CN104596852A - 一种岩土体温控动力特性试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩土体温控动力特性试验系统和方法，特点是包括动三轴压力室和温度控制装置，动三轴压力室包括压力室筒体、活塞杆和上传力杆，上传力杆的下端与活塞杆上端之间放置有试样，还包括压力传感器，轴向位移传感器，变形传感器，围压传感器，侧向位移传感器，孔压传感器，温度控制装置包括温度传感器、温度控制器和对称包覆在压力室筒体外壁的弧形板式加热器，温控动力特性试验方法主要包括：试样安装，温度控制装置设置，试样排水固结，施加动/静应力，完成温控动/静三轴试验，以测定不同温度下岩土体的塑性累积应变、动阻尼比、动弹性模量等指标，优点是试样加热温度均匀、加热时间短且费用低，能够对压力室内的温度进行精确控制。

Description

一种岩土体温控动力特性试验系统及试验方法

技术领域

本发明属于土工试验技术领域，尤其是涉及一种岩土体温控动力特性试验系统及试验方法。

背景技术

在铁路、公路、港口和城市轨道交通等工程建设过程中的地震力、波浪力、爆炸力、打桩振动、动力基础作用力及交通荷载等都属于动荷载范畴，其对地基土的强度和变形特性影响较大，开展土的动力特性试验以获得各项动力特性参数十分必要。土的动力特性试验目的包括两方面：一是确定土的动强度，用以分析在大变形条件下地基和结构物的稳定性，特别是砂土的振动液化；二是确定土的剪切模量和阻尼比，用以计算在小变形条件下土体在一定范围内所引起的位移、速度、加速度或应力随时间的变化。土体动力特性技术，直接影响着土动力特性研究和土体动力分析计算的发展，起着正确揭示土的动力特性规律和完善分析计算理论的重要作用，是土动力学发展的基础。在土的动力特性试验中，动三轴试验仪是有效确定土的动强度和变形最常用的设备。50年代末，国内黄文熙教授最早提出用振动三轴仪测试砂土液化的方法，60年代国外用周期加荷三轴仪研究砂土液化及其他动力特性，得到了很大的发展。除了动三轴试验外，还有振动单剪试验、共振柱试验、振动扭剪试验等也可以在室内测定土的动力特性指标。

近年来，在核废料处理、地热开采、热管线埋设和公共交通系统等诸多工程建设领域以及城市热岛效应和广大范围的季节性冰冻区域中，温度对土体力学性质的影响受到越来越多的关注，开展不同温度荷载下土的动/静力特性试验研究显得尤为重要。目前，国内外已有温控土工试验装置的研制主要基于固结仪或静三轴仪，并通过开展应用试验，取得了大量热固结、变形及强度等方面的成果。由于常规动三轴试验仪、振动单剪试验仪、共振柱试验仪、振动扭剪试验仪等动力特性试验装置只能在室温下进行土体的 动力特性试验，且国内外已有的温控试验装置主要针对固结及静力三轴试验，其对室内试样进行加热的方式主要有3种：

(1)将压力室置于温控设施内模式，通过温控设备使仪器置于一个高温环境，实现试验要求的温度。尽管该类装置省去了仪器的研制过程，但建立温控实验室费用较高，试验环境较差，对仪器各元件耐高温要求高。

(2)压力室内加热模式，采用加热线圈、加热管、加热棒、加热板对流体加热，该加热方式直接对流体加热，可以较好达到试验温度要求，但在高围压下不易对压力室的液体均匀加热，进而使试样温度不均匀。

(3)压力室外加热模式，在压力室外缠绕线圈，通过加热线圈对压力室内的流体加热，由于需要通过外罩传热使压力室内液体的温度升高，会使得试样要达到试验温度要求的时间较长。

由于在不同温度作用下岩土体的工程性质会发生变化，加热可致试样内孔隙水粘滞性减小，渗透系数增大，并可诱致孔隙水和土颗粒的热膨胀而使土样有体积增大的趋势，在同一振动次数下，岩土体的累积塑性应变、动阻尼比、动弹性模量等均要发生变化，在试验过程中需要考虑温度的影响，而常规的动三轴仪无法实现这一功能，为此，提出一种基于内、外联合加热模式的岩土体温控动力特性试验系统和方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种试样加热温度均匀、加热时间短且费用低，可实现分段、分级、线性升温及降温，并能够对压力室内的温度进行精确控制，并可以实现试验过程温度变化控制的岩土体温控动力特性试验系统及试验方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种岩土体温控动力特性试验系统，包括动三轴压力室和温度控制装置，所述的动三轴压力室包括压力室筒体，所述的压力室筒体的上端开口密封设置有压力室上盖，所述的压力室筒体的底部设置有底盘，所述的压力室筒体内的底部中央纵向设置有活塞杆，所述的压力室筒体内位于所述的活塞杆的上方纵向设置有上传力杆，所述的上传力杆的下端与所述的活塞杆上端之间放置有试样，所述的底盘的底部设置有加载架承台，所述的压力室上盖的正上方设置有加载架横梁，所述的加载架承台与所述的加载架横梁通过若干个加载架支杆一体连接，各个 所述的加载架支杆对称设置在所述的压力室筒体的外周，所述的上传力杆穿过所述的压力室上盖与所述的加载架横梁的下表面抵接，所述的压力室上盖上连接有提升装置，所述的活塞杆依次穿过所述的底盘和所述的加载架承台且其底部连接有轴向激振器，所述的加载架支杆上连接有侧向激振器，所述的轴向激振器和所述的侧向激振器分别连接液压油源，所述的上传力杆的上端与所述的加载架横梁的下表面之间设置有压力传感器，所述的轴向激振器上设置有轴向位移传感器和变形传感器，所述的底盘上设置有围压传感器，所述的侧向激振器上设置有侧向位移传感器，所述的试样的上端面上设置有上排水管，所述的试样的下端面上设置有下排水管，所述的下排水管上设置有孔压传感器；

所述的温度控制装置包括温度传感器、温度控制器和对称包覆在所述的压力室筒体外壁的弧形板式加热器，所述的温度传感器一端穿过所述的压力室上盖进入所述的压力室筒体内且其另一端通过导线与所述的温度控制器连接，所述的弧形板式加热器通过导线与所述的温度控制器连接。

所述的上传力杆的下端面与所述的试样的上端面之间以及所述的试样的下端面与所述的活塞杆的上端面之间分别设置有试样帽，所述的试样帽与所述的试样之间设置有透水石，压力室上盖上设置有排水孔，所述的底盘上设置有压力室进水管、压力室出水管和用于控制所述的活塞杆和提升装置上下运动的手动控制阀。

两片所述的弧形板式加热器通过四个扣件扣紧连接，所述的弧形板式加热器由内到外依次设置有加热板、隔热石棉和不锈钢围板，所述的加热板紧贴在所述的压力室筒体的外壁且所述的加热板通过导线与所述的温度控制器连接。

所述的压力室上盖的上表面以及所述的上传力杆位于所述的压力室筒体外部的外壁上包覆有橡胶材料。

所述的提升装置包括提升框、气缸、气泵连接线和气泵，所述的提升框的下端与所述的压力室上盖固定连接且其上端穿过所述的加载架横梁，所述的气缸设置在所述的加载架横梁的上表面，所述的气缸通过所述的气泵连接线与所述的气泵连接。

所述的试样的外周套设有乳胶膜，所述的压力室上盖、所述的压力室筒体、所述的底盘、所述的活塞杆、所述的上传力杆和所述的试样帽均为钢质材料。

一种岩土体温控动力特性试验系统的试验方法，包括以下步骤：

(1)试样安装

将土体试样进行水头饱和、真空抽气饱和或反压饱和后，将试样侧面贴上6-7条滤 纸条，两端面依次贴上滤纸片和透水石，整个试样外套乳胶膜，再将试样安放在压力室筒体内的活塞杆上，通过计算机软件控制活塞杆缓慢上升至试样上端与上传力杆下端的试样帽接触时停止，用橡皮圈将乳胶膜分别扎紧在试样两端的试样帽上；将压力室上盖密封连接到压力室筒体上，用手动控制阀控制提升框使压力室上盖和压力室筒体缓缓下降直至压力室筒体与底盘完全接触后停止，拧紧压力室筒体与底盘螺丝，即完成试样安装；

(2)温度控制装置安装

将两半弧形板式加热器安装到压力室筒体外壁，扣紧扣件，将弧形板式加热器通过导线连接到温度控制器上；将温度传感器固定在压力室上盖上并伸入压力室筒体内，再将温度传感器通过导线连接到温度控制器上，然后在压力室上盖和上传力杆表面覆盖橡胶材料，完成温度控制装置安装；当温度控制器上显示的由温度传感器测定的压力室筒体的室内液体温度与压力室筒体的外壁温度相等时，弧形板式加热器维持恒定温度工作；

(3)温控动三轴试验

将孔压传感器设置于压力室筒体内试样的下排水管上，压力传感器设置于上传力杆上端，轴向位移传感器和变形传感器设置于轴向激振器上，围压传感器设置于底盘上，侧向位移传感器设置于侧向激振器上，将试样排水固结，待固结度和目标温度均达到要求后，在软件上选择动力试验，根据具体要求设定波形、频率、动力幅值的参数进行振动；在计算机软件上可获得待测试样在不同温度、动应力、频率、振动波形和振动次数下的孔压、温度、压力、轴向位移、变形、围压及侧向位移7项参数，并对它们自动进行存档，再对所得到的数据进行一定的力学换算，即可获得试样的动阻尼比、动弹性模量、累积塑性应变和动孔压的动力参数。

所述的波形为正弦波、方波、锯齿波或随机波，所述的频率为0-10Hz、所述的动力幅值为0-3MPa。

所述的上传力杆的下端面与所述的试样的上端面之间以及所述的试样的下端面与所述的活塞杆的上端面之间分别设置有试样帽，所述的试样帽与所述的试样之间设置有透水石，压力室上盖上设置有排水孔，所述的底盘上设置有压力室进水管和压力室出水管，所述的压力室上盖的上表面以及所述的上传力杆位于所述的压力室筒体外部的外壁上包覆有橡胶材料，所述的试样的外周套设有乳胶膜，所述的压力室上盖、所述的压力 室筒体、所述的底盘、所述的活塞杆、所述的上传力杆和所述的试样帽均为钢质材料。

两片所述的弧形板式加热器通过四个扣件扣紧连接，所述的弧形板式加热器由内到外依次设置有加热板、隔热石棉和不锈钢围板，所述的加热板紧贴在所述的压力室筒体的外壁且所述的加热板通过导线与所述的温度控制器连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开了一种岩土体温控动力特性试验装置和试验方法，主要用于测试不同温度下软黏土、黏土、砂性土及软岩等岩土体的动力特性指标，其孔压传感器、温度传感器、压力传感器、轴向位移传感器、变形传感器、围压传感器和侧向位移传感器分别测量待测试样的孔压、温度、压力、轴向位移、变形、围压及侧向位移这7项参数，其中温度传感器可实时测量压力室筒体内的温度，即试验各阶段(排水固结阶段和振动阶段)的温度。通过测控装置将各参数进行解译，在计算机软件上可获得待测试样在不同温度、动应力、频率、振动波形和振动次数下的试验数据(轴向位移、力、应力、变形、侧向位移、围压和孔压)，再对所得到的数据进行一定的力学换算，即可获得试样的各项动力参数(动阻尼比、动弹性模量、累积塑性应变和动孔压)，其优点如下：

(1)一种岩土体温控动力特性试验方法可以实现温控动三轴试验、温控静三轴试验，温控应力路径三轴试验等；

(2)考虑到温控钢压力室自重大，采用气缸提升系统手动操作，可根据试验需要快速或慢速升降，十分方便，使得本试验方法适宜性更好；

(3)本试验方法中温控系统可与主机完全分离，弧形板式加热器由两半组成，易于装卸，在不需要进行温控时，可卸除温控系统；

(4)本试验方法中，温度控制器具有程序运行功能，可实现分段、分级、线性升温及降温，并能够对压力室内的温度进行精确控制；

(5)本试验方法采用由压力室筒体外加热和上传力杆及活塞杆内加热相结合的加热模式，有效保证了试样温度的均匀性，并且加热板外设置有隔热石棉，压力室上盖和上传力杆表面覆盖有隔热橡胶，可有效防止热量的散失。

附图说明

图1为本发明岩土体温控动力特性试验装置的结构示意图；

图2为本发明岩土体温控动力特性试验的原理图；

1-排水孔；2-压力室上盖；3-压力室筒体；4-加热板；5-隔热石棉；6-不锈钢围板；7-上下试样帽；8-活塞杆；9-底盘；10-上排水管；11-压力室进水管；12-加载架承台；13-手动控制阀；14-压力室出水管；15-下排水管；16-孔压传感器；17-试样；18-透水石；19-乳胶膜；20-上传力杆；21-温度传感器；22-橡胶材料；23-加载架支杆；24-压力传感器；25-加载架横梁；26-提升框；27-气缸；28-气泵连接线；29-温度控制器；30-轴向激振器；31-轴向位移传感器；32-变形传感器；；33-围压传感器；34-侧向位移传感器；35-侧向激振器；36-液压油源；37-气泵；

图3为动三轴实验中典型的动应力-动应变滞回曲线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

一种岩土体温控动力特性试验系统，如图1和图2所示，包括动三轴压力室和温度控制装置，该动三轴压力室包括压力室筒体3，压力室筒体3的上端开口密封设置有压力室上盖2，压力室筒体3的底部设置有底盘9，压力室筒体3内的底部中央纵向设置有活塞杆8，压力室筒体3内位于活塞杆8的上方纵向设置有上传力杆20，上传力杆20的下端与活塞杆8上端之间放置有试样17，底盘9的底部设置有加载架承台12，压力室上盖2的正上方设置有加载架横梁25，加载架承台12与加载架横梁25通过若干个加载架支杆23(2-6个)一体连接，各个加载架支杆23对称设置在压力室筒体3的外周，上传力杆20穿过压力室上盖2与加载架横梁25的下表面抵接，压力室上盖2上连接有用于提升压力室上盖2的提升装置，活塞杆8依次穿过底盘9和加载架承台12且其底部连接有轴向激振器30，加载架支杆23上连接有侧向激振器35，轴向激振器30和侧向激振器35分别连接液压油源36，上传力杆20的上端与加载架横梁25的下表面之间设置有压力传感器24，轴向激振器30上设置有轴向位移传感器31和变形传感器32，底盘9上设置有围压传感器33，侧向激振器35上设置有侧向位移传感器34，试样17的上端面上设置有上排水管10，试样17的下端面上设置有下排水管15，下排水管15上设置有孔压传感器16；

该温度控制装置包括温度传感器21、温度控制器29和对称包覆在压力室筒体3外壁 的弧形板式加热器，温度传感器21一端穿过压力室上盖2进入压力室筒体3内且其另一端通过导线与温度控制器29连接，弧形板式加热器通过导线与温度控制器29连接。

在此具体实施例中，上传力杆20的下端面与试样17的上端面之间以及试样17的下端面与活塞杆8的上端面之间分别设置有试样帽7，试样帽7与试样17之间设置有透水石18，压力室上盖2上设置有排水孔1，底盘9上设置有压力室进水管11、压力室出水管14和用于控制活塞杆和提升装置上下运动的手动控制阀13。

在此具体实施例中，两片弧形板式加热器通过四个扣件扣紧连接，弧形板式加热器由内到外依次设置有加热板4、隔热石棉5和不锈钢围板6，加热板4紧贴在压力室筒体3的外壁且加热板4通过导线与温度控制器29连接。压力室上盖2的上表面以及上传力杆20位于压力室筒体3外部的外壁上包覆有橡胶材料22。弧形板式加热器中的隔热石棉5可以将加热板4与空气隔绝，有效防止温度散失，同时压力室上盖2和上传力杆20采用橡胶材料22进行隔热，减小热量从上部散失。

在此具体实施例中，提升装置包括提升框26、气缸27、气泵连接线28和气泵37，提升框26的下端与压力室上盖2固定连接且其上端穿过加载架横梁25，气缸27设置在加载架横梁25的上表面，气缸27通过气泵连接线28与所述的气泵37连接。试样17的外周套设有乳胶膜19，压力室上盖2、压力室筒体3、底盘9、活塞杆8、上传力杆20和试样帽7均为钢质材料。试样17直径可以为39.1mm和50mm。

上述加热装置的两片弧形板式加热器由四个扣件扣紧，并紧贴压力室筒体3外壁，再通过导线连接到温度控制器29上，实现对压力室筒体3加热，再由压力室筒体3对室内流体加热，为外加热。在对压力室筒体3加热时，可将热传递到压力室上盖2、底盘9、活塞杆8、上传力杆20、上下试样帽7、室内水、透水石18及试样17，一方面上传力杆20和试样帽7对室内流体内加热，另一方面还可直接对试样17两端面直接加热，从而实现内、外联合的加热模式。温度控制器29具有程序运行功能，可实现分段、分级、线性升温及降温，同时可实时反映压力室筒体3外壁温度，并进行精确控制。温度传感器21由导线与温度控制器29连接，可实时监测室内流体温度。当温度控制器29上显示由温度传感器21测定的室内液体温度与压力室筒体3外壁温度相等时，表明达到试验目标温度，随后弧形板式加热器可自行调节维持恒定温度，可适用于用于动/静三轴仪上实现不同温度条件下岩土体的动/静力试验的温度控制作用。

为满足不同温度荷载的试验要求，提高测量精度，对压力传感器、孔压传感器、围 压传感器、轴向位移传感器、侧向位移传感器和变形传感器进行了温度补偿，补偿温度为100℃。

上述岩土体温控动力特性试验系统的技术参数如下所示：

(1)轴向最大负荷20kN；控制精度±1％

(2)变形传感器与位移传感器精度±1％

(3)围压施加范围0-3MPa±2％

(4)孔压范围3MPa±2％，1MPa±2％

(5)轴向激振器行程±40mm

(6)轴向激振器频率0-10Hz±2％

(7)侧向激振器频率0-10Hz±2％

(8)温度范围：R.T+10～100℃

(9)温度波动度：±1℃

(10)加热装置：弧形电加热器

(11)安装功率：3KW。

实施例二

一种岩土体温控动力特性试验方法，主要用于量测土样在不同温度下岩土体的动力参数，包括孔压传感器16、温度传感器21、压力传感器24、轴向位移传感器31、变形传感器32、围压传感器33和侧向位移传感器34，其试验系统具体结构如上述实施例1所述以及如图1和图2所示，方法具体步骤如下：

(1)试样安装

将土体试样17进行水头饱和、真空抽气饱和或反压饱和后，将试样17侧面贴上6-7条滤纸条，两端面依次贴上滤纸片和透水石20，整个试样17外套乳胶膜19，再将试样17安放在压力室筒体3内的活塞杆8上，通过底盘9上的手动控制阀13控制活塞杆8缓慢上升至试样17上端与上传力杆20下端的试样帽7接触时停止，用橡皮圈将乳胶膜19分别扎紧在试样17两端的试样帽7上；将压力室上盖2密封连接到压力室筒体3上，用手动控制阀13控制提升框26使压力室上盖2和压力室筒体3缓缓下降直至压力室筒体3与底盘9完全接触后停止，拧紧压力室筒体3与底盘9螺丝，即完成试样17安装；

(2)温度控制装置安装

将两半弧形板式加热器安装到压力室筒体3外壁，扣紧扣件，将弧形板式加热器通过导线连接到温度控制器29上，将温度传感器21固定在压力室上盖2上并伸入压力室筒体3内，再将温度传感器21通过导线连接到温度控制器29上，然后在压力室上盖2和上传力杆20表面覆盖橡胶材料20，完成温度控制装置安装；当温度控制器29上显示的由温度传感器21测定的压力室筒体3的室内液体温度与压力室筒体3外壁温度相等时，弧形板式加热器维持恒定温度工作；

(3)温控动三轴试验

将孔压传感器16设置于压力室筒体3内试样17的下排水管15上，压力传感器24设置于上传力杆20上端，轴向位移传感器31和变形传感器32设置于轴向激振器30上，围压传感器24设置于底盘9上，侧向位移传感器34设置于侧向激振器35上，将试样17排水固结，待固结度和目标温度均达到要求后，在软件上选择动力试验，根据具体要求设定波形(正弦波、方波、锯齿波、随机波)、频率(0-10Hz)、动力幅值(0-3MPa)参数进行振动；在计算机软件上可获得待测试样在不同温度、动应力、频率、振动波形和振动次数下的孔压、温度、压力、轴向位移、变形、围压及侧向位移7项参数，并对它们自动进行存档，再对所得到的数据进行一定的力学换算，即可获得试样17的动阻尼比、动弹性模量、累积塑性应变和动孔压的动力参数。

孔压、温度、压力、轴向位移、变形、围压及侧向位移7项参数，并对它们自动进行存档，再对所得到的数据进行一定的力学换算，即可获得试样17的动阻尼比、动弹性模量、累积塑性应变和动孔压的动力参数。力学换算公式如下：

在动三轴试验中，把每一振动周期的轴向动应力σ_d值和轴向动应变ε_d值对应地描绘到σ_d-ε_d坐标上，即可得到如下所示的动应力‐动应变滞回曲线。

根据土动力学的定义，动弹性模量E_d定义为动应力‐动应变滞回曲线的斜率，其计算公式如下： $E_d=\frac{{\mathrm{\σ}}_{1d}+{\mathrm{\σ}}_{2d}}{{\mathrm{\ϵ}}_{1d}+{\mathrm{\ϵ}}_{2d}}$

式中：σ_1d、σ_2d分别为正负最大动应力；ε_1d、ε_2d分别为正负最大动应变。

土的阻尼比是土动力特性的另一重要指标。它反映了土在循环荷载作用下，动应力动应变关系的滞后性特点，是由于土体在周期动荷载作用下一次循环消耗的能量与该循环中最大动应变对应的势能之比，其计算公式见下式：

式中：Δ为图3中滞回曲线AECDA的面积；A_T为图3中直角三角形ABC的面积。

ε为第N次振动时的累积塑性应变，也就是平均应变，其计算公式见下式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{d\max }+{\mathrm{\ϵ}}_{d\min }}{2}$

式中：ε_dmax、ε_dmin分别为第N次振动时的最大应变和最小应变。

U为第N次振动时的动孔压，也就是平均孔压，其计算公式见下式：

$U=\frac{U_{d\max }+U_{d\min }}{2}-U_0$

式中：U_dmax、U_dmin分别为第N次振动时的最大孔压和最小孔压，U₀为开始振动时的初始孔压。

待完成试验后，关闭温度控制器29开关，卸除弧形板式加热器，并将压力室筒体3内的水排出，然后提升压力室上盖2和压力室筒体3，将试样17拆除并观察试样的外形，依次关闭油源压力，试验程序以及控制箱电源，然后清理压力室内残留的水渍。

上述温度控制器29的使用方法如下：开启温度控制器29电源开关，根据试验方案设定的目标温度(10～100℃)，调整加热频率，设置初始温度、恒定温度、终止温度及加热时间，同时可进行分阶段、分级、线性升温及降温，例如室温25℃，则可设置初始温度为25℃，若目标温度为55℃，则可设置恒定温度为55℃，终止温度为25℃，调整加热频率为5℃/h，加热时长6h，恒温时长4～6h后再开始振动试验。设置完成后，按加热开关即开始加温，加热过程中禁止调节频率按钮。在试验中，可采用两种试验加热方案：其一是同时进行固结加热升温，其二是先固结完成，再进行加热升温，两种方案结果可能有一定的差别，可根据不同的试验目的选择。

在此具体实施例中，上传力杆20的下端面与试样17的上端面之间以及试样17的下端面与活塞杆8的上端面之间分别设置有试样帽7，试样帽7与试样17之间设置有透水石18，压力室上盖2上设置有排水孔1，底盘9上设置有压力室进水管11和压力室出水管14用于控制活塞杆和提升框上下运动的手动控制阀13，两片弧形板式加热器通过四个扣件扣紧连接，弧形板式加热器由内到外依次设置有加热板4、隔热石棉5和不锈钢围板6，加热板4紧贴在压力室筒体3的外壁且加热板4通过导线与温度控制器29连接。压力室上盖2的上表面以及上传力杆20位于压力室筒体3外部的外壁上包覆有橡胶材料22。弧形板式加热器中的隔热石棉5可以将加热板4与空气隔绝，有效防止温 度散失，同时压力室上盖2和上传力杆20采用橡胶材料22进行隔热，减小热量从上部散失。

本发明可实现温控静三轴试验、温控动三轴试验、温控应力路径三轴试验，克服了将三轴压力室置于温控设施内而造成温控实验室费用较高，试验环境较差，对仪器各元件耐高温要求高的不足，以及内加热和外加热模式导致试样加热温度不均、加热时间长等的不足，本发明是一种操作简单，不受环境条件限制，可有效保证试样加热和试验质量的土工试验方法。

实施例三

利用实施例1的温控动三轴试验系统，选择宁波镇海区庄市某工程②₂层淤泥质粉质粘土进行等向固结不排水动三轴试验。土样基本物理力学指标和试验方案分别如表1和表2所示。

表1 土体试样基本物理力学指标

表2 试验方案

围压/kPa	100
		轴压/kPa	100
静偏应力/kPa	30
		动应力/kPa	30
频率/Hz	1
		振动波形	正弦波
振动次数/N	500
		温度/℃	22(室温)、45、60

按《土工试验规程》规定的办法制备，试样直径39.1mm，高80mm，经真空抽气加水饱和，使其饱和度Sr>95％。在特定温度(设定22℃、45℃、60℃)下，施加100kPa围压，待孔压稳定后记下孔压值及体变管水面刻度，并打开排水阀使试样各向等压固结，同时调节温度控制器29对试样17进行加热。固结完成(固结度达到95％)以及温度达到目标温度后，关闭排水阀门，记下体变管水面刻度，在不排水条件下施加相应的静偏应力，再切换至振动界面进行振动。此外，本试验结合宁波软土的工程特点，选择以轴向 累积塑性应变达到5％作为破坏标准，达到破坏标准即停止振动。试验可得到不同温度作用下试样的动阻尼比、动弹性模量、累积塑性应变及动孔压，试验结果如下表3-5所示。

表3 室温(22℃)下的试验数据

表4 45℃下的试验数据

表5 60℃下的试验数据

实施例四

利用实施例1的岩土体温控动力特性试验系统，选择宁波市江北区人民路绿地中心工程①₁层粘土进行等向固结排水动三轴试验。土样基本物理力学指标、试验方案和试验结果分别如表6-10所示。

表6 土样基本物理力学指标

表7 试验方案

表8 室温(25℃)下的试验数据

表9 40℃下的试验数据

表10 70℃下的试验数据

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种岩土体温控动力特性试验系统，其特征在于：包括动三轴压力室和温度控制装置，所述的动三轴压力室包括压力室筒体，所述的压力室筒体的上端开口密封设置有压力室上盖，所述的压力室筒体的底部设置有底盘，所述的压力室筒体内的底部中央纵向设置有活塞杆，所述的压力室筒体内位于所述的活塞杆的上方纵向设置有上传力杆，所述的上传力杆的下端与所述的活塞杆上端之间放置有试样，所述的底盘的底部设置有加载架承台，所述的压力室上盖的正上方设置有加载架横梁，所述的加载架承台与所述的加载架横梁通过若干个加载架支杆一体连接，各个所述的加载架支杆对称设置在所述的压力室筒体的外周，所述的上传力杆穿过所述的压力室上盖与所述的加载架横梁的下表面抵接，所述的压力室上盖上连接有提升装置，所述的活塞杆依次穿过所述的底盘和所述的加载架承台且其底部连接有轴向激振器，所述的加载架支杆上连接有侧向激振器，所述的轴向激振器和所述的侧向激振器分别连接液压油源，所述的上传力杆的上端与所述的加载架横梁的下表面之间设置有压力传感器，所述的轴向激振器上设置有轴向位移传感器和变形传感器，所述的底盘上设置有围压传感器，所述的侧向激振器上设置有侧向位移传感器，所述的试样的上端面上设置有上排水管，所述的试样的下端面上设置有下排水管，所述的下排水管上设置有孔压传感器；

所述的温度控制装置包括温度传感器、温度控制器和对称包覆在所述的压力室筒体外壁的弧形板式加热器，所述的温度传感器一端穿过所述的压力室上盖进入所述的压力室筒体内且其另一端通过导线与所述的温度控制器连接，所述的弧形板式加热器通过导线与所述的温度控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种岩土体温控动力特性试验系统，其特征在于：所述的上传力杆的下端面与所述的试样的上端面之间以及所述的试样的下端面与所述的活塞杆的上端面之间分别设置有试样帽，所述的试样帽与所述的试样之间设置有透水石，压力室上盖上设置有排水孔，所述的底盘上设置有压力室进水管、压力室出水管和用于控制所述的活塞杆和提升装置上下运动的手动控制阀。

3.根据权利要求1所述的一种岩土体温控动力特性试验系统，其特征在于：两片所述的弧形板式加热器通过四个扣件扣紧连接，所述的弧形板式加热器由内到外依次设置有加热板、隔热石棉和不锈钢围板，所述的加热板紧贴在所述的压力室筒体的外壁且所述的加热板通过导线与所述的温度控制器连接。

4.根据权利要求1所述的一种岩土体温控动力特性试验系统，其特征在于：所述的压力室上盖的上表面以及所述的上传力杆位于所述的压力室筒体外部的外壁上包覆有橡胶材料。

5.根据权利要求1所述的一种岩土体温控动力特性试验系统，其特征在于：所述的提升装置包括提升框、气缸、气泵连接线和气泵，所述的提升框的下端与所述的压力室上盖固定连接且其上端穿过所述的加载架横梁，所述的气缸设置在所述的加载架横梁的上表面，所述的气缸通过所述的气泵连接线与所述的气泵连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种岩土体温控动力特性试验系统，其特征在于：所述的试样的外周套设有乳胶膜，所述的压力室上盖、所述的压力室筒体、所述的底盘、所述的活塞杆、所述的上传力杆和所述的试样帽均为钢质材料。

7.一种根据权利要求6所述的岩土体温控动力特性试验系统的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)试样安装

将土体试样进行水头饱和、真空抽气饱和或反压饱和后，将试样侧面贴上6-7条滤纸条，两端面依次贴上滤纸片和透水石，整个试样外套乳胶膜，再将试样安放在压力室筒体内的活塞杆上，通过计算机软件控制活塞杆缓慢上升至试样上端与上传力杆下端的试样帽接触时停止，用橡皮圈将乳胶膜分别扎紧在试样两端的试样帽上；将压力室上盖密封连接到压力室筒体上，用手动控制阀控制提升框使压力室上盖和压力室筒体缓缓下降直至压力室筒体与底盘完全接触后停止，拧紧压力室筒体与底盘螺丝，即完成试样安装；

(2)温度控制装置安装

将两半弧形板式加热器安装到压力室筒体外壁，扣紧扣件，将弧形板式加热器通过导线连接到温度控制器上；将温度传感器固定在压力室上盖上并伸入压力室筒体内，再将温度传感器通过导线连接到温度控制器上，然后在压力室上盖和上传力杆表面覆盖橡胶材料，完成温度控制装置安装；当温度控制器上显示的由温度传感器测定的压力室筒体的室内液体温度与压力室筒体的外壁温度相等时，弧形板式加热器维持恒定温度工作；

(3)温控动三轴试验

将孔压传感器设置于压力室筒体内试样的下排水管上，压力传感器设置于上传力杆上端，轴向位移传感器和变形传感器设置于轴向激振器上，围压传感器设置于底盘上，侧向位移传感器设置于侧向激振器上，将试样排水固结，待固结度和目标温度均达到要求后，在软件上选择动力试验，根据具体要求设定波形、频率、动力幅值的参数进行振动；在计算机软件上可获得待测试样在不同温度、动应力、频率、振动波形和振动次数下的孔压、温度、压力、轴向位移、变形、围压及侧向位移7项参数，并对它们自动进行存档，再对所得到的数据进行一定的力学换算，即可获得试样的动阻尼比、动弹性模量、累积塑性应变和动孔压的动力参数。

8.根据权利要求7所述的一种岩土体温控动力特性试验方法，其特征在于：所述的波形为正弦波、方波、锯齿波或随机波，所述的频率为0-10Hz、所述的动力幅值为0-3MPa。

9.根据权利要求7所述的一种岩土体温控动力特性试验方法，其特征在于：所述的上传力杆的下端面与所述的试样的上端面之间以及所述的试样的下端面与所述的活塞杆的上端面之间分别设置有试样帽，所述的试样帽与所述的试样之间设置有透水石，压力室上盖上设置有排水孔，所述的底盘上设置有压力室进水管和压力室出水管，所述的压力室上盖的上表面以及所述的上传力杆位于所述的压力室筒体外部的外壁上包覆有橡胶材料，所述的试样的外周套设有乳胶膜，所述的压力室上盖、所述的压力室筒体、所述的底盘、所述的活塞杆、所述的上传力杆和所述的试样帽均为钢质材料。

10.根据权利要求7所述的一种岩土体温控动力特性试验方法，其特征在于：两片所述的弧形板式加热器通过四个扣件扣紧连接，所述的弧形板式加热器由内到外依次设置有加热板、隔热石棉和不锈钢围板，所述的加热板紧贴在所述的压力室筒体的外壁且所述的加热板通过导线与所述的温度控制器连接。