[发明专利]多加载模式的非饱和土冻胀仪及冻胀量测试方法

说明书

本发明公开了一种多加载模式的非饱和土冻胀仪及冻胀量测试方法，冻胀仪包括试样存放系统、荷载控制系统、湿度控制系统、温度控制系统和恒温箱；试样存放系统包括试样筒和温度盘，试样筒的底端设有进气口，温度盘内设空腔、腔底外设有隔水隔气膜、腔顶上设进液口和出液口，温度盘设置于试样筒的顶端内，试样筒置于恒温箱内；荷载控制系统包括反力架和荷载控制机构，荷载控制机构设置于反力架中，反力架立于恒温箱内，荷载控制机构设置于反力架中与温度盘相连；湿度控制系统与试样筒的进气口连通；温度控制系统的输出口与温度盘上的进液口连通、出口与温度盘上的出液口连通。可开展多加载模式的冻胀试验，也能实现气态水补给，诱发粗粒土冻胀。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别是涉及一种多加载模式的非饱和土冻胀仪及冻胀量测试方法。

背景技术

路基冻胀是寒区工程的主要病害，特别是对寒区高速公路、高速铁路等影响重大。试验模拟是研究路基填料冻胀性的重要手段。当寒区环境温度达到负温时，土中孔隙水的温度达到冰点而结冰。路基的冻胀需要有水分的补给，最新研究成果表明，气态水的迁移是诱发非饱和粗粒土等岩土材料冻胀的核心因素。诸如非饱和粗粒土填料是高铁路基的主要材料，但是在关于高速铁路冻胀现象的报道中，很少涉及有关于气态水迁移成冰的理论与实验。

土的冻胀一直都是岩土工程领域的重要研究课题，土的冻胀试验是研究其冻胀机理，及其冻胀敏感性等性质的重要手段。冻胀量和冻胀力是冻土的两个重要的基础物理量，需要通过土的冻胀试验测得。研究土自身的冻胀特性时，需要测量无负荷条件下的自由冻胀量，即土的零荷载状态是测量土的自由冻胀量的先决条件。上覆荷载是土的冻胀的重要边界条件，不同荷载条件下土的冻胀特性是寒区工程路基基础设计等的重要依据。上覆静荷载用于模拟静态荷载对路基冻胀的影响，上覆动荷载用于模拟交通荷载等动态荷载对基冻胀的影响。

国内外已有多种冻胀仪面世，但都无法实现气态水的补给，同时无法消除土样顶部的压力（由温度盘和冷冻液的自重，及温度盘与试样筒的摩擦力提供）。无法实现气态水补给的冻胀仪不能用于研究非饱和粗粒土等路基填料的冻胀特性。无法消除土样顶部的压力，测得的冻胀量误差较大，已无法满足现阶段更高要求的科学研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种可实现气态水补给、诱发粗粒土冻胀的多加载模式的非饱和土冻胀仪及冻胀量测试方法。

本发明提供的这种非饱和土冻胀仪，它包括试样存放系统、荷载控制系统、湿度控制系统、温度控制系统和恒温箱；试样存放系统包括试样筒和温度盘，试样筒的底端设有进气口，温度盘内设空腔、腔底外设有隔水隔气膜、腔顶上设进液口和出液口，温度盘设置于试样筒的顶端内，试样筒置于恒温箱内；荷载控制系统包括反力架和荷载控制机构，荷载控制机构设置于反力架中，反力架立于恒温箱内，荷载控制机构设置于反力架中与温度盘相连；湿度控制系统与试样筒的进气口连通；温度控制系统的输出口与温度盘上的进液口连通、出口与温度盘上的出液口连通。

作为优选，所述试样筒为两端开口的圆筒，试样筒内试样不同高度处埋设温度传感器和应力传感器，试样筒底部内设钢筋网。

进一步的，所述试样存放系统还包括底座、定位筒和保温筒；底座为环形座，其内壁设有温湿度计和电加热棒；定位筒的顶面设有钢筋网，定位筒同轴设置于底座上；所述试样筒套于定位筒外，试样筒与定位筒之间设有密封圈；保温筒包覆于试样筒外。

在一个具体实施方式中，所述反力架为门型架，包括横梁和一对立柱，立柱上设螺纹段，横梁的两端设有通孔，横梁套于两立柱上通过一对螺母锁紧。

为了进行动、静加载的冻胀试验，所述荷载控制机构包括液压伺服控制装置和轴力传感器；液压伺服控制装置安装于所述横梁下，加载端与所述温度盘相连；轴力传感器设置于温度盘上。