專利名稱：一種用于高含冰凍土試樣的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種用于研究高含冰凍土力學性能的試樣制備方法。適用于低溫實驗室進行制備具有整體狀構造的高含冰人工凍土試樣(所含土或冰顆粒最大粒徑不超過 2. Omm)使用。
背景技術：
高含冰凍土是指含水量超過飽和含水量，且溫度低于0°C的土體。青藏公路穿越的多年凍土中高含冰量(體積含冰量> 20% )凍土段占了全長的59%;青藏鐵路穿越多年凍土區632km，其中有221km為高含冰量凍土區，高溫、高含冰量凍土重疊路段為134km。在國內，大量的室內研究集中于低含冰量凍土，即為總含水量不超過飽和含水量或剛達到飽和值的凍土。在國外，早期就有少量關于高含冰凍土力學特性的報道，但對于高含冰凍土試樣的制備方法描述很少，或無據可查。隨著寒區公路、鐵路，輸油管線等工程建設的發展，越來越多的工程在建設過程中會觸及到含冰(水)量較高的凍土，所以研究高含冰凍土的力學特性就顯得越來越重要，而高含冰量凍土試樣的制備可為開展高含冰凍土試驗研究提供試樣保證。人工凍土試樣的制備方法傳統的有三種分層擊實法、固結法和壓樣機整體壓實法，這三種方法目前都在常溫下使用。整體狀高含冰人工凍土試樣是土、冰和水均勻混合制備而成的，冰的存在確保了試樣的高含冰(水)量(大于飽和值)，所以試樣的整個制備過程必須在負溫環境下進行。使用分層擊實法制備高含冰試樣的時候，往往出現最后一層土體自身發生凍結，不易與其它層均勻的粘結到一起，最終將導致試樣的極大不均一性；固結法是將風干土加蒸餾水配成大于液限的稀泥漿，倒入制樣筒，在頂部施加靜載加速土樣固結，以獲得飽和試樣，顯然不適宜于高含冰試樣的制備；壓樣機適用于常溫，在低溫下無法正常運轉。因此，研發一種適用于低溫實驗室制備具有整體狀構造的高含冰人工凍土試樣的方法對于研究高含冰凍土的力學特性問題具有重要意義。
發明內容
鑒于上述，本發明目的是提供一種高含冰凍土試樣的制備方法。一種高含冰凍土試樣的制備方法，首先開啟低溫實驗室，準備好恒溫干土(粒徑 ^ 2. Omm)和冰樣，高含冰凍土試樣制備具體流程包括a.計算制備一個試樣需要的干土、冰和水的質量根據給定的試樣含水量和干密度，在已知試樣尺寸和低溫實驗室溫度的條件下，計算出制備一個試樣所需干土、冰及水的質量。b.碎冰將凍結好的整塊冰借助木制榔頭手工破碎為顆粒冰，再利用粉碎機將顆粒冰粉碎為粒徑< 2. Omm的粉末冰。c.冰、土均勻混合依據步驟a分別稱取一個試樣所需步驟b所得的粉末冰及已恒溫的干土，放置在不銹鋼圓柱形鐵桶中混合。先快速的手工攪拌，再使用簡易單速葉片式電動攪拌器進行自動化攪拌至均勻。d.制備冰、水混合物將一定量的蒸餾水放入容器中并置于低溫實驗室冷卻至溫度為o°c，然后加入定量步驟b所述顆粒冰，迅速攪拌至冰、水混合物溫度均一。e.冰、土、水均勻混合依據步驟a稱取一個試樣所需步驟d所述混合物中的液態水量加入步驟c所述混合物中。先快速的手工攪拌，再使用簡易單速棒式電動攪拌器進行自動化攪拌至均勻。f.壓制試樣將步驟e所述冰、土、水均勻混合物一次性裝入制樣筒，利用機械式油壓千斤頂采用兩端壓實法壓制至要求的高度。g.凍結試樣試樣脫制樣筒，裝入標準模具，放入-20°C低溫箱進行至少Mh的快速凍結。h.確定試樣部分參數測量步驟g所述試樣脫模以后的尺寸及總質量，然后將試樣裝入密封的標配防油膠套，放入_20°C低溫箱，完成試樣的制備，以備試驗用。本發明的優點和產生的有益效果本發明工藝簡單、靈活，成本低廉，試驗結果準確，可以根據實際需要的尺寸在低溫條件下制作高含冰人工凍土試樣，為開展高含冰凍土試驗研究提供試樣保證。
圖1為攪拌裝置立體示意圖。圖2為試樣壓制裝置立體示意圖。圖3為實例1中1、2、3號粉質砂土試樣試驗后的應力應變曲線圖4為實例2中1、2、3號粉質粘土試樣試驗后的應力應變曲線
具體實施例方式本發明使用的攪拌裝置，其中1-不銹鋼圓柱形鐵桶；2-棒式槳葉；3-電機；4-葉片式槳葉。試樣壓制裝置，其中5-油壓千斤頂；6-活塞桿；7-制樣筒；8-底盤。為了更好地理解本發明，通過以下實施例對本發明的技術予以進一步說明，但并非對本發明的限定。實例1制備3個圓柱形青藏高原粉質砂土試樣，其高度為125. 0mm、直徑61. 8mm、 干密度0. 44g/cm3、含水量為150.0%。制樣準備工作首先開啟低溫實驗室(控溫精度士1.0°C )，設定其溫度為-7V (溫度太低，冰、土、水三者的混合物易發生快速凍結；溫度過高又不利于冰的存在)。待其溫度達該設定值，并穩定至少池后，將粒徑< 2. Omm的干粉質砂土和制備試樣涉及到的所有工具置于低溫實驗室進行至少12h的恒溫，同時在一不銹鋼冰盤中加入4000g 蒸餾水置于低溫實驗室進行至少12h的凍結，成冰厚度< 20. 0mm，方便破碎。高含冰粉質砂土試樣制備流程(1)計算制備一個砂土試樣需要的干土、冰和水的質量根據給定的試樣含水量150.0%、干密度0.448/(^13、試樣尺寸(高125.0mm，直徑61. 8mm)及低溫實驗室溫度-7. O0C，換算出制備一個試樣所需干土質量為165. Og,總水量為M7. 5g，所以在制備試樣過程中加入液態水的質量應為165. OgX 15% (粉質砂土在溫度為-7. 0°C時，其未凍水含量約為 15% ) = 24. 75g，粉末冰的質量為 165. Og-24. 75g = 140. 25g。(2)碎冰將凍結好的整塊冰借助木制榔頭手工破碎為最大粒徑< 20. Omm顆粒冰，再利用粉碎機將顆粒冰粉碎為粒徑< 2. Omm的粉末冰。粉碎機可選用市面上用于粉碎調料、藥品等的普通機型(價位1000元RMB左右/ 臺)，顆粒大小通過配置具有不同網眼的篩網控制。該粉碎機可以在低溫環境下使用，體積小、操作簡便、不用輔助設備；可置于桌面上使用，便于當場加工。由于冰顆粒較輕安裝篩網會阻止冰顆粒的通過，所以在粉碎的過程中不用篩網，直接粉碎。第一遍粉完后，取適量碎冰與適量已恒溫的干土混合，并過2. Omm篩，如果篩上有冰顆粒，接著對第一遍粉碎冰進行再次粉碎，如此反復，直至冰顆粒完全通過2. Omm篩。(3)冰、土混合依據步驟(1)分別稱取一個試樣所需的粉末冰140. 25g及恒溫干土 165. Og,放入攪拌裝置直徑為150. Omm,高度為200. Omm的不銹鋼圓柱形鐵桶1中混合。先快速手工攪拌，再使用攪拌裝置中的簡易單速葉片式電動攪拌器進行自動化攪拌至均勻。手工攪拌時間太長容易引起冰的融化，選擇單速葉片式電動攪拌器主要考慮到有一定寬度的槳葉可以將處于干燥狀態的冰、土混合物攪拌至均勻。攪拌器槳葉的大小、形式可以根據攪拌容器的大小(根據攪拌土量確定，要適宜)來選取，槳葉表面必須光滑以減少因粘貼造成混合物損失。單速葉片式電動攪拌器主要由攪拌裝置中的葉片式槳葉4、電機3及大小與不銹鋼圓柱形鐵桶1端部匹配的圓形鐵片三部分組成(見圖1)。葉片式槳葉4(8元RMB左右/ 個)可以在市面上購買，電機3功率為80W左右為宜；葉片式槳葉4的直徑與鐵捅的內直徑差< 3. Omm,以防遺留不均勻混合物。電機3固定在圓形鐵片的中心。(4)制備冰、水混合物將IOOOg蒸餾水放入容器中并置于低溫實驗室冷卻至溫度接近于0°c，然后加入IOOOg步驟( 所述顆粒冰，迅速攪拌至冰、水混合物溫度均一。(5)冰、土、水均勻混合稱取步驟(4)所述混合物中的液態水24. 75g加入步驟 (3)所述均勻混合物中。先快速手工攪拌，再使用單速棒式電動攪拌器進行自動化攪拌至均勻。單速棒式電動攪拌器主要由攪拌裝置中的棒式槳葉2、電機3及大小與不銹鋼圓柱形鐵桶1端部匹配的圓形鐵片三部分組成(見圖1)。棒式槳葉2 (8元RMB左右/個)可以在市面上購買，電機3功率為80W左右為宜；棒式槳葉4的長度與鐵捅的內直徑差<3. Omm, 以防遺留不均勻混合物。電機3固定在圓形鐵片的中心。棒式槳葉2的凸形表面可以避免冰、土、水三者的混合物沾粘，從而保證試樣的質量。(6)壓制試樣將上述步驟(5)的冰、土、水均勻混合物一次性裝入試樣壓制裝置中內直徑為61. 8mm,高度180. Omm的制樣筒7，利用試樣壓制裝置中的5噸機械式油壓千斤頂5采用兩頭壓實法壓制至試樣高度為125. Omm為宜。其中先壓一端活塞桿6的壓縮行程為50. 0mm，后壓一端的為55. 0mm。在試樣壓制裝置的制樣筒7與機械式油壓千斤頂5接觸端配備了直徑大于制樣筒 7外直徑的底盤8，所以試樣壓制裝置中的壓縮行程由活塞桿6控制(見圖幻。壓制試樣前在活塞桿6 (活塞桿直徑比制樣筒內徑小1. Omm)上先標注刻度，分別表明兩端壓縮的行程； 5噸機械式油壓千斤頂5可在市面上直接購買，價值80多元(RMB)。
(7)凍結試樣試樣脫制樣筒7，裝入內直徑為61. 8mm,高度125. Omm的標準模具中，放入_20°C低溫箱進行至少Mh的快速凍結。標準模具尺寸跟已成形試樣的尺寸相同，在快速凍結過程中，該模具可限制試樣發生徑向變形，但允許微小的軸向變形。(8)確定試樣部分參數將步驟(7)所得的試樣脫模，分別測得其總質量412. Og, 直徑61. 8mm，高度125. 2mm。然后將試樣裝入密封的標配防油膠套，置入_20°C低溫箱，完成試樣的制備。重復上述步驟(3) (8)，完成另外2個試樣的制備。實例2制備3個圓柱形青藏高原粉質粘土試樣，其高度為125. 0mm、直徑61. 8mm、 干密度0. 79g/cm3、含水量為70. 0%。制樣準備工作首先開啟低溫實驗室(控溫精度士 1.0°C )，設定其溫度為-7 V。 待其溫度達該設定值，并穩定至少池后，將粒徑< 2. Omm干粉質粘土和制備試樣涉及到的工具置于低溫實驗室進行至少12h的恒溫，同時在一不銹鋼冰盤中加入4000g蒸餾水置于低溫實驗室進行至少12h的凍結。高含冰粉質粘土試樣制備流程(1)計算制備一個粘土試樣需要的干土、冰和水的質量根據給定的試樣含水量 70. 0%、干密度0. 79g/cm3、試樣尺寸(高125. 0mm，直徑61. 8mm)及低溫實驗室溫度_7. 0°C， 換算出制備一個試樣所需干土質量為四6. 25g，總水量為207. 35g，所以在制備試樣過程中加入液態水的質量應為四6. 25g*10% (粉質粘土在溫度為-7. 0°C時，其未凍水含量約為 10% ) = 29. 63g，粉末冰的質量為 207. 35g-29. 63g = 177. 75g。(2)碎冰將凍結好的整塊冰借助木制榔頭手工破碎為最大粒徑< 20. Omm顆粒冰，再利用粉碎機將顆粒冰粉碎為粒徑< 2. Omm的粉末冰。(3)冰、土混合依據步驟⑴分別稱取一個試樣所需粉末冰177. 75及恒溫干土 296. 25g，放入攪拌裝置直徑為150. Omm,高度為200. Omm的不銹鋼圓柱形鐵桶1中混合。先快速的手工攪拌，再使用簡易單速葉片式電動攪拌器進行自動化攪拌至均勻。(4)制備冰、水混合物將IOOOg蒸餾水放入容器中并置于低溫實驗室冷卻至溫度為0°c，然后加入IOOOg步驟( 所述顆粒冰，迅速攪拌至冰、水混合物溫度均一。(5)冰、土、水均勻混合稱取步驟(4)所述混合物中液態水29. 63g加入步驟(3) 所述均勻混合物中。先快速手工攪拌，再使用單速棒式電動攪拌器進行自動化攪拌至均勻。(6)重復實例1中的步驟(6) - (7)。(7)確定試樣部分參數將步驟(6)所得的試樣脫模，分別測得其總質量503g，直徑61. 8mm，高度125. 5mm。然后將試樣裝入密封的標配防油膠套，放入_20°C低溫箱，完成試樣的制備。重復上述步驟(3) (7)，完成另外2個試樣的制備。利用實例1中的3個粉質砂土試樣分別進行了單軸抗壓強度試驗，剪切速率為 0. 625mm/Min，試驗溫度為-2. 0°C。試驗結果如圖3所示，試驗后測得1、2和3號試樣的總含水量分別為149. 1%、150. 8%和151. 0%，相應干密度分別為0. 43g/cm3、0. 44g/cm3和 0. 43g/cm3。實施例1制備流程的預算總含水量150. 0%，干密度是0. 44g/cm3。1、2和3號試驗試樣含水量和干密度結果與預算的含水量和干密度基本接近，對照預算值，說明1、2、3號試樣的重復性好。利用實例2中的3個粉質粘土試樣分別進行了單軸抗壓強度試驗，剪切速率為 5. Omm/Min，試驗溫度為-2. 0°C。試驗結果如圖4所示，試驗后測得1、2和3號試樣的總含水量分別為69. 5%、71. 0%和70. 5%，相應干密度分別為0. 80g/cm3、0. 79g/cm3和0. 79g/ cm3。實施例2制備流程的預算總含水量70.0%，干密度0.79g/cm3。1、2和3號試驗試樣含水量和干密度結果與預算的含水量和干密度基本接近，對照預算值，說明1、2、3號試樣的重復性好。圖3為實例1中1、2、3號粉質砂土試樣試驗后的應力應變曲線；圖4為實例2中 1、2、3號粉質粘土試樣試驗后的應力應變曲線。從圖3和圖4中的試樣應力應變曲線可知 對于同一組平行試樣來說，1、2、3號試樣的應力應變曲線基本上重合，說明1、2、3號試樣的重復性好。試驗后測得的1、2、3號試樣間含水量和干密度分布也表明試樣較均勻。剖開不同含水量的試樣，用肉眼觀察，在試樣中幾乎找不到冰晶。這一切表明本發明的制樣方法是可行的。
權利要求
1. 一種高含冰凍土試樣的制備方法，首先開啟低溫試驗室，準備好粒徑< 2. Omm恒溫干土和冰樣，其特征是高含冰凍土試樣制備具體流程包括a.計算制備一個試樣需要的干土、冰和水的質量根據給定的試樣含水量和干密度， 在已知試樣尺寸和低溫實驗室溫度為-6. 0 -8. 0°C的條件下，計算出制備一個試樣所需干土、冰及水的質量；b.碎冰將凍結好的整塊冰借助木制榔頭手工破碎為顆粒冰，再利用粉碎機將顆粒冰粉碎為粒徑< 2. Omm的粉末冰；c.冰、土均勻混合依據步驟a分別稱取一個試樣所需步驟b所得的粉末冰及已恒溫的干土，放置在不銹鋼圓柱形鐵桶(1)中混合；先快速的手工攪拌，再使用簡易單速葉片式電動攪拌器進行自動化攪拌至均勻；d.制備冰、水混合物將蒸餾水放入容器中并置于低溫實驗室冷卻至溫度為0°C，然后加入步驟b所述顆粒冰，迅速攪拌至冰、水混合物溫度均一；e.冰、土、水均勻混合依據步驟a稱取一個試樣所需步驟d所述混合物中的液態水量加入步驟c所述混合物中；先快速的手工攪拌，再使用簡易單速棒式電動攪拌器進行自動化攪拌至均勻；f.壓制試樣將步驟e所述冰、土、水均勻混合物一次性裝入制樣筒(7)，利用機械式油壓千斤頂(5)采用兩端壓實法壓制至要求的高度；g.凍結試樣試樣脫制樣筒(7)，裝入標準模具，放入-20°C低溫箱進行至少Mh的快速凍結；h.確定試樣部分參數測量步驟g所述試樣脫模以后的尺寸及總質量，然后將試樣裝入密封的標配防油膠套，放入_20°C低溫箱，完成試樣的制備，以備試驗用。
全文摘要
本發明公開一種高含冰凍土試樣的制備方法，其步驟如下開啟低溫試驗室，準備好恒溫干土和冰樣，具體流程包括①計算制備一個試樣需要的干土、冰和水的質量；②碎冰；③冰、土均勻混合；④制備冰、水混合物；⑤冰、土、水均勻混合；⑥壓制試樣；⑦凍結試樣；⑧確定試樣部分參數。本發明不需要專業設備，工藝簡單、靈活，成本低廉，試驗結果準確，可以根據實際需要的尺寸制作高含冰人工凍土試樣，為開展高含冰凍土試驗研究提供試樣保證。
文檔編號G01N1/28GK102230856SQ20111007479
公開日2011年11月2日 申請日期2011年3月21日 優先權日2011年3月21日
發明者張淑娟, 杜玉霞, 賴遠明, 馬巍 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所