冻土路堤模型制作及冻土路堤模型热融滑坡试验装置和试验方法

摘要

本发明公开了一种可视化冻土路堤模型制作及冻土路堤模型热融滑坡试验装置和试验方法，透明冻土路堤模型制作采用含氟聚合物为配制透明冻土中的透明固体材料，所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，为美国杜邦公司生产的TeflonAF1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩土工程中的模型试验，具体地说是一种冻土路堤模型制作及冻土路堤模型热融滑坡试验装置和试验方法，特别是涉及一种可视化冻土路堤模型制作及冻土路堤模型热融滑坡试验装置和试验方法。

背景技术

在岩土工程方面的模型试验中，研究土体内部变形规律和机理，对探索岩土工程问题本质具有重要意义。特别是地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50﹪，其中，多年冻土分布面积3500万㎞²，约占陆地面积的25﹪。冻土是一种对温度极为敏感的土体，随着温度的升高，其强度显著降低，土体融化后的强度相对于冻结时的强度以几何数量级的降低。相关研究结果表明，青藏高原等多年冻土区腹部地带的低山丘陵区，在大于3°的坡地上，其热融过程中都有可能形成热融滑塌。当表层冻土由于气温升高而融化，在高含冰量条件下，滑动土体表现为坚硬的岩土块体和液状泥浆组成的混合物，容易产生大致平行于坡面的滑动面。如青藏公路K3035里程段里程碑附近五道梁和沱沱河之间区域，整体坡度为7°左右，就发生了纵向长约95m、最宽约72m的典型热融滑塌现象。因此，开展对低角度边坡的热融滑塌特性及机理研究显得尤为重要。

专利号为201110074794.2，发明名称为一种用于高含冰冻土试样的制备方法的专利公开了一种利用常规设备制备高含冰冻土试样的技术方法，该法可以根据实际需要的尺寸制作高含冰人工冻土试样，基于制配完成的冻土试样，利用土工测试仪器对冻土的工程特性进行测试。

文献《青藏高原多年冻土区热融滑塌模型试验研究》（靳德武等.  工程勘察，2006，9：1-6.）设计了一套与青藏公路K3035里程段热融滑塌体几何、坡体结构相似的物理模型（1：10比例尺缩小），试验过程分为冰盒加工及冰层制作、土样碾压及配置、监测仪器的校正与标定、模型箱内斜坡比例模型的制作和仪器埋设几个环节；试验过程中使用一台专伺冰层控温，温度设定为-1^oC、另一台控制土体温度，共完成4个冻融周期循环，基于预埋的常规温度探头、位移传感器和伸张仪可以测得边坡的位移场和温度场。但是，传统的土体变形测量方法是在土体内部埋设一系列传感器，得到某些离散点的位移，其传感器容易受外界环境扰动的影响，测量结果往往不够准确，同时不能给出土体内部连续变形的整个位移场。现代数字图像技术也只局限于测量土体的宏观或边界变形，不能实现对土体内部变形的可视化；X-射线、γ-射线、计算机层析扫描（CAT扫描）及磁共振成像技术（MRI）虽然可以用来测量土体内部的连续变形，但昂贵的费用限制了这些技术的广泛应用。

利用人工合成透明土结合光学观测和图像处理技术可以实现土体内部变形的可视化，其费用低廉，操作简便，可以广泛应用在岩土工程方面的模型试验中，研究土体内部规律和机理，对探索岩土工程问题本质具有重要意义。其前提是获得透明度较高，且性质与天然土体相似的人工合成透明土。目前，已有采用不同材料来制配透明土，并得到了一些成果。但是，现有技术资料表明，配制透明土的固体颗粒主要选用石英类材料，其固体颗粒本身的折射率在1.44～1.46之间，选用硼硅玻璃材料，其固体颗粒本身的折射率在1.46～1.48之间，远大于水的1.33折射率和冰的1.31折射率。因此，利用现有的配制透明土的固体颗粒无法配制出饱和透明冻土试样。

含氟聚合物为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；具有耐高温、耐低温、耐化学腐蚀、无粘性、无毒、无污染、高透明度、低折射率的特性，还具有气体渗透性结构、疏水性、化学惰性等特性，与天然土体性质的相似性好。Teflon AF 1600可溶解于氟系溶剂中，可以形成薄膜或熔融压缩成型；目前，其主要用在涂层、浸渍或制成纤维，制成的液芯波导在吸收、荧光、拉曼光谱分析、气体传感器等诸多领域也有运用。由于含氟聚合物具有高透明度，折射率与冰相同，因此，可以在配制透明冻土中用作透明固体材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种冻土路堤模型制作及冻土路堤模型热融滑坡试验装置和试验方法，特别是一种可视化冻土路堤模型制作及冻土路堤模型热融滑坡试验装置和试验方法。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种冻土路堤模型制作方法，它包括以下步骤：

⑴备料：首先根据试验要求制作模拟路堤模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述无色孔隙液体为水；

在步骤⑴中，所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪；

⑵混配：在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

⑷冻结：将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻砂土路堤的透明冻土路堤模型，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

一种冻土路堤模型制作方法，它包括以下步骤：

⑴备料：首先根据试验要求制作模拟路堤模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径≤0.074㎜；所述无色孔隙液体为水；

⑵混配：在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

⑷固结：将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

⑸冻结：将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻黏土路堤的透明冻土路堤模型，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

一种冻土路堤模型热融滑坡试验装置，它包括低温实验室，低温实验室内设有透明模型槽，透明模型槽内设有模拟路堤的透明冻土路堤模型，透明冻土路堤模型内预埋有温度传感器，路堤的阳坡面上方设有安装在透明模型槽上的发热源；阳坡面上铺设或者不铺设绝热材料，阳坡面坡脚位置设置或不设置挡墙；在透明模型槽外，与透明冻土路堤模型横截面平行的一侧设有激光源，与透明冻土路堤模型横截面垂直一侧设有数码相机，数码相机、温度传感器通过数据线与处理装置联接；所述数码相机的轴线垂直于所述激光源的轴线，所述数码相机的轴线与所述激光源的轴线的交点位于所述透明模型槽内；激光源照射透明冻土路堤模型的横截面，由数码相机记录激光源照射到的透明冻土路堤模型的横截面。

本发明所述透明冻土路堤模型采用透明冻土材料制作，当需制得模拟饱和冻砂土路堤的透明冻土路堤模型时，所述透明冻土它由含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、冻结步骤配制而成，所述含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体用量通过试验条件与模型大小计算；所述无色孔隙液体为水，所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰的粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述透明冻土的物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4；所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

本发明所述透明冻土路堤模型采用透明冻土材料制作，当需制得模拟饱和冻黏土路堤的透明冻土路堤模型时，所述透明冻土它由含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、固结、冻结步骤配制而成，所述含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体用量通过试验条件与模型大小计算；所述无色孔隙液体为水，所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰的粒径≤0.074㎜；所述透明冻土的物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

本发明所述透明模型槽、挡墙采用有机玻璃制成；所述绝热材料为由厚度5㎜～15㎜的含氟聚合物颗粒模拟的碎石层或者聚乙烯发泡塑料网。

一种冻土路堤模型热融滑坡试验方法，它包括以下过程：

⑴建模：根据试验要求及冻土路堤模型尺寸分别制作透明模型槽和模拟冻土路堤模型的透明冻土路堤模型，所述透明冻土路堤模型采用透明冻土材料制作，并预埋温度传感器；所述透明模型槽采用有机玻璃制成；

⑵安装：在低温实验室内，将透明冻土路堤模型装入透明模型槽，发热源安装在透明模型槽上，位于透明冻土路堤模型的阳坡面上方；在透明模型槽外，与透明冻土路堤模型横截面平行的一侧设有激光源，与透明冻土路堤模型横截面垂直一侧设有数码相机，数码相机、温度传感器通过数据线与处理装置联接；所述数码相机的轴线垂直于所述激光源的轴线，所述数码相机的轴线与所述激光源的轴线的交点位于所述透明模型槽内；

⑶试验：打开激光源，检查其在透明冻土路堤模型内部形成的颗粒切面明亮度，调整激光角度，使切面垂直入射，通过透明冻土路堤模型纵向方向的中间位置；打开数码相机，调整数码相机镜头，使其能涵括透明冻土路堤模型的阳坡面和背阳坡面；即激光源照射透明冻土路堤模型的横截面，由数码相机记录激光源照射到的透明冻土路堤模型的横截面；根据实验设计，间断打开发热源，由数码相机观测并记录透明冻土路堤模型在冻、融周期循环下，阳坡面的热融滑塌过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置。

为检验处治措施对消除热融滑塌现象的效果，本发明在过程⑵中，阳坡面上铺设绝热材料，阳坡面坡脚位置设置挡墙；所述绝热材料为由厚度5㎜～15㎜的含氟聚合物颗粒模拟的碎石层或者聚乙烯发泡塑料网，所述挡墙采用有机玻璃制成；在过程⑶中，根据实验设计，间断打开发热源，由数码相机观测并记录透明冻土路堤模型在冻、融周期循环下，阳坡面的热融滑塌过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置，检验处治措施对消除热融滑塌现象的效果。

当需制得模拟饱和冻砂土路堤的透明冻土路堤模型时，本发明在过程⑴中，所述制作透明冻土路堤模型包括备料、混配、抽真空、冻结步骤：

所述备料为首先根据试验要求制作模拟路堤模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述无色孔隙液体为水；

所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟为饱和冻砂土路堤的透明冻土路堤模型，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

当需制得模拟饱和冻黏土路堤的透明冻土路堤模型时，本发明在过程⑴中，所述制作透明冻土路堤模型包括备料、混配、抽真空、固结、冻结步骤：

    所述备料为首先根据试验要求制作模拟路堤模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径≤0.074㎜；所述无色孔隙液体为水；

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述固结为将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟为饱和冻黏土路堤的透明冻土路堤模型，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1 kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，试验方法可行，配制的透明土透明度高，价格低廉，无毒无害，与天然冻土土体性质的相似性好，能广泛替代自然冻土；试验装置操作简便，易于实现，可重复性强；可用来模拟复杂的地质条件，有效地用于岩土工程中的模型试验。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种冻土路堤模型制作方法，它包括以下步骤：

⑴备料：首先根据试验要求制作模拟路堤模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述无色孔隙液体为水；

本发明在步骤⑴中，所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪；

为不影响折射率，本发明在步骤⑴中，所述的水为纯净水。

根据试验条件与模具内试样尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及纯净水的用量：

本实施例的试样含水量100.0﹪、干密度0.55g/cm³、试样体积（374.0㎝³）及低温实验室温度－6.0℃，换算出制备一个试样所需含氟聚合物颗粒质量（颗粒质量＝干密度×试样体积）为206.0g，总水量（含水量100.0﹪，总水量的质量与颗粒质量相等）为206.0g；由于砂土在温度为－6.0℃时，其未冻水含量约为15﹪，所以在制备试样过程中加入纯净水的质量应为30.9g，颗粒冰的质量为175.1g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³的含氟聚合物颗粒，含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为20﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为30﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为30﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为20﹪，以重量计，合计为100﹪，将其混合均匀；

⑵混配：在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将步骤⑴中确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

⑷冻结：将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻砂土路堤的透明冻土路堤模型，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

本实施例所制透明冻土路堤模型的物理特性为：密度1.9g/㎝³，重度19kN/m³，密实度70﹪；力学特性为：内摩擦角31°，弹性模量40MPa，泊松比0.3。

由图1可知，一种冻土路堤模型热融滑坡试验装置，它包括低温实验室1，低温实验室1内设有透明模型槽5，透明模型槽5内设有模拟路堤9的透明冻土路堤模型13，透明冻土路堤模型13内预埋有温度传感器12，路堤9的阳坡面7上方设有安装在透明模型槽5上的发热源6；阳坡面7上铺设或者不铺设绝热材料11，阳坡面7坡脚位置设置或不设置挡墙10；在透明模型槽5外，与透明冻土路堤模型13横截面平行的一侧设有激光源2（本实施例设在背阳坡面8一侧），与透明冻土路堤模型13横截面垂直一侧设有数码相机3，数码相机3、温度传感器12通过数据线与处理装置4联接；所述数码相机3的轴线垂直于所述激光源2的轴线，所述数码相机3的轴线与所述激光源2的轴线的交点位于所述透明模型槽5内；激光源2照射透明冻土路堤模型13的横截面，由数码相机3记录激光源2照射到的透明冻土路堤模型13的横截面。

本发明所述透明冻土路堤模型13采用透明冻土材料制作，当需制得模拟饱和冻砂土路堤的透明冻土路堤模型13时，所述透明冻土它由含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、冻结步骤配制而成，所述含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体用量通过试验条件与模型大小计算；所述无色孔隙液体为水，所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰的粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述透明冻土的物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4；所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

本实施例选择密度2.3g/㎝³的含氟聚合物颗粒，含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为20﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为30﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为30﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为20﹪，以重量计，合计为100﹪。

根据试验条件与模具内试样尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及纯净水的用量：

本实施例的试样含水量100.0﹪、干密度0.55g/cm³、试样体积（374.0㎝³）及低温实验室温度－6.0℃，换算出制备一个试样所需含氟聚合物颗粒质量（颗粒质量＝干密度×试样体积）为206.0g，总水量（含水量100.0﹪，总水量的质量与颗粒质量相等）为206.0g；由于砂土在温度为－6.0℃时，其未冻水含量约为15﹪，所以在制备试样过程中加入纯净水的质量应为30.9g，颗粒冰的质量为175.1g。

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻砂土自然路堤的透明冻土路堤模型13，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

本实施例所制透明冻土路堤模型13的物理特性为：密度1.9g/㎝³，重度19kN/m³，密实度70﹪；力学特性为：内摩擦角31°，弹性模量40MPa，泊松比0.3。

当阳坡面7与背阳坡面8的坡角大于4°～9°时，就存在发生热融滑坡的可能。本实施例所制透明冻土路堤模型13的阳坡面7的坡角为31°，背阳坡面8的坡角为36°。

本发明所述透明模型槽5、挡墙10采用有机玻璃制成；所述绝热材料11为由厚度5㎜～15㎜的含氟聚合物颗粒模拟的碎石层或者聚乙烯发泡塑料网。

本发明所述的发热源6，为线性发热电阻丝，电阻丝附近的最高温度可达到25°～28°。

本发明所述激光源2为内腔式氦氖激光器，功率为50mW～500 mW（本实施例为500mW）。

本发明所述数码相机3为高清高速数码相机，其分辨率为50 w～500w（本实施例为500w），帧曝光，帧数25，曝光时间10μs～10s（本实施例为10μs）。

一种冻土路堤模型热融滑坡试验方法，它包括以下过程：

⑴建模：根据试验要求及冻土路堤模型尺寸分别制作透明模型槽5和模拟冻土路堤模型的透明冻土路堤模型3，所述透明冻土路堤模型13采用透明冻土材料制作，并预埋温度传感器12；所述透明模型槽5采用有机玻璃制成；

当需制得模拟饱和冻砂土路堤的透明冻土路堤模型13时，本发明在过程⑴中，所述制作透明冻土路堤模型包括备料、混配、抽真空、冻结步骤：

所述备料为首先根据试验要求制作模拟路堤模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径为0.1㎜～0.5㎜；所述无色孔隙液体为水；

所述的含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪。

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

根据试验条件与模具内试样尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及纯净水的用量：

本实施例的试样含水量100.0﹪、干密度0.55g/cm³、试样体积（374.0㎝³）及低温实验室温度－6.0℃，换算出制备一个试样所需含氟聚合物颗粒质量（颗粒质量＝干密度×试样体积）为206.0g，总水量（含水量100.0﹪，总水量的质量与颗粒质量相等）为206.0g；由于砂土在温度为－6.0℃时，其未冻水含量约为15﹪，所以在制备试样过程中加入纯净水的质量应为30.9g，颗粒冰的质量为175.1g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³的含氟聚合物颗粒，含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为20﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为30﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为30﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为20﹪，以重量计，合计为100﹪，将其混合均匀；

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟为饱和冻砂土路堤的透明冻土路堤模型，其物理特性为：密度1.53 g/㎝³～2.0g/㎝³，重度15kN/m³～20kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角30°～31°，弹性模量8MPa～61MPa，泊松比0.2～0.4。

本实施例所制透明冻土路堤模型13的物理特性为：密度1.9g/㎝³，重度19kN/m³，密实度70﹪；力学特性为：内摩擦角31°，弹性模量40MPa，泊松比0.3。

当阳坡面7与背阳坡面8的坡角大于4°～9°时，就存在发生热融滑坡的可能。本实施例所制透明冻土路堤模型13的阳坡面7的坡角为31°，背阳坡面8的坡角为36°。

⑵安装：在低温实验室1内，将透明冻土路堤模型13装入透明模型槽5，发热源6安装在透明模型槽5上，位于透明冻土路堤模型13的阳坡面7上方；在透明模型槽5外，与透明冻土路堤模型13横截面平行的一侧设有激光源2（本实施例设在背阳坡面8一侧），与透明冻土路堤模型13横截面垂直一侧设有数码相机3，数码相机3、温度传感器12通过数据线与处理装置4联接；所述数码相机3的轴线垂直于所述激光源2的轴线，所述数码相机3的轴线与所述激光源2的轴线的交点位于所述透明模型槽5内；

本发明所述的发热源6，为线性发热电阻丝，电阻丝附近的最高温度可达到25°～28°。

本发明所述激光源2为内腔式氦氖激光器，功率为50mW～500 mW（本实施例为500mW）。

本发明所述数码相机3为高清高速数码相机，其分辨率为50 w～500w（本实施例为500w），帧曝光，帧数25，曝光时间10μs～10s（本实施例为10μs）。

⑶试验：打开激光源2，检查其在透明冻土路堤模型13内部形成的颗粒切面明亮度，调整激光角度，使切面垂直入射，通过透明冻土路堤模型13纵向方向的中间位置；打开数码相机3，调整数码相机3镜头，使其能涵括透明冻土路堤模型13的阳坡面7和背阳坡面8；即激光源2照射透明冻土路堤模型13的横截面，由数码相机3记录激光源2照射到的透明冻土路堤模型13的横截面；根据实验设计，间断打开发热源6，由数码相机3观测并记录透明冻土路堤模型13在冻、融周期循环下，阳坡面7的热融滑塌过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置4。

试验中，利用PIV技术（Particle Image Velocimetry粒子图像测速法）结合图像处理软件PIVview2C对数码相机3采集的图片资料进行处理。

实施例2：

为检验处治措施对消除热融滑塌现象的效果，本发明在过程⑵中，阳坡面7上铺设绝热材料11，阳坡面7坡脚位置设置挡墙10；所述绝热材料11为由厚度5㎜～15㎜的含氟聚合物颗粒模拟的碎石层或者聚乙烯发泡塑料网（本实施例为厚度10㎜的含氟聚合物颗粒模拟的碎石层），所述挡墙10采用有机玻璃制成；在过程⑶中，根据实验设计，间断打开发热源6，由数码相机3观测并记录透明冻土路堤模型13在冻、融周期循环下，阳坡面7的热融滑塌过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置4，检验处治措施对消除热融滑塌现象的效果。

余同实施例1。

实施例3：

在冻土路堤模型13的制备中，选择密度2.1g/㎝³的含氟聚合物颗粒，含氟聚合物颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为20﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为30﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为30﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为20﹪，以重量计，合计为100﹪，将其混合均匀；混配时，控制密实度30﹪；本实施例所制透明冻土路堤模型13的物理特性为：密度1.82g/㎝³，重度18kN/m³，密实度30﹪；力学特性为：内摩擦角30°，弹性模量10MPa，泊松比0.35。

余同实施例1、2。

实施例4：

一种冻土路堤模型制作方法，它包括以下步骤：

⑴备料：首先根据试验要求制作模拟路堤模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径≤0.074㎜；所述无色孔隙液体为水；

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

本实施例试验条件与模具内试样尺寸大小和计算方法与实施例1相同。

本实施例确定含氟聚合物颗粒、颗粒冰及纯净水的用量分别为206.0g、175.1g和30.9g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³、粒径≤0.074㎜的含氟聚合物颗粒。

⑵混配：在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将步骤⑴中确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

⑷固结：将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

本实施例固结度OCR值1.5；

⑸冻结：将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻黏土路堤的透明冻土路堤模型，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

本实施例所制透明冻土路堤模型的物理特性为：密度1.93g/㎝³，重度19.1kN/m³；力学特性为：内摩擦角20°，凝聚力为3kPa，弹性模量9MPa，泊松比0.3。

由图1可知，一种冻土路堤模型热融滑坡试验装置，它包括低温实验室1，低温实验室1内设有透明模型槽5，透明模型槽5内设有模拟路堤9的透明冻土路堤模型13，透明冻土路堤模型13内预埋有温度传感器12，路堤9的阳坡面7上方设有安装在透明模型槽5上的发热源6；阳坡面7上铺设或者不铺设绝热材料11，阳坡面7坡脚位置设置或不设置挡墙10；在透明模型槽5外，与透明冻土路堤模型13横截面平行的一侧设有激光源2（本实施例设在背阳坡面8一侧），与透明冻土路堤模型13横截面垂直一侧设有数码相机3，数码相机3、温度传感器12通过数据线与处理装置4联接；所述数码相机3的轴线垂直于所述激光源2的轴线，所述数码相机3的轴线与所述激光源2的轴线的交点位于所述透明模型槽5内；激光源2照射透明冻土路堤模型13的横截面，由数码相机3记录激光源2照射到的透明冻土路堤模型13的横截面。

本发明所述透明冻土路堤模型采用透明冻土材料制作，当需制得模拟饱和冻黏土路堤的透明冻土路堤模型13时，所述透明冻土它由含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、固结、冻结步骤配制而成，所述含氟聚合物、颗粒冰与无色孔隙液体用量通过试验条件与模型大小计算；所述无色孔隙液体为水，所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰的粒径≤0.074㎜；所述透明冻土的物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

本实施例试验条件与模具内试样尺寸大小和计算方法与实施例1相同。

本实施例确定含氟聚合物颗粒、颗粒冰及纯净水的用量分别为206.0g、175.1g和30.9g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³、粒径≤0.074㎜的含氟聚合物颗粒。

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述固结为将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

本实施例固结度OCR值1.5；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟饱和冻黏土自然路堤的透明冻土路堤模型13，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

本实施例所制透明冻土路堤模型13的物理特性为：密度1.93g/㎝³，重度19.1kN/m³；力学特性为：内摩擦角20°，凝聚力为3kPa，弹性模量9MPa，泊松比0.3。

当阳坡面7与背阳坡面8的坡角大于4°～9°时，就存在发生热融滑坡的可能。本实施例所制透明冻土路堤模型13的阳坡面7的坡角为31°，背阳坡面8的坡角为36°。

本发明所述透明模型槽5、挡墙10采用有机玻璃制成；所述绝热材料11为由厚度5㎜～15㎜的含氟聚合物颗粒模拟的碎石层或者聚乙烯发泡塑料网。

本发明所述的发热源6，为线性发热电阻丝，电阻丝附近的最高温度可达到25°～28°。

本发明所述激光源2为内腔式氦氖激光器，功率为50mW～500 mW（本实施例为500mW）。

本发明所述数码相机3为高清高速数码相机，其分辨率为50 w～500w（本实施例为500w），帧曝光，帧数25，曝光时间10μs～10s（本实施例为10μs）。

一种冻土路堤模型热融滑坡试验方法，它包括以下过程：

⑴建模：根据试验要求及冻土路堤模型尺寸分别制作透明模型槽5和模拟冻土路堤模型的透明冻土路堤模型3，所述透明冻土路堤模型13采用透明冻土材料制作，并预埋温度传感器12；所述透明模型槽5采用有机玻璃制成；

当需制得模拟饱和冻黏土路堤的透明冻土路堤模型时，本发明在过程⑴中，所述制作透明冻土路堤模型包括备料、混配、抽真空、固结、冻结步骤：

所述备料为首先根据试验要求制作模拟路堤模型的模具，再根据试验条件与模具尺寸大小计算确定含氟聚合物、颗粒冰及无色孔隙液体的用量；所述含氟聚合物为粒径≤0.074㎜的颗粒，清洗杂质并烘干，其颗粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的Teflon AF 1600，折射率1.31，密度2.1g/㎝³～2.3g/㎝³；所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎，其粒径≤0.074㎜；所述无色孔隙液体为水；

为不影响折射率，本发明所述的水为纯净水。

本实施例试验条件与模具内试样尺寸大小和计算方法与实施例1相同。

本实施例确定含氟聚合物颗粒、颗粒冰及纯净水的用量分别为206.0g、175.1g和30.9g。

本实施例选择密度2.3g/㎝³、粒径≤0.074㎜的含氟聚合物颗粒。

所述混配为在－6.0℃～－8.0℃低温实验室内，先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分2～3次装入模具内制试样，并分层击实；再将水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

本实施例在－6.0℃低温实验室内，先将确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀搅拌，分3次装入模具内制试样，并分层击实，压至设计密实度70﹪；再将纯净水加入模具内，充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

所述抽真空为利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

所述固结为将试样放在固结仪中进行固结，固结度OCR值0.8～3；

本实施例固结度OCR值1.5；

所述冻结为将模具装入－20℃低温箱冻结48小时后拆除模具，制得模拟为饱和冻黏土路堤的透明冻土路堤模型，其物理特性为：密度1.63 g/㎝³～2.1g/㎝³，重度16kN/m³～21kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：内摩擦角19°～22°，凝聚力为1 kPa～3kPa，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.2～0.3。

本实施例所制透明冻土路堤模型2的物理特性为：密度1.93g/㎝³，重度19.1kN/m³；力学特性为：内摩擦角20°，凝聚力为3kPa，弹性模量9MPa，泊松比0.3。

当阳坡面7与背阳坡面8的坡角大于4°～9°时，就存在发生热融滑坡的可能。本实施例所制透明冻土路堤模型13的阳坡面7的坡角为31°，背阳坡面8的坡角为36°。

⑵安装：在低温实验室1内，将透明冻土路堤模型13装入透明模型槽5，发热源6安装在透明模型槽5上，位于透明冻土路堤模型13的阳坡面7上方；在透明模型槽5外，与透明冻土路堤模型13横截面平行的一侧设有激光源2（本实施例设在背阳坡面8一侧），与透明冻土路堤模型13横截面垂直一侧设有数码相机3，数码相机3、温度传感器12通过数据线与处理装置4联接；所述数码相机3的轴线垂直于所述激光源2的轴线，所述数码相机3的轴线与所述激光源2的轴线的交点位于所述透明模型槽5内；

本发明所述透明模型槽5、挡墙10采用有机玻璃制成；所述绝热材料11为由厚度5㎜～15㎜的含氟聚合物颗粒模拟的碎石层或者聚乙烯发泡塑料网。

本发明所述的发热源6，为线性发热电阻丝，电阻丝附近的最高温度可达到25°～28°。

本发明所述激光源2为内腔式氦氖激光器，功率为50 mW～500 mW。

本发明所述数码相机3为高清高速数码相机，其分辨率为50 w～500w（本实施例为500w），帧曝光，帧数25，曝光时间10μs～10s（本实施例为10μs）。

⑶试验：打开激光源2，检查其在透明冻土路堤模型13内部形成的颗粒切面明亮度，调整激光角度，使切面垂直入射，通过透明冻土路堤模型13纵向方向的中间位置；打开数码相机3，调整数码相机3镜头，使其能涵括透明冻土路堤模型13的阳坡面7和背阳坡面8；即激光源2照射透明冻土路堤模型13的横截面，由数码相机3记录激光源2照射到的透明冻土路堤模型13的横截面；根据实验设计，间断打开发热源6，由数码相机3观测并记录透明冻土路堤模型13在冻、融周期循环下，阳坡面7的热融滑塌过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置4。

试验中，利用PIV技术（Particle Image Velocimetry粒子图像测速法）结合图像处理软件PIVview2C对数码相机3采集的图片资料进行处理。

实施例5：

为检验处治措施对消除热融滑塌现象的效果，本发明在过程⑵中，阳坡面7上铺设绝热材料11，阳坡面7坡脚位置设置挡墙10；所述绝热材料11为由厚度5㎜～15㎜的含氟聚合物颗粒模拟的碎石层或者聚乙烯发泡塑料网（本实施例为厚度10㎜的含氟聚合物颗粒模拟的碎石层），所述挡墙10采用有机玻璃制成；在过程⑶中，根据实验设计，间断打开发热源6，由数码相机3观测并记录透明冻土路堤模型13在冻、融周期循环下，阳坡面7的热融滑塌过程，并将记录数据通过数据线送入处理装置4，检验处治措施对消除热融滑塌现象的效果。

余同实施例4。

实施例6：

在冻土路堤模型13的制备中，选择密度2.1g/㎝³的含氟聚合物颗粒；固结时，固结度OCR值0.8；本实施例所制透明冻土路堤模型2的物理特性为：密度1.83g/㎝³，重度17.8 kN/m³；力学特性为：内摩擦角19°，凝聚力为1kPa，弹性模量5.2MPa，泊松比0.22。

余同实施例4、5。