本申請涉及巖土工程，特別是涉及一種切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著極地、高海拔、高緯度等寒區(qū)工程建設(shè)的增多，工程結(jié)構(gòu)往往面臨著嚴(yán)峻的低溫環(huán)境和復(fù)雜的土-結(jié)構(gòu)相互作用，而土-結(jié)構(gòu)界面又影響著荷載傳遞、應(yīng)力分布和變形特征，對于工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性十分重要。因此針對寒區(qū)中含冰土-結(jié)構(gòu)界面的剪切特性需要進(jìn)一步深入研究，探明冰-土-結(jié)構(gòu)界面的剪切性能，為寒區(qū)工程建設(shè)提供有力保障。

2、目前寒區(qū)界面相關(guān)的剪切試驗(yàn)，主要采用界面周圍水浴的方式進(jìn)行界面底部往上的土樣凍結(jié)方式（法向凍結(jié)），但該方式和實(shí)際寒區(qū)界面低溫凍結(jié)效果存在較大差異，尤其以上常規(guī)凍結(jié)方式極大削弱了凍結(jié)鋒面推移過程產(chǎn)生的冰膠結(jié)力和冰透鏡體排列對界面的影響。目前亟待研究的寒區(qū)土-結(jié)構(gòu)界面多為基礎(chǔ)側(cè)面，自然凍結(jié)方向與界面平行（切向凍結(jié)），冰透鏡體垂直于界面層層排列。不同排列方式導(dǎo)致界面上的含冰量不同，對界面剪切性能影響不容忽視。此外，現(xiàn)有的剪切試驗(yàn)系統(tǒng)往往缺乏可視化手段，尤其對于界面冰的形成演化過程，使得難以直觀觀察界面的變形和破壞過程。

3、因此，亟需一種可以準(zhǔn)確模擬真實(shí)冰-土-結(jié)構(gòu)界面凍結(jié)情況的切向凍結(jié)的可視大型界面剪切試驗(yàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請的目的是提供一種切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，可更加準(zhǔn)確地模擬真實(shí)寒區(qū)工程中土-結(jié)構(gòu)界面的凍結(jié)情況，并得到冰-土-結(jié)構(gòu)界面的相關(guān)剪切特性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┝巳缦路桨福?/p>

3、本申請?zhí)峁┝艘环N切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，所述切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法應(yīng)用于一種大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)儀，大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)儀具體包括：上剪切盒、下剪切盒、循環(huán)泵、低溫凍結(jié)腔和dic（digital?image?correlation，數(shù)字圖像相關(guān)）測量系統(tǒng)；其中，上剪切盒內(nèi)套于下剪切盒中；循環(huán)泵與凍結(jié)腔通過管道進(jìn)行連接，凍結(jié)腔位于上剪切盒側(cè)面；

4、所述切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法具體包括：

5、根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，將結(jié)構(gòu)材料置于下剪切盒內(nèi)，待剪切土樣置于上剪切盒，使得待剪切土樣在上剪切盒的下表面與下剪切盒中的結(jié)構(gòu)材料直接接觸，構(gòu)成土-結(jié)構(gòu)界面；

6、通過循環(huán)泵對管道中的循環(huán)液進(jìn)行循環(huán)降溫，由上剪切盒一側(cè)的凍結(jié)腔以預(yù)設(shè)凍結(jié)條件對待剪切土樣進(jìn)行切向凍結(jié)形成冰-土-結(jié)構(gòu)界面；凍結(jié)條件包括凍結(jié)溫度和凍結(jié)時(shí)間；

7、在進(jìn)行切向凍結(jié)后的待剪切土樣上施加預(yù)設(shè)法向荷載，同時(shí)施加剪切力，以預(yù)設(shè)剪切速率對冰-土-結(jié)構(gòu)界面進(jìn)行剪切試驗(yàn)；

8、基于dic測量系統(tǒng)獲取凍結(jié)過程和剪切過程中待剪切土樣的側(cè)面圖像，利用dic測量系統(tǒng)得到待剪切土樣的位移變形特征和裂隙發(fā)育特征；并實(shí)時(shí)獲取剪應(yīng)力和剪切位移特征，繪制以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，剪切位移特征為橫坐標(biāo)的剪切曲線；

9、利用數(shù)據(jù)分析方法對不同試驗(yàn)條件下的剪切曲線、凍結(jié)過程和剪切過程中待剪切土樣的側(cè)面圖像進(jìn)行分析，得到冰-土-結(jié)構(gòu)界面在切向凍結(jié)條件下的剪切特性；所述剪切特性包括剪切強(qiáng)度、位移變形特征和裂隙發(fā)育特征。

10、根據(jù)本申請?zhí)峁┑木唧w實(shí)施例，本申請具有了以下技術(shù)效果：

11、本申請?zhí)峁┝艘环N切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，通過使用循環(huán)泵和設(shè)置在上剪切盒一側(cè)的凍結(jié)腔以預(yù)設(shè)凍結(jié)條件對待剪切土樣進(jìn)行切向凍結(jié)，準(zhǔn)確模擬真實(shí)寒區(qū)工程中土-結(jié)構(gòu)界面的凍結(jié)狀態(tài)，并能夠考慮由切向凍結(jié)而形成的垂直于界面排列的冰透鏡體對冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切特性的影響，進(jìn)一步揭示冰-土-結(jié)構(gòu)界面的剪切力學(xué)行為。同時(shí)，通過基于dic測量系統(tǒng)獲取凍結(jié)、剪切過程中待剪切土樣的側(cè)面圖像，利用dic技術(shù)分析得到待剪切土樣的位移變形特征和裂隙發(fā)育特征，并實(shí)時(shí)獲取剪應(yīng)力和剪切位移特征，繪制剪切曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，解決了傳統(tǒng)方法難以直觀展示冰-土-結(jié)構(gòu)界面裂隙發(fā)育和精準(zhǔn)分析冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切特性的問題。本申請能夠提供更加符合寒區(qū)真實(shí)情況下冰-土-結(jié)構(gòu)界面的剪切試驗(yàn)方法，對保障寒區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)固建設(shè)與長期安全運(yùn)營具有重要科學(xué)價(jià)值與實(shí)踐意義。

技術(shù)特征：

1.一種切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，其特征在于，所述切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法應(yīng)用于一種大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)儀，大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)儀具體包括：上剪切盒、下剪切盒、循環(huán)泵、凍結(jié)腔和dic測量系統(tǒng)；其中，上剪切盒內(nèi)套于下剪切盒中；循環(huán)泵與凍結(jié)腔通過管道進(jìn)行連接，凍結(jié)腔位于上剪切盒側(cè)面；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，其特征在于，所述大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)儀的上剪切盒和下剪切盒均為長方體結(jié)構(gòu)，所述下剪切盒的截面尺寸大于所述上剪切盒的截面尺寸，所述下剪切盒的高度高于設(shè)置在所述下剪切盒內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料的高度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，其特征在于，所述上剪切盒側(cè)壁開設(shè)有多個(gè)測溫孔，溫度傳感器通過所述測溫孔以一定的間隔插入待剪切土樣內(nèi)部，對待剪切土樣的溫度進(jìn)行測量。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，其特征在于，所述循環(huán)液包括鹽水或液氮。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)法向荷載根據(jù)待剪切土樣的原位埋深狀態(tài)確定。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，其特征在于，所述上剪切盒側(cè)面均為由有機(jī)玻璃構(gòu)成的可視區(qū)域；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，其特征在于，所述dic測量系統(tǒng)包括相機(jī)和標(biāo)記點(diǎn)；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的切向凍結(jié)的可視大型冰-土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，其特征在于，所述裂隙發(fā)育動(dòng)態(tài)場為冰透鏡體演化過程中在介觀尺度上表現(xiàn)出的裂隙擴(kuò)展規(guī)律；所述裂隙發(fā)育動(dòng)態(tài)場包括裂隙大小、裂隙密度和裂隙排列。

技術(shù)總結(jié)
本申請公開了一種切向凍結(jié)的可視大型冰?土?結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)方法，涉及巖土工程領(lǐng)域，包括：準(zhǔn)備土?結(jié)構(gòu)界面；使用循環(huán)泵和設(shè)置于上剪切盒一側(cè)的凍結(jié)腔以預(yù)設(shè)凍結(jié)條件對待剪切土樣進(jìn)行切向凍結(jié)形成冰?土?結(jié)構(gòu)界面；施加預(yù)設(shè)法向荷載，同時(shí)施加剪切力，以預(yù)設(shè)剪切速率對冰?土?結(jié)構(gòu)界面進(jìn)行剪切試驗(yàn)；同時(shí)基于DIC測量系統(tǒng)獲取凍結(jié)、剪切過程中待剪切土樣的側(cè)面圖像，得到待剪切土樣位移變形特征和裂隙發(fā)育特征；并結(jié)合剪切曲線，得到冰?土?結(jié)構(gòu)界面的剪切特性。本申請可以更加準(zhǔn)確地模擬真實(shí)寒區(qū)工程中土?結(jié)構(gòu)界面的凍結(jié)情況，可視界面冰在介觀層面表現(xiàn)上裂隙的發(fā)育情況，從而能夠深入了解冰?土?結(jié)構(gòu)界面的剪切特性。

技術(shù)研發(fā)人員：周潔,班超,周華德,王鑫,劉成君,石振明,陳路佳,顧仁杰,孔祥禎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：同濟(jì)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8