CN103364266A - 一种二维温度梯度冻土试验装置及其使用方法 - Google Patents

一种二维温度梯度冻土试验装置及其使用方法 Download PDF

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本发明公开了一种二维温度梯度冻土试验装置及其使用方法，在凸底板的凸台上由下至上依次安装底部主隔热板、底部主制冷板、试样、顶部主制冷板和顶部主隔热板，所述双层压力室的顶部设有活塞孔，所述的活塞设置在活塞孔中，所述的活塞的底部与顶部主隔热板接触；在所述双压力室的外侧壁上，由下至上依次安装底部辅助隔热板、底部辅助制冷板、导热介质、顶部辅助制冷板和顶部辅助隔热板，所述的导热介质的高度与试样的高度相对应。本发明待试样的温度梯度分布达到试验要求并趋于稳定后，便可实现二维温度梯度冻土的压缩试验、剪切试验和蠕变试验，可更深层次理解温度梯度因子对冻土变形强度影响机制，且操作简单，成本低。

Description

一种二维温度梯度冻土试验装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种具有特定温度梯度边界条件下的冻土试验装置及试验的方法，特别是二维温度梯度边界的冻土试验装置及使用该装置的方法。
背景技术
冻土是温度敏感性材料，掌握温度对冻土变形强度的影响规律对冻土地基上的建/构筑物设计和稳定性评价具有重要的参考价值和科学意义。无论是天然冻土(如东北地区的季节性冻土，青藏高原的多年冻土)还是人工冻土(如华东和蒙陕地区人工冻结的特厚表土和含水软岩)，受地层温度，大气温度，冷媒温度以及暴露时间以及环境条件等因素综合影响，冻土介质所处温度场属于典型的非均匀场(由多个温度梯度组合而成)。温度是影响冻土变形强度的基本因素，但是关于温度梯度对冻土力学性质的影响研究还处于刚刚起步阶段，相应的实验装置及方法亟待建立。常规冻土试验方法可大致分为两类：材料尺度的试块试验和结构尺度的模型试验。均匀温度冻土试块试验属于材料单元试验无法涵盖温度梯度因子这一重要因素，模型试验属于实际冻土工程的室内缩比试验，虽可反映实际的温度梯度因子和时空分布特征，但不能直接观测和提取温度梯度效应的发挥机理和演化规律，因此使得温度梯度因子与其他工程环境变量(荷载性状，土性含水量，温度条件，尺度效应等)对冻土工程稳定性的耦合作用机理研究迟迟未能有突破和进展。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种二维温度梯度冻土试验装置及其使用方法，可以实现二维温度梯度冻土试验，操作简单，成本低。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种二维温度梯度冻土试验装置，包括凸底座、双层压力室、活塞、底部主隔热板、底部主制冷板、顶部主制冷板、顶部主隔热板、底部辅助隔热板、底部辅助制冷板、导热介质、顶部辅助制冷板和顶部辅助隔热板；在凸底板的凸台上由下至上依次安装底部主隔热板、底部主制冷板、试样、顶部主制冷板和顶部主隔热板，所述双层压力室的顶部设有活塞孔，所述的活塞设置在活塞孔中，所述的活塞的底部与顶部主隔热板接触；在所述双压力室的外侧壁上，由下至上依次安装底部辅助隔热板、底部辅助制冷板、导热介质、顶部辅助制冷板和顶部辅助隔热板，所述的导热介质的高度与试样的高度相对应。
本发明通过调节顶部主制冷板和底部主制冷板制冷之间的温度，实现试样的垂直温度梯度，通过调节顶部辅助制冷板和底部辅助制冷板之间的温度，实现导热介质垂直温度梯度与试样垂直温度梯度相同，然后再调节顶部辅助制冷板和底部辅助制冷板的温度，控制导热介质的平均温度，实现试样径向温度梯度。
更进一步的，所述双层压力室的外侧套设有安装套，所述底部辅助隔热板、底部辅助制冷板、导热介质、顶部辅助制冷板和顶部辅助隔热板由下至上位于双层压力室外侧壁和安装套内侧壁形成的空腔内。
更进一步的，所述的各制冷板均通过制冷剂循环通道与制冷设备连接，实现试样的二维温度梯度。
更进一步的，所述的凸底座内部设有压力控制通道，所述的双层压力室通过压力控制通道连通围压加载装置，为试样提供围压，实现试样的三轴试验。
更进一步的，所述的活塞、顶部主隔热板、顶部主制冷板、试样、底部主制冷板和底部主隔热板的直径相同；所述的底部辅助隔热板、底部辅助制冷板、顶部辅助制冷板和顶部辅助隔热板的内径和外径的尺寸相同，且内径和外径的尺寸差的一半均为试样直径的0.8～1.0倍。
使用所述的二维温度梯度冻土试验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在凸底座的凸台上从下至上依次安装底部主隔热板、底部主制冷板、试样、顶部主制冷板、顶部主隔热板和活塞；
b、将双层压力室固定安装在凸底座上，活塞的顶部穿出活塞孔，通过压力控制通道向双层压力室中充入传压介质；
c、在双压力室的外侧壁上，由下至上依次安装有底部辅助隔热板、底部辅助制冷板、导热介质、顶部辅助制冷板和顶部辅助隔热板，调整导热介质的高度与试样的高度相对应；
d、改变顶部主制冷板和底部主制冷板的冷媒的温度，调节试样的垂直温度梯度，通过冷媒调节顶部辅助制冷板和底部辅助制冷板的温度，实现导热介质垂直温度梯度与试样垂直温度梯度相同，在此基础上，再调节导热介质的平均温度，实现试样的径向温度梯度；
e、通过活塞向下挤压，固定试样，待试样的温度梯度分布达到试验要求并趋于稳定后，则可开始进行冻土试验。
有益效果：本发明装置可进行一维温度梯度（垂直或者水平）冻土试验，也可以进行二维温度梯度冻土试验。本发明装置可装载在结构实验系统（GDS）或非饱和土实验系统（MTS），对符合温度要求的试样进行压缩试验、剪切试验和蠕变试验。通过本发明装置，可以方便实现一维、二维温度梯度冻土的试验，可以更深层次理解温度梯度因子对冻土变形强度影响机制，操作简单，成本低。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1所示，一种二维温度梯度冻土试验装置，包括凸底座3、双层压力室1、活塞2、底部主隔热板6、底部主制冷板4、顶部主制冷板14、顶部主隔热板16、底部辅助隔热板13、底部辅助制冷板5、导热介质10、顶部辅助制冷板15和顶部辅助隔热板12。
在凸底板3的凸台上由下至上依次安装底部主隔热板6、底部主制冷板4、试样9、顶部主制冷板14和顶部主隔热板16，所述的活塞2、顶部主隔热板16、顶部主制冷板14、试样9、底部主制冷板4和底部主隔热板6的直径相同。所述双层压力室1的顶部设有活塞孔，所述的活塞2设置在活塞孔中，所述的活塞20的底部与顶部主隔热板16接触。
在所述双压力室1的外侧壁上，由下至上依次安装底部辅助隔热板13、底部辅助制冷板5、导热介质10、顶部辅助制冷板15和顶部辅助隔热板12，所述的导热介质10的高度与试样9的高度相对应。所述的底部辅助隔热板13、底部辅助制冷板5、顶部辅助制冷板15和顶部辅助隔热板12的内径和外径的尺寸相同，且内径和外径的尺寸差的一半均为试样9直径的0.8～1.0倍。所述双层压力室1的外侧套设有安装套，所述底部辅助隔热板13、底部辅助制冷板5、导热介质10、顶部辅助制冷板15和顶部辅助隔热板12由下至上位于双层压力室1外侧壁和安装套内侧壁形成的空腔内。所述的导热介质10为无水乙醇，工业酒精，CaCl2盐水，NaCl盐水等。
所述的凸底座3内部设有压力控制通道8，所述的双层压力室1通过压力控制通道8连通围压加载装置，通过压力控制通道8可向双层压力室1中充入传压介质，为试样9提供围压，实现试样9的三轴试验，所述的传压介质包括空气，氧气，二氧化碳，氮气等。
使用所述的二维温度梯度冻土试验装置的方法，包括以下步骤：
a、在凸底座3的凸台上从下至上依次安装底部主隔热板6、底部主制冷板4、试样9、顶部主制冷板14、顶部主隔热板16和活塞2；
b、将双层压力室1固定安装在凸底座3上，活塞2的顶部穿出活塞孔，通过压力控制通道8向双层压力室1中充入传压介质；
c、在双压力室1的外侧壁上，由下至上依次安装有底部辅助隔热板13、底部辅助制冷板5、导热介质10、顶部辅助制冷板15和顶部辅助隔热板12，调整导热介质10的高度与试样9的高度相对应；
d、改变顶部主制冷板14和底部主制冷板4的冷媒的温度，调节试样9的垂直温度梯度，通过冷媒调节顶部辅助制冷板15和底部辅助制冷板5的温度，实现导热介质10垂直温度梯度与试样9垂直温度梯度相同，在此基础上，再调节导热介质10的平均温度，实现试样9的径向温度梯度；
e、通过活塞2向下挤压，固定试样9，待试样9的温度梯度分布达到试验要求并趋于稳定后，则可进行冻土试验。
所述的各制冷板通过制冷剂循环通道7与制冷设备连接，冷媒通过制冷剂循环通道7传输到各制冷板中，通过顶部主制冷板14和底部主制冷板制4的温度差实现试样9的垂直温度梯度；通过调节顶部辅助制冷板15和底部辅助制冷板5的温度实现导热介质10垂直温度梯度与试样9的垂直温度梯度相同，在此基础上，再调节顶部辅助制冷板15和底部辅助制冷板5，调节导热介质10的平均温度，实现试样9的径向温度梯度。本发明装置可进行一维温度梯度（垂直或者水平）冻土试验，也可以进行二维温度梯度冻土试验（垂直或者水平）。
本发明装置可装载在结构实验系统（GDS）或非饱和土实验系统（MTS）对符合温度要求的试样进行压缩试验、剪切试验和蠕变试验，也可以通过常规三轴试验系统中进行。通过本发明装置，可以方便实现一维、二维温度梯度冻土的试验，可以更深层次理解温度梯度因子对冻土变形强度影响机制，操作简单，成本低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种二维温度梯度冻土试验装置，其特征在于：包括凸底座（3）、双层压力室（1）、活塞（2）、底部主隔热板（6）、底部主制冷板（4）、顶部主制冷板（14）、顶部主隔热板（16）、底部辅助隔热板（13）、底部辅助制冷板（5）、导热介质（10）、顶部辅助制冷板（15）和顶部辅助隔热板（12）；
在凸底板（3）的凸台上由下至上依次安装底部主隔热板（6）、底部主制冷板（4）、试样（9）、顶部主制冷板（14）和顶部主隔热板（16），所述双层压力室（1）的顶部设有活塞孔，所述的活塞（2）设置在活塞孔中，所述的活塞（20）的底部与顶部主隔热板（16）接触；
在所述双压力室（1）的外侧壁上，由下至上依次安装底部辅助隔热板（13）、底部辅助制冷板（5）、导热介质（10）、顶部辅助制冷板（15）和顶部辅助隔热板（12），所述的导热介质（10）的高度与试样（9）的高度相对应。
2.根据权利要求1所述的一种二维温度梯度冻土试验装置，其特征在于：所述双层压力室（1）的外侧套设有安装套，所述底部辅助隔热板（13）、底部辅助制冷板（5）、导热介质（10）、顶部辅助制冷板（15）和顶部辅助隔热板（12）由下至上位于双层压力室（1）外侧壁和安装套内侧壁形成的空腔内。
3.根据权利要求1所述的一种二维温度梯度冻土试验装置，其特征在于：所述的各制冷板均通过制冷剂循环通道（7）与制冷设备连接。
4.根据权利要求1所述的一种二维温度梯度冻土试验装置，其特征在于：所述的凸底座（3）内部设有压力控制通道（8），所述的双层压力室（1）通过压力控制通道（8）连通围压加载装置。
5.根据权利要求1所述的一种二维温度梯度冻土试验装置，其特征在于：所述的活塞（2）、顶部主隔热板（16）、顶部主制冷板（14）、试样（9）、底部主制冷板（4）和底部主隔热板（6）的直径相同。
6.根据权利要求1所述的一种二维温度梯度冻土试验装置，其特征在于：所述的底部辅助隔热板（13）、底部辅助制冷板（5）、顶部辅助制冷板（15）和顶部辅助隔热板（12）的内径和外径的尺寸相同，且内径和外径的尺寸差的一半均为试样（9）直径的0.8～1.0倍。
7.使用权利要求1所述的二维温度梯度冻土试验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在凸底座（3）的凸台上从下至上依次安装底部主隔热板（6）、底部主制冷板（4）、试样（9）、顶部主制冷板（14）、顶部主隔热板（16）和活塞（2）；
b、将双层压力室（1）固定安装在凸底座（3）上，活塞（2）的顶部穿出活塞孔，通过压力控制通道（8）向双层压力室（1）中充入传压介质；
c、在双压力室（1）的外侧壁上，由下至上依次安装有底部辅助隔热板（13）、底部辅助制冷板（5）、导热介质（10）、顶部辅助制冷板（15）和顶部辅助隔热板（12），调整导热介质（10）的高度与试样（9）的高度相对应；
d、改变顶部主制冷板（14）和底部主制冷板（4）的冷媒的温度，调节试样（9）的垂直温度梯度，通过冷媒调节顶部辅助制冷板（15）和底部辅助制冷板（5）的温度，实现导热介质（10）垂直温度梯度与试样（9）垂直温度梯度相同，在此基础上，再调节导热介质(10)的平均温度，实现试样(9)的径向温度梯度；
e、通过活塞（2）向下挤压，固定试样（9），待试样(9)的温度梯度分布达到试验要求并趋于稳定后，则可开始进行冻土试验。
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Inventor after: Zhao Xiaodong

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Inventor before: Zhao Xiaodong

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