一种冻土大剪仪及其系统的制作方法

1.本技术涉及冻土检测技术领域，具体而言，涉及一种冻土大剪仪及其系统。


背景技术：

2.冻土在我国广泛分布，包括多年冻土和季节性冻土，分布面积占据我国国土面积的75％。众多国家级大型项目在冻土区开展，例如哈大高铁、青藏铁路等，大型工程在冻土区开展，冻土力学特征对于工程的设计、施工以及后期安全运营发挥着举足轻重的作用。
3.冻土力学特征测试中的关键是需要通过室内测试系统精准地模拟现场冻土遭遇的应力场、温度场等变化，其获得的物理力学参数才能够为冻土工程设计提供准确可靠的技术参数。
4.现有技术中使用较多的设备为冻土三轴仪试验系统，该系统主要通过预先对试样进行冷冻，然后将试样置入三轴试验系统中，通过冷浴保持负温，进而按照实验计划对试样加载，实现冻土不同应力路径条件下测试工作，获得不同负温条件下冻土的力学特征指标，该设备目前使用较多，且技术较为成熟。
5.然而，目前的设备中不能够模拟自然界冻土的单向冻结过程，同时无法对冻结碎石及含有大量粒径超过10mm冻土力学特性进行测试。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种冻土大剪仪及其系统，以解决现有技术中在进行冻土测试时，存在无法模拟自然界冻土的单向冻结过程及测试品的尺寸受限的问题。
7.为了实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
8.一方面，本技术实施例提供了一种冻土大剪仪，所述冻土大剪仪包括上剪切盒、下剪切盒、冷浴组件、荷载加载组件以及冻胀力测试组件，所述上剪切盒与所述下剪切盒相对设置以形成置物空间，所述冷浴组件分别与所述上剪切盒、所述下剪切盒连通，所述荷载加载组件与所述上剪切盒连接，所述冻胀力测试组件与所述上剪切盒和/或所述下剪切盒连接；其中，
9.所述上剪切盒与所述下剪切盒用于容置待测冻土；
10.所述冷浴组件用于对所述上剪切盒和/或所述下剪切盒内的待测冻土冻结至预设温度；
11.所述荷载加载组件用于对所述待测冻土施加压力；
12.所述冻胀力测试组件用于测试所述待测冻土的冻胀力。
13.可选地，所述上剪切盒与所述下剪切盒的截面为正方形或三角形。
14.可选地，所述冻土大剪仪还包括伺服电机与传力杆，所述伺服电机通过所述传力杆与所述上剪切盒或所述下剪切盒连接；其中，
15.所述伺服电机用于通过所述传力杆向所述上剪切盒或所述下剪切盒施加作用力。
16.可选地，所述冻土大剪仪还包括滚动滑轮与台箱，所述滚动滑轮设置于所述下剪
切盒的底部，且所述滚动滑轮与所述台箱连接。
17.可选地，所述冻土大剪仪还包括台箱与支架，所述冻胀力测试组件包括水平位移传感器，所述下剪切盒与所述支架均设置于所述台箱上，所述水平位移传感器安装于所述支架上，且所述水平位移传感器与所述上剪切盒或所述下剪切盒连接，以测试所述上剪切盒或所述下剪切盒的水平位移量。
18.可选地，所述冻胀力测试组件还包括竖直位移传感器，所述竖直位移传感器也安装于所述支架上，且所述竖直位移传感器与所述上剪切盒连接，以测试所述上剪切盒的竖直位移量。
19.可选地，所述冻土大剪仪还包括控制装置，所述冻胀力测试组件包括多个传感器，所述控制装置分别与所述荷载加载组件、所述传感器电连接，所述传感器用于检测所述上剪切盒和/或所述下剪切盒的位移量，并依据所述位移量控制所述荷载加载组件对所述待测冻土施加压力。
20.可选地，所述冻土大剪仪还包括控制装置与温度传感器，所述温度传感器分布于所述上剪切盒与所述下剪切盒的四周，以测试所述待测冻土的温度，所述控制装置分别与所述温度传感器、所述冷浴组件电连接，且所述控制装置用于依据所述温度传感器反馈的温度信息调控所述冷浴组件的工作状态。
21.可选地，所述上剪切盒与所述下剪切盒的四周设置有保温层。
22.另一方面，本技术实施例还提供了一种大剪仪系统，所述大剪仪系统包括上述的冻土大剪仪。
23.相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：
24.本技术提供了一种冻土大剪仪及其系统，该冻土大剪仪包括上剪切盒、下剪切盒、冷浴组件、荷载加载组件以及冻胀力测试组件，上剪切盒与下剪切盒相对设置以形成置物空间，冷浴组件分别与上剪切盒、下剪切盒连通，荷载加载组件与上剪切盒连接，冻胀力测试组件与上剪切盒和/或下剪切盒连接；其中，上剪切盒与下剪切盒用于容置待测冻土；冷浴组件用于对上剪切盒和/或下剪切盒内的待测冻土冻结至预设温度；荷载加载组件用于对待测冻土施加压力；冻胀力测试组件用于测试待测冻土的冻胀力。一方面，由于本技术提供冻土大剪仪包括上剪切盒与下剪切盒，因此置物空间能够明显增大，使得置物空间能够容纳超过10mm的冻土，同时由于荷载加载组件能够提供作用力，因此对于包含冻结碎石的冻土，也能很好的进行检测。另一方面，由于冷浴组件能够将待测冻土冻结至预设温度，因此其能够模拟自然界冻土的单向冻结过程，测试效果更好。
25.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
27.图1为本技术实施例提供的冻土大剪仪的结构示意图。
28.图2为本技术实施例提供的上剪切盒与下剪切盒的结构示意图。
29.图3为本技术实施例提供的温度传感器的布局示意图。
30.图4为本技术实施例提供的上剪切盒与下剪切盒的另一种结构示意图。
31.图中：100
‑
冻土大剪仪；110
‑
上剪切盒；120
‑
下剪切盒；130
‑
冷浴组件；131
‑
制冷装置；132
‑
冷浴循环仓；140
‑
冻胀力测试组件；141
‑
水平位移传感器；142
‑
竖直位移传感器；150
‑
荷载加载组件；160
‑
伺服电机；165
‑
传力杆；170
‑
滚动滑轮；175
‑
台箱；180
‑
控制装置；181
‑
控制器；182
‑
手动操作屏；190
‑
固定板；200
‑
支架；210
‑
限位横梁；220
‑
配重装置；230
‑
温度传感器；240
‑
保温层；250
‑
定位装置。
具体实施方式
32.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.正如背景技术中所述，自然界中的岩土体中往往包含着粒径不同的土颗粒或者碎石颗粒，现有三轴试验测试系统最大的测试样品尺寸为直径100mm，允许测试样品中包含的最大颗粒的粒径不超过10mm，对于铁路和公路的路基、大坝的坝基、多年冻土区的房屋地基等，底部往往放置大量的碎石，碎石的粒径远远大于10mm，此时无法利用现有技术中的冻土三轴进行其力学特征的测试。
36.此外，现有技术中通过冰箱、冻融循环试验箱等对试验样品进行冻结，并通过冻土单轴抗压强度或者冻土三轴仪对冻土的力学特性进行测试，且仅能够利用已有设备对纯冻结土或者未冻结土的力学性质进行测试，无法对冻土与融土界面的力学性质进行测试。
37.因此，现有的冻土检测方案存在以下问题：
38.1、冰箱、冻融循环试验箱等对岩土体进行冻结过程中不能够模拟自然界冻土的单向冻结过程。
39.2、现有的单轴抗压强度设备及冻土三轴试验设备在测试冻土力学特征时无法对冻结碎石及含有大量粒径超过10mm冻土力学特性进行测试。
40.3、现有技术中仅能够满足冻土本身力学性质的测试，对于冻土与不同岩土界面的摩擦力无法直接获取。
41.有鉴于此，本技术提供了一种冻土大剪仪，通过在冻土大剪仪上设置不同的组件，实现对冻土的测试。并解决现有技术中不能够准确模拟试样自然冻结过程、不能够准确测试冻结碎石及含有大量粒径超过10mm冻土力学特性的不足，以及不能够获取冻土与不同岩土界面摩擦力的不足。同时，本技术提供的冻土大剪仪能够进行冻结融化过程中力学特性
测试，精确测试大尺寸冻土试样或试样中含有大量粒径大于10mm粒径的冻土的力学特性，为冻土工程设计提供技术参数。通过更换上剪切盒与下剪切盒的岩土体，能够对冻土与不同岩土体接触面的力学特性进行测试，亦能够实现不同冻结岩土体之间摩擦力的测试。
42.下面对本技术提供的冻土大剪仪进行示例性说明：
43.作为一种实现方式，冻土大剪仪100包括上剪切盒110、下剪切盒120、冷浴组件130、荷载加载组件150以及冻胀力测试组件140，上剪切盒110与下剪切盒120相对设置以形成置物空间，冷浴组件130分别与上剪切盒110、下剪切盒120连通，荷载加载组件150与上剪切盒110连接，冻胀力测试组件140与上剪切盒110和/或下剪切盒120连接。
44.上剪切盒110与下剪切盒120用于容置待测冻土，冷浴组件130用于对上剪切盒110和/或下剪切盒120内的待测冻土冻结至预设温度，荷载加载组件150用于对待测冻土施加压力，冻胀力测试组件140用于测试待测冻土的冻胀力。
45.其中，上剪切盒110的主要功能为形成置物空间，并且在置物空间中放置待测冻土与下部剪切盒配合使用，完成试样的剪切，或者在上下剪切盒120中放置不同的岩土体试样进行不同冻土试样界面摩擦力的测试，因此，本技术提供的冻土大剪仪100能够对不同材质的冻土进行检测。
46.并且，通过上剪切盒110与下剪切盒120的配合使用，使得容置空间的体积增大，能够容纳更大尺寸的冻土，可选地，上下剪切盒120的尺寸包括200*100mm、300*200mm、400*400mm等尺寸，能够满足不同尺寸试样的测试要求，还可以根据预定尺寸对该套系统进行定制，满足不同条件下的测试需求，在此不做任何限定。
47.冷浴组件130可以对上剪切盒110和/或下剪切盒120内的待测冻土冻结至预设温度，进而能够模仿自然界中的冰冻情况，可以进行不同方向冻结过程的设置，与自然界岩土体冻结过程一致，实现对冻土的检测。
48.荷载加载组件150可以对待测冻土施加压力，进而可以使待测冻土按要求进行固结实现对冻土的检测。
49.冻胀力测试组件140可以包括多个传感器，利用传感器实现对待测冻土的冻胀力进行检测。
50.作为一种可选的实现方式，冷浴组件130包括制冷装置131与冷浴循环仓132，制冷装置131与冷浴循环仓132通过导管连接，冷浴循环仓132分别与上剪切盒110、下剪切盒120连接，并且在导管内流过冷媒，冷媒可以在冷浴循环仓132内部循环，迅速降低试样的温度，进而提高试验效率，下剪切盒120也在对应位置进行了设置，例如，冷媒可以为水等介质，制冷装置131可以利用冷媒实现制冷，如对冷媒进行放热，进而使冷媒流入冷浴循环仓132，并于上剪切盒110、下剪切盒120上进行吸热，进而对的待测冻土进行冻结。
51.需要说明的是。作为一种实现方式，冷浴循环仓132可以仅设置于上剪切盒110、下剪切盒120的表面，进而通过上剪切盒110、下剪切盒120进行热传导的方式，对待测冻土进行冰冻。作为另一种实现方式，冷浴循环仓132也可以部分或全部穿过上剪切盒110、下剪切盒120，进而使得冷浴循环仓132直接与冻土接触，对待测冻土进行冻结，在此不做限定。
52.通过设置冷浴组件130，可以在预定的试样(即待测冻土)安装完成后，通过系统对试样进行单向冻结试验，该过程与自然界试样的真实冻结过程一致，模拟效果更加真实。例如，自然界中的冻土，可能存在表面结冰的情况，因此可以将上剪切盒110内的待测冻土的
温度进一步降低。
53.可选地，为了更加精确的控制温度，请参阅图2，上剪切盒110与所述下剪切盒120的四周设置有保温层240。可以理解地，通过设置保温层240，减少了待测冻土通过上剪切盒110或下剪切盒120与外界进行热交换，使得上剪切盒110或下剪切盒120内温度得以保持，测试效果更好。例如，在模拟自然界情况时，上剪切盒110内的待测冻土的温度为
‑
5℃，此时通过冷浴组件130将待测冻土的温度降至
‑
5℃后，此时实际上剪切盒110或下剪切盒120的外表面与空气接触，外接温度为常温，例如常温为20℃，此时容易产生热交换。而通过设置保温层240的方式，使得保温层240能够待测冻土的温度能够更加稳定的维持在
‑
5℃，与自然界的实际环境相似，因此测试效果更好。
54.作为一种实现方式，为了实现对待测冻土的温度更好的控制，请参阅图3，冻土大剪仪100还包括控制装置180与温度传感器230，温度传感器230分布于上剪切盒110与下剪切盒120的四周，以测试待测冻土的温度，控制装置180分别与温度传感器230、冷浴组件130电连接，且控制装置180用于依据温度传感器230反馈的温度信息调控冷浴组件130的工作状态。通过设置控制装置180与温度传感器230，能够使得待测冻土的温度能够与需求温度一致，同时便于实现对待测冻土的温度的调节。
55.需要说明的是，本技术所述的温度传感器230，可以以温度应变片的形式存在，主要对待测冻土侧面的温度进行测试，并且，该应变片有一定的抗压性能，确保测试过程中不被破坏，此外，应变片的表面还设置了润滑硅脂，降低了其在试样安装中的破坏可能。各个温度传感器230通过光纤与控制装置180连接，使得控制装置180能够通过温度传感器230获取待测冻土的温度，并依据该温度实时调控冷浴组件130的工作状态，继而能够实现更加精确温度控制。例如，当需求温度为
‑
5℃，而检测到此时待测冻土的温度为0℃，则控制装置180会控制冷浴组件130继续对待测冻土进行降温，反之则控制冷浴组件130停止工作，以升高温度。
56.作为一种可选的实现方式，请继续参阅图1，冻土大剪仪100还包括伺服电机160与传力杆165，伺服电机160通过传力杆165与上剪切盒110或下剪切盒120连接；其中，伺服电机160用于通过传力杆165向上剪切盒110或下剪切盒120施加作用力。
57.本技术中，伺服电机160是剪切过程中的主要加载模块，该电机的典型特征是可以进行各种不同剪切速率的控制，控制装置180施加预定的剪切速率后可以均匀地进行剪切。传力杆165能够将上剪切盒110或下剪切盒120与伺服电机160进行连接，该杆件的长度可以控制，试样剪切盒的模式发生变化时可以通过该传力杆165的长短调节满足要求。通过设置伺服电机160与传力杆165，能够对自然界中不同的剪切情况进行模拟，继而实现对待测冻土的冻胀力的检测。
58.可选地，冻土大剪仪100还包括滚动滑轮170与台箱175，滚动滑轮170设置于下剪切盒120的底部，且滚动滑轮170与台箱175连接。滚动滑轮170主要用于减小下剪切盒120滑动过程中的摩擦阻力，提高试验中的测试精度，由钢珠和预定的轨道组成，使用方便，易于维护。
59.为了实现对下剪切盒120的固定，冻土大剪仪100还包括固定板190，固定板190与台箱175固定连接，且下剪切盒120通过滚动滑轮170安装于该固定板190上，实现下剪切盒120的固定。其中，固定板190的主要功能是固定下剪切盒120，当不同尺寸的下剪切盒120更
换时，固定板190用于固定限位，确保下剪切盒120运动方向不变。
60.换言之，本技术提供的上剪切盒110与下剪切盒120的尺寸可变，且当尺寸变化后，需要重新将下剪切盒120安装于台箱175上，此时由于固定板190的位置始终不变，因此即使更换下剪切盒120，也不会出现对位不准确的情况。
61.在此，需要说明的是，台箱175主要用于维持整个系统在剪切过程中的整体稳定性，同时将控制装置180等安装于台箱175内部。
62.可选地，控制装置180包括手动操作屏182与控制器181，手动操作屏182与控制器181电连接，且控制器181与温度传感器230、冷浴组件130电连接，其中，整个冻土大剪仪100的清零工作可以利用手动操作屏182进行操作，同时试验中各个传感器的示数在该界面亦有显示，该界面也设置了紧急制动按钮，确保了实验过程中的安全性。控制器181用于对整个冻土大剪仪100的传感器及硬件的数据进行汇总分析，并发出对应的指令，通过数据线与大剪仪中的传感器系统、荷载加载组件150、冷浴组件130、冻胀力测试组件140等连接。
63.在一种可选的实现方式中，冻土大剪仪100还包括配重装置220，例如特种混凝土试块，配重装置220至于台箱175的底部，且可以增加整个设备的重量，确保设备的整体稳定性，提高试验的稳定运行效率。
64.可选地，冻土大剪仪100还包括支架200，冻胀力测试组件140包括水平位移传感器141，下剪切盒120与支架200均设置于台箱175上，水平位移传感器141安装于支架200上，且水平位移传感器141与上剪切盒110或下剪切盒120连接，以测试上剪切盒110或下剪切盒120的水平位移量。
65.并且，冻胀力测试组件140还包括竖直位移传感器142，竖直位移传感器142也安装于支架200上，且竖直位移传感器142与上剪切盒110连接，以测试上剪切盒110的竖直位移量。
66.同时，控制装置180分别与荷载加载组件150、水平位移传感器141以及竖直位移传感器142电连接，传感器用于检测上剪切盒110和/或下剪切盒120的位移量，位移量可以表征其冻胀力，使得控制装置180可以依据位移量控制荷载加载组件150对待测冻土施加压力。
67.需要说明的是，荷载加载组件150在加载过程中主要利用液压进行荷载加载，当用户在手动操作屏182中输入试样的尺寸后，系统会根据设定的方案将对应的垂向荷载施加在待测冻土的顶部，该系统为自馈式系统，当预定的垂向荷载施加后会根据传感器的反馈将数据反馈至控制器181中而停止加载，系统中设置的多个传感器还可以测试限定变形情况下产生的冻胀力的大小，拓宽了设备的适用范围。
68.同时，为了便于荷载加载组件150的固定，冻土大剪仪100还包括限位横梁210，限位横梁210与支架200连接，通过设置限位横梁210，可以使试样垂向荷载施加过程中能够确保提供足够的反向力，将对应的荷载施加至试样顶部，整个测试系统反力架的重要组成构件。
69.此外，本技术并不对上剪切盒110与所述下剪切盒120的形状进行限定，作为一种实现方式，上剪切盒110与下剪切盒120的截面为正方形或三角形。需要说明的是，请参阅图4，当上剪切盒110与下剪切盒120的截面为三角形时，图中剪切面变为斜面，斜面与水平面呈不同的夹角，可以将此类型的剪切盒更换后进行室内测试，获取对应工况下的力学参数，
垂向荷载施加后，在倾斜面上产生的应力有所变化，与自然界坡体自重增大后引起的边坡失稳对应。
70.其中，为了使上剪切盒110能够被固定，当上剪切盒110的截面为三角形时，冻土大剪仪100还包括定位装置250，定位装置250用于固定上剪切盒110。同时，可以根据需求进行定制不同的剪切盒，以改变剪切面的角度。
71.本技术提供的冻土大剪仪在实际使用过程中包括以下步骤：
72.首先安装试样，利用专用模具进行试样制备，将待测冻土按照设定的干密度及含水量配置完成后，制样后置入剪切盒中，将剪切盒放在大剪仪上，并根据预定的试验方案进行加载让试样进行固结，检测整个设备的传感器系统是否工作正常。
73.然后进行冻土剪切试验，按照试验方案设置的方案对试样进行冻结及加载，根据温度传感器的监测结果控制冷浴组件的工作状态，确保试样达到预定的冻结要求，根据预先设置的程序进行加载，设置剪切速率后即可进行剪切试验。也可以进行冻结后的消融试验，模拟冻融循环对岩土体力学特征的影响，还可以进行碎石土在单向冻结或冻融反复作用后的剪切试验，得到不同工况下冻土的力学参数。亦可根据需要在上下剪切盒放置不同的岩土体，利用上下剪切盒进行冻结，模拟两种不同冻土界面摩擦力测试或者冻土与不同岩土界面的摩擦力，为冻土工程设计提供技术参数。
74.最后卸荷清理，在试验结束后首先对试样进行卸荷处理，关闭冷浴组件，然后进行试样拆除，并对整个试验系统进行清理，为后期试验开始做准备。
75.在上述实现方式的基础上，本技术还提供了一种大剪仪系统，大剪仪系统包括上述的冻土大剪仪。
76.综上所述，本技术提供了一种冻土大剪仪及其系统，该冻土大剪仪包括上剪切盒、下剪切盒、冷浴组件、荷载加载组件以及冻胀力测试组件，上剪切盒与下剪切盒相对设置以形成置物空间，冷浴组件分别与上剪切盒、下剪切盒连通，荷载加载组件与上剪切盒连接，冻胀力测试组件与上剪切盒和/或下剪切盒连接；其中，上剪切盒与下剪切盒用于容置待测冻土；冷浴组件用于对上剪切盒和/或下剪切盒内的待测冻土冻结至预设温度；荷载加载组件用于对待测冻土施加压力；冻胀力测试组件用于测试待测冻土的冻胀力。一方面，由于本技术提供冻土大剪仪包括上剪切盒与下剪切盒，因此置物空间能够明显增大，使得置物空间能够容纳超过10mm的冻土，同时由于荷载加载组件能够提供作用力，因此对于包含冻结碎石的冻土，也能很好的进行检测。另一方面，由于冷浴组件能够将待测冻土冻结至预设温度，因此其能够模拟自然界冻土的单向冻结过程，测试效果更好。
77.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
78.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。