分散性土边坡法向冻胀力测试用的试验装置及测试方法与流程

本发明涉及一种冻胀力测试用的试验装置及测试方法，具体涉及一种分散性土边坡法向冻胀力测试用的试验装置及测试方法，属于冻胀力试验装置和法向冻胀力测试。

背景技术：

1、分散性土是一种特殊的黏性土，在我国东北地区松嫩平原上广泛分布，由于分散性土中含有大量的蒙脱石和伊利石，渗透内阻较大，土在冻结前内部的水分很难排出，当土温降至冰点以下时土中水相变成冰，土体产生冻胀变形，将对建筑物产生相当大的冻胀力。

2、在季节冻土区渠道、堤坝等水利工程中，由于土体强冻胀造成的分散性土边坡衬砌结构发生冻害破坏的问题突显，安装在分散性土边坡表面的衬砌结构受边坡的法向冻胀力作用会产生隆起、脱空等结构破坏，严重时导致衬砌结构整体向下滑移。因此，通过实验方法准确测量分散性土的冻胀应力，能够为指导分散性土渠道、堤坝等工程冻害防治提供基础数据支持，具有重大科学意义。例如，公开号为cn112083025a的专利公开了一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置及其试验方法，该专利的技术方案中试样模具的轴线与水平面垂直，将原状土试样放置在试样模具内或在试样模具内重塑试样，然后将模具放置于试验舱内进行冻胀试验。

3、如图1所示，堤坝在治理或改建时，往往需要对原分散性土边坡进行加高培厚，使用改性剂对分散性土进行改性，然后在原边坡上铺设改性土至预定高度，当地下水位介于两种土层的交界处时，导致不同土层之间的冻胀变形不同，这种土层间耦合的冻胀力测试较单一土质冻胀力的测试更为复杂，且试样轴线与水平面垂直测试得出的数据与垂直于坡面的法向冻胀力存在误差，进而导致测试的准确性难以保证。因此上述专利的技术方案不适用于加高培厚情况下的分散性土边坡法向冻胀力测试。

4、综上所述，如何针对上述技术问题，提出一种试验装置及测试方法，这也就成为了目前本领域内技术人员所亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术的不足，进而提供分散性土边坡法向冻胀力测试用的试验装置及测试方法。

2、本发明的技术方案是：分散性土边坡法向冻胀力测试用的试验装置，包括试样成型模具，试样成型模具包括底板、试样筒、顶盖、顶板和连接柱。连接柱的两端分别与底板和顶盖固接，试样筒的横截面为正方形，且试样筒的两端面分别与底板和顶盖相抵，顶板与试样筒的内表面滑动连接；还包括基座、试样修整单元和试样压实单元。

3、基座包括长度可调支撑杆、模具支撑座和固定螺栓。基座上开有长条孔，固定螺栓穿过长条孔后旋紧在模具支撑座上，如此设置，模具支撑座在基座上的位置可调。模具支撑座与底板的一侧面铰接，长度可调支撑杆的两端分别与底板的另一侧面和基座铰接。

4、试样压实单元包括压实底座、第三丝杠、升降座、压土板和压土臂。

5、压实底座通过螺钉安装在基座上，压实底座上固接有第二导向柱，第二导向柱与升降座滑动连接。

6、第三丝杠与水平面垂直布置，第三丝杠可转动地安装在压实底座上，且第三丝杠与升降座螺纹连接。压土臂的一端与升降座固接，压土臂的另一端与压土板铰接。

7、试样修整单元包括第一丝杠、丝杠底座、横梁、削土刀片、第二丝杠和滑轨。

8、丝杠底座和滑轨均通过螺钉与顶盖连接，第一丝杠与顶盖平行布置，且第一丝杠可转动地安装在丝杠底座上。横梁的一端与第一丝杠螺纹连接，横梁的另一端与滑轨滑动连接。

9、第二丝杠与第一丝杠垂直布置，第二丝杠与横梁螺纹连接。削土刀片与第二丝杠垂直布置，且削土刀片与第二丝杠转动连接，削土刀片上固接有第一导向柱，第一导向柱与横梁滑动连接。

10、进一步地，压土臂包括水平进给臂和长度调节臂。

11、水平进给臂包括移动臂、第四丝杠和固接在升降座上的固定套筒。固定套筒为一端封闭的方管状结构，第四丝杠可转动地安装在固定套筒上，且第四丝杠与水平面平行布置。移动臂插装在固定套筒内，移动臂与第四丝杠螺纹连接。

12、长度调节臂包括第一调节板和第二调节板，第一调节板与移动臂铰接，第二调节板与压土板铰接。第一调节板和第二调节板的长度方向上均开有长条孔，且第一调节板和第二调节板通过螺钉连接。

13、进一步地，底板上安装有补水进管、循环液进管和循环液出管，顶板上安装有循环液进管和循环液出管。

14、进一步地，试样筒的侧壁上开有若干个温度测孔。

15、进一步地，还包括补水管，补水管通过支架支撑在地面上，补水管通过乳胶管与补水进管连通。

16、进一步地，还包括反力架和伺服油缸。反力架固接在基座上；伺服油缸的缸体与反力架铰接。

17、本发明还提供了分散性土边坡法向冻胀力测试方法，该方法具体按以下步骤进行：

18、步骤一、确定工程现场各土层的土质、密度、含水率和边坡施工后的坡角β。

19、步骤二、调整试验装置：

20、首先，将试验装置放入环境温度可调的实验室内，补水管放在实验室外，乳胶管穿过实验室的墙壁将补水管与补水进管连通；

21、然后，调整长度可调支撑杆的长度，使底板与水平面间的夹角等于坡角β，在试样筒的内表面均匀涂抹凡士林。

22、步骤三、制备试样：

23、步骤三一、将试样压实单元安装在基座上，且保证压土板与水平面平行；

24、步骤三二、根据工程现场的土质、密度和含水率准备好各土层的土样；

25、步骤三三、采用分层压实的方式在试样筒内成型试样，在成型的过程中使用试样压实单元对土样逐层进行压实；随着试样筒内土样高度逐渐增加，调整升降座的水平高度、水平进给臂和长度调节臂的伸缩长度、水平进给臂与长度调节臂之间的角度，以确保压土板能够对试样筒内各部位的土样进行充分地压实；

26、步骤三四、将试样压实单元从基座上取下，然后将试样修整单元安装在顶盖上，且保证削土刀片与水平面间的夹角等于坡角β；

27、旋拧第一丝杠，削土刀片在横梁的带动下沿第一丝杠的轴线方向移动，以实现将试样顶面切削平整；旋拧第二丝杠，控制削土刀片的切削深度，将试样切削至预定高度，至此完成试样的制备。

28、步骤四、冻胀力测试：

29、步骤四一、将试样修整单元从基座上取下，然后将顶板放入试样筒内，使顶板与试样顶面相抵；

30、步骤四二、在试样成型模具上安装温度传感器、压力传感器和位移传感器：

31、温度传感器插装在试样筒的温度测孔内；位移传感器通过磁力支座支撑在顶盖上，且位移传感器的测头与顶板相抵；缓慢伸出伺服油缸的活塞杆，对试样施加预压力，使压力传感器的两端面分别与顶板和活塞杆的端面紧密接触；

32、步骤四三、将底板和顶板上的循环液进管、循环液出管与水浴循环箱连接，

33、步骤四四、开始试验，按照试验要求通过伺服油缸对试样施加载荷，设置实验室的环境温度、水浴循环箱的运行时间和循环液温度；

34、步骤四五、在步骤四四的运行过程中，通过补水管向试样补水，补水的水位高度可调；

35、步骤四五、观察试验时间是否达到设定时长，若达到即可停止试验。

36、本发明与现有技术相比具有以下效果：

37、1、本发明结构简单、操作方便，试样成型模具200与基座100铰接，便于模拟各种坡角β的边坡，使试样的顶面与工程现场的坡角β相同，减小试验误差，提高了冻胀力测试的准确性与可信度，为寒区的边坡衬砌结构抗冻害破坏优化设计提供可靠的试验数据。

38、2、本发明制备试样时采用分层压实的方式在试样筒220内成型试样，使用试样压实单元400对土样逐层进行压实；以确保能够对试样筒220内各部位的土样进行充分地压实；使试样更符合边坡在加高培厚时通过分层填筑、碾压的施工方式；试样压制完成后使用试样修整单元300将试样切削至预定的高度，试样顶面光顺、平整，且修整时的切削方向与修坡时工程车辆的行驶方向一致，使试样顶面更符合工程实际中修筑的坡面。

39、3、本发明在实验室内模拟边坡实际的边界条件、土层结构，将试样置于补水、负温及荷载的条件下，实现其法向冻胀力在实验室内进行准确、可靠和高效测试：

40、顶板240可直接与两种土层交界的试样顶面相抵，在进行测试时试样筒220、压力传感器700和伺服油缸120三者的轴线重合，通过伺服油缸120对试样施加载荷，模拟土层交界处在衬砌荷载下边坡的法向冻胀力测试。