CN111595647A - 一种深部冻土ct扫描试样的批量制样装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置及其使用方法，该装置包括主体加载系统和冻结系统，其适用于小尺寸的深埋人工冻土制样，能模拟深埋人工冻土在不同固结压力和不同冻结温度下的形成过程，不同的试样可通过调节标定螺纹杆来实现不同的固结压力，可同时实现多个冻土试样的批量制备，压力室中间设有聚四氟乙烯套管，可有效减小固结实验时土样侧壁受到的竖向摩擦和对固结时土样结构均匀性的扰动，底座分两层便于拆卸取样，有效避免以往土样轴向受力挤压出压力室时土样轴向受到的扰动，取出的带有聚四氟乙烯套管的冻土试样可直接用于CT扫描，避免以往取样时侧壁竖向摩擦带来的土样侧面扰动。

Description

一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及深部冻土制样技术领域，具体涉及一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置及其使用方法。
背景技术
深部土由于上层土体自重原因受到较大的荷载，在对深部土进行原位冻结形成人工冻土时，冻土的形成条件为有压冻结。深埋原位冻结人工冻土，由于其所处地层深度大、形成条件与常规重塑土的人工冻土试样的形成条件差异大，其物理力学性质与常规重塑土的人工冻土试样的力学性质之间存在很大差异，因此在制备室内试验冻土试样时，应尽可能模拟冻土原位形成条件。
随着冻土力学的发展，对深部冻土的研究尺度逐渐从宏观转向细观层面，目前采用较多的为CT扫描技术，由于CT设备平台尺寸与扫描分辨率的限制，试样尺寸需要毫米级，由此带来了诸多制样问题，导致传统的冻土制样方法不能满足现有需求。目前主要有两种实现方法：方法一：对常规三轴仪进行改装，使固结、冻结全都在实验机上完成，然后对制备的冻土试样进行切削制成符合CT扫描尺寸的试样；方法二：对K0固结仪进行改装，在其外侧增加冷冻系统，土样经K0固结后进行冻结，制成标准尺寸的模拟深埋人工冻土试样，然后对冻土试样进行切削加工；
这两种方法都存在明显不足；方法一虽然能够模拟深埋人工冻土形成条件，但固结时径向为液性侧限，相较于深部冻土形成时的刚性侧限存在一定误差，且这种方法试验机占用时间长，一次只能完成一个试样，试验机时费用昂贵，不适宜高效的开展大量深部冻土力学试验。方法二虽然能够模拟深埋人工冻土形成时的刚性侧限，但和方法一样，单次只能制备一个试样，且冻土切削过程存在尺寸不准确和冻土结构扰动问题。因此，需要发明一种深埋人工冻土CT扫描试样的批量制样设备，利用该制样设备既能够批量制备模拟深埋人工冻土的冻土试样，同时所制备试样尺寸可直接用于CT扫描试样，避免后续加工的扰动。
发明内容
本发明的目的是提供一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置及其使用方法，其适用于毫米级别小尺寸的深埋人工冻土制样，能模拟深埋人工冻土在不同固结压力和不同冻结温度下的形成过程，不同的试样可通过调节标定螺纹杆来实现不同的固结压力，可同时实现多个冻土试样的批量制备。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置，包括输出端连接行星减速器的步进电机，所述行星减速器输出端固定轴压加载杆，所述轴压加载杆远离行星减速器的一端固定在加压板中心，所述加压板的下方设有与行星减速器螺栓固定的底座，所述加压板上还螺纹配合有若干个呈环形阵列布置的螺纹连接杆，所述环形阵列与轴压加载杆同轴线设置，所述螺纹连接杆螺纹端穿出轴压加载杆后固定在荷重传感器上端，所述荷重传感器下端通过PEEK转接头连接加压杆，所述底座上开有若干个与加压杆一一对应的通孔，每个通孔的底部和顶部分别设有能够上下滑动的透水石，在两个透水石之间设有内径与通孔内径相同的聚四氟乙烯套管；所述底座包括上下两个底板，两个底板通过螺栓固定连接；所述底座上端面设有螺旋形的冷夜循环槽和用于盖合冷夜循环槽的盖板，所述盖板的中部和边缘分别设有连通冷夜循环槽的冷液入口和冷液出口，所述底座的侧端面和上表面均设置有保温层。
优选地，所述底座内通孔的数量为4-6个。
优选地，所述盖板与所述底座的上表面通过焊接密封。
优选地，所述轴压加载杆下端与所述加圧板中部螺纹连接固定。
优选地，所述行星减速器通过内六角螺栓与法兰连接杆连接；所述法兰连接杆下端与底座螺纹连接。
本发明还提供一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置的使用方法，具体包括以下步骤：
1)装置组装
a.首先，在压力室底部依次放入透水石、聚四氟乙烯套管，之后将底座上部与下部通过螺栓紧固连接，固定底座侧面保温层，在压力室中放入配好的散土，将法兰连接杆与底座连接；
b.在轴压加载杆下部依次连接加压板、螺纹连接杆、荷重传感器、PEEK转接头与加压杆，然后将各荷重传感器连接到数据采集仪，对螺纹连接杆处进行标定，最后通过内六角螺栓将装置上部与法兰连接杆连接；
2)加压固结
通过电脑控制步进电机按预设加载速率加轴压至固结压力，维持轴压不变制备不同固结压力下的试样时，可通过微调螺纹连接杆使各个土样具有不同的固结压力，保压一定时间完成固结过程；
3)保压冻结
维持土样轴向压力不变，将冷液循环泵与冷液入口、冷液出口连接，冷冻液通过冷液输送管注入冷液循环槽，对土样进行冻结，通过数值模拟和理论计算得到冻结时间为5h，本阶段完成；
4)拆卸取样
卸除轴压，拆除底座侧面保温层和螺栓，取出带有聚四氟乙烯套管的冻土试样。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明适用于小尺寸的深埋人工冻土制样，能模拟深埋人工冻土在不同固结压力和不同冻结温度下的形成过程，不同的试样可通过调节标定螺纹杆来实现不同的固结压力，可同时实现多个冻土试样的批量制备。
2.本发明通过增设PEEK材质的转接头，能在冻结实验中防止荷重传感器和轴压加载杆杆接触部位结冰，可用于深埋冻土的长时高压固结和冻结过程，装置整体体积较小，采用步进电机输出轴压，便于试验操作控制。
3.本发明在压力室中间设有聚四氟乙烯套管，可有效减小固结实验时土样侧壁受到的竖向摩擦和对固结时土样结构均匀性的扰动。
4.本发明所采用底座为由螺栓紧固的上下两层，拆卸取样时易于操作，有效避免以往土样轴向受力挤压出压力室时土样轴向受到的扰动，取出的带有聚四氟乙烯套管的冻土试样可直接用于CT扫描，避免以往取样时侧壁竖向摩擦带来的土样侧面扰动。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置的结构示意图；
图2为图1中A向剖视图(未画盖板)；。
图中，1-步进电机、2-行星减速器、3-螺纹连接杆、4-法兰连接杆、5-荷重传感器、6-冷液入口、7-冷液出口、8-加压杆、9-土样、10-聚四氟乙烯套管、11-螺栓、12-透水石、13-保温层、14-加压板、15-轴压加载杆、16-PEEK转接头、17-底座、18-内六角螺栓、19-冷液循环槽、20-盖板、21-压力室。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-2所示，本发明实施例提供一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置，包括主体加载系统和冻结系统；
主体加载系统包括输出端连接行星减速器2的步进电机1，所述行星减速器2输出端固定轴压加载杆15，所述轴压加载杆15远离行星减速器2的一端螺纹固定在加压板14中心，所述加压板14的下方设有与行星减速器2螺栓固定的底座17，所述加压板14上还螺纹配合有4个呈环形阵列布置的螺纹连接杆3，所述环形阵列与轴压加载杆15同轴线设置；
所述螺纹连接杆3螺纹端穿出轴压加载杆15后固定在荷重传感器5上端，所述荷重传感器5下端通过PEEK转接头16连接加压杆8，所述底座17上开有4个与加压杆8一一对应的通孔，每个通孔的底部和顶部分别设有能够上下滑动的透水石12，在两个透水石12之间设有内径与通孔内径相同的聚四氟乙烯套管10；所述底座17包括上下两个底板，两个底板通过螺栓11固定连接；
冻结系统包括所述底座17上端面设有的螺旋形冷夜循环槽19和用于盖合冷夜循环槽19的盖板20，所述盖板20的中部和边缘分别设有连通冷夜循环槽19的冷液入口6和冷液出口7，所述底座17的侧端面和上表面均设置有保温层13。
所述盖板20与所述底座17的上表面通过焊接密封。
所述行星减速器2通过内六角螺栓18与法兰连接杆4连接；所述法兰连接杆4下端与底座17螺纹连接。
本发明实施例还提供一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置的制样方法：整个实验过程轴压由步进电机1和行星减速器2通过轴压加载杆15施加，冷液循环槽19通过冷液输送管外接冷液循环泵，试验流程主要分为KO固结和冻结两个阶段：
KO固结阶段：土样9通过加压杆8提供轴向压力，侧向由嵌入压力室21中间部位的聚四氟乙烯套管10提供侧向限位，土样9下部放置透水石12，各压力室21中的不同土样9竖向压力可通过螺纹连接杆3进行调节，期间各土样9所受轴向压力大小由荷重传感器5测定；
冻结阶段：固结阶段完成后，维持土样9的压力不变，由外接冷液循环泵通过冷液循环槽19连续输送一定温度的冻结液，降低压力室21周边底座17和土样9的温度，维持一定时间后，形成模拟深部冻土的KO固结下的冻土试样9。
下面以深部人工冻结黏土制样为例，对试验方法进行详细说明，试验需结合数据采集仪、电脑来完成，分为装置组装、加压固结、保压冻结、拆卸取样4个流程，具体步骤如下：
1装置组装
a.首先，在压力室21底部依次放入透水石12、聚四氟乙烯套管10，之后将底座17上部与下部通过螺栓11紧固连接，固定底座17侧面保温层13，在压力室21中放入配好的散土，将法兰连接杆4与底座17连接；
b.在轴压加载杆15下部依次连接加压板14、螺纹连接杆3、荷重传感器5、PEEK转接头16与加压杆8，然后将各荷重传感器5连接到数据采集仪，对螺纹连接杆3处进行标定，最后通过内六角螺栓18将装置上部与法兰连接杆4连接。
2.加压固结
通过电脑控制步进电机1按预设加载速率加轴压至固结压力，维持轴压不变制备不同固结压力下的试样时，可通过微调螺纹连接杆3使各个土样9具有不同的固结压力，保压一定时间完成固结过程。
3.保压冻结
维持土样9轴向压力不变，将冷液循环泵与冷液入口6、冷液出口7连接，冷冻液通过冷液输送管注入冷液循环槽19，对土样9进行冻结，通过数值模拟和理论计算得到冻结时间为5h，本阶段完成。
4拆卸取样
卸除轴压，拆除底座17侧面保温层13和螺栓11，取出带有聚四氟乙烯套管10的冻土试样9。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依靠本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置，其特征在于，包括输出端连接行星减速器(2)的步进电机(1)，所述行星减速器(2)输出端固定轴压加载杆(15)，所述轴压加载杆(15)远离行星减速器(2)的一端固定在加压板(14)中心，所述加压板(14)的下方设有底座(17)，所述底座(17)与行星减速器(2)固定连接，所述加压板(14)上还螺纹配合有若干个呈环形阵列布置的螺纹连接杆(3)，所述环形阵列与轴压加载杆(15)同轴线设置，所述螺纹连接杆(3)螺纹端穿出轴压加载杆(15)后固定在荷重传感器(5)上端，所述荷重传感器(5)下端通过PEEK转接头(16)连接加压杆(8)，所述底座(17)上开有若干个与加压杆(8)一一对应的通孔，每个通孔的底部和顶部分别设有能够上下滑动的透水石(12)，在两个透水石(12)之间设有内径与通孔内径相同的聚四氟乙烯套管(10)；所述底座(17)包括上下两个底板，两个底板通过螺栓(11)固定连接；所述底座(17)上端面设有螺旋形的冷夜循环槽(19)和用于盖合冷夜循环槽(19)的盖板(20)，所述盖板(20)的中部和边缘分别设有连通冷夜循环槽(19)的冷液入口(6)和冷液出口(7)，所述底座(17)的侧端面和上表面均设置有保温层(13)。
2.根据权利要求1所述的一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置，其特征在于，所述底座(17)内通孔的数量为4-6个。
3.根据权利要求1所述的一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置，其特征在于，所述盖板(20)与所述底座(17)的上表面通过焊接密封。
4.根据权利要求1所述的一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置，其特征在于，所述轴压加载杆(15)下端与所述加圧板(14)中部螺纹连接固定。
5.根据权利要求1所述的一种深部冻土CT扫描试样的批量制样装置，其特征在于，所述行星减速器(2)通过内六角螺栓(18)与法兰连接杆(4)连接；所述法兰连接杆(4)下端与底座(17)螺纹连接。
6.一种权利要求1所述的深部冻土CT扫描试样的批量制样装置的使用方法，具体包括以下步骤：
1)装置组装
a.首先，在压力室(21)底部依次放入透水石(12)、聚四氟乙烯套管(10)，之后将底座(17)上部与下部通过螺栓(11)紧固连接，固定底座(17)侧面保温层(13)，在压力室(21)中放入配好的散土，将法兰连接杆(4)与底座(17)连接；
b.在轴压加载杆(15)下部依次连接加压板(14)、螺纹连接杆(3)、荷重传感器(5)、PEEK转接头(16)与加压杆(8)，然后将各荷重传感器(5)连接到数据采集仪，对螺纹连接杆(3)处进行标定，最后通过内六角螺栓(18)将装置上部与法兰连接杆(4)连接；
2)加压固结
通过电脑控制步进电机(1)按预设加载速率加轴压至固结压力，维持轴压不变制备不同固结压力下的试样时，可通过微调螺纹连接杆(3)使各个土样(9)具有不同的固结压力，保压一定时间完成固结过程；
3)保压冻结
维持土样(9)轴向压力不变，将冷液循环泵与冷液入口(6)、冷液出口(7)连接，冷冻液通过冷液输送管注入冷液循环槽(19)，对土样(9)进行冻结，通过数值模拟和理论计算得到冻结时间为5h，本阶段完成；
4)拆卸取样
卸除轴压，拆除底座(17)侧面保温层(13)和螺栓(11)，取出带有聚四氟乙烯套管(10)的冻土试样(9)。
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