CN111198254A - 便于微观试验制样的温控固结仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便于微观试验制样的温控固结仪及其使用方法，其由固结仪主体和用于对固结仪主体内的试样进行固化的固化系统组成，固结仪主体包括固结装置、压力加载装置、吸力控制装置、试样温控装置和数据采集与分析系统；固结装置内放置试样，压力加载装置固定于固结装置上方，为试样提供所需的固结压力；吸力控制装置与固结装置固定连接，控制固结装置中的基质吸力；试样温控装置与固结装置固定连接，为固结装置提供不同温度的试验环境；数据采集与分析系统与固结装置电性连接，以测量、分析和显示固结装置中试样的试验数据，固结装置通过导管与固化系统连接。解决了现有固结仪不便于在不同温度环境下制备结构完整的微观试验小试样的问题。

Description

便于微观试验制样的温控固结仪及其使用方法

技术领域

本发明属于土木、水利、电力、环境和能源等行业的新型土工试验设备领域，具体涉及一种便于微观试验制样的温控固结仪及其使用方法。

背景技术

固结仪主要用于研究土体的压缩性能与持水特性。在实施过程中，越来越多的工程问题，如供热管道埋设、高压电缆敷设、垃圾填埋、地震灾害、热能地下储存、核废料地下处置、地热能开发利用、软基冷冻加固、冻土冻胀融沉等，都涉及到不同温度环境对饱和与非饱和土工程性质的影响。大量试验和工程实践表明，土体的宏观行为究其原因都是其微观结构演变的外在体现，因而固结压力作用下土体微观结构的研究受到了广泛关注。目前常用的微观试验手段较多，其中以扫描电子显微镜的使用最为广泛，但对于固结完成后土体微观结构的观察在小试样的制备方面仍存在诸多难点和问题，主要包括：（1）固结试验完成后，必须先对试样进行卸载才能制备小试样用于微观试验，这会造成土体的回弹变形，引起土体发生微膨胀和拉裂，导致原有微观结构破坏，无法准确分析固结试验完成时土体的微观结构；（2）固结试验完成后，在试样的转移和微观小试样的制备过程中，环境温度难免发生变化，这也会引起土体出现收缩或膨胀，导致土颗粒排列、孔隙与微裂缝形态的变化，改变土体原有的微观结构；（3）微观试验常需要制备小尺寸试样，它们需要从固结试样中提取，由于土体极易受到外力的扰动，故无法在保证其微观结构完整的前提下，根据需要的位置和方向从固结试样中任意切取；（4）微观试验往往需要使用干燥试样，不论是使用自然风干法还是烘干法，在干燥过程中土体都会因水分的丧失而逐渐收缩变形，使得土体的微观结构发生改变，这种影响对富含亲水性黏土矿物的土体而言尤为严重；（5）在微观小试样观察面的获取方法方面，若采用切割法则会对观察面的微观结构产生扰动，而若采用折断法则由于无法保证观察面平整使得观察到的微观结构尤其是孔隙结构产生较大误差。

综上所述，为了探讨土体的压缩性能、持水特性及微观结构特征，并揭示相关内在机理，研发一种能够考虑不同温度环境且便于微观试验制样的饱和与非饱和土一体化全自动固结仪是非常必要的。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种便于微观试验制样的温控固结仪，以解决现有固结仪不便于在不同温度环境下制备结构完整的微观试验小试样的问题。

本发明实施例的另一目的在于提供一种便于微观试验制样的温控固结仪的使用方法。

本发明实施例所采用的技术方案是，便于微观试验制样的温控固结仪，由固结仪主体和用于对固结仪主体内的试样进行固化的固化系统组成；

所述固结仪主体包括固结装置、压力加载装置、吸力控制装置、试样温控装置和数据采集与分析系统；固结装置内放置试样，压力加载装置固定于固结装置上方，为固结装置中的试样提供所需的固结压力；吸力控制装置与固结装置固定连接，用来控制固结装置中的基质吸力；试样温控装置与固结装置固定连接，为固结装置提供不同温度的试验环境；固结装置通过导管与固化系统连接；

所述数据采集与分析系统与固结装置电性连接，用来测量、分析和显示固结装置中试样的试验数据。

进一步的，所述固结装置包括固结室以及与固结室连通的进水管、进气管、排水管、排凝胶管和抽气管，固结室的外形为圆柱状，其内腔是坡率为3%的倒圆台状，且固结室的底端内部设有底板，底板与固结室的内壁之间设有橡胶止水环，固结室的顶端内部设有与其密封连接的盖帽，试样置于固结室内的底板上；

所述进气管和排凝胶管经盖帽与固结室内腔连通，所述进水管、进气管、排水管、排凝胶管和抽气管上均设有与其对应的控制阀门。

进一步的，所述固结室放置于工作台上；

所述工作台包括升降台内环、升降台外环、钢质垫板、千斤顶和仪器底座，仪器底座内部中空，千斤顶固定在仪器底座内，千斤顶的输出轴垂直向上；升降台内环和升降台外环位于仪器底座上，且升降台内环位于升降台外环内；升降台内环和升降台外环底部均固定有下部支撑杆，下部支撑杆上均设有缩颈，使得下部支撑杆的下端垂直贯穿仪器底座顶面并位于仪器底座内腔中，其上端经缩颈置于仪器底座顶面上；升降台内环的下部支撑杆位于千斤顶的输出轴正上方，升降台外环的下部支撑杆位于千斤顶的输出轴侧上方，且所有下部支撑杆的下端不与千斤顶的输出轴相接触，使得千斤顶的输出轴向上顶起时仅作用升降台内环；

所述仪器底座的侧壁上设有钢质垫板插口，所述升降台内环以及升降台外环与千斤顶之间设有钢质垫板，钢质垫板经钢质垫板插口可插入或抽出仪器底座，钢质垫板插入仪器底座时置于千斤顶的输出轴上，且千斤顶的输出轴向上顶起时经钢质垫板和下部支撑杆同时作用升降台内环和升降台外环；

所述固结室置于升降台外环上，所述位于固结室内的底板置于升降台内环上。

进一步的，所述压力加载装置包括立柱、活动横梁A、活动横梁B、试样压力传感器和位移传感器，活动横梁A和活动横梁B均固定在立柱上，且活动横梁A、活动横梁B以及固结装置的盖帽从上到下依次设置，位移传感器竖直固定于活动横梁A底部，试样压力传感器竖直安装在位移传感器下端，且试样压力传感器下端与盖帽上部的凹槽相匹配；

所述固结室的顶端外侧壁上设有上沿，所述活动横梁B的中心位置设有椭圆镂空，该椭圆镂空的内切圆直径大于固结室的顶部内径即最大内径且小于固结室的外径，以使活动横梁B在脱模过程中顶住固结室的上沿的同时能够允许固结试样从固结室中脱出；

所述立柱至少设有两个且竖直固定在仪器底座顶面上，并位于升降台外环以及固结室的周向上；

所述活动横梁A通过活动螺栓A固定在立柱上，所述活动横梁B由活动螺栓B固定在立柱上。

进一步的，所述吸力控制装置包括透水石、陶土板、孔隙水压力控制器和孔隙气压力控制器，透水石和陶土板均位于固结室内，且透水石位于试样顶部，陶土板位于试样底部，试样、透水石和陶土板的侧壁均与固结室的内壁相接触；

所述孔隙水压力控制器通过进水管与固结室底部的陶土板相连，所述孔隙气压力控制器依次通过进气管和盖帽与透水石相连；

所述试样温控装置包括试样温度控制器、温度传感器A、试样加热装置、试样制冷装置和液氮装置，温度传感器A安装于固结室底部，试样加热装置套设于固结室的外部并与其侧壁接触；所述试样制冷装置经制冷管道与固结室内腔连通，所述液氮装置经液氮输送管道与固结室内腔连通，且制冷管道和液氮输送管道上均设有与其对应的控制阀门；

所述试样温度控制器的输入端与温度传感器A的输出端电性连接，试样温度控制器的输出端与试样加热装置以及试样制冷装置的输入端电性连接。

进一步的，所述数据采集与分析系统由数据采集箱以及计算机组成，所述温度传感器A、温度传感器B、试样压力传感器、位移传感器、千斤顶、孔隙水压力控制器和孔隙气压力控制器的输出端分别与数据采集箱的不同输入端电性连接，数据采集箱的输出端与计算机的输入端电性连接。

进一步的，所述固化系统包括供凝胶装置、注凝胶装置、凝胶温控装置、抽真空装置和废液收集装置，凝胶温控装置与供凝胶装置固定连接以控制供凝胶装置内的温度，抽真空装置与固结室相连通以对固结室进行抽真空，废液收集装置与固结室相连通以收集固结室中的废液，供凝胶装置经注凝胶装置与固结室相连通以向固结室中注入凝胶。

进一步的，所述供凝胶装置由凝胶水箱A和凝胶水箱B组成，凝胶水箱A中盛放低温凝胶，凝胶水箱B中盛放中高温凝胶，所述注凝胶装置由压力泵、凝胶水箱A阀门、凝胶水箱B阀门和进凝胶管阀门组成，所述凝胶温控装置由温度传感器B、凝胶温度控制器、凝胶加热装置和凝胶制冷装置组成；凝胶水箱A通过与其对应的一根导管与压力泵的输入端连接，凝胶水箱B通过与其对应的一根导管与压力泵的输入端连接，压力泵的输出端经进凝胶管与固结室连通，进凝胶管上设有与其对应的控制阀门；凝胶水箱A阀门设于凝胶水箱A与压力泵连接的导管上，凝胶水箱B阀门设于凝胶水箱B与压力泵连接的导管上，进凝胶管阀门设于压力泵的输入端，压力泵的输出端设有压力泵阀门；温度传感器B分别安装于凝胶水箱A和凝胶水箱B底部；凝胶制冷装置的制冷端通过与其对应的一根导管与凝胶水箱A固定连接，凝胶加热装置的加热端与凝胶水箱B固定连接；

所述凝胶温度控制器的输入端与温度传感器B的输出端电性连接，其输出端与凝胶加热装置以及凝胶制冷装置的输入端电性连接；

所述抽真空装置由真空泵和真空压力控制器组成，真空泵经抽气管与固结室连通，真空压力控制器的输出端与真空泵电性连接；

所述废液收集装置由废液桶和废液桶底座组成，废液桶安装在废液桶底座上，其通过排水管和排凝胶管与固结室连通。

本发明实施例所采用的另一技术方案是，便于微观试验制样的温控固结仪的使用方法，具体步骤如下：

步骤S1、检查仪器是否完好，具体包括：

步骤S11、调节凝胶温控装置，使供凝胶装置中的凝胶达到试验温度，待凝胶呈液态后，开启注凝胶装置，打开进凝胶管阀门，若固结室底部出现流动凝胶，说明凝胶温控装置、供凝胶装置与注凝胶装置完好，将仪器恢复至初始状态，清洗残余凝胶；

步骤S12、开启孔隙水压力控制器，打开与固结室连通的进水管的控制阀门，向固结室内注入少量蒸馏水，若计算机显示的孔隙水压力读数呈正常波动，表明孔隙水压力控制器和孔隙水压力传感器完好，将仪器恢复至初始状态；

步骤S13、开启孔隙气压力控制器，打开与固结室连通的进气管的控制阀门，向固结室内施加孔隙气压力，若计算机显示的孔隙气压力读数呈正常波动，表明孔隙气压力控制器和孔隙气压力传感器正常，将仪器恢复至初始状态；

步骤S14、用手向上作用试样压力传感器，若计算机显示的压力及位移均呈正常波动，表明试样压力传感器和位移传感器完好；

步骤S15、打开试样温控装置，设置一定温度值，若计算机显示的温度读数在所设定温度值附近波动，表明试样温控装置正常，将仪器恢复至初始状态；

步骤S2、进行固结试验，具体包括：

步骤S21、按试验方案配制所需含水率的土体，将土体倒入预先装好的环刀内，采用击实器分层击实土体，制备成具有预设干密度的试样；

步骤S22、在固结室内壁涂抹一层凡士林，在底板上放置一个已浸水饱和且去气泡的陶土板，然后将制备好的试样压入固结室内，在试样上再放置一个洁净而湿润的透水石，安装固结室的盖帽，将活动横梁A向下移动，保证活动横梁A下部的试样压力传感器与盖帽上的凹槽接触良好，并使试样与陶土板以及透水石之间接触良好；

步骤S23、待固结室密封好后，开启孔隙水压力控制器，打开与固结室连通的进水管和排水管上的控制阀门，施加孔隙水压力，再次排除陶土板中溶于水的气体；

步骤S24、当排水不掺杂气泡时，关闭排水管上的控制阀门，通过孔隙水压力控制器对试样施加所需的孔隙水压力，并维持孔隙水压力恒定；

步骤S25、打开试样温控装置、孔隙气压力控制器和压力加载装置，控制固结室中试样的温度、对试样施加的孔隙气压力以及净固结压力，完成主固结；

步骤S26、试验完成后，关闭孔隙气压力控制器、孔隙水压力控制器以及与固结室连通的进水管和进气管上的控制阀门；

步骤S3、试样固化，具体包括：

步骤S31、开启供凝胶装置，根据试验目的选择低温凝胶或中高温凝胶，调节凝胶温控装置，使凝胶温度达到试验温度；

步骤S32、待凝胶接近无粘性流动状态后，开启排凝胶管和排水管上的控制阀门以及进凝胶管阀门，开启注凝胶装置，将液态凝胶压入固结试样内；

步骤S33、当与盖帽相连的排凝胶管中流出凝胶时，关闭排凝胶管的控制阀门，继续向固结试样内压入液态凝胶；

步骤S34、当压力泵在设定压力下无法再向固结室中压入液态凝胶时即进凝胶管中的凝胶不再移动时，关闭供凝胶装置、凝胶温控装置和注凝胶装置，让注入试样中的凝胶自由冷却、充分固化；

步骤S35、将活动横梁A上抬并取出盖帽，然后将活动横梁B下移顶住固结室的上沿，抽出钢质垫板，使用千斤顶依次将升降台内环、固结室内的底板和陶土板向上顶起，从而顶出固化后的固结试样，完成脱模；

步骤S36、清洗固结室、进凝胶管和排凝胶管，防止堵塞；

步骤S4、微观试样制备，具体包括：

步骤S41、根据试验需求，采用刀片或其他工具从固结试样中的特定位置沿拟定方向切取小试样，再对切割表面进行打磨处理，制作成微观试验所需的小试样；

步骤S42、采用光学显微镜和扫描电子显微镜等微观试验手段对小试样的切割面进行观察，获得清晰、准确的微观图像，从而对固结试样的微观结构特征进行定性及定量分析。

进一步的，当保持恒定温度、恒定基质吸力，通过压力加载装置进行温度和基质吸力控制情况下试样的分级加、卸载试验时，步骤S25的具体实现过程为：先打开试样温控装置，使固结室中试样的温度从室温变化到所需试验温度，维持温度恒定；然后开启孔隙气压力控制器，对试样施加所需的孔隙气压力并维持恒定；最后打开压力加载装置，以初始净固结压力为12.5 kPa，下一级净固结压力是前一级净固结压力的两倍的递增方式逐级给试样施加净固结压力，直至净固结压力到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级压力下的变形达到稳定即完成主固结；

当保持恒定温度、恒定压力，通过吸力控制装置对试样施加不同大小的基质吸力，进行温度和应力控制情况下试样的吸湿和脱湿试验时，步骤S25的具体实现过程为：先打开试样温控装置，使固结室中试样的温度从室温变化到所需试验温度，维持温度恒定；然后打开压力加载装置，给试样施加所需净固结压力，待试样完成主固结后，维持净固结压力恒定；最后开启孔隙气压力控制器，以初始孔隙气压力为12.5 kPa，下一级孔隙气压力是前一级孔隙气压力的两倍的递增方式逐级给试样施加孔隙气压力，直至孔隙气压力到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级压力下的变形达到稳定即完成主固结；

当保持恒定压力、恒定基质吸力，通过试样温控装置分级改变固结室内固结试样的温度，使试样处于冷热循环状态，进行压力和基质吸力控制情况下试样的温度变形试验时，步骤S25的具体实现过程为：先开启孔隙气压力控制器，对试样施加所需的孔隙气压力并维持恒定；然后打开压力加载装置，给试样施加所需的净固结压力，待试样完成主固结后，维持净固结压力恒定；最后打开试样温控装置，使固结室中试样的温度由室温以每级5℃的变化逐级降低或升高，直至试样温度到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级温度下的变形达到稳定即完成主固结，所述试样温度的试验设定值在-20~100℃范围内。

本发明实施例的有益效果是，不仅能够满足对不同温度试验环境的要求，还能够对固结试验完成后的试样进行固化。固化措施可以消除卸载和温度改变对土体微观结构的影响，并便于根据试验需求在固结试样的不同位置和方向提取微观小试样。由于土体中的水分已经去除或被液态凝胶置换，因此无需再对小试样进行干燥，如需要干燥也因土体已经被固化，常规干燥手段不会对其微观结构产生影响。固化后的微观小试样还容许采用各种方法对其观察面进行打磨，从而保证观察面足够平整以减小微观试验误差。实现了土体固结过程中-20℃~100℃大幅度温度环境的控制，消除了固结试验卸载和小试样制备对土体微观结构的破坏，有利于在微观试验时观察到土体的真实微观结构，解决了现有固结仪不便于在不同温度环境下制备结构完整的微观试验小试样的问题。固结仪主体与固化系统相配合，可实现饱和与非饱和土的固结-固化-脱模一体化操作，结构简单，试验结果精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例便于微观试验制样的温控固结仪总体结构示意图。

图2是本发明实施例的固结仪主体结构示意图。

图3是本发明实施例的固结装置和试样温控装置结构示意图。

图4是本发明实施例的压力加载装置结构示意图。

图5是本发明实施例的压力加载装置俯视结构示意图。

图6是本发明实施例的吸力控制装置结构示意图。

图7是本发明实施例的数据采集与分析系统结构示意图。

图8是本发明实施例的固化系统整体结构示意图。

图9是本发明实施例的固化系统内部结构示意图。

图10是本发明实施例的抽真空装置和废液收集装置结构示意图。

图中，1.固结仪主体，2.固化系统，3.固结装置，4.压力加载装置，5.吸力控制装置，6.试样温控装置，7.数据采集与分析系统，8.工作台，9.固结室，10.进水管，11.进气管，12.排水管，13.排凝胶管，14.抽气管，15.底板，16.盖帽，17.控制阀门，18.试样温度控制器，19.温度传感器A，20.试样加热装置，21.试样制冷装置，22.液氮装置，23.立柱，24.活动横梁A，25.活动螺栓A，26.活动横梁B，27.活动螺栓B，28.试样压力传感器，29.位移传感器，30.升降台内环，31.升降台外环，32.钢质垫板，33.千斤顶，34.仪器底座，35.透水石，36.陶土板，37.孔隙水压力控制器，38.孔隙气压力控制器，39.数据采集箱，40.计算机，41.供凝胶装置，42.注凝胶装置，43.凝胶温控装置，44.抽真空装置，45.废液收集装置，46.凝胶水箱A，47.凝胶水箱B，48.压力泵，49.凝胶水箱A阀门，50.凝胶水箱B阀门，51.压力泵阀门，52.进凝胶管，53.进凝胶管阀门，54.温度传感器B，55.凝胶温度控制器，56.凝胶加热装置，57.凝胶制冷装置，58.真空泵，59.真空压力控制器，60.废液桶，61.废液桶底座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种便于微观试验制样的温控固结仪，如图1所示，包括固结仪主体1和固化系统2，固结仪主体1是该固结仪的核心部分。如图2所示，固结仪主体1包括固结装置3、压力加载装置4、吸力控制装置5、试样温控装置6、数据采集与分析系统7以及工作台8，固结装置3固定于工作台8上，可为试样提供固结和固化场所，试样温控装置6与固结装置3固定连接，为固结装置3提供-20~100℃大幅度温度试验环境；压力加载装置4固定于工作台8上并位于固结装置3上方，可为固结装置3中的试样提供所需的固结压力；吸力控制装置5与固结装置3固定连接，用来控制固结装置3中的基质吸力，可实现非饱和土的吸湿和脱湿过程；数据采集与分析系统7与固结装置3电性连接，可测量、分析和显示固结装置3中试样的固结压力、温度、含水率、孔隙水压力和位移等试验数据。

如图3所示，固结装置3包括固结室9、进水管10、进气管11、排水管12、排凝胶管13、抽气管14、底板15和盖帽16，试样置于固结室9内，进水管10、进气管11、排水管12、排凝胶管13和抽气管14均与固结室9内腔连通。固结室9的外形为圆柱状，其内腔是（上部直径-下部直径）/固结室高度即坡率为3%的倒圆台状，以便于脱模取出试样。固结室9的底端内部设有底板15，底板15与固结室9的内壁之间设有橡胶止水环，以确保试验中水无法从底板15和固结室9之间的缝隙流出。固结室9的顶端内部设有与其密封连接的盖帽16，试样置于固结室9内的底板15上。具体的，进水管10、排水管12和抽气管14均与固结室9的内腔底部相连通，进气管11和排凝胶管13均经盖帽16与固结室9的内腔顶部相连通。固结室9采用铝采制作（铝具有良好的导热性能，熔点为660℃，本实施例最高环境温度为100℃，能够满足试验要求，且铝的耐热性能较好），用于盛放试样，并位于压力加载装置4下方。盖帽16用于密封固结室9以控制蒸馏水或凝胶的溢出。进水管10、进气管11、排水管12、排凝胶管13和抽气管14上均设有与其对应的控制阀门17，控制固结室9内水、气的进出以及凝胶的排出。

同样如图3所示，试样温控装置6包括试样温度控制器18、温度传感器A19、试样加热装置20、试样制冷装置21和液氮装置22，温度传感器A19安装于固结室9底部，可以监测试样的温度。试样温度控制器18可对试样温度进行调控，其输入端与温度传感器A19的输出端电性连接，其输出端与试样加热装置20以及试样制冷装置21电性连接。本实施例中，试样温度控制器18可采用上海亚泰仪表有限公司生产的XMT-6000智能型数字显示温度控制器，试样加热装置20为一个加热器，本实施例采用陶瓷加热圈，其套设于固结室9的外部并与其侧壁接触，可对固结室9中的试样进行加热，使试样达到试验所需的中高温条件。试样制冷装置21采用制冷机，可采用江苏海思温控设备有限公司生产的HS-2L型制冷循环器。试样制冷装置21经制冷管道与固结室9内腔连通，可对固结室9中的试样进行制冷，使其达到试验所需的低温条件。液氮装置22经液氮输送管道与固结室9内腔连通，液氮装置22采用液氮瓶，且制冷管道和液氮输送管道上均设有与其对应的控制阀门17，使用试样制冷装置21和液氮装置22时，将制冷管道和液氮输送管道上的控制阀门17拧开，不需要时将其拧紧。液氮装置22用于冷冻低温环境中的固结试样，可配合试样制冷装置21和固化系统2对固结试样进行冻干。

采用冻干法对试样进行干燥的原理是先将试样冷冻，将液态水变为固态水，然后抽真空并缓慢恢复试样温度，将固态水直接升华为水蒸气并抽出试样。本实施例中，先拧开液氮装置22上的控制阀门17，向固结室9中输送液氮使试样冷冻，从而将试样中的液态水变为固态水，然后拧紧液氮装置22的控制阀门17关闭液氮装置22；其次开启固化系统2的抽真空装置44对固结室9抽真空并保持；然后利用试样制冷装置21逐步恢复固结室9内温度至试验所需低温环境，使试样中的固态水升华为水蒸气，并由抽真空装置44抽出固结室9；最后关闭抽真空装置44。

如图4所示，固结室9放置于工作台8上，工作台8包括升降台内环30、升降台外环31、钢质垫板32、千斤顶33及仪器底座34，仪器底座34内部中空，千斤顶33固定在仪器底座34内，且千斤顶33的输出轴垂直向上；升降台内环30和升降台外环31位于仪器底座34上，且升降台内环30位于升降台外环31内；升降台内环30和升降台外环31底部均固定有下部支撑杆，下部支撑杆上均设有缩颈，使得下部支撑杆的下端垂直贯穿仪器底座34顶面并位于仪器底座34内腔中，其上端经缩颈置于仪器底座34顶面上；升降台内环30的下部支撑杆位于千斤顶33的输出轴正上方，升降台外环31的下部支撑杆位于千斤顶33的输出轴侧上方，且所有下部支撑杆的下端不与千斤顶33的输出轴相接触，使得千斤顶33的输出轴向上顶起时仅作用升降台内环30；

所述仪器底座34的侧壁上设有钢质垫板插口，所述升降台内环30以及升降台外环31与千斤顶33之间设有钢质垫板32，钢质垫板32经钢质垫板插口可插入或拔出仪器底座34，钢质垫板32插入仪器底座34时置于千斤顶33的输出轴上，且千斤顶33的输出轴向上顶起时经钢质垫板32和下部支撑杆同时作用升降台内环30和升降台外环31；

所述固结室9置于升降台外环31上，所述位于固结室9内腔的底板15置于升降台内环30上。

钢质垫板32插入时千斤顶33同时将升降台内环30和升降台外环31向上顶起，从而为固结装置3提供竖向压力，钢质垫板32抽出时千斤顶33只将升降台内环30向上顶起，从而为固结试样的脱模提供竖向压力。

若千斤顶33复位（即降到最低）且钢质垫板32被插入，钢质垫板32底面与千斤顶33顶面接触，升降台内环30和升降台外环31通过下部支撑杆托在仪器底座34上，升降台内环30和升降台外环31下部支撑杆与钢质垫板32和千斤顶33均不接触。若千斤顶33复位（即降到最低）且钢质垫板32被拔出，钢质垫板32收纳在实验室工具箱内，升降台内环30和升降台外环31通过下部支撑杆托在仪器底座34上，升降台内环30和升降台外环31下部支撑杆与千斤顶33不接触。若千斤顶33向上顶出且钢质垫板32被插入，钢质垫板32底面与千斤顶33顶面接触，且钢质垫板32顶面同时与升降台内环30和升降台外环31底面接触，此时升降台内环30和升降台外环31因被向上顶出而不再与仪器底座34接触。若千斤顶33向上顶出且钢质垫板32被拔出，钢质垫板32收纳在实验室工具箱内，千斤顶33顶面与升降台内环30底面接触，此时升降台内环30因被向上顶出而不再与仪器底座34接触，而升降台外环31仍托于仪器底座34上。试验完成后，控制千斤顶33下降复位，钢质垫板32、升降台内环30和升降台外环31也随之下降，当千斤顶33完全复位（即降到最低位置）后，钢质垫板32处于千斤顶33顶部，升降台内环30和升降台外环31通过下部支撑杆被托在仪器底座34上且不再与千斤顶33或钢质垫板32接触。

同样如图4所示，压力加载装置4包括立柱23、活动横梁A24、活动横梁B26、试样压力传感器28和位移传感器29，立柱23至少设有两个且竖直固定在仪器底座34的顶面上，并位于升降台外环31以及固结室9的周向上，立柱23的数量可以依据需求增加。活动横梁A24通过活动螺栓A25固定在立柱23上，活动横梁B26由活动螺栓B27固定在立柱23上，且活动横梁B26位于固结装置3的盖帽16上方，活动横梁A24位于活动横梁B26上方。位移传感器29固定在活动横梁A24底部，试样压力传感器28安装在位移传感器29下端并与盖帽16上部的凹槽相匹配。固结室9的顶端外侧壁上设有上沿，如图5所示，活动横梁B26的中心位置设有椭圆镂空，且该椭圆镂空的内切圆直径大于固结室9的内径，以使活动横梁B26卡住固结室9的侧壁和上沿的同时能够允许试样被升降台内环30顶出固结室9，从而完成固结试样的脱模。

立柱23为用于压力加载的传力构件，其固定在仪器底座34顶面上，并位于升降台外环31的周向上。活动横梁A24通过活动螺栓A25调节其高度，使其能够在固结试验中紧紧抵住盖帽16。活动横梁B26在脱模时用于固定固结室9上沿以便于下方千斤顶33向上顶出试样，活动螺栓B27在脱模时用于锁住活动横梁B26以及调节其高度。试样压力传感器28用于测试实际施加在试样顶部的固结压力，位移传感器29用于测试试样的竖向变形。工作台8具有辅助进行固结试验和和试样脱模两个功能，在固结试验时，由于存在钢质垫板32，升降台内环30和升降台外环31被千斤顶33同时向上升起，从而给固结室9内的试样施加固结压力（此时盖帽16被活动横梁A24向下顶住），在试样脱模时，抽出钢质垫板32，千斤顶33只将升降台内环30向上顶起，从而把试样从固结室9中顶出完成脱模（此时固结室9的侧壁和外沿被活动横梁B26向下顶住）。

如图6所示，吸力控制装置5包括透水石35、陶土板36、孔隙水压力控制器37和孔隙气压力控制器38，透水石35和陶土板36均位于固结室9内，且透水石35位于固结室9中的试样顶部，陶土板36位于固结室9中的试样底部，且试样、透水石35和陶土板36的侧壁均与固结室9的内壁相接触。盖帽16也置于与固结室9内、透水石35上，其侧壁与固结室9的内壁相接触。陶土板36具有1500kPa高进气值，容许在试样中形成0~1500kPa基质吸力。孔隙水压力控制器37通过进水管10与固结室9底部的陶土板36相连，可对试样的孔隙水压力进行量测和控制。孔隙气压力控制器38依次通过进气管11和盖帽16与透水石35相连，可对试样的孔隙气压力进行量测和控制。本实施例的孔隙水压力控制器37和孔隙气压力控制器38采用自带控制面板和压力/体积传感器的孔隙气压力控制器，如英国GDS公司的高级空气压力/体积控制器，既可以控制也可以测量。

如图8所示，固化系统2包括供凝胶装置41、注凝胶装置42、凝胶温控装置43、抽真空装置44和废液收集装置45，凝胶温控装置43与供凝胶装置41固定连接以控制供凝胶装置41内的温度，抽真空装置44与固结室9相连通以对固结室9进行抽真空，废液收集装置45与固结室9相连通以收集固结室9中的废液，供凝胶装置41经注凝胶装置42与固结室9相连通以向固结室9中注入凝胶。

如图9所示，供凝胶装置41由凝胶水箱A46和凝胶水箱B47组成，凝胶水箱A46和凝胶水箱B47均采用透明玻璃制作。凝胶水箱A46中盛放低温凝胶，低温凝胶在低温条件下具有良好的流动性，低温条件下可将其顺利注入试样中，从而对试样进行固化。凝胶水箱B47中盛放中高温凝胶，中高温凝胶在中高温条件下具有良好的流动性，中高温条件下可将其顺利注入试样中，从而可以对试样进行固化。

本实施例的低温凝胶采用耐低温凝胶，中高温凝胶采用耐高温凝胶堵漏剂，由田箐胶、钛酸酯、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、固相颗粒和蒸馏水按0.3~0.8：0.1~0.4：0.2~0.6：0.2~0.6：3~8：90~96的重量份数比制备而成，所制备好的凝胶在相应温度范围内具有良好的流动性，无明显粘滞感，与水接近。常规凝胶在低温情况下会丧失流动性甚至可能凝固，由于本实施例要考虑中高温（零度以上）和低温（零度以下）两种试验条件，因此需要相应地采用两种不同性质的凝胶，以保证凝胶在不同温度条件下都能在一定时间内均具有良好的流动性。

注凝胶装置42由压力泵48、凝胶水箱A阀门49、凝胶水箱B阀门50、和进凝胶管阀门53组成，所述凝胶温控装置43由温度传感器B54、凝胶温度控制器55、凝胶加热装置56和凝胶制冷装置57组成。凝胶水箱A46通过与其对应的一根导管与压力泵48的输入端连接，凝胶水箱B47通过与其对应的一根导管与压力泵48的输入端连接，压力泵48的输出端经进凝胶管52与固结室9连通，进凝胶管52上设有与其对应的控制阀门17；凝胶水箱A阀门49设于凝胶水箱A46与压力泵48连接的导管上，凝胶水箱B阀门50设于凝胶水箱B47与压力泵48连接的导管上，进凝胶管阀门53设于压力泵48的输入端，压力泵48的输出端设有压力泵阀门51，压力泵阀门51经手动打开后，可以对供凝胶装置41中的凝胶施加压力，从而通过进凝胶管52将凝胶注入试样中。

温度传感器B54分别安装于凝胶水箱A46和凝胶水箱B47底部；凝胶制冷装置57的制冷端通过与其对应的一根导管与凝胶水箱A46固定连接，凝胶加热装置56的加热端与凝胶水箱B47固定连接。

凝胶温度控制器55的输入端与温度传感器B54的输出端电性连接，其输出端与凝胶加热装置56以及凝胶制冷装置57的输入端电性连接。本实施例的凝胶制冷装置57采用制冷机，可采用江苏海思温控设备有限公司生产的HS-2L型制冷循环器。

凝胶温度控制器55可对凝胶温控装置43的温度进行调控，温度传感器B54固定于凝胶水箱A46和凝胶水箱B47底部，以监测其中凝胶A和凝胶B的温度。本实施例的凝胶温度控制器55采用温度控制器，可采用上海亚泰仪表有限公司生产的XMT-6000智能型数字显示温度控制器。凝胶加热装置56固定于凝胶水箱B47底部，为管状电加热器，可采用上海旺徐电气有限公司生产的SUTE001管状加热器。其可让凝胶水箱B47中的凝胶B温度增加至与试样相同的中高温条件，凝胶制冷装置57可让凝胶水箱A46中的凝胶温度降低至与试样相同的低温条件。

如图10所示，抽真空装置44由真空泵58和真空压力控制器59组成，真空泵58的输出端经抽气管14与固结室9连通，真空压力控制器59的输出端与真空泵58电性连接。真空泵58用于对固结室9抽真空，可配合试样温控装置6实现固结试样的冻干。真空压力控制器59可对真空压力进行控制，本实施例采用真空压力控制器，可采用北京爱科仪器设备科技有限公司生产的自带压力测试传感器的VC-5000真空压力控制器。废液收集装置45由废液桶60和废液桶底座61组成，废液桶60安装在废液桶底座61上，其通过排水管12和排凝胶管13与固结室9连通。废液桶60用于收集从固结室9中溢出的凝胶及清洗固结室9产生的废水，废液桶底座61固定在实验室地面上。

如图7所示，数据采集与分析系统7包括数据采集箱39、计算机40（带有数据分析软件），温度传感器A19、温度传感器B54、试样压力传感器28、位移传感器29、孔隙水压力控制器37、孔隙气压力控制器38、千斤顶33的输出端分别与数据采集箱39的不同输入端电性连接，计算机40的输入端与数据采集箱39的输出端电性连接。数据采集箱39用于采集压力、位移、温度、孔隙水压力和孔隙气压力等试验数据，计算机40用于分析和显示压力、位移、温度、孔隙水压力和孔隙气压力等试验数据。

以非饱和土为例，本发明实施例的便于微观试验制样的温控饱和-非饱和土固结仪的使用方法，包括以下几个步骤：

本发明实施例的便于微观试验制样的温控饱和-非饱和土固结仪可以实现以下测试：

1.保持恒定温度、恒定基质吸力的情况下，通过压力加载装置4对试样进行分级加、卸载试验，通过数据采集与分析系统7测量试验过程中固结试样的竖向位移，得到温度和基质吸力控制情况下试样的加、卸载压缩曲线，并通过固化系统2对固结试样进行固化，便于制备微观试验所需小试样，用于观察土体在固结压力作用下的微观结构特征，具体步骤如下：

步骤S1、检查仪器是否完好，具体包括：

步骤S11、调节凝胶温控装置43，使供凝胶装置41中的凝胶达到试验温度，待凝胶呈液态后，开启注凝胶装置42，打开进凝胶管阀门53，若固结室9底部出现流动凝胶，说明凝胶温控装置43、供凝胶装置41与注凝胶装置42完好，将仪器恢复至初始状态，清洗残余凝胶；

步骤S12、开启孔隙水压力控制器37，打开与固结室9连通的进水管10上的控制阀门17，向固结室9内注入少量蒸馏水，若计算机40显示的孔隙水压力读数呈正常波动，表明孔隙水压力控制器37和孔隙水压力传感器完好，将仪器恢复至初始状态；

步骤S13、开启孔隙气压力控制器38，打开与固结室9连通的进气管11的控制阀门17，向固结室9内施加一定孔隙气压力，若计算机40显示的孔隙气压力读数呈正常波动，表明孔隙气压力控制器38和孔隙气压力传感器正常，将仪器恢复至初始状态；

步骤S14、用手往上顶试样压力传感器28，若计算机40显示的压力及位移均呈正常波动，表明试样压力传感器28和位移传感器29完好；

步骤S15、打开试样温控装置6，设置一定温度值，若计算机40显示的温度读数在所设定温度值附近波动，表明试样温控装置6正常，将仪器恢复至初始状态。

步骤S2、进行固结试验，具体包括：

步骤S21、按试验方案配制所需含水率的土体，将土体倒入预先装好的环刀内，采用击实器分层击实土体，制备成具有预设干密度的试样；

步骤S22、在固结室9内壁涂抹一层凡士林，在底板15上放置一个已浸水饱和且去气泡的陶土板36，然后将制备好的试样压入固结室9内，在试样上再放置一个洁净而湿润的透水石35，安装固结室9的盖帽16，将活动横梁A24向下移动，保证活动横梁A24下部的试样压力传感器28与盖帽16上的凹槽接触良好，并使试样与陶土板36和透水石35之间接触良好；

步骤S23、待固结室9密封好后，开启孔隙水压力控制器37，打开与固结室9连通的进水管10和排水管12上的控制阀门17，施加较小的孔隙水压力，再次排除陶土板36中溶于水的气体；

步骤S24、当排水不掺杂气泡时，关闭排水管12上的控制阀门17，通过孔隙水压力控制器37对试样施加所需的孔隙水压力，并维持孔隙水压力恒定；

步骤S25、打开试样温控装置6、孔隙气压力控制器38和压力加载装置4，控制固结室9中试样的温度、对试样施加的孔隙气压力以及净固结压力，完成主固结，具体过程如下：

先打开试样温控装置6，使固结室9中试样的温度从室温变化到所需试验温度，维持温度恒定；然后开启孔隙气压力控制器38，对试样施加所需的孔隙气压力并维持恒定，当计算机40中的孔隙水压力和孔隙气压力数据出现稳定波动时，说明成功实现了对试样基质吸力的控制；最后打开压力加载装置4，按12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400kPa……逐级给试样施加净固结压力，即以初始净固结压力为12.5 kPa，下一级净固结压力是前一级净固结压力的两倍的递增方式逐级给试样施加净固结压力，直至净固结压力到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级压力下的变形达到稳定即完成主固结；

步骤S26、试验完成后，关闭孔隙气压力控制器38、孔隙水压力控制器37以及与固结室9连通的进水管10和进气管11上的控制阀门17。

步骤S3、试样固化，具体包括：

步骤S31、开启供凝胶装置41，根据试验目的选择耐低温凝胶或耐高温凝胶堵漏剂（若试验要求低温环境则选择低温凝胶即耐低温凝胶，若试验要求中高温环境则选择中高温凝胶即耐高温凝胶堵漏剂），调节凝胶温控装置43，使凝胶温度达到试验温度；

步骤S32、待凝胶接近无粘性流动状态后，开启排凝胶管13和排水管12上的控制阀门17以及进凝胶管阀门53，开启注凝胶装置42，将液态凝胶压入固结试样内；

步骤S33、当与盖帽16相连的排凝胶管13中流出凝胶时，关闭排凝胶管13的控制阀门17，继续向固结试样内压入液态凝胶；

步骤S34、当压力泵48在设定压力下无法再向固结室9中压入液态凝胶时（即进凝胶管52中的凝胶不再移动时，所有管线的壁均是透明的，可以用肉眼观察管线里的水或凝胶的移动），关闭供凝胶装置41、凝胶温控装置43和注凝胶装置42，让注入试样中的凝胶自由冷却、充分固化；

步骤S35、将活动横梁A24上抬并取出盖帽16，然后将活动横梁B26下移顶住固结室9的上沿，使用千斤顶33依次将升降台内环30、底板15和陶土板36向上顶起，从而顶出固化后的固结试样，完成脱模；

步骤S36、清洗固结室9、进凝胶管52和排凝胶管13，防止堵塞。

步骤S4、微观试样制备，具体包括：

步骤S41、根据试验需求，采用锋利刀片或其他工具从固结试样中的特定位置沿拟定方向切取小试样，再对切割表面进行打磨处理，制作成微观试验所需的小试样；

步骤S42、采用光学显微镜和扫描电子显微镜等微观试验手段对小试样的切割面进行观察，获得清晰、准确的微观图像，从而对固结试样的微观结构特征进行定性及定量分析。

2.保持恒定温度、恒定压力的情况下，通过吸力控制装置5对试样施加不同大小的基质吸力，通过数据采集与分析系统7测量试验过程中固结试样的竖向位移，得到温度和应力控制情况下试样的吸湿和脱湿曲线，并通过固化系统2对固结试样进行固化，便于制备微观试验所需小试样，用于观察土体在固结压力作用下的微观结构特征，其与测试1的区别仅在于步骤S25的顺序和参数设置不同，本测试的步骤S25具体为：先打开试样温控装置6，使固结室9中试样的温度从室温变化到所需试验温度，维持温度恒定；然后打开压力加载装置4，给试样施加所需净固结压力，待试样完成主固结后，维持净固结压力恒定；最后、开启孔隙气压力控制器38，按12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa……逐级对试样施加孔隙气压力，即以初始孔隙气压力为12.5 kPa，下一级孔隙气压力是前一级孔隙气压力的两倍的递增方式逐级给试样施加孔隙气压力，直至孔隙气压力到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级压力下的变形达到稳定即完成主固结。

3.保持恒定压力、恒定基质吸力的情况下，通过试样温控装置6分级改变固结室9内固结试样的温度，使试样处于冷热循环状态，通过数据采集与分析系统7测量试验过程中固结试样的竖向位移，得到压力和基质吸力控制情况下试样的温度变形曲线，并通过固化系统2对固结试样进行固化，便于制备微观试验所需小试样，用于观察土体在固结压力作用下的微观结构特征，其与测试1的区别仅在于步骤S25、S26和S27的顺序和参数设置不同，本测试的步骤S25具体为：先开启孔隙气压力控制器38，对试样施加所需的孔隙气压力并维持恒定，当计算机40中的孔隙水压力和孔隙气压力数据出现稳定波动时，说明成功实现了对试样基质吸力的控制；然后打开压力加载装置4，给试样施加所需的净固结压力，待试样完成主固结后，维持净固结压力恒定；最后打开试样温控装置6，使固结室9中试样的温度由室温以每级5℃的变化逐级降低或升高，直至试样温度到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级温度下的变形达到稳定即完成主固结，所述试样温度的试验设定值在-20~100℃范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，由固结仪主体（1）和用于对固结仪主体（1）内的试样进行固化的固化系统（2）组成；

所述固结仪主体（1）包括固结装置（3）、压力加载装置（4）、吸力控制装置（5）、试样温控装置（6）和数据采集与分析系统（7）；固结装置（3）内放置试样，压力加载装置（4）固定于固结装置（3）上方，为固结装置（3）中的试样提供所需的固结压力；吸力控制装置（5）与固结装置（3）固定连接，用来控制固结装置（3）中的基质吸力；试样温控装置（6）与固结装置（3）固定连接，为固结装置（3）提供不同温度的试验环境；固结装置（3）通过导管与固化系统（2）连接；

所述数据采集与分析系统（7）与固结装置（3）电性连接，用来测量、分析和显示固结装置（3）中试样的试验数据。

2.根据权利要求1所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述固结装置（3）包括固结室（9）以及与固结室（9）连通的进水管（10）、进气管（11）、排水管（12）、排凝胶管（13）和抽气管（14），固结室（9）的外形为圆柱状，其内腔是坡率为3%的倒圆台状，且固结室（9）的底端内部设有底板（15），底板（15）与固结室（9）的内壁之间设有橡胶止水环，固结室（9）的顶端内部设有与其密封连接的盖帽（16），试样置于固结室（9）内的底板（15）上；

所述进气管（11）和排凝胶管（13）经盖帽（16）与固结室（9）内腔连通，所述进水管（10）、进气管（11）、排水管（12）、排凝胶管（13）和抽气管（14）上均设有与其对应的控制阀门（17）。

3.根据权利要求2所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述固结室（9）放置于工作台（8）上；

所述工作台（8）包括升降台内环（30）、升降台外环（31）、钢质垫板（32）、千斤顶（33）及仪器底座（34），仪器底座（34）内部中空，千斤顶（33）固定在仪器底座（34）内，千斤顶（33）的输出轴垂直向上；升降台内环（30）和升降台外环（31）位于仪器底座（34）上，且升降台内环（30）位于升降台外环（31）内；升降台内环（30）和升降台外环（31）底部均固定有下部支撑杆，下部支撑杆上均设有缩颈，使得下部支撑杆的下端垂直贯穿仪器底座（34）顶面并位于仪器底座（34）内腔中，其上端经缩颈置于仪器底座（34）顶面上；升降台内环（30）的下部支撑杆位于千斤顶（33）的输出轴正上方，升降台外环（31）的下部支撑杆位于千斤顶（33）的输出轴侧上方，且所有下部支撑杆的下端不与千斤顶（33）的输出轴相接触，使得千斤顶（33）的输出轴向上顶起时仅作用升降台内环（30）；

所述仪器底座（34）的侧壁上设有钢质垫板插口，所述升降台内环（30）以及升降台外环（31）与千斤顶（33）之间设有钢质垫板（32），钢质垫板（32）经钢质垫板插口可插入或抽出仪器底座（34），钢质垫板（32）插入仪器底座（34）时置于千斤顶（33）的输出轴上，且千斤顶（33）的输出轴向上顶起时经钢质垫板（32）和下部支撑杆同时作用升降台内环（30）和升降台外环（31）；

所述固结室（9）置于升降台外环（31）上，所述位于固结室（9）内的底板（15）置于升降台内环（30）上。

4.根据权利要求3所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述压力加载装置（4）包括立柱（23）、活动横梁A（24）、活动横梁B（26）、试样压力传感器（28）和位移传感器（29），活动横梁A（24）和活动横梁B（26）均固定在立柱（23）上，且活动横梁A（24）、活动横梁B（26）以及固结装置（3）的盖帽（16）从上到下依次设置，位移传感器（29）竖直固定于活动横梁A（24）底部，试样压力传感器（28）竖直安装在位移传感器（29）下端，且试样压力传感器（28）下端与盖帽（16）上部的凹槽相匹配；

所述固结室（9）的顶端外侧壁上设有上沿，所述活动横梁B（26）的中心位置设有椭圆镂空，该椭圆镂空的内切圆直径大于固结室（9）的顶部内径即最大内径且小于固结室（9）的外径，以使活动横梁B（26）在脱模过程中顶住固结室（9）的上沿的同时能够允许固结试样从固结室（9）中脱出；

所述立柱（23）至少设有两个且竖直固定在仪器底座（34）的顶面上，并位于升降台外环（31）以及固结室（9）的周向上；

所述活动横梁A（24）通过活动螺栓A（25）固定在立柱（23）上，所述活动横梁B（26）由活动螺栓B（27）固定在立柱（23）上。

5.根据权利要求4所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述吸力控制装置（5）包括透水石（35）、陶土板（36）、孔隙水压力控制器（37）和孔隙气压力控制器（38），透水石（35）和陶土板（36）均位于固结室（9）内，且透水石（35）位于试样顶部，陶土板（36）位于试样底部，试样、透水石（35）和陶土板（36）的侧壁均与固结室（9）的内壁相接触；

所述孔隙水压力控制器（37）通过进水管（10）与固结室（9）底部的陶土板（36）相连，所述孔隙气压力控制器（38）依次通过进气管（11）和盖帽（16）与透水石（35）相连；

所述试样温控装置（6）包括试样温度控制器（18）、温度传感器A（19）、试样加热装置（20）、试样制冷装置（21）和液氮装置（22），温度传感器A（19）安装于固结室（9）底部，试样加热装置（20）套设于固结室（9）的外部并与其侧壁接触；所述试样制冷装置（21）经制冷管道与固结室（9）内腔连通，所述液氮装置（22）经液氮输送管道与固结室（9）内腔连通，且制冷管道和液氮输送管道上均设有与其对应的控制阀门（17）；

所述试样温度控制器（18）的输入端与温度传感器A（19）的输出端电性连接，试样温度控制器（18）的输出端与试样加热装置（20）以及试样制冷装置（21）的输入端电性连接。

6.根据权利要求5所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述数据采集与分析系统（7）由数据采集箱（39），以及计算机（40）组成，所述温度传感器A（19）、温度传感器B（54）、试样压力传感器（28）、位移传感器（29）、千斤顶（33）、孔隙水压力控制器（37）和孔隙气压力控制器（38）的输出端分别与数据采集箱（39）的不同输入端电性连接；数据采集箱（39）的输出端与计算机（40）的输入端电性连接。

7.根据权利要2~6任一项所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述固化系统（2）包括供凝胶装置（41）、注凝胶装置（42）、凝胶温控装置（43）、抽真空装置（44）和废液收集装置（45），凝胶温控装置（43）与供凝胶装置（41）固定连接以控制供凝胶装置（41）内的温度，抽真空装置（44）与固结室（9）相连通以对固结室（9）进行抽真空，废液收集装置（45）与固结室（9）相连通以收集固结室（9）中的废液，供凝胶装置（41）经注凝胶装置（42）与固结室（9）相连通以向固结室（9）中注入凝胶。

8.根据权利要求7所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述供凝胶装置（41）由凝胶水箱A（46）和凝胶水箱B（47）组成，凝胶水箱A（46）中盛放低温凝胶，凝胶水箱B（47）中盛放中高温凝胶，所述注凝胶装置（42）由压力泵（48）、凝胶水箱A阀门（49）、凝胶水箱B阀门（50）和进凝胶管阀门（53）组成，所述凝胶温控装置（43）由温度传感器B（54）、凝胶温度控制器（55）、凝胶加热装置（56）和凝胶制冷装置（57）组成；凝胶水箱A（46）通过与其对应的一根导管与压力泵（48）的输入端连接，凝胶水箱B（47）通过与其对应的一根导管与压力泵（48）的输入端连接，压力泵（48）的输出端经进凝胶管（52）与固结室（9）连通，进凝胶管（52）上设有与其对应的控制阀门（17）；凝胶水箱A阀门（49）设于凝胶水箱A（46）与压力泵（48）连接的导管上，凝胶水箱B阀门（50）设于凝胶水箱B（47）与压力泵（48）连接的导管上，进凝胶管阀门（53）设于压力泵（48）的输入端，压力泵（48）的输出端设有压力泵阀门（51）；温度传感器B（54）分别安装于凝胶水箱A（46）和凝胶水箱B（47）底部；凝胶制冷装置（57）的制冷端通过与其对应的一根导管与凝胶水箱A（46）固定连接，凝胶加热装置（56）的加热端与凝胶水箱B（47）固定连接；

所述凝胶温度控制器（55）的输入端与温度传感器B（54）的输出端电性连接，其输出端与凝胶加热装置（56）以及凝胶制冷装置（57）的输入端电性连接；

所述抽真空装置（44）由真空泵（58）和真空压力控制器（59）组成，真空泵（58）经抽气管（14）与固结室（9）连通，真空压力控制器（59）的输出端与真空泵（58）电性连接；

所述废液收集装置（45）由废液桶（60）和废液桶底座（61）组成，废液桶（60）安装在废液桶底座（61）上，其通过排水管（12）和排凝胶管（13）与固结室（9）连通。

9.如权利要求8所述的便于微观试验制样的温控固结仪的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S1、检查仪器是否完好，具体包括：

步骤S11、调节凝胶温控装置（43），使供凝胶装置（41）中的凝胶达到试验温度，待凝胶呈液态后，开启注凝胶装置（42），打开进凝胶管阀门（53），若固结室（9）底部出现流动凝胶，说明凝胶温控装置（43）、供凝胶装置（41）与注凝胶装置（42）完好，将仪器恢复至初始状态，清洗残余凝胶；

步骤S12、开启孔隙水压力控制器（37），打开与固结室（9）连通的进水管（10）上的控制阀门（17），向固结室（9）内注入少量蒸馏水，若计算机（40）显示的孔隙水压力读数呈正常波动，表明孔隙水压力控制器（37）和孔隙水压力传感器完好，将仪器恢复至初始状态；

步骤S13、开启孔隙气压力控制器（38），打开与固结室（9）连通的进气管（11）的控制阀门（17），向固结室（9）内施加孔隙气压力，若计算机（40）显示的孔隙气压力读数呈正常波动，表明孔隙气压力控制器（38）和孔隙气压力传感器正常，将仪器恢复至初始状态；

步骤S14、用手向上作用试样压力传感器（28），若计算机（40）显示的压力及位移均呈正常波动，表明试样压力传感器（28）和位移传感器（29）完好；

步骤S15、打开试样温控装置（6），设置一定温度值，若计算机（40）显示的温度读数在所设定温度值附近波动，表明试样温控装置（6）正常，将仪器恢复至初始状态；

步骤S2、进行固结试验，具体包括：

步骤S21、按试验方案配制所需含水率的土体，将土体倒入预先装好的环刀内，采用击实器分层击实土体，制备成具有预设干密度的试样；

步骤S22、在固结室（9）内壁涂抹一层凡士林，在底板（15）上放置一个已浸水饱和且去气泡的陶土板（36），然后将制备好的试样压入固结室（9）内，在试样上再放置一个洁净而湿润的透水石（35），安装固结室（9）的盖帽（16），将活动横梁A（24）向下移动，保证活动横梁A（24）下部的试样压力传感器（28）与盖帽（16）上的凹槽接触良好，并使试样与陶土板（36）以及透水石（35）之间接触良好；

步骤S23、待固结室（9）密封好后，开启孔隙水压力控制器（37），打开与固结室（9）连通的进水管（10）和排水管（12）上的控制阀门（17），施加孔隙水压力，再次排除陶土板（36）中溶于水的气体；

步骤S24、当排水不掺杂气泡时，关闭排水管（12）上的控制阀门（17），通过孔隙水压力控制器（37）对试样施加所需的孔隙水压力，并维持孔隙水压力恒定；

步骤S25、打开试样温控装置（6）、孔隙气压力控制器（38）和压力加载装置（4），控制固结室（9）中试样的温度、对试样施加的孔隙气压力以及净固结压力，完成主固结；

步骤S26、试验完成后，关闭孔隙气压力控制器（38）、孔隙水压力控制器（37）以及与固结室（9）连通的进水管（10）和进气管（11）上的控制阀门（17）；

步骤S3、试样固化，具体包括：

步骤S31、开启供凝胶装置（41），根据试验目的选择低温凝胶或中高温凝胶，调节凝胶温控装置（43），使凝胶温度达到试验温度；

步骤S32、待凝胶接近无粘性流动状态后，开启排凝胶管（13）和排水管（12）上的控制阀门（17）以及进凝胶管阀门（53），开启注凝胶装置（42），将液态凝胶压入固结试样内；

步骤S33、当与盖帽（16）相连的排凝胶管（13）中流出凝胶时，关闭排凝胶管（13）的控制阀门（17），继续向固结试样内压入液态凝胶；

步骤S34、当压力泵（48）在设定压力下无法再向固结室（9）中压入液态凝胶时即进凝胶管（52）中的凝胶不再移动时，关闭供凝胶装置（41）、凝胶温控装置（43）和注凝胶装置（42），让注入试样中的凝胶自由冷却、充分固化；

步骤S35、将活动横梁A（24）上抬并取出盖帽（16），然后将活动横梁B（26）下移顶住固结室（9）的上沿，抽出钢质垫板（32），使用千斤顶（33）依次将升降台内环（30）、固结室（9）内的底板（15）和陶土板（36）向上顶起，从而顶出固化后的固结试样，完成脱模；

步骤S36、清洗固结室（9）、进凝胶管（52）和排凝胶管（13），防止堵塞；

步骤S4、微观试样制备，具体包括：

步骤S41、根据试验需求，采用刀片或其他工具从固结试样中的特定位置沿拟定方向切取小试样，再对切割表面进行打磨处理，制作成微观试验所需的小试样；

步骤S42、采用光学显微镜和扫描电子显微镜等微观试验手段对小试样的切割面进行观察，获得清晰、准确的微观图像，从而对固结试样的微观结构特征进行定性及定量分析。

10.根据权利要求9所述的便于微观试验制样的温控固结仪的使用方法，其特征在于，当保持恒定温度、恒定基质吸力，通过压力加载装置（4）进行温度和基质吸力控制情况下试样的分级加、卸载试验时，步骤S25的具体实现过程为：先打开试样温控装置（6），使固结室（9）中试样的温度从室温变化到所需试验温度，维持温度恒定；然后开启孔隙气压力控制器（38），对试样施加所需的孔隙气压力并维持恒定；最后打开压力加载装置（4），以初始净固结压力为12.5 kPa，下一级净固结压力是前一级净固结压力的两倍的递增方式逐级给试样施加净固结压力，直至净固结压力到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级压力下的变形达到稳定即完成主固结；

当保持恒定温度、恒定压力，通过吸力控制装置（5）对试样施加不同大小的基质吸力，进行温度和应力控制情况下试样的吸湿和脱湿试验时，步骤S25的具体实现过程为：先打开试样温控装置（6），使固结室（9）中试样的温度从室温变化到所需试验温度，维持温度恒定；然后打开压力加载装置（4），给试样施加所需净固结压力，待试样完成主固结后，维持净固结压力恒定；最后开启孔隙气压力控制器（38），以初始孔隙气压力为12.5 kPa，下一级孔隙气压力是前一级孔隙气压力的两倍的递增方式逐级给试样施加孔隙气压力，直至孔隙气压力到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级压力下的变形达到稳定即完成主固结；

当保持恒定压力、恒定基质吸力，通过试样温控装置（6）分级改变固结室（9）内固结试样的温度，使试样处于冷热循环状态，进行压力和基质吸力控制情况下试样的温度变形试验时，步骤S25的具体实现过程为：先开启孔隙气压力控制器（38），对试样施加所需的孔隙气压力并维持恒定；然后打开压力加载装置（4），给试样施加所需的净固结压力，待试样完成主固结后，维持净固结压力恒定；最后打开试样温控装置（6），使固结室（9）中试样的温度由室温以每级5℃的变化逐级降低或升高，直至试样温度到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级温度下的变形达到稳定即完成主固结，所述试样温度的试验设定值在-20~100℃范围内。

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