CN105300808B - 一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置及试验方法，装置包括稳定压力氮气源、高精度压力控制阀门、三通I、开关控制阀门I、开关控制阀门II、气体加热装置、气体冷凝装置、三通II、开关控制阀门III和GDS三轴试验仪。稳定压力的氮气源通过高精度压力控制阀门、开关控制阀门I和开关控制阀门II给气体加热‑冷凝装置恒压供气，气体加热‑冷凝装置通过梯度加热‑冷凝的方式控制位于装置内部的气体，被加热‑冷凝具有稳定压力的惰性气体通过开关控制阀门III传输至GDS三轴试验仪。可模拟围压、轴压条件下的冻融循环过程，测试每一级冻融循环过程中的冻胀和融沉，可测定冻融循环之后试样的强度变形特性，分析冻融循环对土体工程性质的影响。

Description

一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程试验仪器技术领域,具体涉及一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置及试验方法。

背景技术

季节性冻土指的是冬季冻结春季融化的土层，受季节性影响，冬季冻结、夏季全部融化。我国季节性冻土区面积大约513.7万平方千米，占国土面积的53.5％。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程的变形控制具有较大影响。冻胀是指由于土的冻结作用而造成的体积膨胀现象；融沉是指季节性冻土融化时，冰晶和冰膜融化成水，土层在重力和上覆荷载的作用下，路基和路面产生不同的沉降现象。冻结和融沉对土体的结构会造成变化，在季节性冻土上铺设建筑物，首先要考虑冻结和融沉对它的影响，这也是研究土的冻融循环的目的所在。

目前，我国在冻融方面的研究，常用的试验方式大致可以分为三类：一是无压三向冻结，即用传统冻土力学研究中常用方法，将试样先冻结-融化循环，然后再进行力学试验，这种试验模式下冻融循环过程在完全无荷载条件下完成，并不能真实反映天然条件下土在受力状态下的实际冻融过程；第二种是在有机玻璃内进行的单向有压冻融试验，此类试验模式可在冻融过程中施加单向压力，同时可以模拟开发冻融过程，但试验测试仅限于压缩性、渗透性和孔隙比等几个指标，却无法量测冻融前后土体强度指标；第三种是在三轴试验机中将试样周围铺设加热-冷凝管道，在管道内通过液体循环将试样进行加热和冷凝，此试验方法可以对试样施加围压，但同时试样周围的加热-冷凝管道也对施加围压的液体温度造成影响，液体温度变化会导致围压变化，更有甚者，围压液体在长时间的降温可能冻结，使得试验整体失败。

本发明的目的是研究季节性冻土地区土体冻融循环的土体强度变形特性，为了尽可能的描述天然土体冻融循环过程，即实现三轴试验条件下冻融循环过程而开发的一套试验装置。

发明内容

针对研究背景中所涉及到的问题，本发明的目的是在三轴试验仪原有的饱和土试验的基础之上，提供了冻融循环装置，使得三轴试验仪中的土体能够迅速冷冻和升温，达到土在三轴试验状态下实现冻融循环效果。

一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置，包括稳定压力氮气源、高精度压力控制阀门、三通I、开关控制阀门I、开关控制阀门II、气体加热装置、气体冷凝装置、三通II、开关控制阀门III和GDS三轴试验仪。

1)装置连接原理

所述稳定压力氮气源通过导气管与高精度压力控制阀门的进气口连通，高精度压力控制阀门的出气口通过导气管与三通I的A气口连通，三通的B气口通过导气管与开关控制阀门I的进气口连通，三通的C气口通过导气管与开关控制阀门II的进气口连通。所述开关控制阀门I的出气口通过导气管与气体加热装置的进气口I接通，给气体加热装置恒压供气，气体加热装置通过梯度加热的方式控制位于装置内部的气体。气体加热装置的出气口I通过导气管与三通II的B气口连通。所述开关控制阀门II的出气口通过导气管与气体冷凝装置的进气口II接通，给气体冷凝装置恒压供气，气体冷凝装置通过梯度冷凝的方式控制位于装置内部的气体。气体冷凝装置的出气口II导气管与三通II的C气口连通。通过导气管将所述三通II的A气口与开关控制阀门III的进气口连通，开关控制阀门III的出气口与所述GDS三轴试验仪的进气口连通。被加热-冷凝的惰性气体通过开关控制阀门III向GDS三轴试验仪提供稳定压力的气体，连接原理参见附图1。

2)气体加热-冷凝装置

所述气体加热装置包括断路器、温控器I、温控探头I、阀门I、气压表I、进气保温通道I、出气保温通道I、隔热层I、加热管、耐高低温有机玻璃外壁I、进气口I、出气口I、铁丝网I和进气疏气装置I。

由所述耐高低温有机玻璃外壁I构造的加热容器，加热容器还包括隔热层I、加热管以及铁丝网I。

所述气体加热装置中的加热管与温控器I串联，温控探头I的数据输出端通过导线与温控器I数据端连接，断路器串联在温控器I与220V电源线路中间。

所述气体加热装置中的断路器I通电后，加热管中的电阻产生热量加热气体，温控探头I探测气体温度，通过串联的温控器I控制加热管的发热时间，加热管中出口气体超过一定温度后，控制断路器开关断开。如此，不断流入的气体在装置内部实现热量交换，保持输出气体的压力和温度稳定。

所述气体加热装置的进气口I与进气保温通道I的一端连通，进气保温通道I的另外一端与进气疏气装置I的进气口连通。进气疏气装置I的出气口与所述加热容器的进气端连通，所述加热容器的出气端通过导气管与阀门I的进气口连通。所述阀门I的出气口通过导气管与气压表I的进气口连通，气压表I的出气口通过导气管与出气保温通道I的进气口连通。所述出气保温通道I的出气口与所述气体加热装置的出气口I连通。

所述气体冷凝装置包括温控器II、温控探头II、阀门II、气压表II、进气保温通道II、出气保温通道II、隔热层II、耐高低温有机玻璃外壁II、进气口II、出气口II、冷凝管、压缩机、毛细管I、毛细管II、蒸发器、干燥过滤器、铁丝网II、和进气疏气装置II。

由所述耐高低温有机玻璃外壁II构造的冷凝容器，冷凝容器还包括隔热层II、冷凝管以及铁丝网II。

所述的气体冷凝装置中冷凝管与干燥过滤器连通，干燥过滤器与蒸发器连通，毛细管I安装在连接蒸发器和干燥过滤器的管道内壁，蒸发器与压缩机连通，毛细管II安装在连接蒸发器和压缩机的管道内壁，压缩机与冷凝器连通形成一个循环。

所述气体冷凝装置的进气口II与进气保温通道II的一端连通，进气保温通道II的另外一端与进气疏气装置II的进气口连通。进气疏气装置II的出气口在所述冷凝容器的进气端连通，所述冷凝容器的出气端通过导气管与阀门II的进气口连通。所述阀门II的出气口通过导气管与气压表II的进气口连通，气压表II的出气口通过导气管与出气保温通道II的进气口连通。所述出气保温通道II的出气口与所述气体冷凝装置的出气口II连通。

所述气体加热装置的出气口与三通II的B气口连通，所述气体冷凝装置的出气口与三通II的C气口连通，三通II的A气口与开关控制阀门III的进气口连通。所述开关控制阀门III的出气口与GDS三轴测试仪的进气口连通。

该装置作用是为GDS三轴试验仪提供压力稳定的冷、热气流。为了便于气体的加热-冷凝、流动，该装置的外观形状设计为圆柱体，参见附图2和3。各部分的详细功能以及设计如下：

附图4为进气疏气装置。气体通过气体空腔和稳流孔筛，形成平稳的气流，为下一步均匀加热-冷凝提供前提保证。考虑到既需要使气体平稳通过土颗粒，且不破坏土体颗粒结构，进入三轴试验仪的气体压强设置为小于20kPa。从进气口流入的高速气体在储气室中进行稳定、缓冲。

发热管呈圆形螺旋状均匀分布在装置的中心部位，其外部包裹一层圆柱散热铁丝网I。圆柱散热铁网I可吸收发热管散发的热量，并与气体充分接触，将余热均匀地传递给不断上涌的气体。隔热层I可对已经加热的气体进行保温，并保护有机玻璃外壁I不因过热而变形，参见附图2。

冷凝管呈圆形螺旋状均匀分布在装置的中心部位，其外部包裹一层圆柱铁丝网II。冷凝管将铁丝网II冷却，铁丝网II与不断上涌的气体充分接触，使得不断上涌的气体快速冷却。冷凝管吸收外部铁丝网II和气体的热量，使得冷凝管中的过热蒸汽冷凝为高温中压的液体，高温中压的制冷剂液体经干燥过滤器过滤后进入毛细管II，经毛细管II节流降压后由高温中压变为低温低压，低温低压的制冷剂液体在蒸发器中大量吸收外界热量而汽化为饱和蒸汽，实现制冷，然后在毛细管I中变为低压蒸汽，低压蒸汽经压缩机压缩为高温高压的过热蒸汽，并经压缩机的排气管进入冷凝管，进而维持循环。隔热层II可对已经冷凝的气体进行保温，并保护有机玻璃外壁II不因过冷而变形，参见附图3。

所述的一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)开启高精度压力控制阀门和开关控制阀门I，关闭开关控制阀门II，气体加热装置通电工作，加热管对铁丝网I进行加热，铁丝网I和气体充分接触并加热气体；温控探头I和温控器I对加热的气体进行实时监控和调节加热温度。

2)气体加热达到所需要的温度后，打开阀门I和开关控制阀门III，气体导入三轴试验仪，对试样进行加热，进行后续力学实验数据测量。

3)完成加热实验后，关闭开关控制阀门I、阀门I和开关控制阀门III，开启开关控制阀门II，气体冷凝装置通电工作。冷凝管对铁丝网II进行冷凝，铁丝网II和气体充分接触并冷凝气体，冷凝管吸收外部铁丝网II和气体的热量，使得冷凝管中的过热蒸汽冷凝为高温中压的液体，高温中压的制冷剂液体经干燥过滤器过滤后进入毛细管II。经毛细管II节流降压后由高温中压变为低温低压，低温低压的制冷剂液体在蒸发器中大量吸收外界热量而汽化为饱和蒸汽，实现制冷，然后在毛细管I中变为低压蒸汽，低压蒸汽经压缩机压缩为高温高压的过热蒸汽，并经压缩机的排气管进入冷凝管，进而维持循环。温控探头II和温控器II对冷凝的气体进行实时监控和调节冷凝温度。

4)气体冷凝到所需的温度后，打开阀门II和开关控制阀门III，气体导入三轴试验仪，对试样进行冷凝，进行后续力学实验数据测量。

所述气体加热时间和气体冷凝时间相同，加热装置均匀梯度的调节温度，加热温度从0℃到50℃；冷凝装置均匀梯度的调节温度，冷凝温度从0℃到-20℃。

气体通过稳流、加热-冷凝、恒温，并通过设置在装置上部的出气保温管道将压力稳定的惰性气体输送到连接GDS三轴试验仪器的管道中，实现对试验土样的冻融循环目的。

本发明采用稳定气压的气体对三轴应力作用下的试样进行冻融循环，使用气体进行冻融循环可以克服以上几个缺陷：(1)可以模拟应力条件下的土体冻融循环过程，在三轴试验中，可模拟围压、轴压条件下的冻融循环过程，并测试出每一级冻融循环过程中的冻胀和融沉；(2)单向压缩冻融循环并不能真实的反应冻土地区土体在现场的应力状态，而本发明的三轴试验气体冻融全过程试验装置可以克服这一困难；(3)通过气体给试样进行冻融循环，可以克服围压液体温度变化而导致围压应力的变化。本发明采用稳定气压的气体可以克服以上困难并测定试样在若干次冻融循环之后试样的强度变形特性，分析冻融循环对土体工程性质的影响。

附图说明

图1为压力可控的气体冻融装置结构图；

图2为气体加热装置图；

图3为气体冷凝装置图；

图4为进气疏气装置样图；

图中：1为断路器，2-1为温控器I，2-2为温控器II，3-1为温控探头I，3-2为温控探头II，4-1为阀门I，4-2为阀门II，5-1为气压表I，5-2为气压表II，6-1为进气保温通道I，6-2为进气保温通道II，7-1为出气保温通道I，7-2为出气保温通道II，8-1为隔热层I，8-2为隔热层II，9为加热管，10-1为耐高低温有机玻璃外壁I，10-2为耐高低温有机玻璃外壁II，11-1为进气口I，11-2为进气口II，12-1为出气口I，12-2为出气口II，13为冷凝管，14为压缩机，15-1为毛细管I，15-2为毛细管II，16为蒸发器，17为干燥过滤器，18-1为铁丝网I，18-2为铁丝网II，19-1为气体分流孔I，19-2为气体分流孔II，20-1为进气疏气装置I，20-2为进气疏气装置II。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

根据附图1可以直观的看到本试验的总体方案，压缩机产生压力稳定的氮气源，通过气体加热-冷凝设备，然后进入三轴试验机对试样进行加热-冷凝达到冻融循环的目的。

三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置，包括稳定压力氮气源、高精度压力控制阀门、三通I、开关控制阀门I、开关控制阀门II、气体加热装置、气体冷凝装置、三通II、开关控制阀门III和GDS三轴试验仪。

所述稳定压力氮气源通过导气管与高精度压力控制阀门的进气口连通，高精度压力控制阀门的出气口通过导气管与三通I的A气口连通，三通I的B气口通过导气管与开关控制阀门I的进气口连通，三通I的C气口通过导气管与开关控制阀门II的进气口连通。所述开关控制阀门I的出气口通过导气管与气体加热装置的进气口I 11-1接通，气体加热装置的出气口I 12-1通过导气管与三通II的B气口连通。所述开关控制阀门II的出气口通过导气管与气体冷凝装置的进气口II 11-2接通，气体冷凝装置的出气口II 12-2导气管与三通II的C气口连通。通过导气管将所述三通II的A气口与开关控制阀门III的进气口连通，开关控制阀门III的出气口与所述GDS三轴试验仪的进气口连通。

所述气体加热装置包括断路器1、温控器I 2-1、温控探头I 3-1、阀门I 4-1、气压表I 5-1、进气保温通道I 6-1、出气保温通道I 7-1、隔热层I 8-1、加热管9、耐高低温有机玻璃外壁I 10-1、进气口I 11-1、出气口I 12-1、铁丝网I 18-1和进气疏气装置I 20-1。气体加热装置连接方式，参见附图2。

由所述耐高低温有机玻璃外壁I 10-1构造的加热容器，加热容器包括还隔热层I8-1、加热管9以及铁丝网I 18-1。

所述气体加热装置中的加热管9与温控器I 2-1串联，温控探头I 3-1的数据输出端通过导线与温控器I 2-1数据端连接，断路器1串联在温控器I 2-1和220V电源线路中间。所述断路器1通电后，加热管9中的电阻产生热量加热气体，温控探头I 3-1监控气体温度，通过串联的温控器I 2-1控制加热管9的发热时间，加热管9中出口气体超过一定温度后，控制断路器1开关断开。如此，不断流入的气体在装置内部实现热量交换保证出口气体的温度能够恒定。

所述气体加热装置的进气口I 11-1与进气保温通道I 6-1的一端连通，进气保温通道I 6-1的另外一端与进气疏气装置I 20-1的进气口连通。进气疏气装置I 20-1的出气口与所述加热容器的进气端连通，所述加热容器的出气端通过导气管与阀门I 4-1的进气口连通。所述阀门I 4-1的出气口通过导气管与气压表I 5-1的进气口连通，气压表I 5-1的出气口通过导气管与出气保温通道I 7-1的进气口连通。所述出气保温通道I 7-1的出气口与所述气体加热装置的出气口I 12-1连通。

所述气体冷凝装置包括温控器II 2-2、温控探头II 3-2、阀门II 4-2、气压表II5-2、进气保温通道II 6-2、出气保温通道II 7-2、隔热层II 8-2、耐高低温有机玻璃外壁II10-2、进气口II 11-2、出气口II 12-2、冷凝管13、压缩机14、毛细管I 15-1、毛细管II 15-2、蒸发器16、干燥过滤器17、铁丝网II 18-2、和进气疏气装置II 20-2。气体冷凝装置，参见附图3。

由所述耐高低温有机玻璃外壁II 10-2构造的冷凝容器，冷凝容器还包括隔热层II 8-2、冷凝管13以及铁丝网II 18-2。

所述的气体冷凝装置中冷凝管13与干燥过滤器17连通，干燥过滤器17与蒸发器16连通，毛细管I 15-1安装在连接蒸发器16和干燥过滤器17的管道内壁之间，蒸发器16与压缩机14连通，毛细管II 15-2安装在连接蒸发器16和压缩机14的管道内壁，压缩机14与冷凝器13连通形成一个循环。

所述气体冷凝装置的进气口II 11-2与进气保温通道II 6-2的一端连通，进气保温通道II 6-2的另外一端与进气疏气装置II 20-2的进气口连通。进气疏气装置II 20-2的出气口与所述冷凝容器的进气端连通，所述冷凝容器的出气端通过导气管与阀门II 4-2的进气口连通。所述阀门II 4-2的出气口通过导气管与气压表II 5-2的进气口连通，气压表II 5-2的出气口通过导气管与出气保温通道II 7-2的进气口连通。所述出气保温通道II7-2的出气口与所述气体冷凝装置的出气口II 12-2连通。

所述气体加热装置的出气口I 12-1与三通II的B气口连通，所述气体冷凝装置的出气口II 12-2与三通II的C气口连通，三通II的A气口与开关控制阀门III的进气口连通。所述开关控制阀门III的出气口与GDS三轴测试仪的进气口连通。

至此，整个土体冻融循环试验装置搭建完成。

实施例2：

所述的一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置的试验方法，包括加热装置的加热过程和冷凝装置的冷凝过程。

所述加热装置的加热过程：氮气源通过高精度压力的控制阀门，关闭气体冷凝装置前面的开关控制阀门II，气体通过进气口I 1-1和进气保温通道I 6-1，进入进气疏气装置I 20-1，通过气压分流孔I 9-1向加热装置提供压力稳定的氮气源，加热管9对铁丝网I18-1进行加热，铁丝网I 18-1对气体加热。通过温控探头I 3-1和温控器I 2-1对加热的气体进行实时监控和调节加热温度，待气体加热到所需的温度后，打开阀门I 4-1，气体通过出气保温通道I 7-1和出气口I 12-1进入三轴试验仪对试样进行加热。

所述冷凝装置的冷凝过程：氮气源通过高精度压力的控制阀门，关闭气体加热装置前面的开关控制阀门I，气体通过进气口II 11-2和进气保温通道II 6-2，进入进气疏气装置II 20-2，通过气压分流孔II 19-2向冷凝装置提供压力稳定的氮气源，冷凝管13对铁丝网II 18-2进行冷凝，铁丝网II 18-2和气体充分接触并冷凝气体。冷凝管13吸收外部铁丝网II 18-2和气体的热量，使得冷凝管13中的过热蒸汽冷凝为高温中压的液体，高温中压的制冷剂液体经干燥过滤器17过滤后进入毛细管II 15-2，经毛细管II 15-2节流降压后由高温中压变为低温低压，低温低压的制冷剂液体在蒸发器16中大量吸收外界热量而汽化为饱和蒸汽，实现制冷，然后在毛细管I 15-1中变为低压蒸汽，低压蒸汽经压缩机14压缩为高温高压的过热蒸汽，并经压缩机14的排气管进入冷凝管13，进而维持循环；压缩机14采用的是R600a(QD85Y),额定功率为102w。通过温控探头II 3-2和温控器II 2-2对冷凝的气体进行实时监控和调节冷凝温度，待气体冷凝到所需的温度后，打开阀门II 4-2，气体通过出气保温通道II7-2和出气口II 12-2进入三轴试验仪对试样进行冷凝。

具体的循环实验方法包括以下内容步骤：

1)开启高精度压力控制阀门和开关控制阀门I，关闭开关控制阀门，气体加热装置通电工作，加热管9对铁丝网I 18-1进行加热，铁丝网I 18-1和气体充分接触并加热气体；温控探头I 3-1和温控器I 2-1对加热的气体进行实时监控和调节加热温度。

2)气体加热达到所需要的温度后，打开阀门I 4-1和开关控制阀门III，气体导入三轴试验仪，对试样进行加热，进行后续力学实验数据测量。

3)完成加热实验后，关闭开关控制阀门I、阀门I 4-1和开关控制阀门III，开启开关控制阀门II，气体冷凝装置通电工作。冷凝管13对铁丝网II 18-2进行冷凝，铁丝网II18-2和气体充分接触并冷凝气体，冷凝管13吸收外部铁丝网II 18-2和气体的热量，使得冷凝管13中的过热蒸汽冷凝为高温中压的液体，高温中压的制冷剂液体经干燥过滤器17过滤后进入毛细管II 15-2。经毛细管II 15-2节流降压后由高温中压变为低温低压，低温低压的制冷剂液体在蒸发器16中大量吸收外界热量而汽化为饱和蒸汽，实现制冷，然后在毛细管I 15-1中变为低压蒸汽，低压蒸汽经压缩机14压缩为高温高压的过热蒸汽，并经压缩机14的排气管进入冷凝管13，进而维持循环。温控探头II 3-2和温控器II 2-2对冷凝的气体进行实时监控和调节冷凝温度。

4)气体冷凝到所需的温度后，打开阀门II 4-2和开关控制阀门III，气体导入三轴试验仪，对试样进行冷凝，进行后续力学实验数据测量。

整个试验过程中，气体一次加热-冷凝的循环时间为24h。气体加热时间为12h，加热装置均匀梯度的调节温度，加热温度从0℃到50℃；气体冷凝时间为12h,冷凝装置均匀梯度的调节温度，冷凝温度从0℃到-20℃。

实现对GDS三轴试验仪器固有科学研究范围的拓展，可对某一围压下的土样进行冻融循环，并探究冻融循环之后的土体的强度变形特性，真实的反应冻土地区土体的冻融循环过程，能够更好地为季节性冻土的研究提供基础试验支撑。

Claims (3)

1.一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置，其特征在于，包括稳定压力氮气源、高精度压力控制阀门、三通I、开关控制阀门I、开关控制阀门II、气体加热装置、气体冷凝装置、三通II、开关控制阀门III和GDS三轴试验仪；

所述稳定压力氮气源通过导气管与高精度压力控制阀门的进气口连通，高精度压力控制阀门的出气口通过导气管与三通I的A气口连通，三通I的B气口通过导气管与开关控制阀门I的进气口连通，三通I的C气口通过导气管与开关控制阀门II的进气口连通；所述开关控制阀门I的出气口通过导气管与气体加热装置的进气口I(11-1)接通，气体加热装置的出气口I(12-1)通过导气管与三通II的B气口连通；所述开关控制阀门II的出气口通过导气管与气体冷凝装置的进气口II(11-2)接通，气体冷凝装置的出气口II(12-2)导气管与三通II的C气口连通；通过导气管将所述三通II的A气口与开关控制阀门III的进气口连通，开关控制阀门III的出气口与所述GDS三轴试验仪的进气口连通；

所述气体加热装置包括断路器(1)、温控器I(2-1)、温控探头I(3-1)、阀门A(4-1)、气压表I(5-1)、进气保温通道I(6-1)、出气保温通道I(7-1)、加热容器、耐高低温有机玻璃外壁I(10-1)、进气口I(11-1)、出气口I(12-1)和进气疏气装置I(20-1)；

由所述耐高低温有机玻璃外壁I(10-1)构造的加热容器，加热容器还包括隔热层I(8-1)、加热管(9)以及铁丝网I(18-1)；

所述气体加热装置的进气口I(11-1)与进气保温通道I(6-1)的一端连通，进气保温通道I(6-1)的另外一端与进气疏气装置I(20-1)的进气口连通；进气疏气装置I(20-1)的出气口与所述加热容器的进气端连通，所述加热容器的出气端通过导气管与阀门A(4-1)的进气口连通；所述阀门A(4-1)的出气口通过导气管与气压表I(5-1)的进气口连通，气压表I(5-1)的出气口通过导气管与出气保温通道I(7-1)的进气口连通；所述出气保温通道I(7-1)的出气口与所述气体加热装置的出气口I(12-1)连通；

所述气体冷凝装置包括温控器II(2-2)、温控探头II(3-2)、阀门B(4-2)、气压表II(5-2)、进气保温通道II(6-2)、出气保温通道II(7-2)、冷凝容器、耐高低温有机玻璃外壁II(10-2)、进气口II(11-2)、出气口II(12-2)、压缩机(14)、毛细管I(15-1)、毛细管II(15-2)、蒸发器(16)、干燥过滤器(17)和进气疏气装置II(20-2)；

由所述耐高低温有机玻璃外壁II(10-2)构造的冷凝容器，冷凝容器还包括隔热层II(8-2)、冷凝管(13)以及铁丝网II(18-2)；

所述的气体冷凝装置中冷凝管(13)与干燥过滤器(17)连通，干燥过滤器(17)与蒸发器(16)连通，毛细管I(15-1)安装在连接蒸发器(16)和干燥过滤器(17)的管道内壁，蒸发器(16)与压缩机(14)连通，毛细管II(15-2)安装在连接蒸发器(16)和压缩机(14)的管道内壁，压缩机(14)与冷凝器(13)连通形成一个循环；

所述气体冷凝装置的进气口II(11-2)与进气保温通道II(6-2)的一端连通，进气保温通道II(6-2)的另外一端与进气疏气装置II(20-2)的进气口连通；进气疏气装置II(20-2)的出气口与所述冷凝容器的进气端连通，所述冷凝容器的出气端通过导气管与阀门B(4-2)的进气口连通；所述阀门B(4-2)的出气口通过导气管与气压表II(5-2)的进气口连通，气压表II(5-2)的出气口通过导气管与出气保温通道II(7-2)的进气口连通；所述出气保温通道II(7-2)的出气口与所述气体冷凝装置的出气口II(12-2)连通；

所述气体加热装置的出气口I(12-1)与三通II的B气口连通，所述气体冷凝装置的出气口II(12-2)与三通II的C气口连通，三通II的A气口与开关控制阀门III的进气口连通；所述开关控制阀门III的出气口与GDS三轴试验仪的进气口连通。

2.根据权利要求1所述的一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置，其特征在于，所述气体加热装置中的加热管(9)与温控器I(2-1)串联，温控探头I(3-1)插入到加热管(9)的出气口位置，温控探头I(3-1)的数据输出端通过导线与温控器I(2-1)数据端连接，断路器(1)串联在温控器I(2-1)与220V电源线路中间；

所述的进气疏气装置I(20-1)主要部分为气体分流孔I(19-1)，所述气体分流孔I(19-1)的进气口与进气保温通道I(6-1)的出气口连通，所述气体分流孔I(19-1)为稳流孔筛；所述进气疏气装置II(20-2)主要部分为气体分流孔II(19-2)，气体分流孔II(19-2)的进气口与进气保温通道II(6-2)的出气口连通，所述气体分流孔II(19-2)为稳流孔筛。

3.基于权利要求1所述的一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤；

1)开启高精度压力控制阀门和开关控制阀门I，关闭开关控制阀门II，气体加热装置通电工作，加热管(9)对铁丝网I(18-1)进行加热，铁丝网I(18-1)和气体充分接触并加热气体；温控探头I(3-1)和温控器I(2-1)对加热的气体进行实时监控和调节加热温度；

2)气体加热达到所需要的温度后，打开阀门A(4-1)和开关控制阀门III，气体导入三轴试验仪，对试样进行加热，进行后续力学实验数据测量；

3)完成加热实验后，关闭开关控制阀门I、阀门A(4-1)和开关控制阀门III，开启开关控制阀门II，气体冷凝装置通电工作，冷凝管(13)对铁丝网II(18-2)进行冷凝，铁丝网II(18-2)和气体充分接触并冷凝气体，冷凝管(13)吸收外部铁丝网II(18-2)和气体的热量，使得冷凝管(13)中的过热蒸汽冷凝为高温中压的液体，高温中压的制冷剂液体经干燥过滤器(17)过滤后进入毛细管II(15-2)；经毛细管II(15-2)节流降压后由高温中压变为低温低压，低温低压的制冷剂液体在蒸发器(16)中大量吸收外界热量而汽化为饱和蒸汽，实现制冷，然后在毛细管I(15-1)中变为低压蒸汽，低压蒸汽经压缩机(14)压缩为高温高压的过热蒸汽，并经压缩机(14)的排气管进入冷凝管(13)，进而维持循环；温控探头II(3-2)和温控器II(2-2)对冷凝的气体进行实时监控和调节冷凝温度；

4)气体冷凝到所需的温度后，打开阀门B(4-2)和开关控制阀门III，气体导入三轴试验仪，对试样进行冷凝，进行后续力学实验数据测量；

所述气体加热时间和气体冷凝时间相同，加热装置和冷凝装置都是均匀梯度的调节温度。