[发明专利]用于研究冻土局部变形特征的测验装置及测验方法

说明书

本发明提供了一种用于研究冻土局部变形特征的测验装置及测验方法，属于实验设备技术领域，包括温度调节箱体、底板、试样筒、补水板体、顶板、压力单元、数据处理单元以及图像采集单元。本发明提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置及测验方法，可以实时追踪冻土的局部变形。有效解决了原始PIV技术在冻土试验中的应用无法应用。提出的试样纹理构建方法有效增强冻土的表面纹理特征，降低了冰水相变导致的灰度相关性误差，使得PIV方法得以应用于冻土测试；解决了传统实验仅能获取试样总变形量，无法获取局部变形量的缺陷；实现了荷载作用下，定量角度的冻胀过程解耦合分析。将温度场、水分场和位移场解耦合，实现了影响冻胀的各因素的分别量化。

技术领域

本发明属于实验设备技术领域，更具体地说，是涉及一种用于研究冻土局部变形特征的测验装置及测验方法。

背景技术

冻土泛指温度低于0℃且含有冰的各类土体。由于冻土是复杂的冰，水，气，固四相体，因此外荷载作用下，冰水反复相变会导致冻土内部原有的孔隙重分布，宏观表现为冻土的塑性大变形。因此，冻土较普通土具有更为复杂的变形特性。孔隙冰冻融分凝是季冻区工程产生病害的主要原因，分凝冰冻融导致的冻土体变对季冻区的铁路、公路等线性工程危害更大，严重威胁着建筑物的安全与稳定。其中季冻土在我国分布广泛，跨越了我国国土面积的一半。随着我国交通运输的快速发展，我国寒区工程建设蓬勃兴起。经调查统计，季节性冻区由于土质、水分及冻结条件的不均匀，土体会产生不均匀冻胀。冻胀的发育不仅会造成建筑物不均匀隆起、轨道不平顺、路面冻裂等一系列工程病害，还会引起土体内部结构的反复变化，因此导致土体内部力学性能的变化；加之列车重、超载现象严重，季节性冻土区的路基在冻融循环及重载车辆协同作用下出现的翻浆冒泥、热融塌陷等灾害较以往更严重、原因更复杂、经济损失更大，严重威胁列车的运营安全。因此，研究季冻土的冻胀变形特性显得尤为重要。

目前土体的冻胀变形研究主要集中在已冻土或冻融循环后的融化土，鲜有研究荷载作用下正冻土的变形规律。对于荷载作用下土体冻胀的研究目前只包括温度、水分补给及试样整体冻胀量的变化过程，未能与试样冻胀过程中局部变形(已冻区冻胀过程和未冻区压缩过程)和整体冷生构造演化有机地结合起来。一维正冻土的变形一般随时间可分为三个阶段：初始快速膨胀阶段，减速膨胀段和趋于稳定段。在初始快速膨胀阶段，冻结锋面逐渐下移，冻胀主要以孔隙水的原位冻胀为主；减速膨胀段，冻结锋面逐渐稳定，冻胀形式逐渐从原位冻胀过渡到分凝冻胀；在稳定阶段，冻胀形式主要为孔隙水的迁移冻胀。上述三个阶段会形成不同的冷生剖面，目前缺乏一种测验设备，可以定量测量不同荷载工况下冻土一维变形过程中，不同深度土体的局部变形特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于研究冻土局部变形特征的测验装置及测验方法，旨在解决现有的冻土变形测验设备不能方便直观的测量冻土在不同荷载工况下一维变形过程中不同深度土体的局部变形特征的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种用于研究冻土局部变形特征的测验装置，包括：

温度调节箱体，用于维持恒定的实验环境；

试样筒，设置在温度调节箱体内，所述试样筒的侧壁上设置有沿试样筒长度方向设置的测量刻度尺，所述试样筒的侧壁上设置有多个用于测量试样数据的感应单元的小孔，多个所述感应单元沿试样筒的高度方向依次间隔布置；

底板，设置在所述温度调节箱体内部，且位于所述试样筒的底部，所述底板内部还设置有用于维持试样的温度变化的第一温控结构；

补水板体，附着设置在所述底板上方，且位于所述试样筒靠近所述底板的端部，所述补水板体内部还设置有与补水系统相互管路连通的补水管道；

顶板，设置在所述试样筒内，位于试样筒的顶部处，且覆盖在试样筒内的试样顶部，用于将试样压紧在补水板体与顶板之间的区域，所述顶板的内部还也设置有用于维持试样的温度变化的第二温控结构；