一种用于高含冰冻土试样的制备方法

摘要

本发明公开一种高含冰冻土试样的制备方法，其步骤如下：开启低温试验室，准备好恒温干土和冰样，具体流程包括：①计算制备一个试样需要的干土、冰和水的质量；②碎冰；③冰、土均匀混合；④制备冰、水混合物；⑤冰、土、水均匀混合；⑥压制试样；⑦冻结试样；⑧确定试样部分参数。本发明不需要专业设备，工艺简单、灵活，成本低廉，试验结果准确，可以根据实际需要的尺寸制作高含冰人工冻土试样，为开展高含冰冻土试验研究提供试样保证。

权利要求

1.一种高含冰冻土试样的制备方法，首先开启低温试验室，准备好粒径≤2.0mm恒温干土和冰样，其特征是高含冰冻土试样制备具体流程包括：a.计算制备一个试样需要的干土、冰和水的质量：根据给定的试样含水量和干密度，在已知试样尺寸和低温实验室温度为-6.0～-8.0℃的条件下，计算出制备一个试样所需干土、冰及水的质量；

b.碎冰：将冻结好的整块冰借助木制榔头手工破碎为颗粒冰，再利用粉碎机将颗粒冰粉碎为粒径≤2.0mm的粉末冰；

c.冰、土均匀混合：依据步骤a分别称取一个试样所需步骤b所得的粉末冰及已恒温的干土，放置在不锈钢圆柱形铁桶(1)中混合；先快速的手工搅拌，再使用简易单速叶片式电动搅拌器进行自动化搅拌至均匀；

d.制备冰、水混合物：将蒸馏水放入容器中并置于低温实验室冷却至温度为0℃，然后加入步骤b所述颗粒冰，迅速搅拌至冰、水混合物温度均一；

e.冰、土、水均匀混合：依据步骤a称取一个试样所需步骤d所述混合物中的液态水量加入步骤c制得的冰、土混合物中；先快速的手工搅拌，再使用简易单速棒式电动搅拌器进行自动化搅拌至均匀；

f.压制试样：将步骤e制得的冰、土、水均匀混合物一次性装入制样筒(7)，利用机械式油压千斤顶(5)采用两端压实法压制至要求的高度；

g.冻结试样：试样脱制样筒(7)，装入标准模具，放入-20℃低温箱进行至少24h的快速冻结；

h.确定试样部分参数：测量步骤g所述试样脱模以后的尺寸及总质量，然后将试样装入密封的标配防油胶套，放入-20℃低温箱，完成试样的制备，以备试验用。

说明书

一种用于高含冰冻土试样的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于研究高含冰冻土力学性能的试样制备方法。适用于低温实验室进行制备具有整体状构造的高含冰人工冻土试样(所含土或冰颗粒最大粒径不超过2.0mm)使用。

背景技术

[0002] 高含冰冻土是指含水量超过饱和含水量，且温度低于0℃的土体。青藏公路穿越的多年冻土中高含冰量(体积含冰量≥20％)冻土段占了全长的59％；青藏铁路穿越多年冻土区632km，其中有221km为高含冰量冻土区，高温、高含冰量冻土重叠路段为134km。在国内，大量的室内研究集中于低含冰量冻土，即为总含水量不超过饱和含水量或刚达到饱和值的冻土。在国外，早期就有少量关于高含冰冻土力学特性的报道，但对于高含冰冻土试样的制备方法描述很少，或无据可查。随着寒区公路、铁路，输油管线等工程建设的发展，越来越多的工程在建设过程中会触及到含冰(水)量较高的冻土，所以研究高含冰冻土的力学特性就显得越来越重要，而高含冰量冻土试样的制备可为开展高含冰冻土试验研究提供试样保证。

[0003] 人工冻土试样的制备方法传统的有三种：分层击实法、固结法和压样机整体压实法，这三种方法目前都在常温下使用。整体状高含冰人工冻土试样是土、冰和水均匀混合制备而成的，冰的存在确保了试样的高含冰(水)量(大于饱和值)，所以试样的整个制备过程必须在负温环境下进行。使用分层击实法制备高含冰试样的时候，往往出现最后一层土体自身发生冻结，不易与其它层均匀的粘结到一起，最终将导致试样的极大不均一性；固结法是将风干土加蒸馏水配成大于液限的稀泥浆，倒入制样筒，在顶部施加静载加速土样固结，以获得饱和试样，显然不适宜于高含冰试样的制备；压样机适用于常温，在低温下无法正常运转。因此，研发一种适用于低温实验室制备具有整体状构造的高含冰人工冻土试样的方法对于研究高含冰冻土的力学特性问题具有重要意义。

发明内容

[0004] 鉴于上述，本发明目的是提供一种高含冰冻土试样的制备方法。

[0005] 一种高含冰冻土试样的制备方法，首先开启低温实验室，准备好恒温干土(粒径≤2.0mm)和冰样，高含冰冻土试样制备具体流程包括：

[0006] a.计算制备一个试样需要的干土、冰和水的质量：根据给定的试样含水量和干密度，在已知试样尺寸和低温实验室温度的条件下，计算出制备一个试样所需干土、冰及水的质量。

[0007] b.碎冰：将冻结好的整块冰借助木制榔头手工破碎为颗粒冰，再利用粉碎机将颗粒冰粉碎为粒径≤2.0mm的粉末冰。

[0008] c.冰、土均匀混合：依据步骤a分别称取一个试样所需步骤b所得的粉末冰及已恒温的干土，放置在不锈钢圆柱形铁桶中混合。先快速的手工搅拌，再使用简易单速叶片式电动搅拌器进行自动化搅拌至均匀。

[0009] d.制备冰、水混合物：将一定量的蒸馏水放入容器中并置于低温实验室冷却至温度为0℃，然后加入定量步骤b所述颗粒冰，迅速搅拌至冰、水混合物温度均一。

[0010] e.冰、土、水均匀混合：依据步骤a称取一个试样所需步骤d所述混合物中的液态水量加入步骤c所述混合物中。先快速的手工搅拌，再使用简易单速棒式电动搅拌器进行自动化搅拌至均匀。

[0011] f.压制试样：将步骤e所述冰、土、水均匀混合物一次性装入制样筒，利用机械式油压千斤顶采用两端压实法压制至要求的高度。

[0012] g.冻结试样：试样脱制样筒，装入标准模具，放入-20℃低温箱进行至少24h的快速冻结。

[0013] h.确定试样部分参数：测量步骤g所述试样脱模以后的尺寸及总质量，然后将试样装入密封的标配防油胶套，放入-20℃低温箱，完成试样的制备，以备试验用。

[0014] 本发明的优点和产生的有益效果：

[0015] 本发明工艺简单、灵活，成本低廉，试验结果准确，可以根据实际需要的尺寸在低温条件下制作高含冰人工冻土试样，为开展高含冰冻土试验研究提供试样保证。

附图说明

[0016] 图1为搅拌装置立体示意图。

[0017] 图2为试样压制装置立体示意图。

[0018] 图3为实例1中1、2、3号粉质砂土试样试验后的应力应变曲线

[0019] 图4为实例2中1、2、3号粉质粘土试样试验后的应力应变曲线

具体实施方式

[0020] 本发明使用的搅拌装置，其中：1-不锈钢圆柱形铁桶；2-棒式桨叶；3-电机；4-叶片式桨叶。试样压制装置，其中：5-油压千斤顶；6-活塞杆；7-制样筒；8-底盘。

[0021] 为了更好地理解本发明，通过以下实施例对本发明的技术予以进一步说明，但并非对本发明的限定。

[0022] 实例1制备3个圆柱形青藏高原粉质砂土试样，其高度为125.0mm、直径61.8mm、3
干密度0.44g/cm、含水量为150.0％。

[0023] 制样准备工作：首先开启低温实验室(控温精度±1.0℃)，设定其温度为-7℃(温度太低，冰、土、水三者的混合物易发生快速冻结；温度过高又不利于冰的存在)。待其温度达该设定值，并稳定至少2h后，将粒径≤2.0mm的干粉质砂土和制备试样涉及到的所有工具置于低温实验室进行至少12h的恒温，同时在一不锈钢冰盘中加入4000g蒸馏水置于低温实验室进行至少12h的冻结，成冰厚度≤20.0mm，方便破碎。

[0024] 高含冰粉质砂土试样制备流程：

[0025] (1)计算制备一个砂土试样需要的干土、冰和水的质量：根据给定的试样含水3
量150.0％、干密度0.44g/cm、试样尺寸(高125.0mm，直径61.8mm)及低温实验室温度-7.0℃，换算出制备一个试样所需干土质量为165.0g，总水量为247.5g，所以在制备试样过程中加入液态水的质量应为165.0g×15％(粉质砂土在温度为-7.0℃时，其未冻水含量约为15％)＝24.75g，粉末冰的质量为165.0g-24.75g＝140.25g。

[0026] (2)碎冰：将冻结好的整块冰借助木制榔头手工破碎为最大粒径≤20.0mm颗粒冰，再利用粉碎机将颗粒冰粉碎为粒径≤2.0mm的粉末冰。

[0027] 粉碎机可选用市面上用于粉碎调料、药品等的普通机型(价位1000元RMB左右/台)，颗粒大小通过配置具有不同网眼的筛网控制。该粉碎机可以在低温环境下使用，体积小、操作简便、不用辅助设备；可置于桌面上使用，便于当场加工。由于冰颗粒较轻安装筛网会阻止冰颗粒的通过，所以在粉碎的过程中不用筛网，直接粉碎。第一遍粉完后，取适量碎冰与适量已恒温的干土混合，并过2.0mm筛，如果筛上有冰颗粒，接着对第一遍粉碎冰进行再次粉碎，如此反复，直至冰颗粒完全通过2.0mm筛。

[0028] (3)冰、土混合：依据步骤(1)分别称取一个试样所需的粉末冰140.25g及恒温干土165.0g，放入搅拌装置直径为150.0mm，高度为200.0mm的不锈钢圆柱形铁桶1中混合。先快速手工搅拌，再使用搅拌装置中的简易单速叶片式电动搅拌器进行自动化搅拌至均匀。

[0029] 手工搅拌时间太长容易引起冰的融化，选择单速叶片式电动搅拌器主要考虑到有一定宽度的桨叶可以将处于干燥状态的冰、土混合物搅拌至均匀。搅拌器桨叶的大小、形式可以根据搅拌容器的大小(根据搅拌土量确定，要适宜)来选取，桨叶表面必须光滑以减少因粘贴造成混合物损失。

[0030] 单速叶片式电动搅拌器主要由搅拌装置中的叶片式桨叶4、电机3及大小与不锈钢圆柱形铁桶1端部匹配的圆形铁片三部分组成(见图1)。叶片式桨叶4(8元RMB左右/个)可以在市面上购买，电机3功率为80W左右为宜；叶片式桨叶4的直径与铁捅的内直径差≤3.0mm，以防遗留不均匀混合物。电机3固定在圆形铁片的中心。

[0031] (4)制备冰、水混合物：将1000g蒸馏水放入容器中并置于低温实验室冷却至温度接近于0℃，然后加入1000g步骤(2)所述颗粒冰，迅速搅拌至冰、水混合物温度均一。

[0032] (5)冰、土、水均匀混合：称取步骤(4)所述混合物中的液态水24.75g加入步骤(3)所述均匀混合物中。先快速手工搅拌，再使用单速棒式电动搅拌器进行自动化搅拌至均匀。

[0033] 单速棒式电动搅拌器主要由搅拌装置中的棒式桨叶2、电机3及大小与不锈钢圆柱形铁桶1端部匹配的圆形铁片三部分组成(见图1)。棒式桨叶2(8元RMB左右/个)可以在市面上购买，电机3功率为80W左右为宜；棒式桨叶4的长度与铁捅的内直径差≤3.0mm，以防遗留不均匀混合物。电机3固定在圆形铁片的中心。棒式桨叶2的凸形表面可以避免冰、土、水三者的混合物沾粘，从而保证试样的质量。

[0034] (6)压制试样：将上述步骤(5)的冰、土、水均匀混合物一次性装入试样压制装置中内直径为61.8mm，高度180.0mm的制样筒7，利用试样压制装置中的5吨机械式油压千斤顶5采用两头压实法压制至试样高度为125.0mm为宜。其中先压一端活塞杆6的压缩行程为50.0mm，后压一端的为55.0mm。

[0035] 在试样压制装置的制样筒7与机械式油压千斤顶5接触端配备了直径大于制样筒7外直径的底盘8，所以试样压制装置中的压缩行程由活塞杆6控制(见图2)。压制试样前在活塞杆6(活塞杆直径比制样筒内径小1.0mm)上先标注刻度，分别表明两端压缩的行程；
5吨机械式油压千斤顶5可在市面上直接购买，价值80多元(RMB)。

[0036] (7)冻结试样：试样脱制样筒7，装入内直径为61.8mm，高度125.0mm的标准模具中，放入-20℃低温箱进行至少24h的快速冻结。

[0037] 标准模具尺寸跟已成形试样的尺寸相同，在快速冻结过程中，该模具可限制试样发生径向变形，但允许微小的轴向变形。

[0038] (8)确定试样部分参数：将步骤(7)所得的试样脱模，分别测得其总质量412.0g，直径61.8mm，高度125.2mm。然后将试样装入密封的标配防油胶套，置入-20℃低温箱，完成试样的制备。

[0039] 重复上述步骤(3)～(8)，完成另外2个试样的制备。

[0040] 实例2制备3个圆柱形青藏高原粉质粘土试样，其高度为125.0mm、直径61.8mm、3
干密度0.79g/cm、含水量为70.0％。

[0041] 制样准备工作：首先开启低温实验室(控温精度±1.0℃)，设定其温度为-7℃。待其温度达该设定值，并稳定至少2h后，将粒径≤2.0mm干粉质粘土和制备试样涉及到的工具置于低温实验室进行至少12h的恒温，同时在一不锈钢冰盘中加入4000g蒸馏水置于低温实验室进行至少12h的冻结。

[0042] 高含冰粉质粘土试样制备流程：

[0043] (1)计算制备一个粘土试样需要的干土、冰和水的质量：根据给定的试样含水量3
70.0％、干密度0.79g/cm、试样尺寸(高125.0mm，直径61.8mm)及低温实验室温度-7.0℃，换算出制备一个试样所需干土质量为296.25g，总水量为207.35g，所以在制备试样过程中加入液态水的质量应为296.25g*10％(粉质粘土在温度为-7.0℃时，其未冻水含量约为
10％)＝29.63g，粉末冰的质量为207.35g-29.63g＝177.75g。

[0044] (2)碎冰：将冻结好的整块冰借助木制榔头手工破碎为最大粒径≤20.0mm颗粒冰，再利用粉碎机将颗粒冰粉碎为粒径≤2.0mm的粉末冰。

[0045] (3)冰、土混合：依据步骤(1)分别称取一个试样所需粉末冰177.75及恒温干土296.25g，放入搅拌装置直径为150.0mm，高度为200.0mm的不锈钢圆柱形铁桶1中混合。先快速的手工搅拌，再使用简易单速叶片式电动搅拌器进行自动化搅拌至均匀。

[0046] (4)制备冰、水混合物：将1000g蒸馏水放入容器中并置于低温实验室冷却至温度为0℃，然后加入1000g步骤(2)所述颗粒冰，迅速搅拌至冰、水混合物温度均一。

[0047] (5)冰、土、水均匀混合：称取步骤(4)所述混合物中液态水29.63g加入步骤(3)所述均匀混合物中。先快速手工搅拌，再使用单速棒式电动搅拌器进行自动化搅拌至均匀。

[0048] (6)重复实例1中的步骤(6)-(7)。

[0049] (7)确定试样部分参数：将步骤(6)所得的试样脱模，分别测得其总质量503g，直径61.8mm，高度125.5mm。然后将试样装入密封的标配防油胶套，放入-20℃低温箱，完成试样的制备。

[0050] 重复上述步骤(3)～(7)，完成另外2个试样的制备。

[0051] 利用实例1中的3个粉质砂土试样分别进行了单轴抗压强度试验，剪切速率为0.625mm/Min，试验温度为-2.0℃。试验结果如图3所示，试验后测得1、2和3号试样的
3 3
总含水量分别为149.1％、150.8％和151.0％，相应干密度分别为0.43g/cm、0.44g/cm 和
3
0.43g/cm。实施例1制备流程的预算总含水量150.0％，干密度是0.44g/cm3。1、2和3号试验试样含水量和干密度结果与预算的含水量和干密度基本接近，对照预算值，说明1、2、3号试样的重复性好。

[0052] 利用实例2中的3个粉质粘土试样分别进行了单轴抗压强度试验，剪切速率为5.0mm/Min，试验温度为-2.0℃。试验结果如图4所示，试验后测得1、2和3号试样的总含
3 3
水量分别为69.5％、71.0％和70.5％，相应干密度分别为0.80g/cm、0.79g/cm 和0.79g/
3 3
cm。实施例2制备流程的预算总含水量70.0％，干密度0.79g/cm。1、2和3号试验试样含水量和干密度结果与预算的含水量和干密度基本接近，对照预算值，说明1、2、3号试样的重复性好。

[0053] 图3为实例1中1、2、3号粉质砂土试样试验后的应力应变曲线；图4为实例2中1、2、3号粉质粘土试样试验后的应力应变曲线。从图3和图4中的试样应力应变曲线可知：
对于同一组平行试样来说，1、2、3号试样的应力应变曲线基本上重合，说明1、2、3号试样的重复性好。试验后测得的1、2、3号试样间含水量和干密度分布也表明试样较均匀。剖开不同含水量的试样，用肉眼观察，在试样中几乎找不到冰晶。这一切表明本发明的制样方法是可行的。