[发明专利]一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法，包括剪切盒系统、反力架系统、制冷温控系统、加载系统、滑移系统和数据监控系统。剪切盒系统包括剪切盒本体、顶部加载板、固定销和限位挡板；剪切盒本体包括从上至下依次堆叠设置的上剪切盒、若干个剪切叠环和下剪切组件。顶部加载板和下剪切组件的底板内部均设置为“蚊香型”的液体槽，使得试样各处温度更加均匀；剪切叠环内设置有环形的液体槽。试验过程采用内、外联合控温方式，外部恒温控制，内部上中下三个位置分别由三台高低温恒温循环浴槽独立控温，提高了控温精度，增强了试验结果的准确性。本发明能够开展全冻土、全融土、温度梯度、冻融循环、冻融交界面等问题的循环单剪试验。

技术领域

本发明涉及冻土试验技术领域，特别是一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法。

背景技术

冻土，是一种由固体土颗粒、冰、液态水和气体组成的非均质、各向异性的四相复合体。通常来说，把温度处于0℃及以下并含有冰的各种土体和岩石均称为冻土。由于冻土中未冻水和冰受环境温度影响显著，进而表现出强烈的温度敏感性以及流变性，所以，在进行冻土的室内室外试验中，控温精度则是导致试验成败、影响试验结果可信度的一个关键因素。

对于冻土试验，其耗时较一般的常规试验要长，在这之中不可避免的要经历外界环境温度的较大变化。现有控温方式，由于外界环境温度的不可控性，给控温精度的提高带来了极大的挑战。当外界环境温度变化时，恒温试验箱中冷浴的温度必须进行手动或者自动的调整以使得温度箱内的温度达到新的平衡，而这种新平衡建立所需的时间则依赖于仪器的精度，相应的也反映在仪器的造价之上。一般来讲，0.5℃和0.1℃精度的仪器单价差别在一倍以上。

另外，由于《土工试验规程》中规定，试验所选土料的最大粒径应不超过试样尺寸的1/5-1/10。然而，在实际的工程中可能面临较大粒径工况，例如土石坝工程中所用土石料最大粒径可达1m。因此，实验室中开展相关试验研究必须对试验材料进行缩尺，但是为减小缩尺效应对试验结果的影响，试验过程中则是将试样“尽量做大”。本发明中的大试样，均指直径在20cm以上的试样。对于大试样，为保证试样温度的均匀性，一方面要提高控温仪器的控温精度，另一方面，要尽可能减小外界环境温度变化对整个装置的影响。

因而，在不增加仪器成本的基础上，如何实现精准控温，成为“大试样”冻土试验中急需解决的一个技术难题。

另外，冻土的抗剪强度是指冻土体抵抗剪切破坏的极限能力，是冻土的重要力学性质之一。在寒区工程建设中，冻土的抗剪强度指标是分析、计算冻土区地基承载力、边坡稳定性、冻土与结构物接触面问题的一个重要参数。实验室获取岩土体的抗剪强度指标主要通过直接剪切试验、单剪试验和三轴压缩试验，而每种方法都有其优缺点。但从适用性上来说，直接剪切试验和单剪试验能更为准确的模拟边坡问题和土与结构物接触面问题的实际受力状态。

冻土直接剪切试验在冻土与混凝土接触面问题、冻土与桩基接触面问题、土石坝面板与砂砾石料垫层接触面问题以及冻土边坡失稳等问题的研究中得到了广泛的应用。但是，直接剪切试验由于人为限制了剪切面，并且存在试样应力变形分布不均匀、试样与剪切盒内壁之间的摩擦等问题而备受质疑，此外，实际工程中很多土体都是处于单剪状态。

因而，能在直剪仪的基础上研发一套单剪仪，该单剪仪能涉及温度对试验结果的影响，显得尤为迫切。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法，该多功能冻土循环单剪试验装置及试验方法不但能够通过循环单剪试验较为适宜的模拟地震、交通等动荷载作用下冻土的应力-应变行为，还能通过常规单程单剪试验开展冻土与结构物接触面问题、冻土区自然斜坡(边坡)的失稳机制的研究。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种多功能冻土循环单剪试验装置，包括剪切盒系统、反力架系统、制冷温控系统、加载系统、滑移系统和数据监控系统。