[发明专利]一种模拟冻土自然形成过程的制样装置及制样方法

说明书

技术领域

本发明是涉及一种适用于模拟冻土自然形成过程的制样装置及制样方法，具体地说是涉及通过控制制备试样的冻结速率以及根据需要选择冻结与压实这两种制样操作的先后顺序，从而模拟冻土在多种自然工况下形成过程的制样装置及不同的制样方法。

背景技术

随着西部大开发战略的持续进行，季节性冻土地区甚至多年冻土地区的基础设施建设正在不断地开展，为了确保该地区工程的安全性与经济性，有必要对多种自然工况下的冻土力学强度特性进行深入研究。三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验在冻土力学性质的研究中有着极为广泛的应用。在进行这两种试验时，制作圆柱形试样是第一步，制得试样的好坏直接决定着试验结果的正确与否，不同的制样方法也将得到不同的试验结果。

在以往的冻土研究和人工冻土物理力学性能试验MT规范中，冻土的三轴压缩和无侧限抗压强度试样的制作方法通常是：先制得一定含水率条件下的常温试样，然后连同制样模具一起放入低于-30℃的恒温箱中速冻4-6小时，最后将试样在所需试验温度下脱模，并用修土刀修整，装入塑料袋中密封，在试验温度下养护待用。在这种制样过程中，一定含水率的土首先经过压实成为常温状态下的圆柱形土样，然后试样从常温降低到-30℃，土样中的水分完成冻结，形成试验所需要的冻结试样。

然而，冻土地区的季节性冻融实际上是温度由正温经过数月缓慢变化到负温的过程及其逆过程，而昼夜冻融和气候骤变造成的冻融则是温度由正温经过较短时间迅速变化到负温的过程及其逆过程，因此研究冻结速率对冻土工程稳定的影响具有一定的理论意义和工程价值。

此外，不同地区的冻土形成方式也有差别，有些地区的冻土是由常温土经过天然沉降固结再遇低温气候冻结而成的，这与规范中所规定的先压实再冻结的制样方法类似；但有些地区的冻土是由蓬松的自然土经过冻结后再人工压实形成的，或者由已冻结的土经开挖后再填筑而形成的，这种冻土在高寒地区填筑工程中比较常见；另外，在某些实际工程中，土的填筑过程就伴随着温度的降低。而且，土的冻结与压实的先后顺序将会影响冰的形成，也影响冰颗粒与土颗粒的胶结形式与胶结程度，最终势必影响冻土的力学性质。因此，在制备试样的过程中考虑试样冻结与压实的先后顺序将有很大的现实意义。

目前，参阅冻土方面的相关文献，有关冻结速率以及冻结与压实先后顺序对冻土力学性质的影响尚未见报道，有关考虑这两种因素的制样装置及制样方法还未有人提及。因此，研发一种可以考虑这两种因素，从而模拟不同自然工况下冻土形成过程的制样装置及制样方法，对深入开展冻土力学性质研究具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术制备装置对于制备试样所考虑因素上存在偏差而未能制备出更符合不同自然工况下冻土形成过程的试样等方面的不足，提供一种模拟冻土自然形成过程的制样装置及制样方法，特别适用于利用该装置在常温实验室制得不同冻结速率以及不同冻结与压实先后顺序的冻土试样，以使研究试样与自然条件形成下的冻土更符合。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，包括温控系统、制样系统、压实系统和计算机控制系统。

其中，所述温控系统包括保温箱、冷浴装置和循环制冷管道，所述保温箱通过循环制冷管道与冷浴装置相连；所述循环制冷管道包括依次贯通的输送冷却液管道、螺旋式制冷管道和回收冷却液管道；所述输送冷却液管道和回收冷却液管道均分布在保温箱和冷浴装置之间；所述螺旋式制冷管道位于保温箱内部；所述输送冷却液管道上设置有流量控制器。

同时，所述制样系统包括制样室和制样模具，所述制样室直立型设置在保温箱内部，制样室的上端开口位于保温箱上端面；所述制样模具可匹配式安装进制样室容腔中；所述制样室的底面可拆卸式设置有钢块，所述钢块中设置有通过连接线与计算机控制系统电连接的温度传感器；所述螺旋式制冷管道呈螺旋状环绕在制样室外周面上。

并且，所述压实系统包括加载架和压头；所述加载架可拆卸式设置在保温箱上端面上；所述压头通过压杆与加载架相连分布在制样室上端开口的正上方，并可竖直压入保温箱内部所设制样室容腔内的制样模具中；所述压头的加载压实速率和进程深度均由计算机控制系统控制。