控试验环境空间。侧板1、底板4、顶板4上均有进出液口，用于交换半导体致冷片(1
‑
4、4
‑
5、7
‑
4)产生的能量。折叠式保温布2的一端与侧板1底部粘结，另一端与底座3顶部粘结，既能形成对温控试验环境空间的包裹，减少与外界热量的交换，又可避免封闭试验空间对土试件9的受力增加额外的约束。
46.试件顶底温度边界控制方面：底板4控制着试验舱15底部、土试件9底部的温度边界。上冷盘6控制着土试件9的顶部温度边界。土试件9外部包裹有乳胶膜8。底板4位于底座3上部，并与底座3之间采用螺丝固定。土试件9内部埋设有热电偶10，可监测试验过程中的温度场变化。底板4可为土试件9提供底部温度边界、底部补水，可为土试件9内部热电偶10、孔压传感器12提供导线的通道。土试件9的顶部、底部均设有烧结金属材质的透水石11，透水石11具备透水、增加摩擦力、导热性强的优点，可兼顾试验过程中的导热与透水，同时具有较大的摩擦力。且位于土试件9底部与底板4之间的透水石11与底板4相同位置处也设有3个相同大小的贯穿孔通道。土试件9内部的热电偶10、孔压传感器12分别通过底板4的孔通道a4
‑1‑
a与孔通道c4
‑1‑
c引出，孔通道b4
‑1‑
b用于连接马氏补水瓶24。此外，顶板7与侧板1之间可采用强力胶水粘合，也可采用螺丝固定。
47.试件荷载边界控制方面：乳胶膜8外侧套有数个叠环5，底座3受水平荷载后带动底板4与叠环5水平向运动，将水平向荷载传递至土试件9，从而实现土试件9水平剪切应力的施加。此外，顶板7顶部开有圆形的一定深度的凹槽，可承受来自上部竖向加载杆的荷载，并通过其下部的顶板传力杆7
‑
5将竖向荷载传递至上冷盘6的顶部受荷处，从而实现土试件9竖向应力的施加。限位构件13通过螺丝固定于底板4上，约束叠环5由于试件9冻胀而产生的竖向位移。
48.如图2所示，侧板1主要由侧板散热箱1
‑
1、侧板控温板1
‑
2、温度传感器a1
‑
3、半导体致冷片a1
‑
4组成。侧板散热箱1
‑
1主要由侧板散热箱金属板a1
‑1‑
1、侧板散热箱橡胶片1
‑1‑
2、侧板散热箱金属板b1
‑1‑
3组成，侧板散热箱金属板a1
‑1‑
1上设有进出液口1
‑1‑
5，螺丝1
‑1‑
4将侧板散热箱1
‑
1与侧板控温板1
‑
2之间夹紧封闭。半导体致冷片a1
‑
4与侧板散热箱1
‑
1之间夹有导热硅胶，半导体致冷片a1
‑
4位于侧板控温板1
‑
2的凹槽内，导线由侧面穿出。温度传感器a1
‑
3由侧板控温板1
‑
2侧面打孔穿入，并从侧板控温板1
‑
2底面穿出，用于测试试验舱15内的空气温度。
49.如图3所示，底板4主要由底板金属板a4
‑
1、底板控温板4
‑
2、底板橡胶片4
‑
3、底板金属板b4
‑
4、半导体致冷片b4
‑
5、温度传感器b4
‑
6组成。底板金属板a4
‑
1、底板控温板4
‑
2、底板橡胶片4
‑
3、底板金属板b4
‑
4自上而下依次设置且采用螺丝固定。底板金属板a4
‑
1上部为圆形底座，便于安装土试件9与透水石11。底板金属板a4
‑
1中含有3条孔通道，孔通道a4
‑1‑
a、孔通道c4
‑1‑
c分别用于土试件9内热电偶10、孔压传感器12导线的引出，孔通道b4
‑1‑
b用于外接马氏补水瓶24给土试件9底部补水。底板控温板4
‑
2的底部含有迂回的水槽用于液体流通散发热量，顶部具有方形的切割凹陷用于安装半导体致冷片b4
‑
5。底板橡胶片4
‑
3采用密封胶粘贴于底板控温板4
‑
2的底部，用于密封底板控温板4
‑
2底部的水槽。温度传感器b4
‑
6由底板控温板4
‑
2侧面打孔插入，用于测试试验舱15内的空气温度。
50.如图4所示，顶板7由顶板散热箱7
‑
1、顶板控温板7
‑
2、温度传感器c7
‑
3、半导体致冷片c7
‑
4、顶板传力杆7
‑
5组成。顶板散热箱中部7
‑1‑
3包含有迂回的水槽，其上设有顶板橡胶片7
‑1‑
2用于密封水槽。顶板橡胶片7
‑1‑
2上部设有顶板金属板7
‑1‑
1，顶板金属板7
‑1‑
1的中心设有圆柱形的凹陷7
‑1‑
4，用于承受来自竖向加载电机27外接传力杆的竖向荷载。顶板散热箱7
‑
1与顶板控温板7
‑
2之间设置有半导体致冷片c7
‑
4，且半导体致冷片c7
‑
4位于顶板控温板7
‑
2的凹槽内。温度传感器c7
‑
3由顶板控温板7
‑
2侧面打孔穿入，并从顶板控温板7
‑
2底面穿出，用于测试试验舱15内的空气温度。顶板控温板7
‑
2的底部设置有顶板传力杆7
‑
5，用于将竖向荷载传递至上冷盘6的顶部受荷处。
51.如图5所示，上冷盘6主要由上冷盘散热箱6
‑
4、上冷盘控温盘6
‑
2、半导体致冷片d6
‑
3、温度传感器d6
‑
1组成。上冷盘散热箱顶部6
‑4‑
3上顶面中心含有半球形压槽，用于承受来自顶板传力杆7
‑
5的竖向荷载。上冷盘散热箱中部6
‑4‑
1设置有蚊香形迂回水槽，其上设有上冷盘橡胶片6
‑4‑
2用于密封蚊香形迂回水槽。上冷盘散热箱6
‑
4与上冷盘控温盘6
‑
2之间设置有半导体致冷片d6
‑
3，且半导体致冷片d6
‑
3位于上冷盘控温盘6
‑
2的凹槽内。温度传感器d6
‑
1由上冷盘控温盘6
‑
2打孔穿入，温度传感器d6
‑
1、半导体致冷片d6
‑
3的导线均垂直上冷盘散热箱6
‑
4向上穿出。
52.如图6所示，限位构件13采用螺丝固定于底板4上，对称安装于垂直与水平剪切方向的位置，用于限制叠环5位置在垂直方向上的运动。
53.如图7所示，将温控试验舱15安装于金属框架16上。水平向加载电机19控制底座3的水平向运动，进而带动底板4与叠环5水平运动，实行土试件9水平向剪切应力的施加，同时水平向位移与水平向荷载分别通过水平向位移传感器17、水平向力传感器18进行采集；竖向加载电机27通过传力杆对顶板7进行加载，竖向位移与竖向荷载通过竖向位移传感器14、竖向力传感器26进行采集。水平向位移传感器17、水平向力传感器18、竖向位移传感器14、竖向力传感器26均接至压力与位移采集仪28。此外，侧板1、顶板7、上冷盘6、底板4分别设有温度传感器a1
‑
3、温度传感器c7
‑
3、温度传感器d6
‑
1、温度传感器b4
‑
6，温控仪22根据反馈的温度信号，调整半导体致冷片的工作功率，实现温控试验舱15内的试验环境温度、土试件9顶部与底部温度的主动调节。将土试件9内部热电偶10的导线从底板4的孔通道a4
‑1‑
a穿出，并采用温控仪22采集相应的温度信号。将底板4的孔通道b4
‑1‑
b与马氏补水瓶24相连接，实现试验过程中的底部补水。若需要采集孔压，可在土试件9内部或底部埋设孔压传感器12，并从底板4的孔通道c4
‑1‑
c中将孔压传感器导线引出接至孔压采集仪23。土试件9的孔隙水压力、温度分布、竖向位移及受荷情况数据分别由孔压采集仪23、温控仪22、压力
及位移传感器28监测得到。温控试验舱15内的侧板1、顶板7、底板4、上冷盘6内部均有半导体致冷片，将侧板1、顶板4、上冷盘6、底板4的进出液口与外界的循环冷浴箱相连以散发半导体致冷片产生的热量，并将相应的半导体致冷片、温度传感器的导线与温控仪22相连，连接电源25与温控仪22之间的线路，电源25给温控仪22供电，即可开展考虑循环单剪应力效应的土体冻胀试验。可分别或单独施加上覆动压应力、水平向循环剪切应力，开展交通荷载应力效应下的土体冻胀试验。
54.一种利用上述试验系统进行循环压剪土体冻胀试验的方法，包括如下步骤：
55.步骤一：制备土试件9。将现场取土过2mm圆孔筛后，进行烘干，并按所需含水率配置相应的湿土，最后采用静压法成型直径100mm，高度50mm的圆柱形土试件。根据《公路土工试验规程》(ttg3430
‑
2020
‑
t01022007)中的真空饱和法对试样进行饱和操作，随后将试样脱出。
56.步骤二：传感器引线。将透水石11放置于底板4上，且圆孔与底板4顶面的圆孔对齐。将热电偶10、孔隙压力传感器12的导线先后从透水石11、底板4的顶部孔内穿入，并从孔通道a4
‑1‑
a、孔通道c4
‑1‑
c引出。随后将乳胶膜8套入底板4的顶部圆柱形凸起处，并加上橡胶圈固定乳胶膜底部于底板4的顶部圆柱形凸起处。
57.步骤三：安装土试件。采用直径1mm的细长的钢针从土试件9的侧面沿径向预留3个深度为50mm、沿高度方向间距为12.5mm的孔，随后将3个热电偶10插入孔内，再将2个热电偶10分别埋设于土试件9的顶部与底部。将孔压传感器12的探头埋设于土试件9的底部或内部。将乳胶膜8向上捋，将埋设完热电偶10、孔压传感器12的土试件用乳胶膜8包裹并固定。
58.步骤四：安装上冷盘。将透水石11、上冷盘6先后置放于土试件9顶部，并包裹于乳胶膜8内，采用橡胶圈固定乳胶膜8与上冷盘6。至此，顶、底部均含有透水石11的土试件9被封闭于乳胶膜8的空间内。再套上叠环5，堆叠高度至上冷盘6顶部。采用螺丝将限位构件13固定于底座3上，限位构件13的顶部压住与上冷盘6齐平的叠环5，用于限制叠环5的竖向移动。
59.步骤五：安装顶板与侧板。4块侧板1与1块顶板7已事先采用强力胶水粘合为一体，将该整体按图1所示安装，顶板传力杆7
‑
5压入上冷盘6的顶部圆球凹槽内。并将竖向加载电机27经过竖向力传感器26后的竖向加载杆压入顶板7上顶面的凹槽7
‑1‑
4内。
60.步骤六：连接管线。将侧板1、顶板7、底板4、上冷盘6的进出水口与循环冷浴箱连接。将侧板1、顶板7、底板4、上冷盘6的温度传感器与半导体致冷片的导线连接至温控仪22。将底板4的孔通道b4
‑1‑
b与马氏补水瓶24相连，并让马氏补水瓶水位与土试件9底部齐平。将电源25与温控仪22连接。孔压传感器12从孔通道c4
‑1‑
c引出后接至孔压采集仪23，热电偶10从孔通道a4
‑1‑
a引出后接至温控仪22进行监测采集。水平向位移传感器17、水平向力传感器18、竖向位移传感器14、竖向力传感器26均接至压力及位移采集仪28进行数据的采集。
61.步骤七：开始试验。先设置侧板1、顶板7、底板4、上冷盘6的温度均为所需试验环境温度，并对土试件施加竖向静态荷载，使土试件固结。待土试件9的温度稳定至试验所需温度、竖向固结位移基本趋于稳定。随后将上冷盘6的控制温度改为试验所需负温，并根据需要施加水平向与竖向均为循环荷载的循环压剪荷载或水平向为循环荷载、竖向为静态荷载的循环单剪荷载，进而开展温度
‑
复杂应力路径耦合下的土体冻胀试验。
62.需要注意的是，当竖向循环应力与水平向循环应力的施加波形如图8所示时，可模拟交通荷载作用下主应力轴旋转的施加效果。其中，竖向应力由竖向循环压应力与竖向静压应力组成，竖向与水平向应力按式(1)与式(2)计算：
63.σ
v
＝σ
s
σ
vample
·
ξ
σv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
64.τ
vh
＝τ
vhample
·
ξ
τvh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
65.式中：σ
v
为竖向应力，包括竖向静应力部分与竖向循环应力部分；σ
s
为竖向应力中的静应力部分；σ
vample
为竖向循环应力的振幅；ξ
σv
为竖向循环荷载系数；τ
vh
为水平向剪切应力；τ
vhample
为水平向剪切应力的振幅；ξ
τvh
为水平向循环荷载系数。
66.同时，本发明的试验系统亦可在循环单剪荷载、循环压剪荷载边界下开展土体的融化、冻融循环试验；此外，针对冻土或正温土，在分别将试验环境温度调至所需的负温或正温后，可通过施加循环单剪荷载的方式测试土体的动态剪切模量与阻尼比。