CN103116014A - 大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，包括试验台，以及与试验台连接的加载系统，温度控制系统，补水系统和数据采集系统。试验台主体为试样筒，最大可承受15MPa内压，最大可容纳Φ500mm×1000mm试样。加载系统设于试验台上部，补水系统设于试验台底部，传感器埋设于土体内部，能实时获取土体内温度、水分和应力信息。温度控制系统由顶板，筒体、底部控温管，隔热层及高低温恒温槽组成，温控效果好。本系统可对大尺度试样按高压固结-有载冻结路径进行冻融试验，可直接了解冻融过程中水-热-力动态耦合作用，能更真实地模拟深部土体的冻融过程，为深部人工地层冻结技术领域的水-热-力耦合研究提供支持。

Description

大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统

技术领域

本发明公开一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，利用该试验系统可对大尺度试样按高压固结-有载冻结路径进行多种模式冻融试验，并能自动实时获取和存储温度、水分和应力信息，特别适用于400~800m厚表土层人工冻结地层技术领域的深土冻融过程水-热-力耦合作用研究。

背景技术

在人工地层冻结技术领域，随着资源开采深度增加，我国中东部地区400~800m 厚表土层冻结技术所涉及的一些冻土力学基础问题日益受到关注，例如深土冻融过程的水-热-力耦合作用问题。深入了解该问题是冻结管断裂防治及冻结壁设计的重要基础。深部土体经历漫长地质沉积作用，处于超固结状态，在高地压下进行冻融过程，与浅表土迥异。只有按深部土体的赋存状态和受力条件研究冻融过程中水-热-力耦合作用规律，才能准确和深入地了解深土冻融过程的冻胀力演化机制。 

然而目前土体冻融试验装置无法满足深土冻融过程水-热-力耦合作用的试验需要。主要问题在于：（1）试验装置中的试样筒目前普遍采用有机玻璃筒，有机玻璃虽有较好的绝热性能，但在高内压下，其刚度和强度不足，侧向产生不可忽略的变形，对于深土冻胀应力测量，将产生较大误差；（2）目前主要采用测量冻融过程补水量变化的方法间接获得土体内水分，或试验结束后剖开试样测试土体内部的含水率。上述测试手段不能实时和直接地获得土体内部水分变化，无法了解冻融过程水-热-力的动态耦合作用；（3）常规冻融试验试样筒的内部空间为Φ100mm×100mm，限制了微型水分和应力传感器在土体内埋设，无法实时获得冻融过程土体内部的水分和应力的变化。

因此有必要研制大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，以深入了解深部土体冻融过程水-热-力耦合作用机制，为开展400m~800m厚表土层人工冻结技术基础研究提供试验平台。 

发明内容

本发明旨在克服现有土体冻融试验装置的缺点与不足，提供一种满足研究深部土体冻融过程水-热-力耦合作用的试验系统，利用该系统可对大尺度试样进行高压固结和有载冻结，能实时获取冻融过程土体内部温度、水分和应力的变化。

本发明是由以下技术方案实现的：该大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，包括试验台，以及与试验台连接的加载系统，温度控制系统，补水系统和数据采集系统；所述试验台包括一个能够容纳大尺度试样的高强铸钢试样筒和底座，试样筒的两端设有法兰，并两端外围分别设有减小端部应力的加强肋板，试样筒内部有效空间尺寸为Φ500mm×1000mm，最大可承受15MPa内压；所述试样筒底端由法兰连接有一个中心设有传感器引线孔的底座；所述加载系统设于试验台上部，补水系统设于试验台下部； 所述温度控制系统，包括设于试样筒顶部的顶部控温腔，敷设于试样筒内壁的内反射隔热层，包覆于试样筒外部的保温层，均匀环绕在试样筒外壁的筒体控温管，设于试样筒下部的底部控温管以及高低温恒温槽；所述顶部控温腔及底部控温管分别由顶部冷媒循环管及底部冷媒循环管与高低温恒温槽连接，高低温恒温槽还与筒体控温管连接；所述数据采集系统，由荷重传感器、传感器组、数据采集仪和计算机组成，传感器组包括埋设于土体内部的温度传感器、水分传感器和土压计，传感器引线与数据采集仪连接，数据采集仪连接计算机。

所述加载系统，包括伺服控制台、反力架及顺序设置的千斤顶，限位板和顶板装置，所述反力架由反力板和高强螺杆组成，高强螺杆沿试样筒周向均布，并与上法兰连接，为竖向加载提供反力；所述限位板与高强螺杆活动连接，并可由锁紧螺母固定；所述顶板装置包括顺序固定连接的下承压板、承压环、上承压板、传力钢板和传力柱，所述传力柱设于顶板装置的中心，所述上承压板和下承压板之间形成密封的顶部控温腔；所述千斤顶对应传力柱的中轴设置，并与限位板固定连接；所述伺服控制台与千斤顶连接，对土体加、卸载以及维持恒压。

所述补水系统，包括补水腔、反滤层、补水管路和马氏瓶，所述补水管路包括补水管和排气调压管，所述补水腔位于试样筒内的下部，补水腔的顶面均布补水孔并设有反滤层，补水腔内设有支撑骨架，补水腔由补水管与马氏瓶连接，管体上设有流量调节阀。

本发明的有益效果：

（1）试样筒采用高强铸钢圆筒，并在结构设计上进行了优化，与有机玻璃筒相比强度和刚度大幅提高，在高内压作用下侧向变形小，可满足研究400m~800m厚表土层土体冻融过程的需要；

（2）试样筒内部空间Φ500mm×1000mm，可容纳高径比1~2的大尺度试样，满足现有规格传感器埋设的尺寸和间距要求，保证了试验精度；

（3）该系统不但能实时和直接地获得土体内部温度、应力变化信息，而且可获得水分变化信息，为研究土体冻融过程水-热-力动态耦合作用提供了技术保障；

（4）加载系统设置了限位板，使得土体固结和冻胀力测试在同一试验装置上就可实现；

（5）试样筒外环绕控温管，同时筒内设置薄反辐射隔热层，增加试样筒的绝热性，有效降低环境温度导致的误差；

（6）补水腔内设支撑骨架，满足了高压条件下补水装置的承载和稳定要求；

（7）数据采集系统能自动采集和存储数据，可智能化控制，有效保证了在低温、高压等苛刻试验条件下数据获取的可靠性；

（8）该试验系统能开展封闭系统和开放系统冻融试验，可实现同步冻结和异步冻结控制，因此可满足模拟不同地层条件和冻结工艺模式的需要。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

附图1 为本发明的原理框图。

附图2 为本发明的试验系统结构示意图。

图中，1.反力板，2.高强螺杆，3.千斤顶，4.限位板，5.荷重传感器，6.传力柱，7.上法兰，8.顶部冷媒循环管 9.上承压板，10.承压环，11.下承压板，12. 保温层，13.试样筒，14.传感器组，15. 反滤层，16. 补水腔，17. 底部控温管，18. 底部冷媒循环管，19. 补水管，20.底座，21. 传感器引线孔，22.支座，23.传感器引线，24. 流量调节阀，25. 排气调压管，26.土体，27. 筒体控温管，28. 反辐射隔热层，29.顶部控温腔，30.加强肋板，31.传力钢板，32. 锁紧螺母，33.马氏瓶。

具体实施方式

在附图中，该大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，包括试验台，以及与试验台连接的加载系统，温度控制系统，补水系统和数据采集系统；所述试验台包括一个能够容纳大尺度土体试样的高强度铸钢圆管试样筒13，试样筒13的两端设有法兰，并两端外围分别设有减小端部应力的加强肋板30，试样筒13内部有效空间尺寸为Φ500mm×1000mm，最大可承受15MPa内压；所述试样筒13的法兰及底座20的边缘对应设有螺孔，底座20由螺栓与下法兰连接；所述底座20为圆形厚钢板，中心设有传感器引线孔21，还设有底部冷媒循环管孔、排气调压管孔、补水管孔；所述底座20焊接在支座22上，以固定整个试验装置。

所述加载系统，包括伺服控制台、反力架及顺序设置的千斤顶3，限位板4和顶板装置，所述反力架由反力板1和20根高强螺杆2组成，高强螺杆2沿试样筒13周向均布，并与上法兰7连接，为竖向加载提供反力；所述限位板4与高强螺杆2活动连接，并可由锁紧螺母32固定，所述限位板4为一圆形钢板，边缘对应高强螺杆2开孔，对土体26固结时，限位板4可沿高强螺杆2上下自由运动，对土体26进行冻结时，用锁紧螺母32将限位板4固定，实现对土体冻胀变形的刚性约束；所述顶板装置包括由螺栓顺序固定连接的下承压板11、承压环10、上承压板9、传力钢板31和传力柱6，所述传力柱6设于顶板装置的中心，上承压板9和下承压板11之间及下承压板11的下部均设有密封圈，上承压板9和下承压板11之间形成密封的顶部控温腔29；所述千斤顶3对应传力柱6的中轴设置，并由螺栓与限位板4固定连接；所述伺服控制台由液压管路与千斤顶3连接，对土体26加、卸载以及维持恒压；所述顶板装置设有通至顶部控温腔29的顶部冷媒循环管孔。

所述温度控制系统，包括设于试样筒13顶部的顶部控温腔29，敷设于试样筒13内壁的内反射隔热层28，包覆于试样筒13外部的保温层12，均匀环绕在试样筒13外壁的筒体控温管27，设于试样筒13下部的底部控温管17以及高低温恒温槽；所述顶部冷媒循环管8穿过顶部冷媒循环管孔连接顶部控温腔29和高低温恒温槽，底部冷媒循环管18穿过底部冷媒循环管孔连接底部控温管17和高低温恒温槽，所述高低温恒温槽还与筒体控温管27连接，不同高低温恒温槽为顶部控温腔29、底部控温管17、筒体控温管27提供冷源；顶板装置直接与土体试样顶面接触，通过顶部控温腔29内的冷媒剂循环实现温度控制，筒体控温管27实现对试样筒13周围环境温度控制，底部控温管17实现对试样底部的温度控制。

所述补水系统，包括补水腔16、反滤层15、补水管路和马氏瓶33，所述补水管路包括补水管19和排气调压管25，所述补水腔16位于试样筒13内的下部，补水腔16的顶面均布补水孔并铺设有反滤层15，避免土颗粒堵塞补水孔，以使补水均匀，补水腔16内设有钢珠支撑骨架，满足高压下的承载和稳定性需求，补水腔16的横截面为圆环形，中心为传感器引线通道；补水腔16由补水管19与马氏瓶33连接，管体上设有流量调节阀24；排气调压管25在开始补水时有排气作用，以排除积聚在土水界面处的空气，同时可改变水头的高低，以调节补水水压大小；该系统不但在土体26冻结时有补水功能，在土体26固定阶段还可作为排水和排气通道。

所述数据采集系统，由荷重传感器5、传感器组14、数据采集仪和计算机组成，传感器组14包括埋设于土体26内部的温度传感器、水分传感器和土压计，荷重传感器5固定安装于限位板4的下部，传感器引线23与数据采集仪连接，数据采集仪连接计算机；温度传感器为铂热阻式传感器，线性度好，稳定性高；土壤水分传感器利用介电法直接测量冻土中的未冻水，对于测试同一土质的水分变化具有较高精度，对较小测区内水分变化反应灵敏；土压计和荷重传感器5均为电阻应变式传感器，土压计厚度与直径之比为0.5，体积小巧，响应快，数据采集仪可实时采集与存储所有传感器信号，并由计算机编程进行自动控制，该数据采集系统能保证在低温、高压环境下及时、可靠地获取温度、水分、应力等数据。

以下为该试验系统的组装步骤及基于该试验系统的土体冻融试验步骤。

该试验系统的组装步骤为：

1）试验台组装与密封：由于试验过程中试样筒13内处于高压和有水环境，需在组装前做密封处理，首先将传感器引线23穿过底座20中心的传感器引线孔21，并在孔内灌胶，进行密封处理；然后由下至上分别安装底部控温管17和补水腔16，底部冷媒循环管18和补水管19在底座20的出口用密封垫进行密封；试样筒13内壁粘贴反辐射隔热层28，底座20上安装密封圈，之后起吊试样筒13，对准试样筒13的下法兰与底座20的螺孔，最后用螺栓连接和紧固；

 2）填土与传感器组14埋设：首先铺设反滤层15，然后开始分层填土，压土，并在预设层位埋设温度传感器、水分传感器和土压计，传感器引线23沿反辐射隔热层28内侧布置；

3）加载系统安装：首先安装顶板装置的下承压板11的密封圈，用螺栓将上承压板9、下承压板11和传力钢板31与传力柱6连接，然后将顶板装置吊装到试样筒13内，并调平；在试样筒13的上法兰7上安装高强螺杆2，由下至上分别安装限位板4、千斤顶3和反力板1，最后将千斤顶3与液压伺服台的油压管路连接；

4）补水系统连接：将补水管19与马氏瓶33连接，排气调压管25与底座20连接，试验前先关闭流量调节阀24；

5）数据采集系统连接：首先安装荷重传感器5，然后分别将传感器引线23与数据采集仪连接，最后将数据采集仪信号线与计算机连接；

6）温度控制系统组装：分别将顶部冷媒循环管8、底部冷媒循环管18和筒体控温管27与高低温恒温槽连接，最后在试样筒13外安装保温层12。

基于该试验系统的土体冻融过程水-热-力试验步骤为：

1）启动数据采集系统，开始采集土体26内的温度、水分和应力等信息；

2）保持补水管19和排气调压管25畅通，以利于固结时孔隙水排出，按照设定的压力，通过液压伺服控制台控制千斤顶3对土体26进行恒载固结，直至土体26固结达到稳定；

3）固结完成后，紧固限位板4的上、下锁紧螺母32，通过限位板4对土体冻胀变形实现刚性约束；

4）开启流量调节阀24，使水进入补水腔16，气体由排气调压管25排出，当无气泡排出时，调节排气调压管25内水头达到土体26底部，固定调节排气调压管25；

5）启动高低温恒温槽，待达到设定的温度后，开启水泵，使不同温度的冷媒分别在底部冷媒循环管18、筒体控温管27和顶部控温腔29进行循环，对土体进行冻结，待土体26内温度、水分和应力变化稳定后结束冻结，调节温度进行土体融解试验；

6）待土体达到冻结前的初始温度，且水分和应力变化稳定后结束试验，试验过程中数据采集系统实时获取和存储土体26内的温度、水分和应力等信息，可直接了解冻融过程中水-热-力动态耦合作用。

Claims (6)

1.一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，其特征是：包括试验台，以及与试验台连接的加载系统，温度控制系统，补水系统和数据采集系统；所述试验台包括一个能够容纳大尺度试样的高强铸钢试样筒（13）和底座（20），试样筒（13）的两端设有法兰，并两端外围分别设有减小端部应力的加强肋板（30），试样筒（13）内部有效空间尺寸为Φ500mm×1000mm，最大可承受15MPa内压；所述试样筒（13）底端由法兰连接有一个中心设有传感器引线孔（21）的底座（20）；所述加载系统设于试验台上部，补水系统设于试验台下部； 所述温度控制系统，包括设于试样筒（13）顶部的顶部控温腔（29），敷设于试样筒（13）内壁的内反射隔热层（28），包覆于试样筒（13）外部的保温层（12），均匀环绕在试样筒（13）外壁的筒体控温管（27），设于试样筒（13）下部的底部控温管（17）以及高低温恒温槽；所述顶部控温腔（29）及底部控温管（17）分别由顶部冷媒循环管（8）及底部冷媒循环管（18）与高低温恒温槽连接，高低温恒温槽还与筒体控温管（27）连接；所述数据采集系统，由荷重传感器（5）、传感器组（14）、数据采集仪和计算机组成，传感器组（14）包括埋设于土体（26）内部的温度传感器、水分传感器和土压计，传感器引线（23）与数据采集仪连接，数据采集仪连接计算机。

2.根据权利要求1所述一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，其特征是：所述加载系统，包括伺服控制台、反力架及顺序设置的千斤顶（3），限位板（4）和顶板装置，所述反力架由反力板（1）和高强螺杆（2）组成，高强螺杆（2）沿试样筒（13）周向均布，并与上法兰（7）连接，为竖向加载提供反力；所述限位板（4）与高强螺杆（2）活动连接，并可由锁紧螺母（32）固定；所述顶板装置包括顺序固定连接的下承压板（11）、承压环（10）、上承压板（9）、传力钢板（31）和传力柱（6），所述传力柱（6）设于顶板装置的中心，所述上承压板（9）和下承压板（11）之间形成密封的顶部控温腔（29）；所述千斤顶（3）对应传力柱（6）的中轴设置，并与限位板（4）固定连接；所述伺服控制台与千斤顶（3）连接，对土体（26）加、卸载以及维持恒压。

3.根据权利要求1所述一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，其特征是：所述补水系统，包括补水腔（16）、反滤层（15）、补水管路和马氏瓶（33），所述补水管路包括补水管（19）和排气调压管（25），所述补水腔（16）位于试样筒（13）内的下部，补水腔（16）的顶面均布补水孔并设有反滤层（15），补水腔（16）内设有支撑骨架，补水腔（16）由补水管（19）与马氏瓶（33）连接，管体上设有流量调节阀（24）。

4.根据权利要求1或2所述一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，其特征是：所述顶板装置设有通至顶部控温腔（29）的顶部冷媒循环管孔，能够吻合插入顶部冷媒循环管（8）。

5.根据权利要求1或3所述一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，其特征是：所述底座（20）为圆形钢板，底座（20）上设有分别能够吻合穿入补水管（19）、底部冷媒循环管（18）及排气调压管（25）的补水管孔、底部冷媒循环管孔和排气调压管孔。

6.一种基于大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统的土体冻融过程水-热-力试验，其特征是：

试验步骤为：

1）启动数据采集系统，开始采集土体（26）内的温度、水分和应力等信息；

2）保持补水管（19）和排气调压管（25）畅通，以利于固结时孔隙水排出，按照设定的压力，通过液压伺服控制台控制千斤顶（3）对土体（26）进行恒载固结，直至土体（26）固结达到稳定；

3）固结完成后，紧固限位板（4）的上、下锁紧螺母（32），通过限位板（4）对土体冻胀变形实现刚性约束；

4）开启流量调节阀（24），使水进入补水腔（16），气体由排气调压管（25）排出，当无气泡排出时，调节排气调压管（25）内水头达到土体（26）底部，固定调节排气调压管（25）；

5）启动高低温恒温槽，待达到设定的温度后，开启水泵，使不同温度的冷媒分别在底部冷媒循环管（18）、筒体控温管（27）和顶部控温腔（29）进行循环，对土体进行冻结，待土体（26）内温度、水分和应力变化稳定后结束冻结，调节温度进行土体融解试验；

6）待土体达到冻结前的初始温度，且水分和应力变化稳定后结束试验，试验过程中数据采集系统实时获取和存储土体（26）内的温度、水分和应力等信息，可直接了解冻融过程中水-热-力动态耦合作用。

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