本發(fā)明涉及凍土工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作裝置；本發(fā)明還涉及混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作方法。

背景技術(shù)：

為了支持西藏和青海經(jīng)濟社會發(fā)展，國家投入大量人力和財力修建多項重大工程，如青藏公路、青藏鐵路、±400kV直流聯(lián)網(wǎng)工程，以及正在規(guī)劃、建設(shè)的京藏高速公路青海段和西藏段。青藏高原上的工程面臨的一大難題就是凍土問題。對于工程而言，凍土屬于不良地基土，易發(fā)生凍脹和融沉現(xiàn)象，如果處理措施不當(dāng)，則會對工程建筑物造成一定的破壞。目前，樁基礎(chǔ)作為防治凍脹和融沉的一種措施而被采用。樁端土受基礎(chǔ)的熱擾動的影響，易形成融沉變形，所以摩擦樁更符合多年凍土區(qū)的實際情況。

樁基礎(chǔ)和凍土間的凍結(jié)力是多年凍土區(qū)摩擦樁設(shè)計中重要的力學(xué)參數(shù)，對該力的強度值有樁基的現(xiàn)場檢測和室內(nèi)直剪試驗等兩種獲得途徑。樁基現(xiàn)場檢測是取得凍結(jié)力的有效手段，但由于成本較高、操作難度大等缺點，在工程應(yīng)用較少。室內(nèi)直剪試驗是最早測定土的抗剪強度的試驗方法，該試驗方法具有試驗過程易于操作和控制、試驗過程可重復(fù)、試驗結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。

直剪試驗也可用于不同介質(zhì)接觸面抗剪強度的檢測，例如一側(cè)為混凝土，另一側(cè)為凍土。由于是需要制作兩種不同介質(zhì)，就存在兩個介質(zhì)制作順序的問題。第一，先制作混凝土樣，在混凝土樣的基礎(chǔ)上再制作凍土樣，然后低溫保存，形成剪切試驗試樣；第二，先制作凍土樣，在凍土樣的基礎(chǔ)上制作混凝土樣，然后低溫保存，形成剪切試驗試樣。上述兩種方法雖然制得的試樣外觀基本相同，但在形成機理上差異卻很大。第一種方法，在已制好混凝土樣的基礎(chǔ)上制作凍土樣，其接觸面為確定的混凝土面，其試驗結(jié)果主要取決于混凝土面粗糙度、接觸壓力，較少受凍土含冰量、溫度以及土性質(zhì)影響，抗剪強度以接觸面的靜摩擦力為主，少部分為凍結(jié)力；第二種方法則考慮了混凝土入模溫度和水化熱對凍土的影響，其結(jié)果取決于混凝土入模溫度、混凝土水膠比、凍土溫度及含冰量等因素；第二種方法能夠模擬先開挖基坑，然后澆筑混凝土的實際施工順序，剪切試驗所得抗剪強度能夠代表原狀土基礎(chǔ)形式與凍土的凍結(jié)強度。

通過參閱相關(guān)文獻，查閱到的一種混凝土與凍土接觸面直剪試驗試樣的制作方法是（溫智等）：采用425水泥砂漿制成直徑61.8mm和高20mm的混凝土塊，然后將2個直徑為61.8mm，高20mm環(huán)刀連接成一體制成40mm高樣品倉，最后將20mm厚混凝土試塊放入樣品倉，按照設(shè)定含水量配置土樣，將土樣分層置入樣品倉，然后采用油壓千斤頂將試樣頂出，即可制成混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣。該方法存在幾個問題，第一，該制樣方法即為前述的第一種制樣方法，試驗所得抗剪強度以接觸面靜摩擦力為主；第二，將兩個高20mm的連接起來制成40mm的高樣品倉，如果連接不好，壓樣時連接縫容易漏土，造成接觸面偏大，或者制而成的試樣不容易裝入剪切盒；第三，該制樣方法沒有考慮震動對混凝土面的影響，這不符合實際工程情況。

因此，提出一種更科學(xué)、更符合實際施工情況且可操作性強的制樣裝置及制樣方法，對于多年凍土區(qū)的樁基礎(chǔ)設(shè)計具有一定的理論意義和工程價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制作成本低、安裝方便、操作簡單的混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作裝置；本發(fā)明要解決的第二技術(shù)問題是提供一種混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作方法。

為解決上述問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：一種混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作裝置，其包括相互獨立的試樣制作單元與溫度控制單元；試樣制作單元包括計算機控制設(shè)施、壓力控制設(shè)施、震動控制設(shè)施與接觸面制作設(shè)施；計算機控制設(shè)施與壓力控制設(shè)施、震動控制設(shè)施連接；接觸面制作設(shè)施與壓力控制設(shè)施接觸式連接。

計算機控制設(shè)施包括顯示屏、升降開關(guān)與震動開關(guān)；壓力控制設(shè)施包括底板、倒U型操作臺與千斤頂；底板上面固定連接倒U型操作臺，千斤頂安裝在底板上面且位于倒U型操作臺正下方，千斤頂上端設(shè)有頂舉盤，千斤頂下部設(shè)有放油旋鈕，千斤頂與升降開關(guān)相連接；震動控制設(shè)施包括震動器，震動器固定連接在倒U型操作臺水平桿的下面，震動器與震動開關(guān)相連；接觸面制作設(shè)施包括鐵砧板與環(huán)刀，環(huán)刀置于鐵砧板上，鐵砧板置于頂舉盤上。

溫度控制單元包括溫控室，溫控室室內(nèi)設(shè)有隔板和溫度探頭，溫控室外壁設(shè)有空調(diào)連接線纜與溫度控制器；溫度探頭與空調(diào)連接線纜、溫度控制器分別相連。環(huán)刀高度為40mm，環(huán)刀內(nèi)徑為61.8mm、79.8mm中的任意一種。

一種混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作方法，按下述步驟進行：

（1）、根據(jù)含水量要求，按照相應(yīng)比例配置需要的土體，混合拌好；

（2）、將混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作裝置中的環(huán)刀置于鐵砧板上，而后將步驟（1）所得的土體倒入環(huán)刀內(nèi)；

（3）、將鐵砧板和環(huán)刀置于頂舉盤上，根據(jù)密實度要求，開啟升降開關(guān)、震動開關(guān)，并選擇壓力為100～400kPa，由刻度尺確定高度，經(jīng)震動和壓密操作，形成高20mm的土樣后關(guān)閉升降開關(guān)、震動開關(guān)；

（4）、將步驟（3）制得的土樣連同環(huán)刀置于溫控室中，調(diào)節(jié)溫度控制器至-0.5～-5℃，凍結(jié)24～48小時；

（5）、根據(jù)混凝土的配置要求，按照相應(yīng)比例配置混凝土，并按水泥用量添加3～10%的添加劑；添加劑是指早強劑、防凍劑、減水劑中的一種或幾種的組合；

（6）、將步驟（5）所得的混凝土分層注入步驟（4）形成的凍土樣的環(huán)刀中，將環(huán)刀置于鐵砧板上后再置于頂舉盤上；打開震動開關(guān)，對混凝土進行震動操作，以形成不同類型的接觸面，最后形成高40mm的試樣；

（7）、將步驟（6）形成的試樣密封后置于溫控室內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度控制器至-0.5～-5℃對混凝土進行養(yǎng)護，養(yǎng)護周期為10～20天；

（8）、待步驟（7）所得的混凝土達到強度要求后，用千斤頂將環(huán)刀內(nèi)的樣品頂出，即形成混凝土-凍土接觸面凍結(jié)強度直剪試驗的試樣。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明采用高度為40mm環(huán)刀，通過計算機控制設(shè)施來實現(xiàn)制備試樣的自動化控制操作，達到數(shù)據(jù)反應(yīng)準(zhǔn)確、快速，執(zhí)行操作有序、可靠，制樣過程順暢、可控等諸多目的，從而確保試樣制備成功、符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2、本發(fā)明能夠模擬先開挖基坑，然后澆筑混凝土的實際施工順序，制樣過程更符合灌注樁等原狀土基礎(chǔ)形式與凍土產(chǎn)生凍結(jié)力的形成過程；也可以采用先制備混凝土樣，然后在混凝土樣的基礎(chǔ)上制備凍土樣的制樣順序，該制樣順序可以模擬大開挖類基礎(chǔ)形式與凍土產(chǎn)生凍結(jié)力的過程，使制得的試樣成品更符合實際情況。

3、本發(fā)明可以制作混凝土與凍土接觸面凍結(jié)強度直剪試驗的試樣，也可以選擇相同土質(zhì)不同性質(zhì)、不同土質(zhì)、一側(cè)土質(zhì)另一側(cè)為其他材料中的任意一種制作接觸面凍結(jié)強度直剪試驗的試樣；制得的試樣成品適用于應(yīng)變控制式直剪儀，內(nèi)徑為61.8mm、79.8mm中的任意一種。

4、本發(fā)明能夠完成多種不同材料接觸面凍結(jié)力試驗試樣的制備，具有安裝方便、牢固可靠、制作成本低、利用率高等優(yōu)點，可有效減少實驗室的成本支出，值得推廣使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明在溫度控制單元示意圖；

圖3為采用本發(fā)明所制作出來的試樣成品照片。

圖中：1—操作臺，2—千斤頂，3—頂舉盤，4—放油旋鈕，5—刻度尺，6—升降開關(guān)，7—震動開關(guān)，8—震動器，9—鐵砧板，10—環(huán)刀，11—顯示屏，12—底板，13—空調(diào)連接線纜，14—溫度控制器，15—隔板，16—溫度探頭，17—溫控室。

具體實施方式

如圖1與圖2所示：一種混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作裝置，該裝置包括相互獨立的試樣制作單元與溫度控制單元。試樣制作單元包括計算機控制設(shè)施、壓力控制設(shè)施、震動控制設(shè)施與接觸面制作設(shè)施；計算機控制設(shè)施與壓力控制設(shè)施、震動控制設(shè)施連接；接觸面制作設(shè)施與壓力控制設(shè)施接觸式連接。

計算機控制設(shè)施包括顯示屏11、升降開關(guān)6與震動開關(guān)7；壓力控制設(shè)施包括底板12、倒U型操作臺1與千斤頂2；底板12上面固定連接倒U型操作臺1，千斤頂2安裝在底板12上面且位于倒U型操作臺1正下方，千斤頂2上端設(shè)有頂舉盤3，千斤頂2下部設(shè)有放油旋鈕4，千斤頂2與升降開關(guān)6相連接；震動控制設(shè)施包括震動器8，震動器8固定連接在倒U型操作臺1水平桿的下面，震動器8與震動開關(guān)7相連；打開或關(guān)閉升降開關(guān)6和震動開關(guān)7，可對凍土樣、混凝土樣進行壓密和震動操作；接觸面制作設(shè)施包括鐵砧板9與環(huán)刀10，環(huán)刀10置于鐵砧板9上，鐵砧板9置于頂舉盤3上。

溫度控制單元包括溫控室17，溫控室17室內(nèi)設(shè)有隔板15和溫度探頭16，溫控室17外壁設(shè)有空調(diào)連接線纜13與溫度控制器14；溫度探頭16與空調(diào)連接線纜13、溫度控制器14分別相連；可對凍土樣進行低溫凍結(jié)和保存的操作。

操作升降開關(guān)6用于控制千斤頂2升降進而控制壓力，操作震動開關(guān)7用于控制震動器8震動發(fā)生，顯示屏11用于顯示壓力大小和震動時長。

作為本發(fā)明的完善，倒U型操作臺1豎直桿設(shè)有刻度尺5，從倒U型操作臺上就能直觀查看千斤頂?shù)呐e升高度；環(huán)刀10的內(nèi)徑為61.8mm或79.8mm，其高度為40mm，數(shù)量4～8個。

作為本發(fā)明的進一步完善，壓力控制設(shè)施還包括獨立的樹脂墊塊（圖中未示出，該樹脂墊塊與環(huán)刀10內(nèi)徑相同，便于對環(huán)刀10內(nèi)土樣或其他樣進行壓實或頂出操作。

制作混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的方法，其步驟如下：

1、根據(jù)含水量要求，按照相應(yīng)比例配置需要的土體，混合拌好。

2、將混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作裝置中的環(huán)刀10置于鐵砧板9上，并將步驟1所得的土體倒入環(huán)刀內(nèi)。

3、將鐵砧板和環(huán)刀置于頂舉盤3上，根據(jù)密實度要求，開啟升降開關(guān)6、震動開關(guān)7，并選擇壓力為100～400kPa，由刻度尺5確定高度，經(jīng)震動和壓密操作，形成高20mm的土樣后關(guān)閉升降開關(guān)6、震動開關(guān)7。

4、將步驟3制得的土樣連同環(huán)刀置于溫控室17中，調(diào)節(jié)溫度控制器14至-0.5～-5℃，凍結(jié)24～48小時。

5、根據(jù)混凝土的配置要求，按照相應(yīng)比例配置混凝土，并按水泥用量添加3～10%的添加劑。添加劑是指早強劑、防凍劑、減水劑中的一種或幾種的組合

6、將步驟5所得的混凝土分層注入步驟4形成的凍土樣的環(huán)刀10中，將環(huán)刀10置于鐵砧板9上后再置于頂舉盤3上；打開震動開關(guān)7，對混凝土進行震動操作，以形成不同類型的接觸面，最后形成高40mm的試樣。

7將步驟6形成的試樣密封后置于溫控室17內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度控制器14至-0.5～-5℃對混凝土進行養(yǎng)護，養(yǎng)護周期為10～20天。

8、待步驟7所得的混凝土達到強度要求后，用千斤頂2將環(huán)刀10內(nèi)的樣品頂出，即形成混凝土-凍土接觸面凍結(jié)強度直剪試驗的試樣。

下面是混凝土-凍土接觸面凍結(jié)強度直剪試驗試樣的制作實例：

（1）根據(jù)含水量要求，按照相應(yīng)比例配置需要的土體，混合拌好。具體如下：將選好的土體進行烘干、碾壓，然后過2mm篩；按照干密度ρ_d=1.9g/cm³，含水量w=20%，土粒比重Gs=2.7，計算得到每個環(huán)刀10需要干土重為95g，水需要19g；將上述材料充分混合攪拌均勻。

（2）將混凝土-凍土接觸面直剪試驗試樣的制作裝置中的環(huán)刀10置于鐵砧板9上，并將步驟（1）所得的土體倒入環(huán)刀10中。

（3）將鐵砧板9和環(huán)刀10置于頂舉盤3上，根據(jù)密實度要求，開啟升降開關(guān)6、震動開關(guān)7，并選擇壓力為100～400kPa，有刻度尺4確定高度，經(jīng)震動和壓密操作，形成高20mm的土樣后關(guān)閉升降開關(guān)6、震動開關(guān)7。

（4）將步驟（3）制得的土樣連同環(huán)刀10置于溫控室12中，調(diào)節(jié)溫度控制器14至-2.5℃負溫凍結(jié)48小時。

（5）采用標(biāo)號為425水泥，按照水：水泥：骨料比為0.55：1：3配置混凝土，其中骨料為角粒，并過2mm的篩，按照水泥用量的5%添加早強劑和防凍添劑。

（6）將步驟（5）所得的混凝土分層注入步驟（4）形成的凍土樣的環(huán)刀10中，將環(huán)刀10置于鐵砧板9上后再置于頂舉盤3上；打開震動開關(guān)7，對混凝土進行震動操作，以形成不同類型的接觸面，最后形成高40mm的試樣。

（7）將步驟（6）形成的試樣密封后置于溫控室12內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度控制器14至-2.5℃對混凝土進行養(yǎng)護，養(yǎng)護周期為15天。

（8）待步驟（7）所得的混凝土達到強度要求后，用千斤頂2將環(huán)刀10內(nèi)的樣品頂出，并置于-2.5℃環(huán)境中，即形成圖3所示的-2.5℃試驗溫度下的混凝土-凍土接觸面凍結(jié)強度直剪試驗的試樣。