CN110296889B - 用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，包括固定于支撑柱上底板，底板上部中心处依次设置下通水板和下透水板，底板上部外围固定连接围压桶，围压桶外部设置保温桶，围压桶和保温桶之间有空腔，下透水板上部用于放置试样，试样顶部依次设置上透水板和上通水板，试样外部套有螺旋状冻融液循环管，围压桶顶部设有上盖板，上盖板中心开有供压力杆穿过的通孔，通孔外围的上盖板上还开有与围压桶内腔相连通的第一围压测压表和排气阀，以及与冻融液循环管相连通的冻融液循环进液口和冻融液循环液出口；通孔上部安装有与其相匹配且能供压力杆穿过的导向套，导向套上部穿过保温桶顶部。本发明同时公开了利用该压力室的试验方法。

Description

用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种及岩土工程测试设备技术，尤其是一种用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室及其试验方法。

背景技术

季节性冻土一年内至少经历一次冻融循环。对于道路和堤防工程，冬冻春融时土体结构内部及周围湿度和温度都在波动。尤其是在行车荷载的动力作用下，路基或堤防材料特性会出现大幅度的改变，严重影响其正常的工作能力，更严重的可能使道路或堤身发生严重破坏。

常规的大型三轴压力室可以满足一般粗粒土的三轴压缩试验，而对于一些寒区工程粗粒土在冻融循环及荷载作用下的抗剪强度测试等需要对仪器进行特殊处理，无法满足相关试验要求。

中国专利申请CN 106769563A公开了一种土体冻融循环-动荷载耦合的三轴试验装置及其方法，装置包括试样单元、动三轴压力单元、温控单元和循环液供给单元；试样单元置于动三轴压力单元内部，温控单元与动三轴压力单元连接监测其围压夜体温度，温控单元又与循环液供给单元相连接控制循环液的温度，循环液供给单元与动三轴压力单元相连接，为其提供循环液。该专利申请可以进行常规及冻融循环条件下的三轴试验，但试样的温度控制单元无法对试样温度精确测试。

中国专利申请CN 106644750A公开了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，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、中央传力杆和配置；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、压差传感器、压电式力传感器、温度传感器和湿度传感器。该专利申请可进行冻融循环下土的三轴试验，但在粗粒土渗透系数与体变的测量时因无上部排水口而存在一定的缺陷。

中国专利申请CN103728185A公开了一种低温动三轴仪，，底盘侧面分别设有围压直接接口和孔隙水压力测压接口，下盘座侧面分别设有下盘冷浴循环入口和下盘冷浴循环出口，下盘座上方设有内部轴室，内部轴室顶部设有上盘帽，内部轴室外围设有外部轴室，外部轴室外围设有冷浴循环室，冷浴循环室侧面分别设有周围冷浴循环入口和周围冷浴循环出口，贯穿外部轴室、冷浴循环室和上盘帽两侧分别设有上盘冷浴循环入口和上盘冷浴循环出口，上盘帽上方设有活塞，活塞通过球头螺钉固定，活塞外围设有压力室上盖。该装置的冷热循环是从底部向上进行的，而本专利申请因其是从底部到上部同时进行冷热循环的而具有一定的优势，同时该专利申请中没有在试样内部测量温度装置，试样的真实温度无法直接获得。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室及其试验方法，该装置结构简单，可重复利用，整体稳定性好，适用性强，进行室内大型三轴试验方法操作简单，便于工程人员操作。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，包括固定于支撑柱上端的底板，底板上部中心处由下至上依次设置有下通水板和下透水板，底板上部外围固定连接有围压桶，围压桶外部设置有保温桶，围压桶和保温桶之间有空腔， 下透水板上部用于放置试样，试样顶部由下至上依次设置有上透水板和上通水板，试样的外部套有螺旋状冻融液循环管，围压桶顶部设置有与其固定连接的上盖板，上盖板的中心开有供压力杆穿过的通孔，通孔外围的上盖板上还开有与围压桶内腔相连通的第一围压测压表和排气阀，以及与冻融液循环管相连通的冻融液循环进液口和冻融液循环液出口；通孔上部安装有与其相匹配且能供压力杆穿过的导向套，导向套上部穿过保温桶顶部。

所述底板下部设置有底部保温层。

所述底板为中间厚边缘薄的圆形结构。

所述上透水板和上通水板、下透水板和下通水板皆与试样横截面尺寸相同且都为圆形。

所述下通水板与底板采用螺栓进行固定和连接。

所述第一围压测压表下端为管状螺栓，穿过上盖板并与上盖板螺栓连接。

所述上通水板上部中心处设有与压力杆相匹配的凹槽。

所述上通水板上部开有螺栓形式顶部排水管，该顶部排水管连接到底板，底板上同样有螺栓形式的开孔，该开孔呈L型，开孔的水平部分沿底板厚度的中部横向穿过外部保温桶壁，连接下部排水口并由下部排水口进行排水。

所述保温桶底部侧面上还设有一个L型饱和水补水口，饱和水补水口水平部分依次穿过保温桶壁和底板的厚度中部位置，竖直部分连通至下通水板。

所述冻融液循环管由螺旋状紫铜管或不锈钢管组成，冷冻液由冻融液循环进液口流入，经冻融液循环管环绕整个试样后并由冻融液循环出液口流出并与外界冻融箱连接，以进行试样的冻融循环。

所述下透水板上安装有温度传感器。

所述底板侧面上还设置有连通到围压桶内腔的围压进液口，围压进液口外端上设置有第二围压测压表。

利用用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室的试验方法，包括以下步骤：

1）. 配置一定量所需要测试的试样；

2）. 在底板上依次将下通水板用螺栓固定好，下通水板上将下透水板放好；

3）. 将胶套套入底板、下通水板、下透水板，并用橡胶条套入下通水板向内的凹槽处以便于将胶套密封好，并将试样按要求装入胶套中；

4）. 在试样顶部依次将上透水板和上通水板放好；

5）. 连接好顶部排水管，通过上盖板上方的冻融循环液进口和冻融循环液出口与外界冻融箱连接，从而达到冻融液循环给试样进行温度循环 ；

6）.将第一围压测压表和排气阀连接好，饱和水补水口和外设的补水装置连接好，通过排气阀排净空气，关闭排气阀，围压进液口与外设的加压装置连接好，加载装置属于外设的，目的是在试验进行时轴向力的加载，围压进液口外端安装一个第二围压测压表，这样整套装置连接完毕，试样的冻融循环过程温度监控通过试样下方的下透水板上安装的温度传感器来监控温度变化；

7）. 盖上装有冻融液循环管的围压桶，紧固连接螺栓，再盖上保温桶，并紧固连接螺栓；并将冻融液循环进液口和冻融液循环出液口与外置的冻融箱连接好，冻融循环方式采用从围压仓内布冻融液循环管的方式进行冻融循环；

8）. 将压力杆与上部加压设备连接好，通过饱和补水口对试样进行饱和，待底部排水口有水排出且无气泡时，试样已经饱和，按要求施加围压和压应力至预定值；冻融循环液进出口与外界冻融箱连接后，通过底部围压进液口进行围压的施加，并将温度传感器、第一、第二围压测压表连接到电脑，即可对试样进行冻融循环试验。

本发明的有益效果是：本发明可以解决冻融循环作用下粗粒土的大型三轴压缩试验的抗剪强度测试等方面的试验问题，弥补了常规三轴压力室存在的欠缺。对于寒区工程可以全天候进行不同温度、不同围压下的冻融循环（循环温度-20℃～40℃）试验（包括常规及冻融（包括温度）循环作用下的大型三轴压缩试验。该装置结构简单，可重复利用，整体稳定性好，适用性强，进行室内大型三轴试验方法操作简单，便于工程人员操作。

该大型冻融循环三轴试验压力室，不仅能用于常规环境下的大型三轴压缩试验，还能用于不同土性、不同温度模式、不同围压模式、不同冻结模式、不同的融化模式下粗粒土的压缩性等试验，均能够高效率完成，实现上述模式即常规与冻融循环、温度循环下粗粒土压缩性的测试。

附图说明

图1是图3的A-A向剖面图；

图2是本发明的其中一个侧视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是图3的B-B向剖切图；

图5是图3的C-C向剖切图；

图6是图3的D-D向剖切图；

图7是图3的E-E向剖切图；

其中1.支撑柱； 2.底部保温层；3.底板；4.下通水板； 5.下透水板；6.保温桶；7.围压桶；8.冻融液循环管；9.上透水板；10.上通水板；11.上盖板；12.导向套；13.压力杆；14.螺母； 15.第一围压测压表；16.排气阀；17.饱和水补水口；18.排水口；19.围压进液口；20.顶部排水管，21. 冻融液循环进液口，22. 冻融液循环出液口，23.试样，24.温度传感器，25.温度传感器布置管，26.第二围压测压表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图6所示，用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，包括固定于支撑柱1上端的底板3，支撑柱1直径为50mm，四个支撑柱1为整套设备的重量提供支撑，支撑柱1与底板3采用焊接工艺焊接。

底板3上部中心处由下至上依次设置有下通水板4和下透水板5，底板3中间厚度75mm，靠近边缘部位65mm，下通水板4与下透水板5与试样直径均为300mm。底板3上部外围采用螺栓固定连接有围压桶7，围压桶外径571mm，壁厚30mm；围压桶7外部套有保温桶6，保温桶外径870mm，壁厚80mm，保温桶6顶部至底部保温层底部的高度为1230mm；围压桶7和保温桶6之间有空腔，保温桶6为围压桶7周围提供很好的保温效果。

下透水板5上部用于放置试样23，试样23顶部由下至上依次设置有上透水板9和上通水板10，试样23的外部套有螺旋状冻融液循环管8，围压桶7顶部设置有与其固定连接的上盖板11，上盖板11的中心开有供压力杆穿过的通孔，通孔外围的上盖板11上还开有与围压桶7内腔相连通的第一围压测压表15和排气阀16，以及与冻融液循环管8相连通的冻融液循环进液口21和冻融液循环出液口22。

通孔上部安装有与其相匹配且能供压力杆13穿过的导向套12，导向套12上部穿过保温桶6顶部。导向套12，其外径220mm，内径120mm，壁厚50mm，高度135mm，导向套12由压力杆13穿过，并确保压力杆13的导向，导向套12下部由螺栓与上盖板11连接。

压力杆13顶部至上通水板凹槽处顶部的竖直高度为522mm，上通水板10顶部至上盖板11底部高度80mm，压力杆13顶部至支撑柱底部的高度为1530mm；

底板3下部设置有底部保温层2，底部保温层2为整套设备底部提供很好的保温效果。所述底板3为中间厚边缘薄的圆形结构。上透水板9和上通水板10、下透水板5和下通水板4皆与试样23横截面尺寸相同且都为圆形。

下通水板4与底板3采用螺栓进行固定和连接。第一围压测压表15下端为管状螺栓，穿过上盖板11并与上盖板螺栓连接。

上通水板10上部中心处设有与压力杆13相匹配的凹槽。上通水板10上部开有螺栓形式顶部排水管20，该顶部排水管20连接到底板3，底板3上同样有螺栓形式的开孔，该开孔呈L型，开孔的水平部分沿底板3厚度的中部横向穿过外部保温桶壁，连接下部排水口18并由下部排水口18进行排水。

保温桶6底部侧面上还设有一个L型饱和水补水口17，饱和水补水口17水平部分依次穿过保温桶壁和底板3的厚度的中部位置，竖直部分连通至下通水板4。下透水板5上通过温度传感器布置管25安装有温度传感器24。

冻融液循环管8由外径16mm的螺旋状紫铜管或不锈钢管组成，冷冻液由冻融液循环进液口21流入，经冻融液循环管8环绕整个试样23后并由冻融液循环出液口22流出并与外界冻融箱连接，以进行试样23的冻融循环。

底板3侧面上设还设置有连通到围压桶内腔的围压进液口19，围压进液口19外端上设置有第二围压测压表26。

利用用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室的试验方法，包括以下步骤：

1）. 配置一定量所需要测试的试样23；

2）. 在底板3上依次将下通水板4用螺栓固定好，下通水板4上将下透水板5放好；

3）. 将胶套套入底板3、下通水板4、下透水板5，并用橡胶条套入下通水板向内的凹槽处将胶套密封好，此处的橡胶条是在凹槽内勒紧胶套实现密封，防止水和气体进入式样内，并将试样23按要求装入胶套中；

4）. 在试样23顶部依次将上透水板9和上通水板10放好；

5）. 连接好顶部排水管20，通过上盖板11上方的冻融循环液进口21和冻融循环液出口22与外界冻融箱连接，从而达到冻融液循环给试样进行温度循环 ；

6）.将第一围压测压表15和排气阀16连接好，饱和水补水口17和外设的补水装置连接好，通过排气阀16排净空气，关闭排气阀16，围压进液口19与外设的加压装置连接好，加载装置属于外设的，目的是在试验进行时轴向力的加载，围压进液口19外端安装一个第二围压测压表26，这样整套装置连接完毕，试样23的冻融循环过程温度监控通过试样23下方的下透水板5上安装的温度传感器24来监控温度变化；

7）. 盖上装有冻融液循环管8的围压桶7，紧固连接螺栓，再盖上保温桶6，并紧固连接螺栓；并将冻融液循环进液口21和冻融液循环出液口22与外置的冻融箱连接好，冻融循环方式采用从围压仓内布冻融液循环管的方式进行冻融循环；

8）. 将压力杆13与上部外设的加压设备连接好，通过饱和补水口17对试样23进行饱和，待底部排水口18有水排出且无气泡时，试样23已经饱和，按要求施加围压和压应力至预定值；冻融循环液进出口21、22与外界冻融箱连接后，通过底部围压进液口19进行围压的施加，并将温度传感器24、第一、第二围压测压表15、26连接到电脑，即可对试样23进行冻融循环试验。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，其特征是，包括固定于支撑柱上端的底板，底板上部中心处由下至上依次设置有下通水板和下透水板，底板上部外围固定连接有围压桶，围压桶外部设置有保温桶，围压桶和保温桶之间有空腔， 下透水板上部用于放置试样，试样顶部由下至上依次设置有上透水板和上通水板，试样的外部套有螺旋状冻融液循环管，围压桶顶部设置有与其固定连接的上盖板，上盖板的中心开有供压力杆穿过的通孔，通孔外围的上盖板上还开有与围压桶内腔相连通的第一围压测压表和排气阀，以及与冻融液循环管相连通的冻融液循环进液口和冻融液循环液出口；通孔上部安装有与其相匹配且能供压力杆穿过的导向套，导向套上部穿过保温桶顶部；

所述上通水板上部开有螺栓形式顶部排水管，该顶部排水管连接到底板，底板上同样有螺栓形式的开孔，该开孔呈L型，开孔的水平部分沿底板厚度的中部横向穿过外部保温桶壁，连接下部排水口并由下部排水口进行排水；

所述保温桶底部侧面上还设有一个L型饱和水补水口，饱和水补水口水平部分依次穿过保温桶壁和底板的厚度中部位置，竖直部分连通至下通水板。

2.如权利要求1所述的用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，其特征是，所述底板下部设置有底部保温层；所述底板为中间厚边缘薄的圆形结构。

3.如权利要求1所述的用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，其特征是，所述上透水板和上通水板、下透水板和下通水板皆与试样横截面尺寸相同且都为圆形。

4.如权利要求1所述的用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，其特征是，所述下通水板与底板采用螺栓进行固定和连接；所述第一围压测压表下端为管状螺栓，穿过上盖板并与上盖板螺栓连接。

5.如权利要求1所述的用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，其特征是，所述上通水板上部中心处设有与压力杆相匹配的凹槽。

6.如权利要求1所述的用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，其特征是，所述冻融液循环管由螺旋状紫铜管或不锈钢管组成，冷冻液由冻融液循环进液口流入，经冻融液循环管环绕整个试样后并由冻融液循环出液口流出并与外界冻融箱连接，以进行试样的冻融循环。

7.如权利要求1所述的用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室，其特征是，所述下透水板上安装有温度传感器；所述底板侧面上还设置有连通到围压桶内腔的围压进液口，围压进液口外端上设置有第二围压测压表。

8.利用权利要求1所述用于粗粒土大型冻融循环三轴试验的压力室的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

1）. 配置一定量所需要测试的试样；

2）. 在底板上依次将下通水板用螺栓固定好，下通水板上将下透水板放好；

3）. 将胶套套入底板、下通水板、下透水板，并用橡胶条套入下通水板向内的凹槽处将胶套密封好，并将试样按要求装入胶套中；

4）. 在试样顶部依次将上透水板和上通水板放好；

5）. 连接好顶部排水管，通过上盖板上方的冻融循环液进口和冻融循环液出口与外界冻融箱连接，从而达到冻融液循环给试样进行温度循环 ；

6）.将第一围压测压表和排气阀连接好，饱和水补水口和外设的补水装置连接好，通过排气阀排净空气，关闭排气阀，围压进液口与外设的加压装置连接好，围压进液口外端安装一个第二围压测压表，这样整套装置连接完毕，试样的冻融循环过程温度监控通过试样下方的下透水板上安装的温度传感器来监控温度变化；

7）. 盖上装有冻融液循环管的围压桶，紧固连接螺栓，再盖上保温桶，并紧固连接螺栓；并将冻融液循环进液口和冻融液循环出液口与外置的冻融箱连接好，冻融循环方式采用从围压仓内布冻融液循环管的方式进行冻融循环；

8）. 将压力杆与上部加压设备连接好，通过饱和补水口对试样进行饱和，待底部排水口有水排出且无气泡时，试样已经饱和，按要求施加围压和压应力至预定值；冻融循环液进出口与外界冻融箱连接后，通过底部围压进液口进行围压的施加，并将温度传感器、第一、第二围压测压表连接到电脑，即可对试样进行冻融循环试验。