本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置及试验方法。
背景技术：
我国拥有大面积的冻土区，占陆地国土面积的三分之二以上，其中季节性冻土区(季冻区)占陆地国土面积的53.5％，分布在贺兰山至哀牢山一线以西的地区，以及此线以东、秦岭-淮河线以北的广大地区。季冻区分布有比较广泛的湿地，面积约为3500万公顷，约占我国湿地总面积的53％。加筋碎石桩是在土工合成材料套筒内填充碎石、砾石、砂等散体材料而制成，可显著提高其在软土地基中的承载能力、减少地基的沉降量、同时还可保持很好的竖向排水能力等特性。
由于粘结材料桩(如水泥土桩、混凝土桩等)会影响湿地土质、水质或地下水渗流环境，因此采用加筋碎石桩来处理湿地软土地基处理是一个很好的选择。但是，季冻区地基土体经历冻结与融化两种状态，冻融循环会导致土体强度降低、沉降增大，是季冻区地基病害的最主要原因。季冻区冻融循环作用也会对加筋碎石桩桩体产生强度和变形的影响，因此，亟需一种试验装置和试验方法来研究冻融循环作用下加筋碎石桩桩体的强度和变形特性。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了提供一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置及试验方法，能够模拟外界真实环境温度变化，可以快速实现加筋碎石桩的单向冻结过程，能根据试验要求来模拟加筋碎石桩在冻融循环条件下的单轴压缩，方便快捷，操作方法简单，实用性强，便于推广使用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，包括箱体、放置在箱体内且侧部由透水的土工合成材料包裹的加筋碎石桩、注入所述箱体内的水、安装在所述箱体上方且活动端抵住所述加筋碎石桩顶端的加压机构，以及伸入箱体内的水的液位下方的冷冻循环机构。
进一步的，所述的土工合成材料为土工织物或土工格栅。
进一步的，注入箱体内的水与加筋碎石桩的顶端面齐平。
进一步的，所述的箱体的顶部还设有箱盖，该箱盖通过销钉封盖在箱体上。
进一步的，所述的加压机构包括布置在箱盖上方的伺服系统、与所述伺服系统的活动端连接的传力柱，以及抵住所述加筋碎石桩顶端的承压板，所述的传力柱的底端穿过所述箱盖并连接所述承压板。
进一步的，所述的加筋碎石桩内还预埋有温度传感器，所述的箱盖上还设有温度采集仪，该温度采集仪还连接所述温度传感器，用于采集所述温度传感器反馈的温度数据并显示。
进一步的，所述的冷冻循环机构包括位于箱盖上方的循环设备，以及置于所述箱体的液位下方并围绕所述加筋碎石桩布置的硅胶管，所述硅胶管的两端分别穿过所述箱盖并连接所述循环设备，在硅胶管内通冷冻循环介质。
更进一步的，所述的冷冻循环介质为质量分数90％以上的高浓度乙二醇。
进一步的，所述的箱体内还设有隔热保温材料。
本发明的技术方案之二提供了一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验方法，其采用如上所述的试验装置实施，包括以下步骤：
(1)先在土工合成材料中分层放置碎石并压实，制成加筋碎石桩，同时，在加筋碎石桩中预埋温度传感器，然后，将制好的加筋碎石桩放入箱体中；
(2)往箱体中注入水，使得其液面与加筋碎石桩顶端表面齐平；
(3)采用冷冻循环机构对箱体内的水进行冷冻，当温度传感器监测到的温度达到预设温度时，停止冷冻并融化，如此循环冻融至设定次数；
(4)再通过加压机构对循环冻融后的加筋碎石桩施加外力直至破坏，同时，监测加筋碎石桩在加压过程中的变形与应力参数情况，即完成试验。
附图说明
图1为本发明的试验装置的结构示意图；
图2为箱盖平面示意图；
图中标记说明：
1-箱体，2-箱盖，3-传力柱，4-承压板，5-加筋碎石桩，6-级配碎石，7-土工合成材料，8-冷冻循环设备，9-出液口，10-进液口，11-硅胶管，12-冷冻循环介质，13-伺服系统，14-温度传感器，15-温度采集仪，16-水，17-销钉，18-把手，19-隔热保温材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。
本发明的技术方案之一提供了一种加筋碎石桩5冻融循环单轴压缩试验装置，其结构参见图1和图2所示，包括箱体1、放置在箱体1内且侧部由透水16的土工合成材料7包裹的加筋碎石桩5、注入所述箱体1内的水16、安装在所述箱体1上方且活动端抵住所述加筋碎石桩5顶端的加压机构，以及伸入箱体1内的水16的液位下方的冷冻循环机构。
在一种具体的实施方式中，所述的土工合成材料7为土工织物或土工格栅，用以限制桩体内碎石的侧向移动，从而保持加筋碎石桩5在承载过程中的连续性和完整性，增加桩体的模量和强度，同时保证了碎石桩原有的良好的排水特性。
在一种具体的实施方式中，请再参见图1等所示，注入箱体1内的水16与加筋碎石桩5的顶端面齐平。
在一种具体的实施方式中，请再参见图1等所示，所述的箱体1的顶部还设有箱盖2，该箱盖2通过销钉17封盖在箱体1上，通过密封箱体1可以保证冻结效率。
在一种具体的实施方式中，请再参见图1等所示，所述的加压机构包括布置在箱盖2上方的伺服系统13、与所述伺服系统13的活动端连接的传力柱3，以及抵住所述加筋碎石桩5顶端的承压板4，所述的传力柱3的底端穿过所述箱盖2并连接所述承压板4。本发明中的伺服系统13可以采用本领域常规的伺服系统13即可，其可以实现带动传力柱3升降并对承压板4加压，同时，伺服系统13本身可以准确跟踪输出的机械位移与力矩。
在一种具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述的加筋碎石桩5内还预埋有温度传感器14，所述的箱盖2上还设有温度采集仪15，该温度采集仪15还连接所述温度传感器14，用于采集所述温度传感器14反馈的温度数据并显示。温度采集仪15可以收集并显示温度传感器14所反馈的温度信号，温度传感器14具体可以选择采用pt100铂热电阻温度传感器14。
在一种具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述的冷冻循环机构包括位于箱盖2上方的循环设备，以及置于所述箱体1的液位下方并围绕所述加筋碎石桩5布置的硅胶管11，所述硅胶管11的两端分别穿过所述箱盖2并连接所述循环设备，在硅胶管11内通冷冻循环介质12。循环设备采用本领域常用的低温冷却液循环泵(如dlsb-30/80)即可，其制冷温度范围可以控制为-80℃-室温，控制精度为±0.5℃，这样，通过调节冷冻循环介质12的温度即可以实现冻融循环。
更具体的实施方式中，所述的冷冻循环介质12为质量分数90％以上的高浓度乙二醇。
在一种具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述的箱体1内还设有隔热保温材料19。
在一种具体的实施方式中，请再参见图1所示，箱盖2的顶面还焊接有不锈钢等材质的把手18，便于拆卸。
本发明的技术方案之二提供了一种加筋碎石桩5冻融循环单轴压缩试验方法，其采用如上所述的试验装置实施，包括以下步骤：
(1)先在土工合成材料7中分层放置碎石并压实，制成加筋碎石桩5，同时，在加筋碎石桩5中预埋温度传感器14，然后，将制好的加筋碎石桩5放入箱体1中；
(2)往箱体1中注入水16，使得其液面与加筋碎石桩5顶端表面齐平；
(3)采用冷冻循环机构对箱体1内的水16进行冷冻，当温度传感器14监测到的温度达到预设温度时，停止冷冻并融化，如此循环冻融至设定次数；
(4)再通过加压机构对循环冻融后的加筋碎石桩5施加外力直至破坏，同时，监测加筋碎石桩5在加压过程中的变形与应力参数情况，即完成试验。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
为了研究冻融循环作用下加筋碎石桩5桩体的强度和变形特性，本实施例提供了一种加筋碎石桩5冻融循环单轴压缩试验装置，其结构参见图1和图2所示，包括箱体1(其有效内部尺寸为φ600mm×600mm，直径×高)、放置在箱体1内且侧部由透水16的土工合成材料7包裹的加筋碎石桩5、注入箱体1内的水16、安装在箱体1上方且活动端抵住加筋碎石桩5顶端的加压机构，以及伸入箱体1内的水16的液位下方的冷冻循环机构。
土工合成材料7为土工织物或土工格栅，用以限制桩体内碎石的侧向移动，从而保持加筋碎石桩5在承载过程中的连续性和完整性，增加桩体的模量和强度，同时保证了碎石桩原有的良好的排水特性。
请再参见图1等所示，注入箱体1内的水16与加筋碎石桩5的顶端面齐平。
请再参见图1等所示，箱体1的顶部还设有箱盖2，该箱盖2通过销钉17封盖在箱体1上，通过密封箱体1可以保证冻结效率。
请再参见图1等所示，加压机构包括布置在箱盖2上方的伺服系统13、与伺服系统13的活动端连接的传力柱3，以及抵住加筋碎石桩5顶端的承压板4，传力柱3的底端穿过箱盖2并连接承压板4。本发明中的伺服系统13可以采用本领域常规的伺服系统13即可，其可以实现带动传力柱3升降并对承压板4加压，同时，伺服系统13本身可以准确跟踪输出的机械位移与力矩。
请再参见图1所示，加筋碎石桩5内还预埋有温度传感器14，箱盖2上还设有温度采集仪15，该温度采集仪15还连接温度传感器14，用于采集温度传感器14反馈的温度数据并显示。温度采集仪15可以收集并显示温度传感器14所反馈的温度信号，温度传感器14具体可以选择采用pt100铂热电阻温度传感器。
请再参见图1所示，冷冻循环机构包括位于箱盖2上方的循环设备，以及置于箱体1的液位下方并围绕加筋碎石桩5布置的硅胶管11，硅胶管11的两端分别穿过箱盖2上的出液口9和进液口10，并连接循环设备，在硅胶管11内通冷冻循环介质12。循环设备采用本领域常用的低温冷却液循环泵(如dlsb-30/80)即可，其制冷温度范围可以控制为-80℃-室温，控制精度为±0.5℃，这样，通过调节冷冻循环介质12的温度即可以实现冻融循环。冷冻循环介质12为质量分数90％以上的高浓度乙二醇。
请再参见图1所示，箱体1内还设有隔热保温材料19。
请再参见图1所示，箱盖2的顶面还焊接有不锈钢等材质的把手18，便于拆卸。
采用本实施例的试验装置的具体试验方法依次包括以下步骤：
(1)先在土工合成材料7中分层放置特定的级配碎石6并压实，制成加筋碎石桩5，同时，在加筋碎石桩5中预埋温度传感器14，然后，将制好的加筋碎石桩5放入箱体1中；
(2)往箱体1中注入水16，使得其液面与加筋碎石桩5顶端表面齐平；
(3)采用冷冻循环机构对箱体1内的水16进行冷冻，当温度传感器14监测到的温度达到预设温度时，停止冷冻并融化，具体为将箱盖2与箱体1固定，用硅胶管11将冷冻循环设备8与进液口10和出液口9相连，用于冷冻循环介质12从进液口10流入箱盖2中，并从出液口9流入冷冻循环设备8中。当温度传感器14监测的温度达到预设温度时，停止冷冻。重复步骤三至需要冻融的次数。
(4)通过传力柱3对承压板4施加外力，通过承压板4将力传递至加筋碎石桩5，整个单轴压缩过程中会对温度进行监测。通过伺服系统13控制外力的施加，直至加筋碎石桩5破坏。通过伺服系统13可检测加筋碎石桩5在单轴压缩过程中的变形及应力等参数。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
1.一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，其特征在于，包括箱体、放置在箱体内且侧部由透水的土工合成材料包裹的加筋碎石桩、注入所述箱体内的水、安装在所述箱体上方且活动端抵住所述加筋碎石桩顶端的加压机构，以及伸入箱体内的水的液位下方的冷冻循环机构。
2.根据权利要求1所述的一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，其特征在于，所述的土工合成材料为土工织物或土工格栅。
3.根据权利要求1所述的一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，其特征在于，注入箱体内的水与加筋碎石桩的顶端面齐平。
4.根据权利要求1所述的一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，其特征在于，所述的箱体的顶部还设有箱盖，该箱盖通过销钉封盖在箱体上。
5.根据权利要求1所述的一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，其特征在于，所述的加压机构包括布置在箱盖上方的伺服系统、与所述伺服系统的活动端连接的传力柱，以及抵住所述加筋碎石桩顶端的承压板，所述的传力柱的底端穿过所述箱盖并连接所述承压板。
6.根据权利要求1所述的一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，其特征在于，所述的加筋碎石桩内还预埋有温度传感器，所述的箱盖上还设有温度采集仪，该温度采集仪还连接所述温度传感器，用于采集所述温度传感器反馈的温度数据并显示。
7.根据权利要求1所述的一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，其特征在于，所述的冷冻循环机构包括位于箱盖上方的循环设备，以及置于所述箱体的液位下方并围绕所述加筋碎石桩布置的硅胶管，所述硅胶管的两端分别穿过所述箱盖并连接所述循环设备，在硅胶管内通冷冻循环介质。
8.根据权利要求7所述的一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，其特征在于，所述的冷冻循环介质为质量分数90％以上的高浓度乙二醇。
9.根据权利要求1所述的一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验装置，其特征在于，所述的箱体内还设有隔热保温材料。
10.一种加筋碎石桩冻融循环单轴压缩试验方法，其采用如权利要求1-9任一所述的试验装置实施，其特征在于，包括以下步骤：
(1)先在土工合成材料中分层放置碎石并压实，制成加筋碎石桩，同时，在加筋碎石桩中预埋温度传感器，然后，将制好的加筋碎石桩放入箱体中；
(2)往箱体中注入水，使得其液面与加筋碎石桩顶端表面齐平；
(3)采用冷冻循环机构对箱体内的水进行冷冻，当温度传感器监测到的温度达到预设温度时，停止冷冻并融化，如此循环冻融至设定次数；
(4)再通过加压机构对循环冻融后的加筋碎石桩施加外力直至破坏，同时，监测加筋碎石桩在加压过程中的变形与应力参数情况，即完成试验。
技术总结