一种用于制作高含冰量冻土试样的装置与方法

技术领域

本发明涉及冻土力学研究领域，具体是一种用于制作高含冰量冻土试样的装置与方法.

背景技术

高含冰量冻土是指体积含冰量大于20％的冻土，试验结果表明，高含冰量冻土的高含冰量特性使其强度和变形特性明显不同于常规冻土，因此不能将常规冻土的研究结论照搬应用。在室内试验中，如何制备出高含冰量冻土试样，是一个试验难题，目前，实验室制备高含冰量冻土试样的方法主要有以下3种：

方法1：马小杰等在2008年第29卷第9期《岩土力学》杂志上发表了题为“高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究”的学术论文，杜海民等在2014年第35卷第10期《岩土力学》杂志上发表了题为“初始含冰量对冻结粉质砂土变形与强度的影响”的学术论文。论文中提出采用干土+液态水+冰颗粒三者混合的方法制备高含冰量冻土试样，即先将一部分液态水与干土混合，制备出一定含水率的土样，然后将冰颗粒和剩余的液态水加入其中，制备出高含冰量冻土试样。

方法2：杜海民等在2016年第37卷第5期《岩土力学》杂志上发表了题为“应变率与含水率对冻土单轴压缩特性影响研究”的学术论文。论文中指出，首先配制所需含水率的泥浆，然后将其放在冰箱里，在0.5℃条件下恒温至少12h，再将泥浆分层装入带有可拆成两半的圆柱形塑料衬砌的铁质模具里，整个模具放在保温箱里，通过模具下面铜管内循环的低温酒精降温，在制样过程中，要每隔一段时间搅动已经倒入模具里的未冻泥浆，以阻止粉质砂土冻结过程中的下沉和分层，尽量保证试样的均匀性，从而制备出高含冰量冻土试样。

方法3：在中国专利授权书，CN 107727467 B中公布了一种高含冰量冻土试样制备方法，通过将水溶性物质和干土混合并进行分层压实以形成冻土制样，将冻土试样放入饱和器，通过水流进出饱和器以溶解去除冻土试样中的水溶性物质，随着水溶性物质的溶解使得冻土试样中形成空腔，水流进入空腔中并填满空腔，最后放置在冷冻器中进行冷冻，从而制备出高含冰量冻土试样。

上述3种制备高含冰量冻土试样的方法分别存在以下不足之处：

(1)方法1制备出的高含冰量冻土试样与自然环境中试样内部大量水结成冰的过程有所不同，未能反映高含冰量冻土在自然环境中的形成过程；

(2)方法2制备出的高含冰量冻土试样容易产生分层的现象，导致试样不均匀；

(3)方法3的制备过程较为繁琐，且水溶性物质易与土颗粒混合，在后续溶解过程中不易随水流完全排除。

鉴于此，需要发明一种用于制作高含冰量冻土试样的装置与方法，以实现制作出较为均质的高含冰量冻土试样的目的。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种用于制作高含冰量冻土试样的装置与方法，利用该装置，能够在实验室制备出较为均质的高含冰量冻土试样。本发明具有结构简单、操作方便等特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于制作高含冰量冻土试样的装置，是由制冷控制系统、冷液进管、冷液回管、环向冷却管、水泵、进水管、回水管、透水石、试样筒、活塞托盘、环向固定装置、曲轴、连杆、支架、底座、电机组成。其中，冷液进管、冷液回管、环向冷却管与制冷控制系统形成制冷回路，环向冷却管布置在试样筒外壁表面；进水管、回水管、试样筒与水泵形成水循环回路，进水管和回水管与水泵相连，试样筒的上下侧均有开口，试样筒上侧与回水管相连，试样筒下侧与进水管相连；试样筒安装在活塞托盘上，活塞托盘内部设有管道供进水管穿过；试样筒与进水管和回水管相连的位置可设置透水石；活塞托盘下方与连杆相连，活塞托盘周围设置环向固定装置；环向固定装置下方设置支架和底座；连杆通过曲轴与电机相连。

上述装置中，所述试样筒的上下侧以及活塞托盘下方设置的开口均为圆形。

上述装置中，所述底座为可调节高度型。

一种用于制作高含冰量冻土试样的方法，包括以下步骤：

第一步，将冷液进管、冷液回管、环向冷却管与制冷控制系统相连形成制冷回路，将进水管、回水管、试样筒与水泵相连形成水循环回路；

第二步，按照计算好的质量，将干土和水加入试样筒中，将透水石设置在试样筒与进水管和回水管相连的位置；

第三步，打开水泵，使试样筒内部形成自下而上的稳定水流；

第四步，开动电机，使曲轴和连杆开始工作，连杆可带动活塞托盘和试样筒共同上下运动；

第五步，打开制冷控制系统，使环向冷却管内充满制冷液，使试样筒内的高含冰量冻土试样逐渐冻结；

第六步，待试样筒内的高含冰量冻土试样冻结完成后，将其快速取出，放置在所需负温的低温箱中，即可制作出高含冰量冻土试样。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

通过设置水循环回路，可使试样筒内部形成自下而上的稳定水流，以抵抗土颗粒自重，使土颗粒在试样筒内部处于运动状态；通过连杆带动活塞托盘和试样筒共同上下运动，使试样筒内部的土颗粒处于无序运动状态；通过环向冷却管使得试样筒内部的水结冰，由于土颗粒处于无序运动状态，可避免土颗粒在冻结过程中下沉引起试样分层，也使得所制作出的高含冰量冻土试样内部土颗粒的分布更为均匀，在冻结完成后，实现快速定型的目的，最终通过将定型后的高含冰量冻土试样放入所需负温的低温箱中，实现制作出较为均质的高含冰量冻土试样的目的。

附图说明

图1是本发明的用于制作高含冰量冻土试样的装置结构示意图。

图2是本发明的用于制作层状冷生构造冻土试样的装置细部构造示意图。

图3是本发明的用于制作层状冷生构造冻土试样的装置侧面图。

图4是本发明的用于制作层状冷生构造冻土试样的装置的水循环回路图。

图5是本发明的用于制作层状冷生构造冻土试样的装置的制冷回路图。

图中标号说明：1-制冷控制系统，2-冷液进管，3-冷液回管，4-环向冷却管，5-水泵，6-进水管，7-回水管，8-透水石，9-试样筒，10-活塞托盘，11-环向固定装置，12-曲轴，13-连杆，14-支架，15-底座，16-电机。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明专利做进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1是一种用于制作高含冰量冻土试样的装置，是由制冷控制系统1、冷液进管2、冷液回管3、环向冷却管4、水泵5、进水管6、回水管7、透水石8、试样筒9、活塞托盘10、环向固定装置11、曲轴12、连杆13、支架14、底座15、电机16组成。其中，冷液进管2、冷液回管3、环向冷却管4与制冷控制系统1形成制冷回路，环向冷却4管布置在试样筒9外壁表面；进水管6、回水管7、试样筒9与水泵5形成水循环回路，进水管6和回水管7与水泵5相连，试样筒9的上下侧均有开口，试样筒9上侧与回水管7相连，试样筒9下侧与进水管6相连；试样筒9安装在活塞托盘10上，活塞托盘10内部设有管道供进水管6穿过；试样筒9与进水管6和回水管7相连的位置可设置透水石8；活塞托盘10下方与连杆13相连，活塞托盘10周围设置环向固定装置11；环向固定装置11下方设置支架14和底座15；连杆13通过曲轴12与电机16相连。

一种用于制作高含冰量冻土试样的方法，包括以下步骤：

第一步，将冷液进管2、冷液回管3、环向冷却管4与制冷控制系统1相连形成制冷回路，将进水管6、回水管7、试样筒9与水泵5相连形成水循环回路；

第二步，按照计算好的质量，将干土和水加入试样筒9中，将透水石8设置在试样筒9与进水管6和回水管7相连的位置；

第三步，打开水泵5，使试样筒9内部形成自下而上的稳定水流；

第四步，开动电机16，使曲轴12和连杆13开始工作，连杆13可带动活塞托盘10和试样筒9共同上下运动；

第五步，打开制冷控制系统1，使环向冷却管4内充满制冷液，使试样筒9内的高含冰量冻土试样逐渐冻结；

第六步，待试样筒9内的高含冰量冻土试样冻结完成后，将其快速取出，放置在所需负温的低温箱中，即可制作出高含冰量冻土试样。