[发明专利]基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置及其方法

说明书

本发明公开一种基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置及其方法，通过在剪切盒上下两端设置电极对土体进行电解，实现土体内部阳离子置换，从而实现对土体吸水性的改良，改变结合水与自由水的比重，为研究土体吸水性与冻融循环下土体力学性质的变化规律提供依据；剪切盒顶部设计冷凝管循环恒温液进行温度交换，实现对土样进行单端冻融的模拟，土体内部内置含水率探头，可测试土体在冻结时，含水率的变化，对水分迁移进行研究。通过环形剪切盒的设计，可实现循环剪切，避免了循环减中漏土的问题，从而实现对冻融循环条件下土体抗剪强度，动力特性的测试与变化规律的研究，该装置结构设计巧妙，实施方便，具有较高的实用价值及推广价值。

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，具体涉及一种基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置及其方法，通过室内试验对土体物理性质进行改良并测试土体在冻融循环条件下力学性质。

背景技术

冻融循环会对一些特殊非饱和粘性土的物理力学特性产生显著影响，如膨胀土、黄土等。在工程实践中，经常需要研究这类土在冻融循环下的土体力学特性和结构特性，其研究结果对分析和改良粘性土工程特性显得尤为重要。

但是，现有技术中：

(1)针对土体物理力学特性的改良方式主要有土体加土工合成材料，土体加固化剂，其中后者主要原理为固化剂中阳离子可以将黏土矿物层中原有亲水性阳离子置换成疏水性阳离子，以降低土体中结合水的比重，从而使土体更有效的固结，冻融循环后土体稳定性得以提高，但直接加阳离子固化剂不能有效置换土体中原有阳离子；

(2)针对土体的抗剪强度试验中，主要方法有直剪试验与三轴剪切试验，这两种试验方法均无法直接测试土体在冻融循环作用下的抗剪强度，无法针对冻融循环这一特定的环境去模拟和研究土体内部力学特性和结构特性的改变；

(3)针对土体进行模拟冻融循环的试验装置，采用正负温冻融循环箱对试样进行温度调控，在冻融循环过程中，无法对土体施加应力，即冻融循环在无应力状态下完成，与实际工程中土体的应力状态严重不符，不能对不同应力状态下土体在冻融循环过程中的力学性质变化进行研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有土体物理力学特性改良方式以及土体抗剪强度试验中存在的缺陷，提出一种基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置及其方法，为研究电化学对非饱和粘性土的改良及其在冻融循环的影响下、土体本身抗剪强度参数变化提供一种易于操作，控制精准的试验方案。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种基于电化学改良的季节性冻土综合力学测试装置，包括剪切系统、电解系统、温控系统、应力施加系统以及应力应变监测系统，具体的：

所述剪切系统包括底座和设置在底座上的钢制框架，钢制框架的顶部设置有一轴压加载板，轴压加载板通过轴压螺栓与钢制框架相连；底座上设置有一圆柱形剪切盒，剪切盒的顶部设置有端盖，剪切盒内设置有土样，所述剪切盒包括上段剪切盒、中段剪切盒和下段剪切盒，该三段剪切盒独立结构设计，各段剪切盒之间相接触；上段剪切盒和下段剪切盒分别对应的通过第一刚性触手和第二刚性触手与钢制框架固定连接，中段剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动；

所述电解系统包括变压电源、电解液循环端、设置在土样上部的阳极电极以及设置在土样下部的阴极电极，阳极电极与变压电源正极相连，阴极电极与变压电源的负极相连，可根据需要设定不同的电压，通电时阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应；阳极电极和阴极电极均采用石墨材质，且阳极电极和阴极电极均为双层结构，阳极电极的中间夹层内设置有阳极离子交换管，阴极电极的中间夹层内设置有阴极离子交换管，阳极离子交换管和阴极离子交换管均与电解液循环端相连，且阳极离子交换管和阴极离子交换管通过阳离子浓度测试管相连，阳离子浓度测试管为U型管，U型管内设置有半透膜(只允许水分子通过，不允许溶质通过)，电解过程中，半透膜偏向浓度较低的一端，以判断电解的程度；