一种考虑土体体积变化的制样模具、冻融箱及方法

本发明属于土体结构试验，具体涉及一种考虑土体体积变化的制样模具、冻融箱及方法。

背景技术：

1、我国伊犁地区局部最大积雪深度超过1m，每年3-5月为融雪期，融雪量较大，该地区易溶盐含量高，易溶盐含量高意味着土体受水作用的敏感性较强，可能出现因易溶盐溶解而产生的溶陷变形较大；有学者直接表明土对工程的适用性和应用性就取决于易溶盐的总含量；含水较低的土体中微结晶易溶盐较多，增湿后极易溶解产生变形，故对于不同易溶盐含量土体必然会存在盐分析出，且伊犁土体含水率低，土体结构中有很大裂隙，在浸水环境下土体结构极易产生变化。这些性质对工程影响极大。

2、目前大量学者展开了冻融对土体结构性的影响，一些学者通过试验研究，指出冻融作用使土体的抗剪强度有一定的降低；还有一些学者在路基土冻融循环后进行三轴回弹模量试验，结果表明粗粒和细粒土一次冻融循环后的回弹模量大幅度降低；另一些学者对土进行冻融循环和快剪试验后,指出反复冻融使土强度弱化，冻融10次左右，其物理力学状态开始趋于稳定；但是，这其中开展的三轴试验中存在一定的问题，当用模具制成完整样后，将其进行冻融循环时，由于四周都设置有约束，使得土体在冻融时所发生的一些结构变化无法显示出来；当发生冻胀的时候，由于四周的约束，会使土体的结构非正常的变化，那么在这种全约束的情况下，土体结构的孔隙扩张会受到抑制、土颗粒的接触会受到限制、孔隙水的流动无法正常体现、干密度减小的特点难以反应等等，致使土体的结构变化和实际情况有一定差距；冻融循环作用主要将微、小和中孔隙扩张成大、超大孔隙及裂隙，使土的孔隙形态和空间分布向着更加复杂的方向发展，破坏土中胶结联结导致团聚体分化，裂隙生长，如果将土体试样完全约束，则会减弱这种影响。因此，亟需一种能够便于开展对冻融土体研究的制样方法及所需的模具。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提供一种考虑土体体积变化的制样模具、冻融箱及方法，该发明的模具便于快速取出试样，且能够精准地观测和记录土体体积的变化，并使其不限制土体竖向变形的同时还能够减小含水率的损失；该制样方法能够在整个冻融循环过程中监测土体的体积变化，从而确保试验数据的完整性和可靠性。

2、其具体技术方案为：

3、一种制样模具，包括：安装座、垫土器、三个安装壳、圆筒、环箍、凸块组件、固定杆和固定件；安装座包括底座和顶座，底座和顶座均贯穿设有第一圆孔和第二圆孔，第一圆孔与第二圆孔圆心相同，且第一圆孔的直径大于第二圆孔的直径；垫土器的底部同时嵌入底座的第一圆孔和第二圆孔内；安装壳截面呈扇形，安装壳的外壁设有凸台，安装壳的顶部开设有安装槽，三个安装壳分别设置在底座的顶部，且三个安装壳相对设置从而形成筒体结构；圆筒的底部设有三个安装块，三个安装块分别嵌入三个安装壳的安装槽内，且圆筒的顶部嵌入顶座的第一圆孔内；环箍依次穿过圆筒和三个安装壳形成的筒体结构，且环箍放置在凸台的顶面；凸块组件包括三个第一凸块和三个第二凸块，第一凸块和第二凸块均贯穿设有插孔，且三个第一凸块和三个第二凸块分别设置在底座和顶座的侧壁；固定杆包括插座和竖杆，插座的两端分别嵌入第一凸块的插孔内，插座与竖杆垂直相连，竖杆的顶端设有外螺纹，且竖杆有外螺纹的一端穿过第二凸块；固定件套设在竖杆的外螺纹处，且固定件与第二凸块的顶部相贴合。

4、另外，本发明提供的上述技术方案中的一种制样模具还可以具有如下附加技术特征：

5、在上述技术方案中，安装壳和圆筒的侧壁均设有刻度线（刻度线带有醒目的颜色效果更佳），安装壳侧面的曲面连接方式为咬合内嵌结构。

6、在上述技术方案中，固定件包括：垫片和异型螺母；垫片套设在竖杆的外侧，且垫片的一侧与第二凸块的顶面相贴合；异型螺母套设在竖杆的外螺纹处，且异型螺母与垫片的另一侧相贴合。

7、在上述技术方案中，圆筒与安装壳的连接处能放入薄膜。

8、在上述方案中，圆筒和安装壳均采用透明材料制作。

9、一种冻融箱，包括：制样模具、箱体、试样、底部控制系统、顶部控制系统、保温隔热层和六组控制组件；箱体为圆形，箱体内设有四个隔板，且四个隔板均贯穿设有通孔；试样安装在制样模具内，制样模具嵌入箱体内，且通孔绕设在制样模具的外侧；底部控制系统包括底部温度控制系统、底部温度源和底部导温装置，底部温度控制系统、底部温度源和底部导温装置分别依次设置在箱体的底部，且制样模具放置于底部导温装置的上方；顶部控制系统包括顶部温度控制系统、顶部温度源和顶部导温装置，顶部温度控制系统、顶部温度源和顶部导温装置依次设置在箱体的顶部，且制样模具的顶面与顶部导温装置相连；保温隔热层分别设置在箱体内的顶部和底部；六组控制组件分别与箱体的两端相连，控制组件位于相邻的两个隔板之间，且控制组件包括流速控制阀门、气泵和温度控制机构。

10、一种考虑土体体积变化的制样方法，包括如下步骤：

11、s1：将天然土体风干碾碎并进行筛分，除去杂质，并称取一定量的干土备用；

12、s2：按一定干密度，称取一定量土样置于容器中，将计算好的用水量分三次倒入容器，倒水的同时搅拌均匀，将充分搅拌的土样用塑料薄膜覆盖后放置8小时，待水分均匀后开始装模，装模时用压实工具分三层均匀捣固压实；

13、s3：将制备好的试样装入饱和器然后放入真空气缸内，盖上缸盖，打开阀门，开启抽气机抽除缸内气体，当缸内其他达到1个负大气压后亟需抽气0.5小时，打开放水阀，在水面淹没试样上表面后，停止抽气，再打开放气阀，放入气体后静止2小时，在大气压力的作用下使试样饱和，再测量饱和度，当饱和度达到95%即为试样饱和；

14、s4：将制备好的试样连同模具用保鲜膜包裹好后放入冻融箱内，设置冻融温度和冻融次数；

15、s5：达到预设冻融次数后，将试样和模具去除，中途观测时不用拆模，记录在安装壳和圆筒上的刻度，观察其结构变化；

16、s6：将试样取出，并放置在三轴仪上，开展三轴试验。

17、在上述技术方案中，在进行三轴试验之前，从而模具的圆筒处削去因冻融循环产生的体积膨胀的土体，随后进行称量、烘干、定量计算土体的物理指标。

18、本发明的一种考虑土体体积变化的制样模具、冻融箱及方法，与现有技术相比，有益效果为：

19、1.本发明的透明模具便于快速装模、拆模及取出试样，且将试样和模具装入冻融箱内进行试验后，通过刻度线记录由于试验条件引起的涨缩，从而精准地观测和记录土体体积的变化。

20、2.通过在圆筒与安装壳的连接处放入薄膜，使其不限制土体竖向变形的同时还能够减小含水率的损失，安装壳的侧面连接同样有益于减小含水率的损失。

21、3.本发明的制样方法能够在整个冻融循环过程中监测土体的体积变化，从而确保试验数据的完整性和可靠性。

技术特征：

1.一种制样模具，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种制样模具，其特征在于，所述安装壳和所述圆筒的侧壁均设有刻度线，所述安装壳为咬合内嵌结构。

3.根据权利要求2所述的一种制样模具，其特征在于，所述固定件包括：

4.根据权利要求3所述的一种制样模具，其特征在于，所述圆筒与所述安装壳的连接处能放入薄膜。

5.一种冻融箱，其特征在于，包括：

6.一种考虑土体体积变化的制样方法，应用于权利要求1-4所述的一种制样模具和权利要求5所述的一种冻融箱，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种考虑土体体积变化的制样方法，其特征在于，在进行三轴试验之前，从而模具的圆筒处削去因冻融循环产生的体积膨胀的土体，随后进行称量、烘干、定量计算土体的物理指标。

技术总结本发明提供了一种考虑土体体积变化的制样模具、冻融箱及方法，所属土体结构试验技术领域，包括：安装座、垫土器、三个安装壳、圆筒、环箍、凸块组件、固定杆和固定件；安装座包括底座和顶座，底座和顶座均贯穿设有第一圆孔和第二圆孔，第一圆孔与第二圆孔圆心相同，且第一圆孔的直径大于第二圆孔的直径；垫土器的底部同时嵌入底座的第一圆孔和第二圆孔内；该发明的模具便于快速取出试样，且能够精准地观测和记录土体体积的变化，并使其不限制土体竖向变形的同时还能够减小含水率的损失；该制样方法能够在整个冻融循环过程中监测土体的体积变化，从而确保试验数据的完整性和可靠性。技术研发人员：刘星炎,白渝祥,程建军,刘杰,段涛,何亚坤,汪伟,王宁受保护的技术使用者：石河子大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29