CN111665121B - 考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及方法，包括压力室系统、温度控制系统、湿度控制系统、加载系统、计算机与数据采集系统。温度控制系统包括恒温室、两个“蚊香型”流道、一个柱状螺旋流道和三个恒温循环浴槽；恒温室围设在压力室系统和加载系统的外周；恒温室温度、试样底部的下“蚊香型”流道温度、试样中部的柱状螺旋流道温度和试样顶部的上“蚊香型”流道温度形成逐渐递减的温度梯度；湿度控制系统置于恒温室内，生成的湿度气体顺着逐渐递减的温度梯度方向在试样内流动。本发明能够真实反映高海拔、高寒地区高土石坝筑坝料的真实作用机制，提高了试验精度的同时增强了试验结果的可信度。

Description

考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及方法

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，特别是一种考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及方法。

背景技术

粗粒料广泛应用于公路路基、铁路碎石道砟、垃圾填埋场垫层、核废料储存场垫层以及土石坝工程。对于土石坝工程，当水库蓄水或者气候环境发生变化时，粗粒料由于水的作用将会引起性能劣化，具体表现为强度降低和压缩量增大，严重者将影响坝体的安全运行。

在复杂的地形地质条件和恶劣的自然环境条件下，相较于常规混凝土坝型，土石坝因其在技术和经济方面不可替代的优势，在水利水电建设中得到了广泛的应用。高土石坝的主要筑坝材料一般为粗粒料，类型主要包括心墙堆石坝和面板堆石坝。以面板堆石坝为例，据统计，我国建在极端气温低于-30℃的面板堆石坝有40多座，有的最低气温低于-40℃，有的工程年最大温差超过80℃，高寒大温差条件下混凝土面板堆石坝的建设和运行经受着严峻的考验。

大量工程实践经验表明，如图7所示，面板坝的混凝土面板作为一个整体结构在施工及运行过程中，在各种外荷载、温度应力、干缩应力及运行期水压力等因素相互耦合作用下普遍发生裂缝。在高寒区持续低温、昼夜温差大的恶劣环境下，混凝土面板更容易产生不同程度的破坏，主要表现在：

1）处于水位变动区6中的混凝土面板3易发生冻融破损（如剥蚀、裂缝）、老化加速，混凝土耐久性降低。

2）表层冰面对面板间的分缝止水4的止水锚固结构产生剪切、拉拔作用，使止水破坏。

3）水通过受损的面板接缝处进入坝体内，靠近面板的垫层料2和堆石1受局部冻胀影响，不均匀变形引发上部混凝土面板开裂破损。处于水位变动区6中的垫层料为易冻胀区5。

4）堆石区粗粒料在冻融和湿度耦合作用下的长期变形（流变）促进了面板裂缝的扩展。作为面板堆石坝的主要防渗体，面板一旦出现贯穿性裂缝，将大大降低其防渗效果，对电站的安全运行造成重大隐患。

因此，加强高寒区筑坝粗粒料劣化问题的研究，对确保大坝安全建设与运行的意义十分重大。高寒区坝体粗粒料的实际冻融过程是：当坝体表面温度低于零度时，坝体表面由外向内不断冻结，在温度梯度的作用下面板下卧层中粗粒料的水汽不断向冻结锋面迁移并遇冷成冰，当温度升高时，积聚的冰层逐步融化形成液态水，又进一步提高了筑坝料的相对湿度。在长期往复的增湿和冻融两种劣化因素共同作用下，高寒区土石坝的安全运行面临严峻挑战。

室内试验中，通常采用三轴试验方法对筑坝料开展强度变形和劣化试验，现有技术的三轴试验装置及方法，均存在着弊端，主要表现在：

温控系统采用侧面环绕式整体控温方式，控温精度低，试验过程中易受环境温 度影响。

温控调节装置采用电磁阀，导致温度波动幅度大、恒定耗时长，这是由于电磁阀 的工作原理和温控室与环境温度之间的温差共同决定的。

由于采用整体式控温，仪器不能模拟真实的单向冻结方式，不符合实际工况的 温度边界条件。

试样上下端温度相同，无温度梯度作用导致冻结作用下的水汽迁移过程无法完 成，进而难以真实考虑相对湿度和冻融的耦合作用。

剪切过程中体变量测存在较大误差，环境温度与试验温度之间的温差带来的压 力室液体介质的热胀冷缩效应难以消除。

因此，研发一种控温精度高、体变量测精度准并能真实准确考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及试验方法具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及方法，该考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及方法能够真实反映高海拔、高寒地区高土石坝筑坝料的真实作用机制，提高了试验精度的同时增强了试验结果的可信度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置，包括压力室系统、加载系统、温度控制系统、湿度控制系统、数据采集系统和计算机。

压力室系统包括压力室。压力室包括压力室底座和密封罩设在压力室底座上方的压力罩。位于压力室内的压力室底座顶面设置有试样底座，试样底座顶部中心设置有试样放置台，用于放置试样。试样的顶端面和底端面均铺设有透水层。

加载系统包括试样上压头、加载活塞、轴压加载装置和围压加载装置；试样上压头放置在试样正上方，且顶部具有轴向凹槽；加载活塞同轴嵌套在轴向凹槽内；轴压加载装置用于对加载活塞、试样及试样上压头施加轴向压力；围压加载装置用于对放置在试样放置台上的试样施加围压。

温度控制系统包括恒温室、两个“蚊香型”流道、一个柱状螺旋流道和三个恒温循环浴槽。

恒温室围设在压力室系统和加载系统的外周，恒温室内温度范围为T1。

两个“蚊香型”流道分别布设在加载活塞下表面和试样放置台上表面，分别为上“蚊香型”流道和下“蚊香型”流道。柱状螺旋流道同轴套设在试样外周的压力室内。两个“蚊香型”流道和一个柱状螺旋流道各连接一个位于恒温室外侧的恒温循环浴槽。恒温室温度、下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度形成逐渐递减的温度梯度。

湿度控制系统包括湿度气体生成装置。湿度气体生成装置设置在恒温室中，用于生成设定湿度的湿度气体。生成的湿度气体将顺着所述的逐渐递减的温度梯度方向在试样内流动。

数据采集系统分别与压力室系统、加载系统、温度控制系统、湿度控制系统和计算机相连接。

形成柱状螺旋流道的组件包括紫铜管固定架和紫铜管。紫铜管固定架同轴布设在试样放置台外周的试样底座上，紫铜管呈螺旋状绕设在紫铜管固定架上。

温度控制系统还包括若干个温度传感器，分别用于检测试样上端面、试样中部和试样下端面的温度。

围压加载装置通过围压输送管向压力室输送围压介质。压力室系统还包括压力室液体储存箱。

压力室液体储存箱的进液口通过管路与其中一个恒温循环浴槽相连通，压力室液体储存箱的出液口连接围压输送管。

湿度控制系统还包括湿度传感器。湿度气体生成装置具有湿度气体生成口和湿度气体回收口。其中，湿度气体生成出口连接进气管，进气管的另一端依次穿过试样底座和试样放置台后，伸入试样底部的透水层中。湿度气体回收口连接回收管，回收管的另一端穿过试样上压头后，伸入试样顶部的透水层中。在进气管和回收管中各设置一个湿度传感器。

轴压加载装置包括试验机底座、加载电机、竖向螺杆、水平横梁、力传感器和位移传感器；试验机底座置于恒温室底部，竖向螺杆安装在试验机底座两侧，水平横梁螺纹连接在竖向螺杆的顶端，并通过加载电机驱动水平横梁的高度升降；力传感器和位移传感器均安装在水平横梁上。

一种考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验方法，包括白天融化状态劣化模拟和夜间冻结状态劣化模拟。

其中，白天融化状态劣化模拟，包括如下步骤：

步骤1，试样制备与安装：采用与堆石坝中垫层料相同级配的粗粒料，在试样放置台上，进行分层装填、压实，形成设定高度的圆柱状的试样。同时，在试样的上端面和下端面均布设一层透水层，在试样上端面的透水层上放置试样上压头。最后将压力罩密封罩设在压力室底座外周。

步骤2，试样安装：将步骤1制备的试样放置在试样放置台上，并在试样的上端面和下端面均布设一层透水层。将压力罩密封罩设在压力室底座外周。

步骤3，形成温度梯度：首先，将恒温室温度控制在大于0℃的一个设定恒温温度T1。接着，开启三台恒温循环浴槽并分别设置不同的温度，使得恒温室温度、下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度形成逐渐递减的温度梯度。且柱状螺旋流道温度小于0℃。

步骤4，试样劣化：试样在步骤3形成的逐渐减小的温度梯度下连续冻结12h，然后关闭三台恒温循环浴槽，使试样连续融化12h，形成一个冻融循环。重复N此冻融循环。在第一个冻融循环中三台恒温循环浴槽开启的同时，开启湿度气体生成装置，湿度气体生成装置生成的设定湿度的气体顺着逐渐递减的温度梯度方向在试样内流动。

步骤5，劣化试样三轴压缩实验，包括如下步骤：

步骤51，试样固结：开启围压加载装置，对试样施加设定的围压固结。试样固结时，应保持压力室的温度在T1，从而使得试样保持融化状态。待试样的体积不再发生变化或者变化速率小于限定值时，试样固结结束。

步骤52，试样加载：轴压加载装置按照设定加载速度，通过试样上压头对试样施加轴向压力，压力传感器和位移传感器对试样所受的轴向压力和轴向位移进行实时监测，数据采集系统对轴向压力和轴向位移数据进行采集并传递给计算机，计算机绘制轴力-位移实时试验曲线，待轴力-位移实时试验曲线出现明显峰值点或者应变达到20%时停止加载。

步骤53，装置养护：关闭整个粗粒料劣化试验装置，打开恒温室内的风机，降低恒温室内部环境相对湿度。

步骤54，数据处理与分析：将试验后的试样拍照记录，统计粗粒料的破碎状况，绘制偏应力-轴向应变和体积应变-轴向应变曲线，分析讨论相对湿度和冻融耦合作用对试验结果的影响。

夜间冻结状态劣化模拟与白天融化状态劣化模拟的步骤基本相同，不同点在于步骤51中，试样固结时，应保持压力室的温度低于0℃，从而使得试样保持冻结状态。

步骤3中，下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度分别为1℃、-5℃和-10℃。

与下“蚊香型”流道相连接的恒温循环浴槽为第三恒温循环浴槽，与柱状螺旋流道温度相连接的恒温循环浴槽为第二恒温循环浴槽，与上“蚊香型”流道温度相连接的恒温循环浴槽为第一恒温循环浴槽。白天融化状态劣化模拟时，在步骤51试样固结前，将第三恒温循环浴槽内的循环液体输送至压力室内，对压力室进行恒温，从而将压力室温度控制在1℃；夜间冻结状态劣化模拟时，在步骤51试样固结前，将第二恒温循环浴槽内的循环液体输送至压力室内，对压力室进行恒温，从而将压力室温度控制在-5℃。

步骤1中，试样制备与安装，具体包括如下步骤：

步骤11，选择粗粒料：粗粒料的粒径大小选择与堆石坝中垫层料相同或按照规范缩尺后的级配曲线。

步骤12，制样模具装夹：在试样放置台的外周套装橡胶膜，在橡胶膜的外周装夹固定对开模，并将橡胶膜的顶端边缘翻折套装在对开模顶端。

步骤13，装料：先在位于橡胶膜内部的试样放置台上铺设透水层，接着，分层装填步骤11选择的粗粒料，并逐层压实。

步骤14，铺设透水层和试样上压头：装料至设定高度后，在粗粒料顶部铺设透水层，透水层上方放置试样上压头。然后，将步骤12中翻折套装在对开模顶端的橡胶膜伸展套装在顶部透水层和试样上压头外周。

步骤15，紧实试样：拆卸对开模，对试样内部抽真空，使试样紧实。

步骤16，装夹加载活塞：将压力罩密封罩设在压力室底座外周，加载活塞的底部密封穿过压力罩后，嵌套在试样上压头顶部。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明中温度控制系统采用内外复合式控温方式，整套试验装置置于恒温室，装置内部采用上、中、下三段单独控温，整个控制方式控温精度高、受环境温度影响小。

2、本发明中温控调节装置采用变频电机，变频电机可以根据试验实际温度和目标温度之间的温差大小自动调节波纹管中冷却液的流量大小，避免了常规温控调节装置电磁阀只能在开启和关闭两个极端状态下工作的弊端，降低了内部温控室温度波动幅度、缩短了内部温控室温度恒定时间。

3、本发明中装置内部温控室采用上、中、下三段单独控温，可以根据试验需要设置一定的温度梯度，一方面可以真实模拟单向冻结方式下的温度边界条件（温度梯度）；另一方面，在温度梯度的作用水汽迁移过程可以顺利完成，进而可以真实考虑相对湿度和冻融的耦合作用。

4、本发明中湿度控制系统置于恒温室内，确保了试验过程中一定湿度气体不会受环境温度影响而液化成水滴，保障了湿度控制的效果和精度。

5、本发明中围压加载装置置于外部恒温室，恒温室温度与装置内部温控室温度较为接近，可以减小环境温度与试验温度之间的温差带来的压力室液体介质的热胀冷缩效应，降低了试验剪切过程中体变量测误差。

6、本发明中试验装置不但能开展考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验，也可以根据试验需要开展单独考虑相对湿度和温度影响的各类常规土工试验，结合内外复合式控温方式亦可显著提高常规土工试验的试验精度。

附图说明

图1是本发明考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置的结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的压力室系统整体结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的试样底座及试样放置台的结构示意图。

图4是根据本发明实施例提供的试样上压头的整体结构示意图。

图5是根据本发明实施例提供的“蚊香型”流道布置结构示意图。

图6是根据本发明实施例提供的导轨系统整体结构示意图。

图7显示了现有技术中面板坝的结构示意图。

图中有：

11、压力室底座；12、试样底座；13、试样；14、试样上压头；15、加载活塞；16、压力罩；17、紫铜管；18、紫铜管固定架；19、紫铜管进液口；110、紫铜管出液口；111、压力室进液口；112、排气孔；113、湿度气体进气口；114、湿度气体出气口；115、透水层；116、“O”型密封圈；117、“蚊香型”流道；118、导轨滑块；119、直线导轨；

21、第一恒温循环浴槽；22、第二恒温循环浴槽；23、第三恒温循环浴槽；24、加载活塞进出液波纹管；25、紫铜管进出液波纹管；26、试样底座进出液波纹管；27、压力室液体储存箱；28、压力室液体储存箱进出液波纹管；29、变频电机；210、试样上断面温度传感器；211、试样中间温度传感器；212、试样下断面温度传感器；213、恒温室；214、风机；

31、湿度气体生成装置；32、进气口湿度传感器；33、出气口湿度传感器；34、气泵；35、回收管；

41、试验机底座；42、加载电机；43、竖向螺杆；44、水平横梁；45、力传感器；46、位移传感器；47、油泵；48、进出液开关一；49、进出液开关二；410、围压加载装置；

51、计算机；52、数据采集仪。

1、堆石料；2.垫层粗粒料；3.面板；4.分缝止水；5.易冻胀区；6.水位变动区。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置，包括压力室系统、加载系统、温度控制系统、湿度控制系统、数据采集系统和计算机。

压力室系统包括压力室和压力室液体储存箱27。

如图2所示，压力室包括压力室底座11和密封罩设在压力室底座上方的压力罩16。

压力室能在下述的恒温室内水平滑动，如图6所示，压力室底座11优选为方形平板底座，底座下部对称安装有两组导轨滑块118和直线导轨119，用于压力室的安装、加载和拆卸。

位于压力室内的压力室底座顶面设置有试样底座12，试样底座侧壁优选嵌套有“O”型密封圈116，进一步密封压力室。

如图3所示，试样底座顶部中心设置有试样放置台，用于放置试样13。位于试样放置台外侧的试样底座上优选设置有压力室相连通的压力室进液口111，试样底座及试样放置台中设置有与试样下端面相连通的湿度气体进气口113，用于试样13内部相对湿度的控制。

试样放置台上表面设置有如图5所示的“蚊香型”流道117，称为下“蚊香型”流道，用于试样下端面及底部的温度控制。

上述压力罩顶部优选设置有排气孔112，用于压力室中气体的排出。

试样的顶端面和底端面均优选铺设有透水层115，本发明中透水层优选为带有若干个圆孔的钢片。

加载系统包括试样上压头14、加载活塞15、轴压加载装置和围压加载装置410。

试样上压头放置在试样正上方，优选为一内凹型不锈钢圆柱压头，也即试样上压头上表面设置有如图4所示的轴向凹槽。

加载活塞同轴嵌套在轴向凹槽内，优选为圆柱形不锈钢活塞。

试样上压头边缘位置开设有轴向贯通的湿度气体出气口114，用于湿度气体的循环流通。试样上压头下表面设置有“蚊香型”液体流道117，也称上“蚊香型”液体流道，用于试样上端面及顶部的温度控制。

轴压加载装置用于对加载活塞、试样及试样上压头施加轴向压力。

轴压加载装置优选包括试验机底座41、加载电机42、竖向螺杆42、水平横梁44、力传感器45和位移传感器46。试验机底座置于恒温室底部以及压力室底座的下方，竖向螺杆安装在试验机底座两侧，水平横梁螺纹连接在竖向螺杆的顶端，并通过加载电机驱动水平横梁的高度升降；力传感器和位移传感器均安装在水平横梁上。

围压加载装置用于对放置在试样放置台上的试样施加围压。

围压加载装置通过围压输送管和进出液开关二49向压力室输送围压介质，围压加载装置的具体结构为现有技术，这里不再赘述。

围压加载装置410置于恒温室213内，减小了环境温度与试验温度之间的温差带来的压力室液体介质的热胀冷缩效应，降低了试验剪切过程中体变量测误差。

温度控制系统包括恒温室213、两个“蚊香型”流道、一个柱状螺旋流道、三个恒温循环浴槽和若干个温度传感器。

恒温室围设在压力室系统和加载系统的外周，恒温室内温度内温度控制在略高于压力室所需试验温度2～3℃，优选温度范围为1~10℃，进一步优选为3~10℃。恒温室内还优选设置有风机214，风机的目的是为整个温度房预降温，缩小环境温度与试验压力室温度的温差，提高控温效率。

两个“蚊香型”流道分别为以上所述的上“蚊香型”流道和下“蚊香型”流道。

柱状螺旋流道同轴套设在试样外周的压力室内。形成柱状螺旋流道的组件优选包括紫铜管固定架18和紫铜管17。紫铜管固定架同轴布设在试样放置台外周的试样底座上，紫铜管呈螺旋状绕设在紫铜管固定架上。上述紫铜管固定架18，用于固定和控制螺旋状的紫铜管17之间的间距和位置。

两个“蚊香型”流道和一个柱状螺旋流道各连接一个位于恒温室外侧的恒温循环浴槽。

三台恒温循环浴槽从上至下依次为第一恒温循环浴槽21、第二恒温循环浴槽22和第三恒温循环浴槽23，三台恒温循环浴槽的温度根据试验需要分别设置。

第一恒温循环浴槽21通过加载活塞进出液波纹管24与上“蚊香型”液体流道相连通。

第二恒温循环浴槽22通过紫铜管进出液波纹管25与紫铜管17相连通。

第三恒温循环浴槽23通过试样底座进出液波纹管26与试样底座12中的“蚊香型”液体流道117相连通。

与三台恒温循环浴槽相连接的进出液波纹管中间分别安装有一个变频电机29。

恒温室温度、下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度形成逐渐递减的温度梯度。

本实施例中，恒温室温度优选设置为3伸缩带，下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度优选分别设置为1℃、-5℃和-10℃。

上述温度传感器，分别用于检测试样上端面、试样中部和试样下端面的温度。

温度传感器的具体设置方式为：在加载活塞15内部安装有一个试样上端面温度传感器210，试样13两侧中间位置对称安装有两个试样中间温度传感器211，试样底座12内部安装有一个试样下端面温度传感器212。

压力室液体储存箱27优选通过变频电机29和压力室液体储存箱进出液波纹管28与与其中一个恒温循环浴槽（在图1中，优选与第三恒温循环浴槽）相连通，压力室液体储存箱的出液口优选通过管路及布设在管路上的油泵47和进出液开关一48连接围压输送管；从而实现压力室液体的预降温。

加载活塞进出液波纹管24、紫铜管进出液波纹管25、试样底座进出液波纹管26和压力室液体储存箱进出液波纹管28表面均优选包裹有保温隔热管套，并且进出液波纹管均置于恒温室213内，以减小环境温度对进出液波纹管内部循环液体的液温扰动。

三台恒温循环浴槽均放置在恒温室213外部，在保护机组的同时避免了机组产生的高热量对恒温室控温精度的影响以及控温能力需求的提高。

湿度控制系统包括湿度气体生成装置31和湿度传感器。湿度气体生成装置设置在恒温室中，用于生成设定湿度的湿度气体。生成的湿度气体优选通过气泵34顺着所述的逐渐递减的温度梯度方向在试样内流动。

湿度气体生成装置具有湿度气体生成口和湿度气体回收口。其中，湿度气体生成出口连接进气管，进气管的另一端依次穿过试样底座和试样放置台后，伸入试样底部的透水层中。湿度气体回收口连接回收管35，回收管的另一端穿过试样上压头后，伸入试样顶部的透水层中。在进气管和回收管中各设置一个湿度传感器，分别为进气口湿度传感器32和出气口湿度传感器33，用于确定试样内部相对湿度是否达到平衡。

进气管和回收管表面均包裹有保温隔热管套；整个湿度控制系统置于恒温室213内，确保试验过程中一定湿度气体不会受环境温度影响而液化成水滴，影响湿度控制的效果和精度。

数据采集系统分别与压力室系统、加载系统、温度控制系统、湿度控制系统和计算机相连接。

一种考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验方法，包括白天融化状态劣化模拟和夜间冻结状态劣化模拟。

使用前，需将力传感器45、位移传感器46、温度传感器和湿度传感器分别校核率定。

其中，白天融化状态劣化模拟，包括如下步骤：

步骤1，试样制备与安装：为方便装样，可以将压力室从恒温室中推出，采用与堆石坝中垫层料相同级配的粗粒料，在试样放置台上，进行分层装填、压实，形成设定高度的圆柱状的试样。同时，在试样的上端面和下端面均布设一层透水层，在试样上端面的透水层上放置试样上压头和加载活塞。最后将压力罩密封罩设在压力室底座外周。

上述试样制备与安装，具体优选包括如下步骤：

步骤11，选择粗粒料：粗粒料的粒径大小选择与堆石坝中垫层料相同或按照规范缩尺后的级配曲线。

步骤12，制样模具装夹：在试样放置台的外周套装橡胶膜，在橡胶膜的外周装夹固定对开模，并将橡胶膜的顶端边缘翻折套装在对开模顶端。

步骤13，装料：先在位于橡胶膜内部的试样放置台上铺设透水层，接着，分层装填步骤11选择的粗粒料，并逐层压实。

步骤14，铺设透水层和试样上压头：装料至设定高度后，在粗粒料顶部铺设透水层，透水层上方放置试样上压头。然后，将步骤12中翻折套装在对开模顶端的橡胶膜伸展套装在顶部透水层和试样上压头外周。

步骤15，紧实试样：拆卸对开模，对试样内部抽真空，使试样紧实。

步骤16，装夹加载活塞：将压力罩密封罩设在压力室底座外周，加载活塞的底部密封穿过压力罩后，嵌套在试样上压头顶部。

步骤2，试样安装：将步骤1制备的试样放置在试样放置台上，并在试样的上端面和下端面均布设一层透水层。将压力罩密封罩设在压力室底座外周。

步骤3，形成温度梯度：首先，将恒温室温度控制在大于0℃的一个设定恒温温度T1，T1优选为1~10℃。接着，开启三台恒温循环浴槽并分别设置不同的温度，使得恒温室温度、下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度形成逐渐递减的温度梯度。且柱状螺旋流道温度小于0℃。。

其中，下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度优选分别为1℃、-5℃和-10℃。

步骤4，试样劣化：试样在步骤3形成的逐渐减小的温度梯度下连续冻结12h，然后关闭三台恒温循环浴槽，使试样连续融化12h，形成一个冻融循环。重复N此冻融循环。在第一个冻融循环中三台恒温循环浴槽开启的同时，开启湿度气体生成装置，湿度气体生成装置生成的设定湿度的气体顺着逐渐递减的温度梯度方向在试样内流动。

步骤5，劣化试样三轴压缩实验，包括如下步骤：

步骤51，试样固结。

白天融化状态劣化模拟时，在试样固结前，将第三恒温循环浴槽内的循环液体输送至压力室内，对压力室进行恒温，从而将压力室温度控制在1℃。

然后，开启围压加载装置，对试样施加设定的围压固结。试样固结时，应保持压力室的温度在T1，也即1~10℃，从而使得试样保持融化状态。待试样的体积不再发生变化或者变化速率小于限定值时，试样固结结束。

步骤52，试样加载：轴压加载装置按照设定加载速度，通过试样上压头对试样施加轴向压力，压力传感器和位移传感器对试样所受的轴向压力和轴向位移进行实时监测，数据采集系统对轴向压力和轴向位移数据进行采集并传递给计算机，计算机绘制轴力-位移实时试验曲线，待轴力-位移实时试验曲线出现明显峰值点或者应变达到20%时停止加载。

步骤53，装置养护：关闭整个粗粒料劣化试验装置，打开恒温室内的风机，降低恒温室内部环境相对湿度。

步骤54，数据处理与分析：将试验后的试样拍照记录，统计粗粒料的破碎状况，绘制偏应力-轴向应变和体积应变-轴向应变曲线，分析讨论相对湿度和冻融耦合作用对试验结果的影响。

上述偏应力可通过轴力数据换算获得，而体积应变可以通过加载过程中的外体变变化量除以试样初始体积来得到。其中，外体变变化量可以通过加载过程中，轴压加载活塞和围压加载活塞的进程，换算得到压力室内硅油的体积变化量，来反来反映试样体积的变化（即外体变）。

夜间冻结状态劣化模拟与白天融化状态劣化模拟的步骤基本相同，不同点在于步骤51中，试样固结时，应保持压力室的温度低于0℃，从而使得试样保持冻结状态。

夜间冻结状态劣化模拟时，在步骤51试样固结前，优选将第二恒温循环浴槽内的循环液体输送至压力室内，对压力室进行恒温，从而将压力室温度控制在-5℃。

本发明中温度控制系统和湿度控制系统的联合使用，不但可以开展考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验，也可以根据试验需要开展单独考虑相对湿度和温度影响的各类常规土工试验，结合内外复合式控温方式亦可显著提高常规土工试验的试验精度。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验方法，其特征在于：包括白天融化状态劣化模拟和夜间冻结状态劣化模拟；

其中，白天融化状态劣化模拟，包括如下步骤：

步骤1，试样制备与安装：采用与堆石坝中垫层料相同级配的粗粒料，在试样放置台上，进行分层装填、压实，形成设定高度的圆柱状的试样；同时，在试样的上端面和下端面均布设一层透水层，在试样上端面的透水层上放置试样上压头；最后将压力罩密封罩设在压力室底座外周；

步骤3，形成温度梯度：首先，将恒温室温度控制在大于0℃的一个设定恒温温度T1；接着，开启三台恒温循环浴槽并分别设置不同的温度，使得恒温室温度、下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度形成逐渐递减的温度梯度；且柱状螺旋流道温度小于0℃；下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度分别为1℃、-5℃和-10℃；一方面能真实模拟单向冻结方式下的温度边界条件；另一方面，在温度梯度的作用水汽迁移过程能顺利完成，进而能真实考虑相对湿度和冻融的耦合作用；

步骤4，试样劣化：试样在步骤3形成的逐渐减小的温度梯度下连续冻结12h，然后关闭三台恒温循环浴槽，使试样连续融化12h，形成一个冻融循环；重复N此冻融循环；在第一个冻融循环中三台恒温循环浴槽开启的同时，开启湿度气体生成装置，湿度气体生成装置生成的设定湿度的气体顺着逐渐递减的温度梯度方向在试样内流动；

步骤5，劣化试样三轴压缩实验，包括如下步骤：

步骤51，试样固结：与下“蚊香型”流道相连接的恒温循环浴槽为第三恒温循环浴槽，与柱状螺旋流道温度相连接的恒温循环浴槽为第二恒温循环浴槽，与上“蚊香型”流道温度相连接的恒温循环浴槽为第一恒温循环浴槽；白天融化状态劣化模拟时，在试样固结前，将第三恒温循环浴槽内的循环液体输送至压力室内，对压力室进行恒温，从而将压力室温度控制在1℃；夜间冻结状态劣化模拟时，在试样固结前，将第二恒温循环浴槽内的循环液体输送至压力室内，对压力室进行恒温，从而将压力室温度控制在-5℃；然后，开启围压加载装置，对试样施加设定的围压固结；试样固结时，应保持压力室的温度在T1，从而使得试样保持融化状态；待试样的体积不再发生变化或者变化速率小于限定值时，试样固结结束；从而能够真实反映高海拔、高寒地区高土石坝筑坝料的真实作用机制，提高试验精度的同时增强试验结果的可信度；

温控调节装置采用变频电机，变频电机能根据试验实际温度和目标温度之间的温差大小自动调节每个恒温循环浴槽的进出液波纹管中冷却液的流量大小，进而能降低内部温控室温度波动幅度、缩短内部温控室温度恒定时间；

步骤52，试样加载：轴压加载装置按照设定加载速度，通过试样上压头对试样施加轴向压力，压力传感器和位移传感器对试样所受的轴向压力和轴向位移进行实时监测，数据采集系统对轴向压力和轴向位移数据进行采集并传递给计算机，计算机绘制轴力-位移实时试验曲线，待轴力-位移实时试验曲线出现明显峰值点或者应变达到20%时停止加载；

步骤53，装置养护：关闭整个粗粒料劣化试验装置，打开恒温室内的风机，降低恒温室内部环境相对湿度；

步骤54，数据处理与分析：将试验后的试样拍照记录，统计粗粒料的破碎状况，绘制偏应力-轴向应变和体积应变-轴向应变曲线，分析讨论相对湿度和冻融耦合作用对试验结果的影响；

夜间冻结状态劣化模拟与白天融化状态劣化模拟的步骤基本相同，不同点在于步骤51中，试样固结时，应保持压力室的温度低于0℃，从而使得试样保持冻结状态。

2.根据权利要求1所述的考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验方法，其特征在于：

步骤1中，试样制备与安装，具体包括如下步骤：

步骤11，选择粗粒料：粗粒料的粒径大小选择与堆石坝中垫层料相同或按照规范缩尺后的级配曲线；

步骤12，制样模具装夹：在试样放置台的外周套装橡胶膜，在橡胶膜的外周装夹固定对开模，并将橡胶膜的顶端边缘翻折套装在对开模顶端；

步骤13，装料：先在位于橡胶膜内部的试样放置台上铺设透水层，接着，分层装填步骤11选择的粗粒料，并逐层压实；

步骤14，铺设透水层和试样上压头：装料至设定高度后，在粗粒料顶部铺设透水层，透水层上方放置试样上压头；然后，将步骤12中翻折套装在对开模顶端的橡胶膜伸展套装在顶部透水层和试样上压头外周；

步骤15，紧实试样：拆卸对开模，对试样内部抽真空，使试样紧实；

步骤16，装夹加载活塞：将压力罩密封罩设在压力室底座外周，加载活塞的底部密封穿过压力罩后，嵌套在试样上压头顶部。

3.一种考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置，基于权利要求1-2任一项所述的考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验方法，其特征在于：包括压力室系统、加载系统、温度控制系统、湿度控制系统、数据采集系统和计算机；

压力室系统包括压力室；压力室包括压力室底座和密封罩设在压力室底座上方的压力罩；位于压力室内的压力室底座顶面设置有试样底座，试样底座顶部中心设置有试样放置台，用于放置试样；试样的顶端面和底端面均铺设有透水层；

加载系统包括试样上压头、加载活塞、轴压加载装置和围压加载装置；试样上压头放置在试样正上方，且顶部具有轴向凹槽；加载活塞同轴嵌套在轴向凹槽内；轴压加载装置用于对加载活塞、试样及试样上压头施加轴向压力；围压加载装置用于对放置在试样放置台上的试样施加围压；

温度控制系统包括恒温室、两个“蚊香型”流道、一个柱状螺旋流道和三个恒温循环浴槽；

恒温室围设在压力室系统和加载系统的外周，恒温室内温度范围为T1；

两个“蚊香型”流道分别布设在加载活塞下表面和试样放置台上表面，分别为上“蚊香型”流道和下“蚊香型”流道；柱状螺旋流道同轴套设在试样外周的压力室内；两个“蚊香型”流道和一个柱状螺旋流道各连接一个位于恒温室外侧的恒温循环浴槽；恒温室温度、下“蚊香型”流道温度、柱状螺旋流道温度和上“蚊香型”流道温度形成逐渐递减的温度梯度；

湿度控制系统包括湿度气体生成装置；湿度气体生成装置设置在恒温室中，用于生成设定湿度的湿度气体；生成的湿度气体将顺着所述的逐渐递减的温度梯度方向在试样内流动；

数据采集系统分别与压力室系统、加载系统、温度控制系统、湿度控制系统和计算机相连接。

4.根据权利要求3所述的考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置，其特征在于：形成柱状螺旋流道的组件包括紫铜管固定架和紫铜管；紫铜管固定架同轴布设在试样放置台外周的试样底座上，紫铜管呈螺旋状绕设在紫铜管固定架上。

5.根据权利要求3所述的考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置，其特征在于：温度控制系统还包括若干个温度传感器，分别用于检测试样上端面、试样中部和试样下端面的温度。

6.根据权利要求3所述的考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置，其特征在于：围压加载装置通过围压输送管向压力室输送围压介质；压力室系统还包括压力室液体储存箱；

压力室液体储存箱的进液口通过管路与其中一个恒温循环浴槽相连通， 压力室液体储存箱的出液口连接围压输送管。

7.根据权利要求3所述的考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置，其特征在于：湿度控制系统还包括湿度传感器；湿度气体生成装置具有湿度气体生成口和湿度气体回收口；其中，湿度气体生成出口连接进气管，进气管的另一端依次穿过试样底座和试样放置台后，伸入试样底部的透水层中；湿度气体回收口连接回收管，回收管的另一端穿过试样上压头后，伸入试样顶部的透水层中；在进气管和回收管中各设置一个湿度传感器。

8.根据权利要求3所述的考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置，其特征在于：轴压加载装置包括试验机底座、加载电机、竖向螺杆、水平横梁、力传感器和位移传感器；试验机底座置于恒温室底部，竖向螺杆安装在试验机底座两侧，水平横梁螺纹连接在竖向螺杆的顶端，并通过加载电机驱动水平横梁的高度升降；力传感器和位移传感器均安装在水平横梁上。

Images