CN108508178A - 一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明实现了一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法，包括：改装后的三轴压力室、可以内部加热的试样筒体、温度控制器和超声波处理器，试样筒体周围包裹有一层橡皮膜，试样土体内部嵌有一个小型加热颗粒，加热颗粒通过细导线穿过透水石和试样帽与压力室顶盖上部的温度传感器相连接，两片弧形加热板对称包覆在压力室侧壁的内侧，中间充填隔热石棉，温度传感器一端穿过压力室筒体内，一端通过导线与温度控制器相连，超声波处理器由压力室侧壁两侧的超声波发射装置、接收装置和超声波处理装置组成。该试验方法可以快速对土体加热，使得土体外部加热温度均匀、内部局部受热，实现环境温度对土体位移和温度的影响性分析。

Description

一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法

技术领域

本发明涉及饱和土与温度有关的试验，特别是不同饱和土体内部加热的热固结试验，属于土工试验技术领域。

背景技术

温度对于岩土体各向介质的力学性质研究是一直以来岩土工程领域的热门课题。热能在岩土体中的扩散和传导及其对土体变形和强度的影响受到岩土领域各个学者的关注和重视。在地热源的存储和开发，高放射性核废料的处置，地下供热管道的埋设以及在季节昼夜温差等条件下导致的土体变形和稳定等等工程问题方面都成为大家研究的重要方向。因此对于土体不同温度下的试验研究显得尤为重要。国内外已有很多学者研制出了温控试验装置，分别都开展了相应的关于温度效应的固结和三轴试验，也取得了一些重要成果。目前国内外温控土工试验仪的加热方式主要有三种：

其一，将压力室置于恒温箱内模式。该模式不需要改装试验装置，而只要将仪器置于一个高温环境中来达到试验所要求的温度，缺点是对仪器的耐高温要求高，建立温控实验室成本大，试验环境较差。

其二，压力室内加热模式。通过加热线圈，加热棒，加热管或加热板对液体直接加热，可以较好的达到试验温度要求，缺点是高围压下很难实现液体的均匀加热，导致试样温度不均。

其三，压力室外加热模式。在压力室内缠绕线圈，通过加热线圈对室内液体加热。由于通过外罩间接给液体加热，使试样受热均匀，缺点是所需达到的目标温度时间较长。

由此可见三类加热方法都有一些不足之处，对于研究深层土体一热源对土体的影响，其温度对于周围环境的作用也是局部的，温度也会因为距离热源的远近呈现不同的变化，因此该方向的试验研究采用室内加热模式更加合理，另外在此提出一种土体内部直接加热的方法，使得土体内部某点受到的温度更加类似于一热源对土体的作用。此方法可实现内部热源局部加热、外部土体均匀受热及同时实现外部土体均匀加热与内部土体局部受加热三种控制方式。

发明内容

本发明所要解决的问题就是提供一种给试样外部受热均匀，内部局部加热，加热时间短且操作方便，可实现快速、分段、分级变温的实时精确控制的热固结试验方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法，包括：用于承放试样的压力室、用于加热的两片横截面承半圆形的弧形板式加热器、小型的方形加热颗粒、温度控制器和超声波处理器，所述的压力室包括压力室筒体，所述的压力室筒体上部为焊接的压力室顶盖，所述的压力室筒体下部为由螺栓连接的底座，所述的压力室顶盖中部设置有压力杆，所述的压力杆上端与外部电机连接，下端与所述的试样腔相接，所述的试样腔上下端都设置有透水石，所述的试样腔内置有一小型加热颗粒，所述的加热颗粒通过细导线与所述的压力室顶盖上部的温度传感器相接，所述的两片弧形加热板对称包覆在压力室筒体的内壁，所述的温度传感器一端穿过压力室筒体内，一端通过导线与所述的温度控制器相连，所述的超声波处理器是由压力室侧壁两侧的超声波发射装置、接收装置和超声波处理装置组成。

所述的压力室顶盖上部设置有进水口，所述的进水口与外部的进水管相连接，所述的试样帽上设置有上排水孔与上排水管相接，所述的上排水管穿过底座，所述的底座设置有周围压力连接管和下排水管，所述的周围压力连接管设置有周围压力连接孔，所述的下排水管设置有孔隙水压力传感器，所述的进水管和排水管位于压力室内的部分采用黄铜制成。

所述的两片弧形加热板通过固定螺栓紧紧固定在所述的压力室内壁，所述的弧形加热板由两半组成，便于拆卸。

所述的试样内部设置有一小型加热颗粒，连接所述小型加热颗粒的细导线穿过土层、所述的透水石、所述的试样帽与所述的压力室筒体上的所述的温度传感器相接，所述的加热颗粒为钢制材料，导热性好，不易变形且耐腐蚀。

所述的弧形板式加热器紧贴在所述的压力室内壁由里到外设置有加热板，隔热石棉和钢压力室筒体，所述的加热板通过导线穿过所述的压力室顶盖，与温度传感器相连接，所述的温度传感器通过导线与温度控制器相接，隔热石棉将加热板与压力室筒体外壁隔绝，有利于防止温度的散失。

所述试样的外围包覆有一层橡胶膜，所述的压力室顶盖、所述的压力室筒体、所述的试样帽、所述的底座和所述的压力杆均为钢制材料。

所述的超声波处理装置是由波形显示器和频谱分析设置按钮组成。

与已有的试验技术相比，本发明的优点在于：

(1)本温控试验系统可以与试验主机完全分离，第一是弧形加热板，其是由两个半圆形的板组成，易于拆卸，第二是小型加热颗粒，填埋在试样内部，在不需要进行温度相关试验时都可以卸除。

(2)本试验方法可以通过给土体内部加一小型加热颗粒，直接给土体热量，更好的模拟深层土体一热源对周围土体的影响。

(3)本试验方法采用压力室内部加热模式，通过在压力室筒体内壁加弧形加热板，直接对压力室中的水加热，然后再通过水对试样加热，使得试样受热均匀且所需时间较短。

(4)本试验方法中应用到温度控制器，其具有程序运行功能，可实现快速、分段、分级变温的实时精确控制。

(5)本试验仪加设了超声波装置，可以通过幅值、波形、频率更清楚的对土样的位移变化、温度变化做出判断。

附图说明

图1为本发明一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法的试验仪结构示意图；

图2为本发明一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法的试验原理图。

图中1-温度控制器；2-电热耦；3-压力室侧壁；4-隔热石棉；5-加热板；6-试样腔；7-底座；8-周围压力连接管；9-周围压力连接孔；10-下排水管；11-孔隙水压力量测传感器；12-排水阀；13-螺栓；14-上排水管；15-透水石；16-试样帽；17-进水阀；18-进水管；19-顶盖；20-小型加热颗粒；21-橡胶材料；22-压力杆；23-位移传感器；24-温度传感器；25-橡胶膜；26-导线；27-发射装置；28-接收装置；29-超声波处理装置。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明做进一步阐述说明。

具体实施例

一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法，主要用于三轴仪不同温度相关的试验，为得到土体的力学参数随温度变化这一方向的研究提供一种试验方法，其包括：用于承放试样的压力室，用于加热的两片横截面承半圆形的弧形板式加热器5，小型的方形加热颗粒20，温度控制器1和超声波处理器。压力室筒体上部为焊接的压力室顶盖19，压力室筒体下部为由螺栓13连接的底座7，压力室顶盖19中部设置有压力杆22，压力杆22上端与外部电机连接，下端与试样腔6相接。试样腔6设置于压力室底座7中央处，试样腔6土体内内置有一小型加热颗粒20，加热颗粒20通过细导线26与压力室顶盖19上部的温度传感器24相接。两片弧形加热板5对称包覆在压力室筒体的内壁3，温度传感器24一端穿过压力室筒体内，一端通过导线与温度控制器1相连，超声波处理器是由压力室侧壁两侧的超声波发射装置27、接收装置28和超声波处理装置29组成，超声波处理装置29是由波形显示器和频谱分析设置按钮组成。

在此具体实施例中，压力杆22与试样腔6之间设置有试样帽16，底座7与试样腔6之间和试样帽16与试样腔6之间分别都设置有透水石15。压力室顶盖19上部设置有进水口，进水口与外部的进水管18相连接，试样帽16上设置有上排水孔与上排水管14相接，上排水管14穿过底座7，底座7设置有周围压力连接管8和下排水管10，周围压力连接管8设置有周围压力连接孔9，下排水管设置有孔隙水压力量测传感器11。进水管18和排水管14位于压力室内的部分采用黄铜制成。

在此具体实施例中，两片弧形加热板5通过固定螺栓13紧紧固定在所述的压力室内壁3，试样腔6内部设置有一小型加热颗粒20，弧形板式加热器紧贴在压力室内壁3由里到外设置有加热板5，隔热石棉4和钢压力室筒体3，加热板5通过导线穿过压力室顶盖19，与温度传感器24相连接，温度传感器24通过导线与温度控制器1相接。隔热石棉4将加热板5与压力室筒体外壁隔绝。

在此具体实施例中，压力室顶盖19上表面和压力杆22位于压力室筒体外部的外壁上包裹有橡胶材料21。通过橡胶材料21来防止热量的散失。试样腔6的外围包覆有一层橡胶膜25，压力室顶盖19，压力室筒体3，小型加热颗粒20，试样帽16，底座7和压力杆22均为钢制材料。

实施过程如下：

(1)制备土试样过程中，将小型加热颗粒20嵌入其中，保证土体与加热颗粒20的良好接触，外套一层橡胶膜25，同时将细导线26沿着土样外壁，即从橡皮膜25的内壁取出，试样上下端加透水石15，上透水石15上加设试样帽16，然后细导线26穿过透水石15和试样帽16与外部的温度传感器24相接，用橡皮筋将其在试样腔6中的部分勒紧，即完成土样内部加热的试验步骤。

(2)在压力室筒体内侧加隔热石棉4后再安装弧形加热板5，通过螺栓紧固在压力室筒体3内壁，再用导线连接到温度传感器24上，将温度传感器24固定安装在压力室顶盖19上，通过导线与温度控制器1连接，即完成了整个温度控制器1的安装。

(3)将安装有温度控制器1的压力室筒体5与压力室底座7通过螺栓拧紧，然后通过手动控制阀将压力杆22与试样帽16相接触，压力杆22上安装有位移传感器23，在压力室顶盖19和压力杆22表面覆盖有橡胶材料21，完成试样的安装。

(4)开启温度控制器1电源开关，根据试验方案可分别设定弧形加热板5和小型加热颗粒20的目标温度，调整加热频率，设定初始温度，最终温度以及加热时间，同时可进行分级分段升温及降温操作。例如设定初始温度为室温20℃，目标温度为80℃，即恒定温度为80℃，最终温度为20℃，加热频率为10℃/h，加热时间为6h，恒温时长为3～5个小时后开始固结试验。设置完成后，可先对弧形加热板5的温度实行控制，先按对应弧形加热板5的控制按钮，先对土体的外部进行相对的均匀加温，加热过程中禁止调节频率按钮。当室内液体温度与加热板5温度相等时，再进行土样内部局部的加热，开启小型加热器20相应的按钮，开始加温，同时可以进行固结试验。在试验中可以根据内外分别加热和内外同时加热两种方式进行试验，并且在做热固结试验过程中可以先进行加热再进行土体的固结，也可以加热跟固结过程同时进行，因此此方法可以实现不同的温度控制试验。

(5)进行温度控制试验的同时，开启超声波处理装置按钮，此时超声波发射装置会发射超声波信号，接收装置会接收超声波信号，同时将超声波信号传递给超声波处理器进行滤波处理和频谱分析，利用超声波在不同介质中的传播速度不同的原理进行结果分析。

(6)上述实施例是对本发明的进一步阐述，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法，其特征在于，包括：改装后的三轴压力室、可以内部加热的试样筒体、温度控制器和超声波处理器，所述的改装的三轴压力室包括压力室筒体，所述的压力室筒体上部为焊接的压力室顶盖，所述的压力室筒体下部为由螺栓连接的底座，所述的压力室顶盖中部设置有压力杆，所述的压力杆上端与外部电机连接，下端与试样腔相接，所述的试样腔上下端都设置有透水石，所述的试样腔内置有一小型加热颗粒，所述的加热颗粒通过细导线与压力室顶盖上部的温度传感器相接，所述的两片弧形加热板对称包覆在压力室筒体的内壁，所述的温度传感器一端穿过压力室筒体内，一端通过导线与所述的温度控制器相连，所述的超声波处理器由压力室侧壁两侧的超声波发射装置、接收装置和超声波处理装置组成，所述的超声波处理装置由波形显示器和频谱分析设置按钮组成。

2.根据权利要求1所述的一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法，其特征在于：所述的试样腔内设置有一小型加热颗粒，连接所述的小型加热颗粒的细导线穿过土层、所述的上透水石及所述的试样帽与所述的压力室筒体上所述的温度传感器相接，所述的加热颗粒为钢制材料，在所述温度控制器的作用下可以产生热量。

3.根据权利要求1所述的一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法，其特征在于：所述的两片弧形加热板通过固定螺栓紧紧固定在所述的压力室内壁。

4.根据权利要求1所述的一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法，其特征在于：所述的压力室顶盖上部设置有进水口，所述的进水口与外部的进水管相连接，所述的试样帽上设置有上排水孔与上排水管相接，所述的上排水管穿过底座，所述的底座设置有周围压力连接管和下排水管，所述的周围压力连接管设置有周围压力连接孔，所述的下排水管设置有孔隙水压力传感器，所述的进水管和排水管位于压力室内的部分采用黄铜制成。

5.根据权利要求1所述的一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法，其特征在于：所述的弧形板式加热器紧贴在所述的压力室内壁由里到外设置有加热板、隔热石棉和钢压力室筒体，所述的加热板通过导线穿过所述的压力室顶盖，与温度传感器相连接，所述的温度传感器通过导线与温度控制器相接。

6.根据权利要求1所述的一种饱和土内部加热的热固结试验仪及其试验方法，其特征在于：所述试样腔的外围包覆有一层橡胶膜，所述的压力室顶盖、所述的压力室筒体、所述的试样帽、所述的底座和所述的压力杆均为钢制材料。