CN106644750B - 开放系统冻融土动静三轴测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开放系统冻融土动静三轴测试仪，所述测试仪包括温控系统、补水系统、加载系统、围压系统和数采系统五大系统，其中：温控系统包括冷端端头、暖端端头、高低温恒温液浴循环装置、多孔传压介质、橡胶膜；补水系统包括补水槽、补水瓶和高进气值陶土板；加载系统包括激振器、反力架、试验台座、中央传力杆和配重；围压系统包括直线轴承、气压阀、外压力室和内压力室；数采系统包括位移传感器、环形液面标定室、体变测量室、差压传感器、压电式力传感器、温度传感器和湿度传感器。本发明的开放系统冻融土动静三轴测试仪可以实现《铁路工程土工试验规程》(TB10102‑2010)中涉及的常规冻土试验、动荷载作用时不同应力状态下试样单向冻融试验等。
Description
技术领域
本发明属于冻土工程、路基工程和隧道工程土工试验技术领域，涉及一种用于研究开放系统中静动荷载作用下普通土、特殊土和路基填料单向冻融物理力学性质的试验仪器。
背景技术
我国在东北、华北、西北等地区分布广阔的季节冻土，占国土面积的54%，其中冻深达0.5m且能够引起工程问题的季节冻土占4.46×106km2，冻深达1.5m且能够引起严重工程问题的深季节冻土占3.67×106km2。东北地区属于典型的高寒深季节冻土区，季节性冻害问题频繁且相对严重。
进入21世纪，我国高速铁路、快速客运专线、重载铁路、高速公路、铁路隧道、公路隧道和城市地铁建设日益加快，其中大多数重大基础设施均分布在季节冻土区和深季节冻土区，面临着不同程度的冻融问题。对于铁路工程，路基填料的冻融问题是影响轨道不平顺的重要因素之一，其对铁路工程的阶段提速、行车安全和使用寿命均有重要影响。此外相关研究表明，在行车荷载作用下，冻土路基中水分迁移速率将显著增大，水分迁移量大幅增加，这将导致冻融问题更加严重。同时随着高速铁路行车速度的提高以及重载铁路轴重的增加，行车荷载较之从前显著提高，在路基中的影响深度可达6~8m，远超目前路基设计所考虑的行车振动影响深度—基床上部70cm范围，从而使得由列车荷载作用导致水分迁移速率增加的影响范围显著扩大，冻害问题不容乐观。对于公路工程，虽然其行车荷载形式和铁路工程不同，但所涉及的问题与之基本相似，宏观表现为路面开裂和不均匀沉降。对于隧道工程，冻融问题影响着隧道的行车安全和使用寿命，由冻融作用引起的衬砌结构大变形、裂缝乃至坍落并不鲜见。因此针对面临的季节性冻害问题，以室内试验模拟为手段，研究季节冻土区土体或路基填料的物理力学性质是必须且重要的。
近年来，关于土体或路基填料冻融问题的研究大多停留在封闭系统、侧向约束和静载作用的层面上，对于动载作用下的冻融问题和不同固结状态下更一般的冻融问题的研究还很鲜见，同时基于封闭系统进行的冻融问题研究存在一定局限性，开放系统下成套试验设施的开发能够弥补其不足，因此提出一种用于研究开放系统中静动荷载作用下不同固结状态试样冻融性质的试验仪器具有现实和长远意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种开放系统冻融土动静三轴测试仪，它可以真实模拟土体和路基填料的冻融过程，可以考虑侧向约束、围压、上部静载、上部动载、温度梯度、初始含水率和密实度等因素对试样单向冻融性质的影响，可以实时监测试样冻融过程中温度场、湿度场、系统补水量、冻胀力、体应变和轴向应变等物理力学技术指标的变化情况。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种开放系统冻融土动静三轴测试仪，包括温控系统、补水系统、加载系统、围压系统和数采系统五大系统，其中：
所述温控系统包括冷端端头、暖端端头、高低温恒温液浴循环装置、多孔传压介质、橡胶膜，高低温恒温液浴循环装置分别与冷端端头和暖端端头相连通，冷端端头和暖端端头分别位于试样的顶面和底面，橡胶膜包裹在试样外侧，多孔传压介质包裹在橡胶膜的外侧；
所述补水系统包括补水槽、补水瓶和高进气值陶土板，补水槽与补水瓶连通，高进气值陶土板位于补水槽内且与试样的底面连接；
所述加载系统包括激振器、反力架、试验台座、中央传力杆和配重，反力架固定在试验台座上，激振器固定在反力架上并通过中央传力杆与冷端端头相连接，配重穿套在中央传力杆上；
所述围压系统包括直线轴承、气压阀、外压力室和内压力室，直线轴承和气压阀位于外压力室上盖板上，直线轴承穿套在中央传力杆上，多孔传压介质位于内压力室内；
所述数采系统包括位移传感器、环形液面标定室、体变测量室、差压传感器、压电式力传感器、温度传感器和湿度传感器，环形液面标定室位于内压力室外侧上端，体变测量室位于内压力室内部试样上方，差压传感器用于测量体变测量室内液面变化量，位移传感器用于监测冷端端头位移变化量，压电式力传感器用于监测试样变形过程中所受压力和冻胀力，温度传感器和湿度传感器用于监测试样内部温度场和湿度场的变化时程。
本发明具有如下优点：
1、本发明的开放系统冻融土动静三轴测试仪可以实现《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2010)中涉及的常规冻土试验、动荷载作用时不同应力状态下试样单向冻融试验等。
2、本发明理念先进、原理科学、操作简单，可以为季节冻土区、深季节冻土区和永久冻土区高速铁路、高速公路、大长隧道的行车安全性分析和长期性评价等提供技术支持和理论依据。
附图说明
图1是开放系统冻融土动静三轴测试仪示意图，1-激振器、2-反力架、3-位移传感器、4-中央传力杆、5-配重、6-冷端高低温恒温液浴循环装置进口、7-冷端高低温恒温液浴循环装置出口、8-直线轴承、9-气压阀、10-电路引出孔、11-环形液面标定室、12-外压力室、体变13-测量室、14-压电式力传感器、15-冷端端头、16-内压力室、17-多孔传压介质、18-试样、19-温度传感器、20-湿度传感器、21-橡胶膜、22-高进气值陶土板、23-暖端端头、24-补水槽、25-补水系统出水及排气孔、26-补水系统进水孔、27-暖端高低温恒温液浴循环装置进口、28-暖端高低温恒温液浴循环装置出口、29-环形液面标定室进水口、30-内压力室进水口、31-试验台座、32-差压传感器；
图2是试样发生膨胀时总体应变、轴向应变和径向应变计算示意图；
图3是试样发生压缩时总体应变、轴向应变和径向应变计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的开放系统冻融土动静三轴测试仪由温控系统、补水系统、加载系统、围压系统和数采系统五大系统组成，其中：
所述温控系统由冷端端头15、暖端端头23、高低温恒温液浴循环装置、多孔传压介质17、橡胶膜21共同组成。其中，冷端端头15上设置有冷端高低温恒温液浴循环装置进口6和冷端高低温恒温液浴循环装置出口7，暖端端头23上设置有暖端高低温恒温液浴循环装置进口27和暖端高低温恒温液浴循环装置出口28，高低温恒温液浴循环装置分别与冷端高低温恒温液浴循环装置进口6、冷端高低温恒温液浴循环装置出口7、暖端高低温恒温液浴循环装置进口27和暖端高低温恒温液浴循环装置出口28相连通；冷端端头15和暖端端头23分别位于试样18的顶面和底面，橡胶膜21包裹在试样18外侧，且与冷端端头15底面和暖端端头23顶面贴合，多孔传压介质17包裹在橡胶膜21的外侧。
所述补水系统由高进气值陶土板22、补水槽24和通用马氏补水瓶共同组成。其中，补水系统出水及排气孔25和补水系统进水孔26位于补水槽24的底面，补水系统出水及排气孔25与大气连通，补水系统进水孔26与通用马氏补水瓶连通，高进气值陶土板22位于补水槽24内且与试样18的底面连接。补水槽24位于暖端端头23的顶面。暖端端头23顶面和试样18的底面之间自下向上包括补水槽24、高进气值陶土板22。
所述加载系统由动力和静力加载模块共同组成，具体包括激振器1、反力架2、试验台座31、中央传力杆4和配重5。其中，激振器1固定在反力架2上，反力架2固定在试验台座31上，激振器1通过中央传力杆4与冷端端头15相连接，共同组成动力加载模块，激振器1可以采用偏心块激振器、电磁式激振器或气动式激振器，其作动滑距需调整；配重5穿套在中央传力杆4上，组成静力加载模块。
所述围压系统由直线轴承8、气压阀9、外压力室12和内压力室16共同组成。其中，直线轴承8和气压阀9位于外压力室12上盖板上，直线轴承8穿套在中央传力杆4上且位于配重5下方，中央传力杆4和直线轴承8之间进行动密封处理，多孔传压介质17位于内压力室16内。试验中，通过内压力室进水口30向内压力室16内注入特制液体，使之浸润多孔传压介质17。将气压阀9与外部可控压力源连接，气压通过内压力室16内的特制液体将压力均匀作用在试样18表面。
所述数采系统由位移传感器3、环形液面标定室11、体变测量室13、差压传感器32、压电式力传感器14、温度传感器19和湿度传感器20共同组成。其中，环形液面标定室11位于内压力室16外侧上端，体变测量室13位于内压力室16内部试样上方，环形液面标定室11、体变测量室13和差压传感器32用于监测试样体变，位移传感器3用于监测冷端端头15位移变化量（即：试样轴向应变），压电式力传感器14用于监测试样变形过程中所受压力和冻胀力；温度传感器19和湿度传感器20分别插在试样两侧，用于监测试样内部温度场和湿度场的变化时程。上述测量装置通过电路引出孔10与数据采集仪连接。
本实施方式中，所述电路引出孔10采用普通电连接器进行改装，电连接器两端设置多个金属针头，导线通过锡焊方式与之连接。
本实施方式中，所述冷端端头15和暖端端头23内部设置环状导流管，并在冷端腔体内充填防冻液，在暖端腔体内充填蒸馏水，以均匀传热。
本实施方式中，所述多孔传压介质17孔隙率的取用范围需经试验确定，此外其上下表面应当分别与冷端端头15和暖端端头23的表面相粘连。在冻胀试验中，随冻胀的不断发展，多孔传压介质孔隙率将逐渐增大，需保证最大孔隙率下，多孔传压介质区域不形成大对流作用。
试验原理：
进行冻胀试验时，在固结完成的试样顶面和底面分别施加恒定负温和正温，并在试样周围设置保温绝热层，使试样内部形成具有稳定温度梯度的温度场。同时在试样底面高度处提供充足的无压水源，以保证开放系统下冻胀过程中的水分补给。试验开始后，无压水源在毛细力、动荷载、负孔隙压力等作用下将发生迁移，在冻结锋面以上冻结引起试样体积膨胀。
进行融沉试验时，在达到最大冻胀量的试样顶面施加指定正温，使其在指定稳定正温度梯度下缓慢融化，产生沉降。
当亟需研究静载或动载作用下试样冻融性质时，在试样上部作用配重或激振器以模拟这两种情况。施加动荷载时，试样周围是非刚性多孔传压介质，不会影响试样内波的传递。
当亟需研究不同围压条件下试样冻融性质时，在外压力室内部上端，通过气压阀施加可控气压，通过内压力室防冻液传递作用于试样表面。试验过程中气压需持续稳定施加，较大波动对试验精度影响很大。
上述试验过程中采用温度传感器、湿度传感器、位移传感器和差压传感器等装置记录试样冻融过程中各项物理力学指标，并结合试样的初态和终态，对试样冻融过程进行完整描述和分析研究。
技术指标：
（1）试样尺寸：Φ101mm×200mm；
（2）围压：0~1MPa；
（3）直接轴承摩擦力控制在10N以下，且保证气密性；
（4）模拟温度范围：-40℃~+40℃；
（5）动荷载频率范围：5~10Hz。
具体实施方式二：本实施方式以开放系统中动荷载作用下有压单向冻融试验为例说明具体实施方式一中开放系统冻融土动静三轴测试仪的操作流程，具体包括以下几方面：
1、试样制备。参考《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2010)中土样和试样制备方法，制备标准尺寸Φ101mm×200mm试样。脱模后沿试样高度方向每间隔40mm在其两侧分别插入温度传感器和湿度传感器各一支。将试样用橡胶膜包裹，传感器端头包裹在内，导线从试样上端捋出。
2、补水系统调节：通过与补水系统进水孔连接的马氏补水瓶向补水槽内注水，并调节补水槽内液面，使之恰好与高进气值陶土板上表面齐平，调节完毕后关闭补水系统。
3、端头处理：在冷端端头内腔中加注冷冻液，在暖端端头内腔中加注蒸馏水，将冷暖端头进出口与高低温液浴循环装置连接，在接头处做好保温处理。
4、装样：在高进气值陶土板上方依次放置滤纸、试样、滤纸和冷端端头。试样上下端头处橡胶膜与冷暖端头连接，做防水处理。放置多孔传压介质，依次安装内压力室、体变测量室、环形液面标定室、外压力室和位移传感器。从外压力室上部引出温度传感器、湿度传感器、差压传感器和压电式力传感器的导线，通过锡焊方式与电路引出孔的金属针头连接。在内外压力室内注入防冻液，检查外压力室气密性。
5、数据采集装置连接：将温度传感器、湿度传感器、位移传感器、压电式力传感器和差压传感器导线依次连接至数据采集系统，标定初始值。
6、试验初始条件设定：施加围压和压力补偿进行24h固结，固结稳定后在试件上下表面分别施加负温和正温，持续12h，在试样内部形成稳定温度场。
7、试验工况设定：调节冷端端头温度至指定温度，打开补水系统进水口，开启激振器，施加特定波形动荷载，直至竖向冻胀位移趋于稳定方可终止试验。
8、进行融沉试验时，在试样达到最大冻胀位移后改变试样上表面温度为指定正温，其他试验条件均保持不变。当融沉位移趋于稳定时，终止试验。
9、数据采集和处理
体变测量室13内液面变化量Δh由差压传感器32量测，冷端端头15位移变化量ΔH由位移传感器3量测获得。h0是试样初始高度，D1是内压力室15内径，D2是体变测量室13外径，D3是试样初始直径。D1对应截面积为πD1 2/4，D2对应截面积为πD2 2/4。体变测量室13内液面初始高度为h1，变化后高度为h2。冷端端头15初始高度为H1，变化后高度为H2。圆柱体试样初始体积为πh0D3 2/4，见图2和3。
当试样膨胀时，体变测量室13内测量液面下降，位移变化量为Δh=h1-h2，冷端端头15上升，位移变化量ΔH= H2-H1，则试样总体变、轴向应变和径向应变计算如下：
总体变：；
轴向应变：；
径向应变：。
当试样压缩时，体变测量室13内测量液面上升，位移变化量为Δh=h2-h1，冷端端头15下降，位移变化量ΔH= H1-H2，则试样总体变、轴向应变和径向应变计算如下：
总体变：；
轴向应变：；
径向应变：。
Claims (7)
1.一种开放系统冻融土动静三轴测试仪，其特征在于所述测试仪由温控系统、补水系统、加载系统、围压系统和数采系统五大系统组成，其中：
所述温控系统包括冷端端头、暖端端头、高低温恒温液浴循环装置、多孔传压介质、橡胶膜，高低温恒温液浴循环装置分别与冷端端头和暖端端头相连通，冷端端头和暖端端头分别位于试样的顶面和底面，橡胶膜包裹在试样外侧，多孔传压介质包裹在橡胶膜的外侧；
所述补水系统包括补水槽、补水瓶和高进气值陶土板，补水槽与补水瓶连通，高进气值陶土板位于补水槽内且与试样的底面连接；
所述加载系统包括激振器、反力架、试验台座、中央传力杆和配重，反力架固定在试验台座上，激振器固定在反力架上并通过中央传力杆与冷端端头相连接，配重穿套在中央传力杆上；
所述围压系统包括直线轴承、气压阀、外压力室和内压力室，直线轴承和气压阀位于外压力室上盖板上，直线轴承穿套在中央传力杆上，多孔传压介质位于内压力室内；
所述数采系统包括位移传感器、环形液面标定室、体变测量室、差压传感器、压电式力传感器、温度传感器和湿度传感器，环形液面标定室位于内压力室外侧上端，体变测量室位于内压力室内部试样上方，差压传感器用于测量体变测量室内液面变化量，位移传感器用于监测冷端端头位移变化量，压电式力传感器用于监测试样变形过程中所受压力和冻胀力，温度传感器和湿度传感器用于监测试样内部温度场和湿度场的变化时程。
2.根据权利要求1所述的开放系统冻融土动静三轴测试仪，其特征在于所述橡胶膜与冷端端头底面和暖端端头顶面贴合。
3.根据权利要求1所述的开放系统冻融土动静三轴测试仪，其特征在于所述冷端端头和暖端端头内部设置环状导流管。
4.根据权利要求1所述的开放系统冻融土动静三轴测试仪，其特征在于所述多孔传压介质的上下表面分别与冷端端头和暖端端头的表面相粘连。
5.根据权利要求1所述的开放系统冻融土动静三轴测试仪，其特征在于所述补水槽的底面设置有补水系统出水及排气孔和补水系统进水孔，补水系统出水及排气孔与大气连通，补水系统进水孔与补水瓶连通。
6.根据权利要求1所述的开放系统冻融土动静三轴测试仪，其特征在于所述激振器为偏心块激振器、电磁式激振器或气动式激振器。
7.根据权利要求1所述的开放系统冻融土动静三轴测试仪，其特征在于所述直线轴承的摩擦力控制在10N以下。
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