CN103196753A - 单向冻结冻融循环三轴仪及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单向冻结冻融循环三轴仪，包括压力室、主机、稳定气压源、温控系统、补水装置、测试及数据采集系统。所述压力室包括外压力室和内压力室，内压力室的上部设有由试样帽上盒和试样帽下盒组成的试样帽，压力室的底部设置由底座上盒及底座下盒组成的底座；试样帽、底座和外压力室分别通过保温管路与制冷机相连；压力室上部设有荷载传力轴，穿过压力室上盖作用在试样帽上盒；压力室底座通过管路与补水装置相连；主机提供动力实现试样剪切，制冷机上的温度传感器以及主机上的位移传感器、荷载传感器与测试及数据采集系统相连。本发明可以实现低温补水条件下的单向冻结冻融循环试验，同时测试冻融循环条件下三轴强度试验。

Description

单向冻结冻融循环三轴仪及试验方法

技术领域

本发明涉及岩土力学与工程测试技术领域，具体是一种单向冻结冻融循环三轴仪及试验方法。本发明可以实现低温补水条件下的单向冻结试验和冻融循环试验，同时测试冻融循环条件下三轴强度。

背景技术

我国季节性冻土分布面积十分广泛，遍布纬度高于24°的地区，其分布面积为5.137×106km²，占国土面积的53.5％。季节冻土区的工业民用建筑物、渠道涵闸、道路桥梁等的地基土都随着冬夏冷暖交替，土体发生着冻结融化，这种现象称之为冻融循环。在冻结过程中土体的物理力学性质不断发生着变化，同时伴随着冻胀融沉变形和冻结水分迁移，导致土体力学性质发生劣化的同时，产生较大的破坏，使得建(构)筑物的使用寿命减小，大大增加了相应的维修养护费用。

目前研究中多采用室内冻融试验来研究季节性冻土的特性。常采用的低温试验设备按人工降温方式可分为局部恒温和环境恒温两大类。环境恒温是指通过对试验系统所处环境进行降温使整个试验系统(包括试验对象)达到试验要求温度的方法，常见的有在低温室内进行的冻土力学特性试验。局部恒温是指利用某种制冷方式仅在试验对象附近区域创造一个恒温环境，常见有土的冻胀、融沉试验设备、冻土的三轴试验机等。按土样冻融过程的顺序可以将试验分为预冻融试验和正冻融试验两类。预冻融试验方式是传统冻土力学研究常采用的试验方式，试验将冻融过程与加载过程分为两个互不相关联的环节，试验土样在制备完成后被迅速放入低温箱内进行冻结，等试样完全冻结后再迅速取出放入加载设备进行力学性能测试。正冻融试验是指土样冻融过程是在荷载条件下进行的，这种试验模式能够比较接近的描述了天然土层的实际冻融过程。人工冻土的冻结方式按照冻结方向可以分为单向冻结、双向冻结与三向冻结三种方式。按照是否有外界水分补给的情况，可以分为开放系统和封闭系统两种环境。

季节性冻土区的地基土在冬季冻结时地下水通过毛细作用向冻结锋面迁移。在海拔较高或昼夜温差较大的地区，这种冻结过程可能在很短时间经历若干个循环过程，室内三轴试验设备要模拟这一物理过程，必须进行有专门的补水装置和特殊设计的温控系统，以实现开放条件下的单向冻结和融化。

对于冻融循环问题，国内部分单位也进行了研究，并提出了几种新装置。2004年常小晓等提出了一种低温高压三轴蠕变试验仪(详见中国专利号为“ZL200420085815.6”)，其利用三向冻结方式实现低温下的三轴蠕变试验和强度试验，但无法实现大气降温条件下地基土的单向冻结过程模拟。2010年付伟等提出了一种多功能公路土基冻融循环试验装置(中国专利号为“ZL201020254199.8”)，该装置能实现多个土样的单向冻结及冻融循环，但是该装置不能进行相应的力学强度测试，需要在冻结及冻融循环后取出试样后再进行力学强度测试。2012年顾同欣等提出了一种室内冻土冻融循环过程试验装置(中国专利号为“ZL201220004855.8”)，可以用于研究土体的冻融过程，获得不同温度梯度、不同土性下冻结时补水量、冻胀融沉量等参数，但也不能实现冻融条件下强度特性研究。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明所要解决的技术问题的在于提供一种单向冻结冻融循环三轴仪，可以实现低温补水条件下的单向冻结冻融循环试验，同时测试冻融循环条件下三轴强度试验。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：

一种单向冻结冻融循环三轴仪，包括压力室、主机、稳定气压源、温控系统、补水装置、测试及数据采集系统，压力室包括外压力室和内压力室，内压力室的上部设有由试样帽上盒和试样帽下盒组成的试样帽，压力室的底部设置由底座上盒及底座下盒组成的底座，试验时试样置于试样帽和底座之间；外压力室与压力室之间利用保温管路与温控系统中的外压力室制冷机相连，采用冷冻液提供试验的环境温度；试样帽下盒及底座上盒均设有冷冻液循环槽，并通过管路分别与温控系统中的试样帽制冷机和试样底座制冷机相连，分别控制试样顶部及底部的温度；内压力室通过管路与稳定气压源相连，通过压缩空气施加围压；压力室上部设有荷载传力轴，穿过压力室上盖作用在试样帽上盒；压力室底座通过管路与补水装置相连；主机提供动力实现试样剪切，试样帽制冷机、试样底座制冷机、外压力室制冷机上分别设有与测试及数据采集系统相连的温度传感器，主机上设置的位移传感器、荷载传感器与测试及数据采集系统相连。

一种利用上述的三轴仪进行测试单向冻结冻融循环试验的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)通过荷载传力轴将压力室打开，与试样底座分离；

2)将制备好的试样置于试样底座上，在试样顶部设置试样帽、耐低温橡胶套和O型圈，安装压力室；

3)将温控系统D中的试样帽制冷机、试样底座制冷机、外压力室制冷机分别连接试样帽、试样底座和外压力室。

4)将补水系统中的玻璃量管与试样底座连接。

5)连接稳定气压源与内压力室，启动稳定气压源施加试验围压；

6)将所述试样帽制冷机、试样底座制冷机和外压力室制冷机上的温度传感器以及主机上的位移传感器、荷载传感器与测试与数据采集系统连接，启动测试与数据采集系统连接；

7)开启外压力室制冷机设置试验环境温度，环境温度到达目标值后开启试样底座制冷机与试样帽制冷机分别设置试样底部及顶部温度，开始单向冻结试验，试样底部温度与环境温度相同，且应高于0℃；

8)冻结过程中记录冻结补水量，当单向冻结完成后开启主机进行三轴剪切试验；

9)若需要进行冻融循环试验，在步骤后提高试样帽制冷机的温度，完成融化试验，反复操作多次后即可完成冻融循环试验，最后进行三轴剪切试验。

本发明的特点是：相对于常规三轴仪，试样帽和底座均设计为上下盒两个部分，两盒之间设置冷冻液循环槽，并同时与外部制冷机相连，通过可编程自动化控制的温控制冷机实现三轴试样顶部与底部的温度梯度；冻结过程中因保持试样底部与补水装置的水力联系，使得土样处于开放状态，可模拟冻结过程中水分的迁移与补给。本发明结构简单、体积小、无噪声、无污染、节能，操作方便，移动灵活，性能稳定。

本发明中的三轴仪所进行的试验是在局部恒温、单向冻结、开放系统条件下的正冻融试验，可以同时实现单向冻结条件下的冻融循环试验和三轴强度试验。设计中同时满足以下几个方面的要求：(1)三轴压力室应保证试验过程中的试样处于较低的环境温度；(2)在试样的上部及下部分别设置不同的温度控制单元，实现冻结温度梯度差；(3)三轴压力室内部的围压介质应有利于保证试样底部与顶部的温度梯度；(4)冻结过程中因保持试样底部与补水装置的水力联系，使得土样处于开放状态，模拟冻结过程中水分的迁移与补给。

附图说明

图1是本发明单向冻结冻融循环三轴仪的示意框图；

图2是本发明单向冻结冻融循环三轴仪中压力室的结构示意图；

图3是本发明试样底座上盒13的结构示意图。

图中：A-压力室、B-主机、C-稳定气压源、D-温控系统、E-补水装置、F-测试及数据采集系统、1-轴向力；2-荷载传力轴；3-试样帽制冷机；4-隔热材料；5-外压力室；6-内压力室；7-试样帽上盒；8-O形圈；9-试样帽下盒；10-冷冻液循环槽；11-玻璃量管；12-试样；13-试样底座上盒；14-试样底座下盒；15-围压；16-试样底座制冷机；17-外压力室制冷机；18-冷冻液循环孔。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明在常规三轴仪的基础上改装而成，如图1所示，本发明单向冻结冻融循环三轴仪包括压力室A、主机B、稳定气压源C、温控系统D、补水装置E、测试及数据采集系统F。

请进一步参考图2，所述压力室A包括外压力室5和设置在外压力室5内的内压力室6，单向冻结试验过程中，试样放置在内压力室6中。外压力室5的外壁设置隔热材料4。内压力室6的上部设有由试样帽上盒7和试样帽下盒9组成的试样帽，压力室6的底部设置由底座上盒13及底座下盒14组成的底座，试验时试样10置于试样帽和底座之间。压力室上部设有荷载传力轴2，荷载传力轴2穿过压力室上盖作用在试样帽上盒7上。

请一并参考图3，试样帽下盒9和试样帽上盒13的结构相同，图3仅示出试样帽上盒13，试样帽上盒13和试样帽下盒9上分别设有冷冻液循环槽10，冷冻液循环槽10的两端分别与冷冻液循环孔18连通。

主机B提供动力实现试样剪切，其原理及结构与常规三轴仪相同。稳定气压源C通过管路与内压力室6联通，通过压缩空气施加围压，温控系统D中试样帽制冷机3、试样底座制冷机16、外压力室制冷机17分别通过保温管路与试样帽、底座和外压力室5相连，分别提供控制试样顶部温度、底部温度和试验环境温度，其中，试样帽制冷机3和试样底座制冷机16分别通过保温管路与试样帽上盒13和试样帽下盒9的冷冻液循环孔18连通。制冷机(3、16、17)可以实现冷冻液的制冷和泵送，实现冷冻液的循环，制冷机(3、16、17)上分别设置有温度传感器，可以实现温度显示。

所述补水装置E包括玻璃量管11，通过管路与试样底座相连，在冻结过程中可以实现补水，在剪切过程中可以实现排水。具体的，可在与试样底座上设置设有排水(补水)孔，与玻璃量管11相连。测试与数据采集系统F分别与试样帽制冷机3、试样底座制冷机16、外压力室制冷机17上的温度传感器相连，测试与数据采集系统F分还与主机B上的位移传感器、荷载传感器相连。

本实施例中所述试样帽制冷机3、试样底座制冷机16和外压力室制冷机17均为温控制冷机，通过可编程自动化控制可实现三轴试样顶部与底部的温度梯度。

本发明的单向冻结冻融循环三轴仪能够完成如下试验：

1、开放条件下的单向冻结试验；

2、开放条件下的单向冻结冻融循环试验；

3、冻融循环作用下土体三轴强度试验；

4、岩体、混凝土、无机混合料等材料的冻融特性试验。

本发明还提供一种利用上述三轴仪进行单向冻结冻融循环试验的方法，包括如下步骤：

(1)通过荷载传力轴2将压力室打开，与底座分离；

(2)将制备好的试样12置于试样底座上，按照常规三轴试验的操作规程在试样12顶部设置试样帽、耐低温橡胶套和O型圈8，安装压力室；

(3)将温控系统D中的试样帽制冷机3、试样底座制冷机16、外压力室制冷机17分别连接试样帽、试样底座和外压力室。

(4)将补水系统E中的玻璃量管11与试样底座连接。

(5)连接稳定气压源C与内压力室6，启动稳定气压源C施加试验围压；

(6)将所述试样帽制冷机3、试样底座制冷机16和外压力室制冷机17上的温度传感器以及主机B上的位移传感器、荷载传感器与测试与数据采集系统F连接，启动测试与数据采集系统F连接；

(7)开启外压力室制冷机17设置试验环境温度，环境温度到达目标值后开启试样底座制冷机16与试样帽制冷机3分别设置试样底部及顶部温度，开始单向冻结试验，试样底部温度与环境温度相同，且应高于0℃；

(8)冻结过程中记录冻结补水量，当单向冻结完成后开启主机B进行三轴剪切试验；

(9)若需要进行冻融循环试验，在步骤(7)后提高试样帽制冷机3的温度，完成融化试验，反复操作多次后即可完成冻融循环试验，最后进行三轴剪切试验。

Claims (3)

1.一种单向冻结冻融循环三轴仪，其特征在于：包括压力室(A)、主机(B)、稳定气压源(C)、温控系统(D)、补水装置(E)、测试及数据采集系统(F)，压力室(A)包括外压力室(5)和内压力室(6)，内压力室(6)的上部设有由试样帽上盒(7)和试样帽下盒(9)组成的试样帽，压力室(6)的底部设置由底座上盒(13)及底座下盒(14)组成的底座，试验时试样置于试样帽和底座之间；外压力室(5)与压力室(6)之间利用保温管路与温控系统(D)中的外压力室制冷机(17)相连，采用冷冻液提供试验的环境温度；试样帽下盒(9)及底座上盒(13)均设有冷冻液循环槽(10)，并通过管路分别与温控系统(D)中的试样帽制冷机(3)和试样底座制冷机(16)相连，分别控制试样顶部及底部的温度；内压力室(6)通过管路与稳定气压源(C)相连，通过压缩空气施加围压；压力室上部设有荷载传力轴(2)，穿过压力室上盖作用在试样帽上盒(7)；压力室底座通过管路与补水装置E相连；主机(B)提供动力实现试样剪切，试样帽制冷机(3)、试样底座制冷机(16)、外压力室制冷机(17)上分别设有与测试及数据采集系统(F)相连的温度传感器，主机(B)上设置的位移传感器、荷载传感器与测试及数据采集系统(F)相连。

2.如权利要求1所述的单向冻结冻融循环三轴仪，其特征在于：外压力室(5)的外壁设置有隔热材料(4)。

3.一种利用如权利要求1-2中任一所述的三轴仪进行测试单向冻结冻融循环试验的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)通过荷载传力轴(2)将压力室打开，与试样底座分离；

2)将制备好的试样(12)置于试样底座上，在试样(12)顶部设置试样帽、耐低温橡胶套和O型圈(8)，安装压力室；

3)将温控系统D中的试样帽制冷机(3)、试样底座制冷机(16)、外压力室制冷机(17)分别连接试样帽、试样底座和外压力室。

4)将补水系统(E)中的玻璃量管(11)与试样底座连接。

5)连接稳定气压源(C)与内压力室(6)，启动稳定气压源(C)施加试验围压；

6)将所述试样帽制冷机(3)、试样底座制冷机(16)和外压力室制冷机(17)上的温度传感器以及主机(B)上的位移传感器、荷载传感器与测试与数据采集系统(F)连接，启动测试与数据采集系统F连接；

7)开启外压力室制冷机(17)设置试验环境温度，环境温度到达目标值后开启试样底座制冷机(16)与试样帽制冷机(3)分别设置试样底部及顶部温度，开始单向冻结试验，试样底部温度与环境温度相同，且应高于0℃；

8)冻结过程中记录冻结补水量，当单向冻结完成后开启主机(B)进行三轴剪切试验；

9)若需要进行冻融循环试验，在步骤(7)后提高试样帽制冷机(3)的温度，完成融化试验，反复操作多次后即可完成冻融循环试验，最后进行三轴剪切试验。

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