本發(fā)明涉及一種試驗(yàn)儀器，特別是一種加筋土開放式凍融循環(huán)-拉拔綜合試驗(yàn)儀，適用于觀測多次凍融后加筋土體的融沉位移和剪應(yīng)力以及測定表示筋材-土體間力學(xué)性能的有關(guān)參數(shù)。

背景技術(shù)：

我國季節(jié)性凍土約為5.14×10⁶km²，約占國土總面積的53.5％，季凍區(qū)渠道襯砌因渠基土體凍融變形產(chǎn)生嚴(yán)重凍害。陳輪(1996，《冰川凍土》)、汪恩良(2010，《巖土工程學(xué)報(bào)》)研究表明，土體加筋能有效約束其凍脹，減小水平凍脹力60％以上。加筋還可削弱土體融沉破壞，柴艷飛(2012，《低溫建筑技術(shù)》)研究表明，融沉期鋪設(shè)土工格柵過渡段路堤邊坡安全系數(shù)提高11.9％。趙榮飛(2014，《冰川凍土》)研究表明，粘土路堤加入格柵可使其凍融后的豎向位移和最大剪應(yīng)力減小7％和1.8％。

季凍土發(fā)生融沉破壞的主要原因是凍融后抗剪強(qiáng)度的改變，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)主要有粘聚力c和內(nèi)摩擦角可通過凍融前后土體三軸試驗(yàn)獲得。研究表明，土體凍融穩(wěn)定性與土體壓實(shí)度、初始含水率、凍結(jié)溫度、凍融次數(shù)和形式等因素有關(guān)，現(xiàn)有關(guān)于土體凍融后穩(wěn)定性研究未能充分考慮各因素綜合作用，并給出各凍融條件下土體合理初始狀態(tài)，為有效提高凍融后土體穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

筋-土接觸面作用特性直接影響加筋土內(nèi)部穩(wěn)定，是加筋土力學(xué)性能關(guān)鍵指標(biāo)，可通過大型拉拔試驗(yàn)獲得。國內(nèi)外許多學(xué)者對筋-土接觸面作用特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，筋-土接觸面作用特性與上覆載荷、壓實(shí)度、含水率和加筋層數(shù)等因素有關(guān)?，F(xiàn)有關(guān)于加筋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究未能充分考慮各因素綜合作用，給出各類筋材和土體最優(yōu)加筋形式，深刻揭示筋-土相互作用規(guī)律。

現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備主要完成非加筋土凍融后的穩(wěn)定性和加筋土非凍融條件下的筋材-土體間力學(xué)性能的測定。能夠直接用于多次凍融后加筋土體融沉位移和剪應(yīng)力的觀測以及測定表示凍融后筋材-土體間力學(xué)性能有關(guān)參數(shù)的試驗(yàn)設(shè)備還不完善。

加筋土開放式凍融循環(huán)-拉拔綜合試驗(yàn)儀，可用于測定凍融終了狀態(tài)結(jié)構(gòu)最大融沉位移和剪應(yīng)力，通過大型拉拔試驗(yàn)得出渠基融化終了狀態(tài)格柵-土接觸面古德曼模型各參數(shù)，在各融化終了狀態(tài)采集位移和土壓力傳感器數(shù)據(jù)，分析結(jié)構(gòu)最大融沉位移及剪應(yīng)力，并開展大型拉拔試驗(yàn)得出融化終了狀態(tài)格柵-土接觸面古德曼模型各參數(shù)值，建立上述渠基穩(wěn)定性參數(shù)與主要影響因素間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并對渠基凍融穩(wěn)定性受各因素變化的影響規(guī)律進(jìn)行研究，為季凍區(qū)格柵加筋粉質(zhì)粘土渠基融沉破壞控制提供理論依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種加筋土開放式凍融循環(huán)-拉拔綜合試驗(yàn)儀，能夠直接用于多次凍融后加筋土體融沉位移和剪應(yīng)力的觀測以及測定表示凍融后筋材-土體間力學(xué)性能有關(guān)參數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本發(fā)明包括凍融部分和拉拔部分：

(1)凍融部分設(shè)置恒溫恒濕箱，在恒溫恒濕箱內(nèi)，設(shè)置由固定擋板，活動擋板和多孔底板形成填料箱，兩側(cè)活動擋板通過鉸鏈與底板鉸接；兩側(cè)活動擋板上開有能穿出土工格柵端部的豁口；在固定擋板上部焊接固定彈簧鋼板，在多孔底板上面鋪設(shè)透水石；多孔底板的下面設(shè)置水箱，水箱連接補(bǔ)水裝置；兩側(cè)的活動擋板外側(cè)與固定彈簧鋼板之間設(shè)置彈簧；同時在活動擋板外側(cè)設(shè)置錨栓；

(2)拉拔部分：在一側(cè)活動擋板的外端設(shè)置夾住土工格柵端部的夾具，夾具的另一端連接拉拔裝置，夾具上連接拉力傳感器和百分表；

填料前，將透水石平放在多孔底板上部；填料時，為保證活動擋板豎直放置并防止活動擋板因土壓力作用而傾倒，通過插入固定擋板上的錨栓卡住活動擋板外表面；將溫度傳感器和土壓力盒埋設(shè)在加筋土中對應(yīng)測試部位；填料穩(wěn)定后，將適量的多個彈簧壓縮置于固定彈簧鋼板和活動擋板間，將水平位移傳感器置于活動擋板內(nèi)側(cè)與彈簧同一高度處，同時撤去錨栓；在填料頂部放置加載板，在加載板上距離活動擋板較近位置處放置豎向位移傳感器，將鑄鐵塊荷載加到加載板上；待變形穩(wěn)定后，將裝有填料及各種配件的填料箱放在水箱上部，將以上整體放入恒溫恒濕箱中。

凍融部分能夠在不同凍結(jié)溫度和頂部壓力下開展各凍融次數(shù)補(bǔ)水條件下的土體單向凍結(jié)、融化試驗(yàn)，通過位移和土壓力傳感器觀測結(jié)構(gòu)的融沉位移和應(yīng)力分布情況，確定結(jié)構(gòu)在給定試驗(yàn)條件下的最大融沉位移和剪應(yīng)力。

拉拔部分將完成各模型進(jìn)行融化終了狀態(tài)下拉拔試驗(yàn)，測定模擬格柵-土接觸面作用的古德曼模型切向剪切勁度系數(shù)中各參數(shù)：kc、nc、rfj、和cj(kc為接觸面切向彈性系數(shù)；nc為接觸面切向彈性指數(shù)；為接觸面內(nèi)摩擦角，°；cj為接觸面粘聚力，kpa；rfj為破壞比)，獲得表示筋材-土體間力學(xué)性能的表達(dá)式，為加筋土體有限元計(jì)算提供依據(jù)。

本發(fā)明的積極效果：適用于測定凍融終了狀態(tài)結(jié)構(gòu)最大融沉位移和剪應(yīng)力，通過大型拉拔試驗(yàn)得出渠基融化終了狀態(tài)格柵-土接觸面古德曼模型各參數(shù)，在各融化終了狀態(tài)采集位移和土壓力傳感器數(shù)據(jù)，分析結(jié)構(gòu)最大融沉位移及剪應(yīng)力，并開展大型拉拔試驗(yàn)得出融化終了狀態(tài)格柵-土接觸面古德曼模型各參數(shù)值，建立上述渠基穩(wěn)定性參數(shù)與主要影響因素間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并對渠基凍融穩(wěn)定性受各因素變化的影響規(guī)律進(jìn)行研究，為季凍區(qū)格柵加筋粉質(zhì)粘土渠基融沉破壞控制提供理論依據(jù)。

附圖說明

圖1是開放式凍融循環(huán)-拉拔綜合試驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意圖(上部局剖)。

圖2是圖1的左視圖。

圖3是圖1的俯視圖。

圖4是開放式凍融循環(huán)-拉拔綜合試驗(yàn)儀工作原理示意圖(平行拉拔方向)。

圖5是圖4的左視圖。

附圖中的零部件序號：固定彈簧鋼板1，彈簧2，錨栓3，荷載4，加載板5，固定擋板6，活動擋板7，豁口7-1，鉸鏈8，透水石9，底板10，水箱11，補(bǔ)水裝置12，恒溫恒濕箱13，豎向位移傳感器14(現(xiàn)有的ktm-100mm型直線位移傳感器，最大線位移100mm，精度0.5％)，水平位移傳感器15(現(xiàn)有的ktm-200mm型直線位移傳感器，最大線位移200mm，精度0.5％)，夾具16，拉力傳感器17(現(xiàn)有的tjl-1s型拉力傳感器，額定荷載0.05～200kn，工作溫度-20℃～65℃)，百分表18(現(xiàn)有的wbd-50百分表式電阻應(yīng)變位移傳感器，最低工作溫度-45℃)，溫度傳感器19(現(xiàn)有的dm-301型溫度傳感器，工作溫度：-50℃～200℃，土壓力盒20(現(xiàn)有的jdy-110型單膜土壓力盒，溫度范圍：-30℃～80℃，量程：1.5mpa)，拉拔裝置21(現(xiàn)有的速率可控的水平拉拔試驗(yàn)機(jī)，其拉拔速率范圍是0.07～8.67mm/min，可提供的最大拉拔力為3t)，粉質(zhì)粘土22，土工格柵23(現(xiàn)有的tgsg30-30型雙向拉伸塑料土工格柵)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明包括凍融部分和拉拔部分：

(1)凍融部分

見圖1-3，在恒溫恒濕箱13內(nèi)，設(shè)置由固定擋板6，活動擋板7和多孔底板10形成填料箱，其中，兩塊固定擋板6焊接于底板10，兩塊活動擋板7置于底板10上部，通過鉸鏈8與底板10鉸接?；顒訐醢?開設(shè)缺口7-1；將固定彈簧鋼板1焊接于固定擋板6上部(填料的上表面位置)。在底板10上面鋪設(shè)透水石9；底板10的下面設(shè)置水箱11，水箱11連接補(bǔ)水箱12。在恒溫恒濕箱13內(nèi)兩側(cè)固定彈簧鋼板1，兩側(cè)的活動擋板7外側(cè)與固定彈簧鋼板1之間在水平方向等間距固定5個彈簧；同時在活動擋板7外側(cè)設(shè)置錨栓3。凍融前，松開固定擋板上部錨栓3，保證該處彈簧約束和原有錨栓3具有相同的圍護(hù)效果。凍融過程，凍結(jié)、融化作用引起渠基結(jié)構(gòu)沿長度方向的受力和變形將通過彈簧變形反映。

(2)拉拔部分

見圖2-5，在一側(cè)活動擋板7的外端設(shè)置夾住土工格柵23端部的夾具16，夾具16的另一端連接拉拔裝置21(為現(xiàn)有裝置)，夾具16上連接拉力傳感器17和百分表18。

填料前，將透水石9平放在多孔底板10上部。填料時，為保證活動擋板7豎直放置，通過位于固定彈簧鋼板1下部插入固定擋板6中的錨栓3卡在活動擋板7外表面，防止活動擋板7因土壓力作用而傾倒；將溫度傳感器19和土壓力盒20埋設(shè)在加筋土中對應(yīng)測試部位。填料穩(wěn)定后，將水平等距的多個彈簧2置于固定彈簧鋼板1和活動擋板7間(凍融過程，凍結(jié)、融化作用引起渠基結(jié)構(gòu)沿長度方向的受力和變形將通過彈簧變形反映。)，將水平位移傳感器15置于活動擋板內(nèi)側(cè)與彈簧2同一高度處，同時撤去錨栓3；在填料頂部放置加載板5，在加載板5上距離活動擋板7較近位置處放置豎向位移傳感器14，將鑄鐵塊荷載4加到加載板5上。待變形穩(wěn)定后，將裝有填料及各種配件的填料箱放在水箱11上部，水箱11與補(bǔ)水箱12相連接，保證填料凍脹時，能從水箱中吸收水分。裝樣時，僅讓各層格柵從活動擋板7的缺口7-1穿出，并保證格柵與缺口接觸面摩擦較小，以保證拉拔過程格柵與缺口無干擾，確保拉拔試驗(yàn)各參數(shù)測定的準(zhǔn)確性。

將以上整體放入恒溫恒濕箱13(采用現(xiàn)有的tx-ths-1500型雙開門恒溫恒濕試驗(yàn)箱)中。

試驗(yàn)方法：

(1)凍融試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)的主要步驟為：裝樣→加載→恒溫保載→單向凍結(jié)(多次)→單向融化(多次)→數(shù)據(jù)采集。裝樣過程：不同初始含水率的回填土料按壓實(shí)度k＝{m/[v(1+w)ρdmax]}×100％(m為制備相應(yīng)壓實(shí)度的填料層所需土質(zhì)量，g；w為填料初始含水率，％；v為填料層體積，cm³；ρdmax為4℃下水的容重，g/cm³。)均勻鋪放，并人工擊實(shí)；加載過程：裝樣結(jié)束后，在加載板中心區(qū)域由內(nèi)向外堆放鑄鐵塊荷載4使渠基達(dá)到試驗(yàn)所需基頂壓力；恒溫保載過程：加載結(jié)束后，調(diào)節(jié)恒溫恒濕箱至+1℃，凍融前恒溫保載24h，確保土樣內(nèi)溫度均勻，固結(jié)較好，并保持該荷載直至凍融結(jié)束，為保證試件在恒溫恒濕箱內(nèi)單向凍結(jié)、融化，需要對試件進(jìn)行保溫隔熱處理，即給恒溫恒濕箱內(nèi)所有試驗(yàn)件穿上由納米氣凝膠氈和苯板復(fù)合材料制作的“保溫隔熱服”(現(xiàn)有產(chǎn)品)，只暴露試件凍融面。單向凍結(jié)過程：調(diào)節(jié)恒溫恒濕箱達(dá)試驗(yàn)所需凍結(jié)溫度，保持穩(wěn)定，通過溫度及位移傳感器監(jiān)測試件不同土層溫度和土體整體變形，各土層溫度及凍脹變形趨于穩(wěn)定后，停止凍結(jié)，溫度、位移及土壓力傳感器均通過導(dǎo)線與外部的dh3820型高速靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)相連，并采用計(jì)算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)；單向融化過程：凍結(jié)結(jié)束后，將箱內(nèi)溫度調(diào)至+15℃加熱融化(研究表明，強(qiáng)制解凍對融土壓縮變形總量無影響，只是加快其完成速度)，同樣監(jiān)測試件不同深度處溫度與土體整體融沉變形，融沉穩(wěn)定后，停止融化；數(shù)據(jù)采集過程：融化結(jié)束，立刻通過位移和土壓力傳感器檢測試件變形和受力情況。補(bǔ)水系統(tǒng)為防止土體從多孔底板擠出，并保證水流通暢，可在試件底端與底板間設(shè)置透水石，同時，需保證凍結(jié)過程補(bǔ)水系統(tǒng)水溫在0℃以上。

(2)拉拔試驗(yàn)

為反映不同加筋條件下凍融后格柵-土接觸面作用特性的差異，準(zhǔn)確獲得相關(guān)計(jì)算參數(shù)，可在拉拔方向擋板不同部位設(shè)置高度為30mm(考慮因上部填土自重、豎向加載及凍融變形使各層格柵產(chǎn)生豎向位移，造成格柵與擋板缺口的干擾作用，影響拉拔試驗(yàn)的準(zhǔn)確性)、寬550mm的缺口7-1(格柵寬度為500mm)，各層拉拔試驗(yàn)自上而下進(jìn)行。水平加載由現(xiàn)有的拉拔試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，拉拔時讓夾具緊貼拉拔端擋板表面，格柵伸出擋板兩端分別為30mm和70mm(見圖4，以保證拉拔全程格柵-土接觸面面積不變。試驗(yàn)機(jī)和格柵拉拔端間設(shè)置拉力傳感器，用以測量水平拉力，水平位移通過量程為50mm的電阻式百分表測量，拉力傳感器和電阻式百分表均通過導(dǎo)線與外部的dh3820型高速靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)相連，并采用計(jì)算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)。凍融結(jié)束后，即將試件從恒溫恒濕箱內(nèi)整體移出，調(diào)試數(shù)據(jù)顯示和采集設(shè)備，開動水平方向拉拔裝置，控制拉拔速率為1.0mm/min，當(dāng)拉拔力出現(xiàn)峰值后，繼續(xù)拉拔直至拉拔力穩(wěn)定，即停止試驗(yàn)。通過分析剪應(yīng)力與水平位移及豎向應(yīng)力關(guān)系曲線，獲得模擬格柵-土接觸面作用的古德曼模型各參數(shù)：kc、nc、rfj、和cj。