CN105137032A - 一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，包括：压力室，用于放置试样；温度控制装置，与压力室连接，用于控制试样温度；还包括：湿度控制装置，包括择一与压力室连接的饱和控制组件和非饱和控制组件，用于控制试样湿度；高压加载及量测装置，用于容纳压力室，对压力室中试样施加恒定应变速率，并测量其对试样施加的压力。与现有技术相比，本发明湿度控制装置包括择一与压力室连接的饱和控制组件和非饱和控制组件，能实现饱和控制和非饱和控制的自由切换，同时高压加载及量测装置对压力室中试样施加恒定应变速率，对试样的压力性能的测试更全面。

Description

一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪

技术领域

本发明涉及一种固结仪，尤其是涉及一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪。

背景技术

随着科学技术的发展，工程实践中，温、湿、高压力等耦合作用条件下，岩土体工程行为越来越受到岩土界的关注。例如：业已得到广泛认同的高放射性废弃物的深地质处置工程，根据其概念设计，是要在地下500-1000米深处的完整岩层中建造处置库，并由内层的废物处置罐、中层的缓冲/回填材料和外层的既有岩层等共同构成多重屏障，以防止库内核素的可能泄露。在处置库的长期运营过程中，高压实膨润土作为缓冲/回填材料将不可避免地遭受高地应力(约9.0-16.0兆帕)，废物罐内核废料衰变释放热和围岩地下水引起的饱和与减饱和过程。因此，开展压实膨润土的热、水、力耦合作用下的长期变形研究，是深地质处置库的安全运行评价的关键。

例如中国专利CN102156186B公开了一种温控非饱和高压固结仪，其包括压力室、高压力加载装置、吸力控制装置、温度控制装置、数字化量测装置和数据采集装置，压力室置于高压力加载装置内，由高压力加载装置对压力室施压；温度控制装置罩在压力室外部，对压力室进行温度控制；压力室还与吸力控制装置连接控制压力室吸力；数字化量测装置监测试样的压力、温度和位移，并传输给与数字化量测装置相连的数据采集装置进行处理。

以及中国专利CN102323393A公开了一种双杠杆高温、高压非饱和固结仪，其包括：压力室，固设于温度控制箱内；吸力控制装置，置于温度控制箱内，其与压力室相连并控制压力室的吸力；温度控制箱，置于双杠杆加载装置的平台上，控制压力室的温度；双杠杆加载装置，用于支撑温度控制箱，对温度控制箱内的压力室施压；变形量测装置，顶端固设于双杠杆加载装置上，底端置于压力室上，量测试样位移。

然而，上述第一种固结仪的虽然可以实现恒定应变速率的控制，但是不能实现饱和试样在恒定应变速率压缩过程中的孔隙水压力的测量。第二种固结仪虽然可以实现多级加载试验，但是相对于恒定速率的方式的加载，其有花费的时间长并且数据不连续的缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，包括：

压力室，用于放置试样；

温度控制装置，与压力室连接，用于控制试样温度；

还包括：

湿度控制装置，包括择一与压力室连接的饱和控制组件和非饱和控制组件，用于控制试样湿度；

高压加载及量测装置，用于容纳压力室，对压力室中试样施加恒定应变速率，并测量其对试样施加的压力。

所述压力室包括：

底座，置于高压加载及量测装置内，且与湿度控制装置连接；

顶盖，通过螺栓与底座相连；

试样环，插接于底座和顶盖之间，用于放置试样；

环形外壁，设于底座和顶盖之间，且位于试样环外侧，和试样环围成与温度控制装置连接的加热槽；

加载活塞，设于试样环中，并通过加载杆与高压加载及量测装置连接。

所述底座上设有：

底座杯口，用于插接试样环，且其内设有环形槽；

出流管，其一端与环形槽连接，另一端设有用于连接湿度控制装置的阀门；

进流管，其一端与环形槽连接，另一端设有用于连接湿度控制装置的阀门。

所述加载活塞底部，以及底座上均设有用于接触试样的不锈钢透水石，且

所述加载活塞内设有一端不锈钢透水石的管路，该管路将透过不锈钢透水石的流体排出压力室。

设于进流管上的阀门为三通阀门，该三通阀门的一端与进流管连接，

所述饱和控制组件包括：

压力体积控制器，与三通阀门的另一端连接，用于将蒸馏水或盐溶液以设定压力注入试样，直至试样内湿度饱和；

孔压传感器，与三通阀门的再一端连接，用于测量试样在压缩过程中，其底部产生的孔隙水压力；

孔压显示器，与孔压传感器连接，用于显示孔压传感器测得的孔隙水压力。

所述孔压传感器的为20MPa，其精度为0.01MPa。

所述非饱和控制组件包括依次连接的气体循环泵、饱和盐溶液瓶和过滤瓶，所述气体循环泵与出流管上的阀门连接，所述过滤瓶与进流管上的阀门连接；

在气体循环泵的驱动下，通过盐溶液瓶和过滤瓶之后的气体与试样进行水蒸气交换，进而实现对试样的湿度控制。

所述温度控制装置包括

加热电路，与加热槽连接，用于通过置于加热槽内的热传导介质加热试样；

热电偶，设于加热槽中，用于通过加热槽内的热传导介质测量试样的温度；

温度控制表，分别与加热电路和热电偶连接，用于根据试样温度控制加热电路的发热量。

所述热传导介质为硅油。

所述高压加载及量测装置包括：

机体；

压头，设于机体上，用于放置底座，并通过底座挤压试样；

螺纹立柱，共设有两根，平行设于压头两侧；

横梁，设于两根螺纹立柱之间，并通过加载杆与加载活塞连接；

显示屏及调节按钮，设于机体上，用于调节压头上下移动的速率；

轴向压力传感器，设于横梁和加载杆之间，用于测量高压加载及量测装置对试样施加的压力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)湿度控制装置包括择一与压力室连接的饱和控制组件和非饱和控制组件，能实现饱和控制和非饱和控制的自由切换，同时高压加载及量测装置对压力室中试样施加恒定应变速率，对试样的压力性能的测试更全面。

2)孔压传感器可以在采用饱和控制时，实现对试样底部产生的孔隙水压力进行精确测量，进而为试样的性质研究提供重要的数据。

3)过滤瓶可以滤除液体水，同时使尽可能多的水蒸气进入至进流管。

4)显示屏及调节按钮配合轴向压力传感器可以实现竖向最大压力为100kN的高压控制，实现了恒定应变速率固结控制。

5)大大缩短了高温、高压、饱和及非饱和等耦合条件下土体长期变形特性试验时间。

6)本发明的试验仪器实现了全吸力范围的湿度控制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为压力室的结构示意图；

图3为压力室底座的结构示意图；

图4为饱和控制组件的结构示意图；

图5为非饱和控制组件的结构示意图；

图6为温度控制装置的结构示意图；

图7为高压加载及量测装置的结构示意图；

图8为应力-应变、应力-孔隙水压力固结特性示意图；

其中：1、硅油，2、电热圈，3、热电偶，4、不锈钢透水石，5、加载活塞，6、二通阀门，7、横梁，8、底座，9、三通阀门，10、孔压传感器，11、试样，12、试样环，13、O型圈，14、环状外壁，15、螺栓，16、加载杆，17、电源，18、温度控制表，19、固态继电器，20、变压器，21、孔压显示器，22、顶盖，23、压力体积控制器，24、气体循环泵，25、饱和盐溶液瓶，26、过滤瓶，27、压力室，28、湿度控制装置，29、温度控制装置，30、高压加载及量测装置，31、调平底座，32、显示屏及调节按钮，33、机体，34、压头，35、轴向压力传感器，36、无纸记录仪，37、固定螺栓，38、紧固螺帽，39、螺纹立柱；

101、出流管，102、进流管，103、环形槽，104、环形槽出孔，105、环形槽进孔，106、底座杯口，107、螺栓槽孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，如图1所示包括：

压力室27，固设于高压加载及量测装置30中，用于放置试样11，该试样11具体为土样；

温度控制装置29，与压力室27连接，用于控制试样11温度；

还包括：

湿度控制装置28，包括择一与压力室27连接的饱和控制组件和非饱和控制组件，用于控制试样11湿度；

高压加载及量测装置30，用于容纳压力室27，对压力室27中试样11施加恒定应变速率，并测量其对试样11施加的压力。

如图2所示，压力室最大外径178mm(底座8直径)，高度约150mm，包括：

底座8，直径为178毫米，置于高压加载及量测装置30内，且与湿度控制装置28连接；

顶盖22，通过螺栓15与底座8相连；

试样环12，高70毫米，内径50毫米，具体为厚壁试样环12，插接于底座8和顶盖22之间，用于放置试样11；

环形外壁14，设于底座8和顶盖22之间，且位于试样环12外侧，和试样环12围成与温度控制装置29连接的加热槽，加热槽内填充有硅油1；

加载活塞5，设于试样环12中，并通过加载杆16与高压加载及量测装置30连接，其底部镶嵌有用于接触试样11的不锈钢透水石4，且加载活塞5在与不锈钢透水石4接触一侧上锲刻有窄小的环形槽，用于收集通过透水石4的流体，以及不锈钢透水石4内设有一端不锈钢透水石4的管路，该管路将透过不锈钢透水石4的流体排出压力室27。

如图3所示，底座8上设有：

底座杯口106，用于插接试样环12，且其内设有环形槽103，该环形槽103上镶嵌有用于接触试样11的不锈钢透水石4；

出流管101，其一端与环形槽103上的环形槽出流孔104连接，另一端设有用于连接湿度控制装置28的阀门；

进流管102，其一端与环形槽103中间的环形槽进流孔105连接，另一端设有用于连接湿度控制装置28的阀门；

螺栓槽孔107，用于连接螺栓15。

设于出流管101上的阀门为二通阀门6，设于进流管102上的阀门为三通阀门9，该三通阀门9的一端与进流管102连接，

加载活塞5底部侧壁还设有1道O型圈。另外，试样环12底部设置两道O型圈并且插入底座杯口106，可以封闭试样12底部以测量孔隙水压力。对于饱和控制，能够在恒定应变速率试验过程中，测得试样11底部最大可以达到20兆帕的压力。为了方便取出插入底座杯口106的试样环12，试样环12顶端设置两个螺栓孔，可以通过螺杆连接拉出。

除管路、出流管101和进流管102等各类导管外，该压力室通体采用耐磨性好和刚度较大的不锈钢制成。

如图4所示，饱和控制组件包括：

压力体积控制器23，与三通阀门9的另一端连接，用于将蒸馏水或盐溶液以设定压力注入试样11，直至试样11内湿度饱和；

孔压传感器10，与三通阀门9的再一端连接，用于测量试样11在恒定应变速率压缩过程中，试样11底部产生的孔隙水压力；

孔压显示器21，与孔压传感器10连接，用于显示孔压传感器10测得的孔隙水压力。

孔压传感器10的量程为20MPa，其精度为0.01MPa。

如图5所示，非饱和控制组件包括依次连接的气体循环泵24、饱和盐溶液瓶25和过滤瓶26，气体循环泵24与出流管101上的阀门连接，过滤瓶26与进流管102上的阀门连接；

在气体循环泵24的驱动下，按照图5箭头所示的方向，空气通过盐溶液瓶25和过滤瓶26，然后依次经过进流孔102、出流孔101，再经过加载活塞5的两条管路，最后回到气体循环泵24。气体循环泵24将通过饱和盐溶液之后的具有一定湿度的气体通入压力室27，使具有一定湿度的气体与试样11接触并进行水蒸气的交换，直到试样11的湿度和非饱和控制组件中循环的气体达到平衡，以此来控制试样湿度。

温度控制装置29量程范围为0-100℃，精度为0.1℃，如图6所示，其包括电源17、温度控制表18、热电偶3和加热电路，加热电路包括依次连接的变压器20、固态继电器19和电热圈2，变压器20与电源17连接，固态继电器19与温度控制表18连接，电热圈2共设有多个，分别均匀设于硅油1中，电源17打开后温度控制装置29开始运行。热电偶3置于加热槽中，并与温度控制表18连接，用于测量硅油1温度，进而得到试样11温度，并把信号传递给温度控制表18，温度控制表18对比热电偶3测量的硅油1温度和设定值温度控制固态继电器19的打开或者关闭，进而实现对硅油1温度的控制。

高压加载及量测装置30施加的恒定应变位移范围为：

0.00001mm/min-9.99999m/min，

其可以提供1.67×10-8s-1-1.67×10-2s-1(10mm高试样)的应变速率，其精度为0.00001mm/min；其压力量测范围为0-100kN，精度为0.01kN，如图6所示，具体包括：

机体33，其底部设有可以调节高度进而保持机体33水平的调平底座31；

压头34，设于机体33上，用于放置底座8，并通过底座8挤压试样11；

螺纹立柱39，共设有两根，平行设于压头34两侧，起到通过紧固螺帽38固定横梁7的作用；

横梁7，设于两根螺纹立柱39之间，并通过加载杆16与加载活塞5连接；

显示屏及调节按钮32，设于机体33前面中央位置，用于调节压头34上下移动的速率；

轴向压力传感器35，设于横梁7和加载杆16之间，并由固定螺栓37固定于横梁7上，用于测量高压加载及量测装置30对试样11施加的压力；

无纸记录仪36，与轴向压力传感器35连接，用于显示压力值。

本发明具体实施的操作包括：

压制土样：厚壁试样环12可以直接用于高压实膨润土试样11的准备，并且可以把压制好试样11连同试样环12一起安装到压力室27中。基于试验方便考虑，试样环12高70毫米，内径50毫米，可以压制直径为50毫米，高度不同的试样。本具体实施中以高度10毫米试样为例。根据试样预设干密度和含水率，计算压制成直径为50mm，高度为10mm的试样所需散土质量；将粉末状土倒入试样环12中，随后缓慢插入压样活塞，并控制压力机按照0.2mm/min的位移速率将土样均匀压实，压至最大位移后，恒定1小时以减少压制试样11的回弹和增加试样11的均匀性。

仪器安装：首先在底座杯口106中的透水石4上放置一片滤纸，然后将底部侧壁涂抹润滑剂的试样环12连同试样11一起插入底座的杯口中。这时会在外壁14和试样环12之间形成加热槽。将硅油1倒入和电热圈2放入加热槽，并且热电偶3安装在硅油1中。然后将一片滤纸放入试样环12，再将侧壁涂抹润滑剂的加载活塞5放入试样环12。将顶盖22盖到试样环12上，并用螺母及垫片将底座8、试样环12和顶盖22连接牢固。

对于饱和试样试验，三通阀门9两头分别连接孔压传感器10和压力体积控制器23。对于非饱和试样，用导管连接气体循环泵24、饱和盐溶液瓶25和过滤瓶26和压力室27组成气体循环的闭合回路。

之后，需要连接温度控制装置29的电路。首先，将热电偶3连接到温度控制表18。另外，将电热圈2、固态继电器19和变压器20串联。然后将固态继电器19和温度控制表18相连。最后，温度控制表18和变压器20接通电源17。

开始试验：对于饱和试验，根据确定的所定上覆压力水化膨润土，设定压力体积控制器23的恒定注水压力为2千帕；关闭二通阀门6，打开三通阀门9，注入蒸馏水，膨润土吸水膨胀至最终饱和。开始饱和控制下恒定应变速率试验前，关闭二通阀门6和三通阀门9与孔压传感器10相连，根据设定的应变速率和最大应力(位移)进行试验，测量施加压力和孔隙水压力直到试验结束。对于非饱和试验，试样11在规定上覆压力下进行吸力平衡到试样11吸力恒定。然后进行恒定应变速率试验，试验过程中保持非饱和控制组件一致向恒定应变速率压力室27内供气，维持试样11吸力平衡。

当进行高温条件下的恒定应变速率试验时，打开温度控制装置29，将试样11升高到相应的温度。对于非饱和试样试验，相应的非饱和控制装置40应与试样11处于同一温度。

数据分析：根据恒定应变速率试验理论分析上述所得试验数据，如图8所示，得应力-应变、应力-孔隙水压力固结特性。其他固结力学特性未一一列出。

本发明的温湿控制恒定应变速率高压固结仪主要可以实现以下测试：

1、保持恒定位移、恒定湿度的情况下，通过温度控制装置29对试样11分级升、将温度，使试样11处于温度循环的状态，通过轴向压力传感器35测量试验过程中试样竖向压力的变化，求得位移和湿度控制下试样11的温度循环应力曲线。

2、保持恒定温度、恒定位移的情况下，通过湿度控制装盒子28对试样11平衡到不同的湿度，使试样处于干湿循环的状态，通过轴向压力传感器35测量试验过程中试样11竖向压力的变化，求得温度和湿度控制下试样11的干湿循环应力曲线。

3、保持恒定温度、湿度的情况下，通过高压加载及量测装置30对试样11进行恒定应变速率的加、卸载，通过轴向压力传感器35测量试验过程中试样11竖向压力的变化，求得温度和湿度控制下试样11的加卸载压缩曲线。

本发明实现了温度、湿度和压力控制下的土体体变特征试验研究，即热-水-力三相耦合试验研究。具体包括温度和湿度控制情况下的加卸载试验、温度和位移控制下的干湿循环试验、湿度和应力控制下的温度循环试验等。对不同应力路径情况下、岩土体的体变特征进行试验研究，以期建立三相耦合条件下的本构模型。

Claims (10)

1.一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，包括：

压力室(27)，用于放置试样(11)；

温度控制装置(29)，与压力室(27)连接，用于控制试样(11)温度；

其特征在于，还包括：

湿度控制装置(28)，包括择一与压力室(27)连接的饱和控制组件和非饱和控制组件，用于控制试样(11)湿度；

高压加载及量测装置(30)，用于容纳压力室(27)，对压力室(27)中试样(11)施加恒定应变速率，并测量其对试样(11)施加的压力。

2.根据权利要求1所述的一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，其特征在于，所述压力室包括：

底座(8)，置于高压加载及量测装置(30)内，且与湿度控制装置(28)连接；

顶盖(22)，通过螺栓(15)与底座(8)相连；

试样环(12)，插接于底座(8)和顶盖(22)之间，用于放置试样(11)；

环形外壁(14)，设于底座(8)和顶盖(22)之间，且位于试样环(12)外侧，和试样环(12)围成与温度控制装置(29)连接的加热槽；

加载活塞(5)，设于试样环(12)中，并通过加载杆(16)与高压加载及量测装置(30)连接。

3.根据权利要求2所述的一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，其特征在于，所述底座(8)上设有：

底座杯口(106)，用于插接试样环(12)，且其内设有环形槽(103)；

出流管(101)，其一端与环形槽(103)连接，另一端设有用于连接湿度控制装置(28)的阀门；

进流管(102)，其一端与环形槽(103)连接，另一端设有用于连接湿度控制装置(28)的阀门。

4.根据权利要求2所述的一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，其特征在于，所述加载活塞(5)底部，以及底座(8)上均设有用于接触试样(11)的不锈钢透水石(4)，且

所述加载活塞(5)内设有一端不锈钢透水石(4)的管路，该管路将透过不锈钢透水石(4)的流体排出压力室(27)。

5.根据权利要求3所述的一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，其特征在于，设于进流管(102)上的阀门为三通阀门(9)，该三通阀门(9)的一端与进流管(102)连接，

所述饱和控制组件包括：

压力体积控制器(23)，与三通阀门(9)的另一端连接，用于将蒸馏水或盐溶液以设定压力注入试样(11)，直至试样(11)内湿度饱和；

孔压传感器(10)，与三通阀门(9)的再一端连接，用于测量试样(11)在压缩过程中，其底部产生的孔隙水压力；

孔压显示器(21)，与孔压传感器(10)连接，用于显示孔压传感器(10)测得的孔隙水压力。

6.根据权利要求3所述的一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，其特征在于，所述孔压传感器(10)的为20MPa，其精度为0.01MPa。

7.根据权利要求3所述的一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，其特征在于，所述非饱和控制组件包括依次连接的气体循环泵(24)、饱和盐溶液瓶(25)和过滤瓶(26)，所述气体循环泵(24)与出流管(101)上的阀门连接，所述过滤瓶(26)与进流管(102)上的阀门连接；

在气体循环泵(24)的驱动下，通过盐溶液瓶(25)和过滤瓶(26)之后的气体与试样(11)进行水蒸气交换，进而实现对试样(11)的湿度控制。

8.根据权利要求2所述的一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，其特征在于，所述温度控制装置(29)包括

加热电路，与加热槽连接，用于通过置于加热槽内的热传导介质加热试样(11)；

热电偶(3)，设于加热槽中，用于通过加热槽内的热传导介质测量试样(11)的温度；

温度控制表(18)，分别与加热电路和热电偶(3)连接，用于根据试样(11)温度控制加热电路的发热量。

9.根据权利要求8所述的一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，其特征在于，所述热传导介质为硅油(1)。

10.根据权利要求2所述的一种温湿控制恒定应变速率高压固结仪，其特征在于，所述高压加载及量测装置(30)包括：

机体(33)；

压头(34)，设于机体(33)上，用于放置底座(8)，并通过底座(8)挤压试样(11)；

螺纹立柱(39)，共设有两根，平行设于压头(34)两侧；

横梁(7)，设于两根螺纹立柱(39)之间，并通过加载杆(16)与加载活塞(5)连接；

显示屏及调节按钮(32)，设于机体(33)上，用于调节压头(34)上下移动的速率；

轴向压力传感器(35)，设于横梁(7)和加载杆(16)之间，用于测量高压加载及量测装置(30)对试样(11)施加的压力。