CN111678941B - 一种土体冻胀试验舱、试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种土体冻胀舱、试验装置及试验方法，所述试验舱包括试验外舱、试验内舱和柔性隔热膜；所述试验外舱包括外舱室和可通有冷工质的外舱螺旋控温管，所述试验内舱包括内舱室和可通有冷工质的内舱螺旋控温管；内舱室布置在外舱室内且二者均密封安装在舱底座上；上冷盘放置于内舱室内的土试件上表面上，下冷盘密封安装在舱底座上，位于上冷盘和下冷盘之间的土试件及透水石周侧面上包覆有柔性隔热膜，上冷盘的上表面上连接有由舱底座伸入的冷工质进出导管，所述试验装置中，内舱室内、内舱室和外舱室之间隔腔内均填充有低导热导压液体。本发明通过流体施加的围压，围压容易控制，可确保土试件在冻胀过程中基本不受外界气温的影响。

Description

一种土体冻胀试验舱、试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种试验装置及试验方法，具体涉及土体冻胀试验舱、试验装置及试验方法。

背景技术

土体的冻胀问题一直是国内外关注的重点。当大气温度进入负温时，土体内部会发生水-冰相变，并伴随着由未冻结区向已冻结区的水分迁移，产生的冻胀变形会对道路、房屋、管道等各类设施产生不可逆的破坏，造成重大的经济损失。此外，在冻结期之后，春融期土体的融沉以及反复的冻融循环会进一步加剧结构的破坏。

各国针对土体的冻胀问题，围绕不同的侧重点，设计了不同的土体冻胀试验装置。美国的《土体冻胀及融沉敏感性的标准测试方法(ASTM D5819-13)》中规定土试件的直径与高度分别为146mm与150mm，土试件侧面采用隔热环包裹，底部设置补水条件，顶部施加负重板模拟上覆荷载，采用自上往下的冻结方式；日本的《土体冻胀敏感性测试方法(JGS0172-2003)》冻胀试验装置与美国有所不同，土试件的直径与高度分别为100mm与50mm，更接近“饼状”，土试件侧面采用绝热环包裹，顶部设有无压补水与负重板，采用自下而上的冻结方式；俄罗斯的《人工冻土冻胀率及冻胀力测试方法(СССР№746033)》规定的试件直径与高度分别为100mm与150±5mm，顶部借助压力压头以气压的方式施加上覆荷载，土试件侧面为刚性套筒与绝热环，底部设有联通补水装置，采用自上而下的冻结方式，且只对试件顶部的负温进行控制，底部采用绝热的方式保持一个较低的正温，土试件中插有温度传感器测试不同深度处的温度变化；我国《土工试验方法标准(GBT50123-1999)》中规定的土试件直径与高度分别为100mm与50mm，试件侧面包裹有保温环，顶部通过砝码施加上覆荷载，并在顶部施加无压补水，采用自下而上的冻结方式。

专利文献CN106644750A，开放系统冻融土动静三轴测试仪，公开了三向应力下冻土指标测试，但是采用多孔传压介质进行施加围压，不利于测试指标的标定，结构复杂，CN102435717A，基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪，公开了冻胀融沉、如何自动补水和排水以适应试样含水率，解决加载和冻胀力及位移测量分散问题，但是仍然集中在单向应力测试，而且试件温度受外界气温的影响较大，无法表征土体体积变形的各向异性特征。

综上，当前的土体冻胀试验系统及试验方法尚存在以下不足：(1)大部分冻胀试验装置在土试件侧面设置了保温装置，但难以保证侧面保温装置与试件之间绝对无孔隙，这将导致试件侧面温度受外界气温的影响较大，难以达到单向平行冻结的试验条件；(2)大部分试验装置的试件侧面采用完全侧限的方式，少数试验装置的试件侧面采用固体(如多孔传压介质)对试件侧面施加围压，土试件的应力状态均不便控制与确定；(3)难以表征土试件冻胀率的各向异性特征。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种土体冻胀试验舱。该试验舱用于土体冻胀试验时，通过流体施加的围压起到很好的传力控制作用，围压容易控制，可确保土试件在冻胀过程中基本不受外界气温的影响，可用于饱和土与非饱和土开展三向应力下的一维冻胀试验。

方案一：一种土体冻胀试验舱，它包括舱底座、舱顶盖和固定架；舱底上安装有可调节高度的固定架，舱顶盖竖向可活动地安装在固定架上；

所述试验舱还包括试验外舱、试验内舱和柔性隔热膜；所述试验外舱包括外舱室和可通有冷溶工质的外舱螺旋控温管，所述外舱螺旋控温管布置在外舱室内壁上；所述试验内舱包括内舱室和可通有冷溶工质的内舱螺旋控温管；所述内舱室为外凸型舱室，内舱螺旋控温管布置在内舱室的下内壁上；内舱室布置在外舱室内且二者均密封安装在舱底座上，舱顶盖密封盖合在外舱室的上端面上，舱顶盖中部开有通孔，舱顶盖上开有气孔；上冷盘放置于内舱室内的土试件上表面上，下冷盘密封安装在舱底座上，下冷盘上布置有透水石，位于上冷盘和下冷盘之间的土试件及透水石周侧面上包覆有柔性隔热膜，上冷盘的上表面上连接有由舱底座伸入的冷工质进出导管，下冷盘底部布置有冷工质进出管，上冷盘及柔性隔热膜上端部包覆有密闭隔热材料。

本发明还提供一种土体冻胀试验装置，该装置可在三向应力作用下开展土体的冻胀试验，并可采集试验过程中温度、整体体积变形的变化过程，并可分析试验过程中土体的轴向应变、径向应变与冻胀率各向异性系数的变化特征。

方案二：一种土体冻胀试验装置，包括补水设备、加载系统、制冷设备和采集设备；所述土体冻胀试验装置还包含所述土体冻胀试验舱和供气设备；所述加载系统包括底座架、反力架、气缸、压力传感器一、位移传感器和压力位移采集仪；所述供气设备包括气源和调压阀；所述补水设备为马氏瓶、压力传感器二和阀门；所述采集设备包括温度传感器、温度采集仪、阀组和差压传感器；反力架安装在底架上，底架上安装有所述土体冻胀试验舱，气缸安装在反力架上，气缸的驱动杆上安装有压力传感器一，内舱室的外凸内腔段内设有加载杆，加载杆密封滑动设置于套筒内，压力传感器一与加载杆一端连接，加载杆另一端抵靠在上冷盘上，所述气孔内封装有气管，反力架和气缸的驱动杆之间安装有与二者连接的位移传感器，气缸和气管均由气源供气，供气气路上安装有调压阀，压力传感器一和位移传感器的各自信号输出端与压力位移采集仪的各自信号输入端连接；外舱螺旋控温管、内舱螺旋控温管、上冷盘、下冷盘均由制冷控温设备调节制冷，透水石底部安装有与马氏瓶连接的补水管，补水管上安装有阀门和压力传感器二，安装在土试件内的温度传感器的输出端与温度采集仪的信号输入端连接，内舱室内、内舱室和外舱室之间隔腔内均填充有低导热导压液体，舱底座底部设有分别与内舱室和差压传感器以及内舱室和外舱室之间的隔腔和差压传感器连接的传液管。

方案三：还提供一种土体冻胀试验方法，包括

步骤一：制备土试件

先将现场所取的土过2mm圆孔筛，烘干后按指定的含水率配土并焖料，准备一定规格的有机玻璃圆筒，在有机玻璃圆筒壁涂抹凡士林，在有机玻璃圆筒底部放入垫块，垫块上放置滤纸片，随后称取一定质量的配好的湿土装入模具并捣实，在土样上部放置垫块，在静压机下静压成型土试件，并在脱模机下脱出高径比为1：2的土试件；

步骤二：埋设热电偶

先将柔性隔热膜套至下冷盘，随后将土试件与透水石按规定放置舱底座上，使用细针从土试件的侧面以一定距离的间距由上至下扎出一定深度的小孔，并将热电偶分别插入小孔内，将热电偶的导线贴着土试件的侧面从第二快速接头引出；

步骤三：固定土试件

将柔性隔热膜向上延伸，将透水石与土试件包裹于上冷盘和下冷盘之间，再利用O形圈将柔性隔热膜与上冷盘和下冷盘固定；最后，在上冷盘的隔热乳胶膜外侧包裹密闭隔热材料，并将上冷盘上的两根冷工质进出导管分别与冷浴箱二连；

步骤四：安装试验舱与连接管线

将内舱室、外舱室放置于预先放有密封圈的舱底座的圆环槽内，将内舱室的内舱螺旋控温管和外舱螺旋控温管分别与冷浴箱三的进出口相连，将连接下冷盘的冷工质进出导管通过管道与冷浴箱二的进出口相连，将连接透水石的补水管通过管道与马氏瓶相连，并将马氏瓶下的阀门保持关闭状态；将热电偶的导线接至温度采集仪；连接内舱室和外舱室之间的隔腔通过管道分别与三阀组连接，三阀组保持关闭状态，再将差压传感器连接至三阀组；

步骤五：添加航空煤油并安装试验舱顶盖

在内舱室及内舱室和外舱室之间的隔腔内添加航空煤油，确保试验过程中内舱室内的液位在腔颈范围内活动，盖上舱顶盖，并利用螺栓与螺母固定舱顶盖与舱底座，将加载杆与压力传感器一相接，并将压力传感器一和位移传感器一起与压力位移采集仪连接，通过调压阀和管道将气泵分别与加载气缸及气管连接；

步骤六：试验与数据采集分析

首先对土试件进行恒温操作，打开冷浴箱一、冷浴箱二与冷浴箱三，并设置温度为1℃，直至热电偶采集的土试件内部的温度达到恒定为止；其次，与土试件的恒温操作同步，对土试件进行预压操作，根据所需的应力状态，打开气泵并调整调压阀，对土试件施加轴压与围压，并打开三阀组中部平衡阀，待压力值稳定后缓慢打开两侧阀门，再关闭中部平衡阀，监测试验舱内腔与外舱室的压差值，直至土试件预压变形稳定为止；最后，对土试件进行单向冻结，调整冷浴箱二的温度为所需负温，开始对土试件进行自上而下的冻结，并打开马氏瓶下的阀门开始对土试件提供无压补水，并监测温度、竖向位移、补水量以及压差值的变化；

土体冻结过程中，差压传感器检测的压差值与体应变、轴向应变、径向应变以及土体冻胀率的各向异性系数的计算可如下关系式换算：

式中：ε_t、ε_轴向、ε_径向为土试件19冻结过程中的体应变、轴向应变与径向应变；

Δp₁、Δp_t分别为预压完成时刻、开始冻结后t时刻，与预压开始前压差值的差值；

ρ为航空煤油的密度；

D、d分别为内舱室7腔颈部分的内径与加载杆14的直径；

ΔH₁、ΔH_t分别为土试件19预压完成时刻、开始冻结后t时刻，较预压开始前发生的轴向位移，以竖直向上为正，竖直向下为负；

d₀、h₀为试验开始前土试件19的直径与高度；

β为土体冻胀率的各向异性系数。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明中提供一种三轴土体冻胀试验装置及其试验方法，可确保土试件在冻胀过程中基本不受外界气温的影响，同时土试件饼状的形状、隔热乳胶膜的侧向隔热作用，可使土试件更接近单向平行冻结的试验条件；并可准确便捷地对土试件施加轴压与围压，在指定的应力状态下测试土试件的冻胀行为与特征；另一方面，通过竖向冻胀量与试件整体冻胀体积变化量的监测，可计算得到土体的轴向、径向应变，进而表征土体冻胀率的各向异性特征。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为本发明土体冻胀试验舱的结构示意图

图2为本发土体冻胀试验装置的结构示意图；

图3为外舱室的结构图；

图4为沿图3的A-A线的剖视图；

图5为沿图3的B-B线的剖视图；

图6为内舱室的结构图；

图7为沿图6的C-C线的剖视图；

图8为沿图6的D-D线的剖视图；

图9为舱顶盖和加载杆连接结构图；

图10为沿图9的E-E线的剖视图；

图11为沿图9的F-F线的剖视图；

图12为舱底座的结构示意图；

图13为沿图12的H-H线的剖视图；

图14为沿图12的K-K线的剖视图；

图15为一种柔性隔热膜的结构图。

具体实施方式

参见图1所示，本实施方式的一种土体冻胀试验舱，它包括舱底座11、舱顶盖2和固定架；舱底座11上安装有可调节高度的固定架，舱顶盖2竖向可活动地安装在固定架上；

其特征在于：所述试验舱还包括试验外舱、试验内舱和柔性隔热膜20；

所述试验外舱包括外舱室4和可通有冷工质的外舱螺旋控温管6，所述外舱螺旋控温管6布置在外舱室4内壁上；

所述试验内舱包括内舱室7和可通有冷工质的内舱螺旋控温管8；所述内舱室7为外凸型舱室，内舱螺旋控温管8布置在内舱室7的下内壁上；

内舱室7布置在外舱室4内且二者均密封安装在舱底座11上，舱顶盖2密封盖合在外舱室4的上端面上，舱顶盖2中部开有通孔，舱顶盖2上开有气孔；

上冷盘17放置于内舱室7内的土试件19上表面上，下冷盘22密封安装在舱底座11上，下冷盘22上布置有透水石21，位于上冷盘17和下冷盘22之间的土试件19及透水石21周侧面上包覆有柔性隔热膜20，上冷盘17的上表面上连接有由舱底座11伸入的冷工质进出导管9，下冷盘22底部布置有冷工质进出管，上冷盘17及柔性隔热膜20上端部包覆有密闭隔热材料16。可选地，密闭隔热材料16选用橡胶保温隔热棉。

可选地，如图3-图8所示，内舱室7和外舱室4均为圆筒室，外舱室4做成外凸型圆筒室(或者带颈的圆柱瓶结构)，这样设置有利于土体冻胀试验中土试件19总体积变化的测量，助力提高测量精度。采用隔热乳胶膜20弹性好，既起到隔热的作用，也可以对流体施加的围压起到很好的传力控制作用，围压控制容易。

可选地，所述冷工质进出导管9为螺旋PU管。所述柔性隔热膜20包含固接的双层乳胶膜以及填充在层内的绝热涂料(如图15所示)。进一步地，柔性隔热膜20通过O型圈18箍在上冷盘17和下冷盘22的周侧面上。低导热导压液体5优选用航空煤油。

上述实施方案中，外舱室4可为不锈钢材质，外腔螺旋控温管6以焊接的方式固定至，外舱室4的内壁，外腔螺旋控温管6穿过试外舱室4的腔壁后，内舱室7可为不锈钢材质，内腔螺旋控温管8以焊接的方式固定至内舱室7的内壁。

如图12-图14所示，舱底座11顶部留有2个同心圆大环槽，可将外舱室4与内舱室7底部扣入槽内；舱底座11顶部两侧留有2个带有螺纹的圆孔，固定架50主要由螺杆23和螺母24组成，螺杆23旋入圆孔实现螺杆23及螺母24与舱底座11的连接；舱底座11的底部留有8道竖向槽，为快速接头与外界连接的管线提供空间。舱底座11与下冷盘22之间通过硅胶垫片紧密粘结成一体，并确保密封性。

如图2-图14所示，另一实施方式还提供一种土体冻胀试验装置，包括补水设备、加载系统、制冷设备和采集设备；

所述土体冻胀试验装置还包含如权利要求5所述土体冻胀试验舱和供气设备、

所述加载系统包括底座架6、反力架37、气缸33、压力传感器一34、位移传感器35和压力位移采集仪32；

所述供气设备包括气源38和调压阀36；

所述补水设备为马氏瓶40、压力传感器二42和阀门45；

所述采集设备包括温度传感器25、温度采集仪41、阀组43和差压传感器44；

反力架37安装在底架46上，底架46上安装有所述土体冻胀试验舱，气缸33安装在反力架37上，气缸33的驱动杆上安装有压力传感器一34，内舱室7的外凸内腔段内设有加载杆14，加载杆14密封滑动设置于套筒13内，压力传感器一34与加载杆14一端连接，加载杆14另一端抵靠在上冷盘17上，所述气孔内封装有气管1，反力架37和气缸33的驱动杆之间安装有与二者连接的位移传感器35，气缸33和气管1均由气源38供气，供气气路上安装有调压阀36，压力传感器一34和位移传感器35的各自信号输出端与压力位移采集仪32的各自信号输入端连接；

外舱螺旋控温管6、内舱螺旋控温管8、上冷盘17、下冷盘22均由制冷控温设备调节制冷，透水石21底部安装有与马氏瓶40连接的补水管，补水管上安装有阀门45和压力传感器二42，安装在土试件19内的温度传感器的输出端与温度采集仪41的信号输入端连接，内舱室7内、内舱室7和外舱室4之间隔腔内均填充有低导热导压液体5，舱底座11上设有分别与内舱室7和差压传感器44以及内舱室7和外舱室4之间的隔腔和差压传感器44连接的导液管。

所述气源38可为气泵。加载杆14通过活塞13与舱顶盖2连接，活塞13可确保加载杆14与舱顶盖2之间的相对滑动时三轴所述冻胀试验舱39内部的气密性。气管1穿过舱顶盖2实现气源38与所述冻胀试验舱39内部气压的连通，下冷盘22通过硅胶垫片粘接在舱底座11上而确保密封。

如图2所示，可选地，所述控温设备分别为冷浴箱一29、冷浴箱二30和冷浴箱三31；冷浴箱一29通过管道与下冷盘22连接并形成循环回路，冷浴箱二30通过管道和冷工质进出导管9连接形成循环回路，冷浴箱三31通过管道分别与外舱螺旋控温管6和内舱螺旋控温管8连接形成循环回路。冷浴箱一29、冷浴箱二30和冷浴箱三31循环液均为95％酒精，控温范围为-38℃-90℃。如图4所示，外舱室4有2个穿透外舱室4侧壁的圆孔，圆孔两侧均接有第一、第二、第五和第六直通型快速接头(15-1、15-2、15-5、15-6)，这四个直通型快速接头的接口外壁与圆孔内壁之间紧密接触，以确保气密性。外腔螺旋控温管6穿过外舱室4的壁后，通过第三、第四直通型快速接头(15-3、15-4)与冷浴箱三31相连。内腔螺旋控温管8在穿过内舱室7的腔壁后，借助螺旋PU管连接至第五、第六直通型快速接头(15-5、15-6)，实现与外界的连接。如图13所示，在舱底座11上设置有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八快速接头(12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6、12-7、12-8)，以实现与外界设备连接。

利用本实施方式的土体冻胀试验装置可与舱外的控温设备、采集设备、加载系统、补水设备相连接，可在三向应力作用下开展土体的冻胀试验，并可采集试验过程中温度、整体体积变形的变化过程，并可分析试验过程中土体的轴向应变、径向应变与冻胀率各向异性系数的变化特征。

再一个具体实施方式提供了基于上述土体冻胀试验舱和试验装置的土体冻胀试验方法，具体如下：

步骤一：制备土试件

先将现场所取的土过2mm圆孔筛，烘干后按指定的含水率配土并焖料，准备一定规格的有机玻璃圆筒，在有机玻璃圆筒壁涂抹凡士林，在有机玻璃圆筒底部放入垫块，垫块上放置滤纸片，随后称取一定质量的配好的湿土装入模具并捣实，在土样上部放置垫块，在静压机下静压成型土试件，并在脱模机下脱出高径比为1：2的土试件19；

步骤二：埋设热电偶

先将柔性隔热膜20套至下冷盘22，随后将土试件19与透水石21按规定放置舱底座11上，使用细针从土试件19的侧面以一定距离的间距由上至下扎出一定深度的小孔，并将热电偶25分别插入小孔内，将热电偶25的导线贴着土试件19的侧面从第二快速接头12-2引出；

步骤三：固定土试件

将柔性隔热膜20向上延伸，将透水石21与土试件19包裹于上冷盘17和下冷盘22之间，再利用O形圈18将柔性隔热膜20与上冷盘17和下冷盘22固定；最后，在上冷盘17的隔热乳胶膜20外侧包裹密闭隔热材料16，并将上冷盘17上的两根冷工质进出导管9分别与冷浴箱二30相连；

步骤四：安装试验舱与连接管线

将内舱室7、外舱室4放置于预先放有密封圈的舱底座11的圆环槽内，将内舱室7的内舱螺旋控温管8和外舱螺旋控温管6分别与冷浴箱三31的进出口相连，将连接下冷盘17的冷工质进出管与冷浴箱二30的进出口相连，将连接透水石21的补水管通过管道与马氏瓶40相连，并将马氏瓶40下的阀门45保持关闭状态；将热电偶25的导线接至温度采集仪41；连接内舱室7和外舱室4之间的隔腔通过管道分别与三阀组43连接，三阀组43保持关闭状态，再将差压传感器43连接至三阀组44；

步骤五：添加航空煤油并安装试验舱顶盖

在内舱室7及内舱室7和外舱室4之间的隔腔内添加适量航空煤油，确保试验过程中内舱室7内的液位在腔颈范围内活动，盖上舱顶盖2，并利用螺杆23与螺母24固定舱顶盖2与舱底座11，将加载杆14与压力传感器一34相接，并将压力传感器一34和位移传感器35一起与压力位移采集仪32连接，通过调压阀36和管道将气泵38分别与加载气缸33及气管1连接；

步骤六：试验与数据采集分析

首先对土试件19进行恒温操作，打开冷浴箱一29、冷浴箱二30与冷浴箱三31，并设置温度为1℃，直至热电偶25采集的土试件19内部的温度达到恒定为止；其次，与土试件19的恒温操作同步，对土试件19进行预压操作，根据所需的应力状态，打开气泵38并调整调压阀36，对土试件19施加轴压与围压，并打开三阀组43中部平衡阀，待压力值稳定后缓慢打开两侧阀门，再关闭中部平衡阀，监测试验舱内腔7与外舱室4的压差值，直至土试件19预压变形稳定为止；最后，对土试件19进行单向冻结，调整冷浴箱二30的温度为所需负温，开始对土试件19进行自上而下的冻结，并打开马氏瓶40下的阀门45开始对土试件19提供无压补水，并监测温度、竖向位移、补水量以及压差值的变化；

土体冻结过程中，差压传感器43检测的压差值与体应变、轴向应变、径向应变以及土体冻胀率的各向异性系数的计算可如下关系式换算：

式中：ε_t、ε_轴向、ε_径向为土试件19冻结过程中的体应变、轴向应变与径向应变；

Δp₁、Δp_t分别为预压完成时刻、开始冻结后t时刻，与预压开始前压差值的差值；

ρ为航空煤油的密度；

D、d分别为内舱室7腔颈部分的内径与加载杆14的直径；

ΔH₁、ΔH_t分别为土试件19预压完成时刻、开始冻结后t时刻，较预压开始前发生的轴向位移，以竖直向上为正，竖直向下为负；

d₀、h₀为试验开始前土试件19的直径与高度；

β为土体冻胀率的各向异性系数。

作为一个可选地实施例：一种土体冻胀试验方法

步骤一：制备土试件

先将现场所取的土过2mm圆孔筛，烘干后按指定的含水率配土并焖料，准备内径100mm，壁厚10mm，高度为100mm的有机玻璃圆筒，在有机玻璃圆筒壁涂抹凡士林，在有机玻璃圆筒底部放入2cm高的垫块，垫块上放置滤纸片，随后称取一定质量的配好的湿土装入模具并捣实，在土样上部放置3cm高的垫块，在静压机下静压成型土试件，并在脱模机下脱出直径100mm、高度50mm的土试件19；若需要开展饱和土的冻胀试验，则需要对土试件19进行饱和操作。直径与高度比值为2：1，加上侧面隔热乳胶膜的作用，更能真实地模拟土试件19的一维冻结的工况，本实施例方法可针对饱和土与非饱和土开展三向应力下的一维冻胀试验；

步骤二：埋设热电偶

准备直径100mm、壁厚0.3mm、高9cm的外层乳胶膜26与内层乳胶膜28，将内层乳胶膜28套于外径100mm的圆筒外壁上，在内层乳胶膜28外壁喷涂第1层绝热涂料，待第1层涂料干透后方可喷涂第2层绝热涂料，绝热涂料可选用株式会社日进产业生产的GAINA(N-95)的绝热航空涂料，涂料均干后，将外层乳胶膜26套在绝热涂料外侧，最终形成内层乳胶膜28与外层乳胶膜26包夹绝热涂料27的柔性隔热膜20；先将柔性隔热膜20套至下冷盘22，随后将土试件19与透水石21按规定放置舱底座11上，使用细针从土试件19的侧面以1cm的间距由上至下扎出5cm深的小孔，并将热电偶25分别插入小孔内，将热电偶25的导线贴着土试件19的侧面从第二快速接头12-2引出；本实施例所有指出的快速接头均为L型快速接头；

步骤三：固定土试件

将柔性隔热膜20向上延伸，将透水石21与土试件19包裹于上冷盘17和下冷盘22之间，再利用O形圈18将柔性隔热膜20与上冷盘17和下冷盘22固定；最后，在上冷盘17及柔性隔热膜20上部外侧包裹橡胶保温隔热棉，并将上冷盘17上的两根冷工质进出导管9分别与舱底座11上的第七直通型快速接头15-7和第八直通型快速接头15-8相连，第八直通型快速接头15-8通过第一快速接头12-1和管道、第七直通型快速接头15-7通过第六快速接头12-6和管道分别与冷浴箱二30进出口连接；

步骤四：安装试验舱与连接管线

将内舱室7、外舱室4放置于预先放有密封圈的舱底座11的圆环槽内，将内舱室7的内舱螺旋控温管8通过管道连接至外舱室4壁的第五直通型快速接头15-5和第一直通型快速接头15-1以及第六直通型快速接头15-6和第二直通型快速接头15-2，将外舱螺旋控温管6通过管道连接至外舱室4壁的第三直通型快速接头15-3和第四直通型快速接头15-4，将第一直通型快速接头15-1、第四直通型快速接头15-4与冷浴箱三31的出口相连接，将第二直通型快速接头15-2和第三直通型快速接头15-3与冷浴箱三31的进口相连接；将连接下冷盘22的第三快速接头12-3和第三快速接头12-5分别通过管道与冷浴箱一29连接，与补水管连接的第四快速接头12-4通过管道与马氏瓶40相连，并将马氏瓶40下的阀门45保持关闭状态；将热电偶25的导线接至温度采集仪41；连接内舱室7和外舱室4之间的隔腔的第七快速接头12-7和连接内舱室7的第八快速接头12-8分别与三阀组43连接，三阀组43保持关闭状态，再将差压传感器43连接至三阀组44。

步骤五：添加航空煤油并安装试验舱顶盖

在内舱室7及内舱室7和外舱室4之间的隔腔内添加航空煤油，确保试验过程中内舱室7内的液位在腔颈范围内活动，盖上舱顶盖2，并利用螺栓23与螺母24固定舱顶盖2与舱底座11，将加载杆14与压力传感器一34相接，并将压力传感器一34和位移传感器35一起与压力位移采集仪32连接，通过调压阀36和管道将气泵38分别与气缸33及气管1连接；

步骤六：试验与数据采集分析

首先对土试件19进行恒温操作，打开冷浴箱一29、冷浴箱二30与冷浴箱三31，并设置温度为1℃，直至热电偶25采集的土试件19内部的温度达到恒定为止；其次，与土试件19的恒温操作同步，对土试件19进行预压操作，根据所需的应力状态，打开气泵38并调整调压阀36，对土试件19施加轴压与围压，并打开三阀组43中部平衡阀，待压力值稳定后缓慢打开两侧阀门，再关闭中部平衡阀，监测试验舱内腔7与外舱室4的压差值，直至土试件19预压变形稳定为止；最后，对土试件19进行单向冻结，调整冷浴箱二30的温度为所需负温，开始对土试件19进行自上而下的冻结，并打开马氏瓶40下的阀门45开始对土试件19提供无压补水，并监测温度、竖向位移、补水量以及压差值的变化；

土体冻结过程中，差压传感器43检测的压差值与体应变、轴向应变、径向应变以及土体冻胀率的各向异性系数的计算可如下关系式换算：

式中：ε_t、ε_轴向、ε_径向为土试件19冻结过程中的体应变、轴向应变与径向应变；

Δp₁、Δp_t分别为预压完成时刻、开始冻结后t时刻，与预压开始前压差值的差值；

ρ为航空煤油的密度；

D、d分别为内舱室7腔颈部分的内径与加载杆14的直径；

ΔH₁、ΔH_t分别为土试件19预压完成时刻、开始冻结后t时刻，较预压开始前发生的轴向位移，以竖直向上为正，竖直向下为负；

d₀、h₀为试验开始前土试件19的直径与高度；

β为土体冻胀率的各向异性系数。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，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，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.一种土体冻胀试验方法，使用土体冻胀试验装置进行，所述装置包括补水设备、加载系统、制冷控温设备和采集设备；还包含供气设备和土体冻胀试验舱；

所述加载系统包括底架、反力架、气缸、压力传感器一、位移传感器和压力位移采集仪；

所述供气设备包括气源和调压阀；

所述补水设备为马氏瓶、压力传感器二和阀门；

所述采集设备包括温度传感器、温度采集仪、阀组和差压传感器；

反力架安装在底架上，底架上安装有所述土体冻胀试验舱，

所述土体冻胀试验舱包含舱底座、舱顶盖和固定架；舱底座上安装有可调节高度的固定架，舱顶盖竖向可活动地安装在固定架上；所述试验舱还包括试验外舱、试验内舱和柔性隔热膜；所述试验外舱包括外舱室和可通有冷工质的外舱螺旋控温管，所述外舱螺旋控温管布置在外舱室内壁上；所述试验内舱包括内舱室和可通有冷工质的内舱螺旋控温管；所述内舱室为外凸型舱室，内舱螺旋控温管布置在内舱室的下内壁上；

内舱室布置在外舱室内且二者均密封安装在舱底座上，舱顶盖密封盖合在外舱室的上端面上，舱顶盖中部开有通孔，舱顶盖上开有气孔；上冷盘放置于内舱室内的土试件上表面上，下冷盘密封安装在舱底座上，下冷盘上布置有透水石，位于上冷盘和下冷盘之间的土试件及透水石周侧面上包覆有柔性隔热膜，上冷盘的上表面上连接有由舱底座伸入的冷工质进出导管，下冷盘底部布置有冷工质进出导管，上冷盘及柔性隔热膜上端部包覆有密闭隔热材料，所述柔性隔热膜包含固接的双层乳胶膜以及填充在层内的绝热涂料；气缸安装在反力架上，气缸的驱动杆上安装有压力传感器一，内舱室的外凸内腔段内设有加载杆，加载杆密封滑动设置于套筒内，压力传感器一与加载杆一端连接，加载杆另一端抵靠在上冷盘上，所述气孔内封装有气管，反力架和气缸的驱动杆之间安装有与二者连接的位移传感器，气缸和气管均由气源供气，供气气路上安装有调压阀，压力传感器一和位移传感器的各自信号输出端与压力位移采集仪的各自信号输入端连接；外舱螺旋控温管、内舱螺旋控温管、上冷盘、下冷盘均由制冷控温设备调节制冷，透水石底部安装有与马氏瓶连接的补水管，补水管上安装有阀门和压力传感器二，安装在土试件内的温度传感器的输出端与温度采集仪的信号输入端连接，内舱室内、内舱室和外舱室之间隔腔内均填充有低导热导压液体，舱底座上设有分别与内舱室和差压传感器以及内舱室和外舱室之间的隔腔和差压传感器连接的导液管；所述制冷控温设备分别为冷浴箱一、冷浴箱二和冷浴箱三；冷浴箱一通过管道与下冷盘连接并形成循环回路，冷浴箱二通过管道和冷工质进出导管连接形成循环回路，冷浴箱三通过管道分别与外舱螺旋控温管和内舱螺旋控温管连接形成循环回路，冷浴箱一、冷浴箱二和冷浴箱三循环液均为95％酒精，控温范围为-38℃-90℃；

其特征在于：所述方法包括：

步骤一：制备土试件

先将现场所取的土过2mm圆孔筛，烘干后按指定的含水率配土并焖料，准备一定规格的有机玻璃圆筒，在有机玻璃圆筒壁涂抹凡士林，在有机玻璃圆筒底部放入垫块，垫块上放置滤纸片，随后称取一定质量的配好的湿土装入模具并捣实，在土样上部放置垫块，在静压机下静压成型土试件，并在脱模机下脱出高径比为1：2的土试件；

步骤二：埋设热电偶

先将柔性隔热膜套至下冷盘，随后将土试件与透水石按规定放置舱底座上，使用细针从土试件的侧面以一定距离的间距由上至下扎出一定深度的小孔，并将热电偶分别插入小孔内，将热电偶的导线贴着土试件的侧面从第二快速接头引出；

步骤三：固定土试件

将柔性隔热膜向上延伸，将透水石与土试件包裹于上冷盘和下冷盘之间，再利用O形圈将柔性隔热膜与上冷盘和下冷盘固定；最后，在上冷盘的隔热乳胶膜外侧包裹密闭隔热材料，并将上冷盘上的两根冷工质进出导管分别与冷浴箱二相连；

步骤四：安装试验舱与连接管线

将内舱室、外舱室放置于预先放有密封圈的舱底座的圆环槽内，将内舱室的内舱螺旋控温管和外舱螺旋控温管分别与冷浴箱三的进出口相连，将连接上冷盘的冷工质进出导管通过管道与冷浴箱二的进出口相连，将连接透水石的补水管通过管道与马氏瓶相连，并将马氏瓶下的阀门保持关闭状态；将热电偶的导线接至温度采集仪；连接内舱室和外舱室之间的隔腔通过管道分别与三阀组连接，三阀组保持关闭状态，再将差压传感器连接至三阀组；

步骤五：添加航空煤油并安装试验舱顶盖

在内舱室及内舱室和外舱室之间的隔腔内添加航空煤油，确保试验过程中内舱室内的液位在腔颈范围内活动，盖上舱顶盖，并利用螺杆与螺母固定舱顶盖与舱底座，将加载杆与压力传感器一相接，并将压力传感器一和位移传感器一起与压力位移采集仪连接，通过调压阀和管道将气泵分别与气缸及气管连接；

步骤六：试验与数据采集分析

首先对土试件进行恒温操作，打开冷浴箱一、冷浴箱二与冷浴箱三，并设置温度为1℃，直至热电偶采集的土试件内部的温度达到恒定为止；其次，与土试件的恒温操作同步，对土试件进行预压操作，根据所需的应力状态，打开气泵并调整调压阀，对土试件施加轴压与围压，并打开三阀组中部平衡阀，待压力值稳定后缓慢打开两侧阀门，再关闭中部平衡阀，监测试验舱内腔与外舱室的压差值，直至土试件预压变形稳定为止；最后，对土试件进行单向冻结，调整冷浴箱二的温度为所需负温，开始对土试件进行自上而下的冻结，并打开马氏瓶下的阀门开始对土试件提供无压补水，并监测温度、竖向位移、补水量以及压差值的变化；

土体冻结过程中，差压传感器检测的压差值与体应变、轴向应变、径向应变以及土体冻胀率的各向异性系数的计算可如下关系式换算：

式中：ε_t、ε_轴向、ε_径向为土试件冻结过程中的体应变、轴向应变与径向应变；

Δp₁、Δp_t分别为预压完成时刻、开始冻结后t时刻，与预压开始前压差值的差值；

ρ为航空煤油的密度；

D、d分别为内舱室腔颈部分的内径与加载杆的直径；

ΔH₁、ΔH_t分别为土试件预压完成时刻、开始冻结后t时刻，较预压开始前发生的轴向位移，以竖直向上为正，竖直向下为负；

d₀、h₀为试验开始前土试件的直径与高度；

β为土体冻胀率的各向异性系数。

2.根据权利要求1所述一种土体冻胀试验方法，其特征在于：步骤三中的所述柔性隔热膜的制备是：准备外层乳胶膜与内层乳胶膜，将内层乳胶膜套于一圆筒外壁上，在内层乳胶膜外壁喷涂第1层绝热涂料，待第1层涂料干透后方可喷涂第2层绝热涂料，涂料均干后，将外层乳胶膜套在绝热涂料外侧，最终形成内层乳胶膜与外层乳胶膜包夹绝热涂料的柔性隔热膜。

3.根据权利要求2所述一种土体冻胀试验方法，其特征在于：将上冷盘上的两根冷工质进出导管分别与舱底座上的第七直通型快速接头和第八直通型快速接头相连，第八直通型快速接头通过第一快速接头和管道、第七直通型快速接头通过第六快速接头和管道分别与冷浴箱二进出口连接，将内舱室、外舱室放置于预先放有密封圈的舱底座的圆环槽内，将内舱室的内舱螺旋控温管通过管道连接至外舱室壁的第五直通型快速接头和第一直通型快速接头以及第六直通型快速接头和第二直通型快速接头，将外舱螺旋控温管通过管道连接至外舱室壁的第三直通型快速接头和第四直通型快速接头，将第一直通型快速接头、第四直通型快速接头与冷浴箱三的出口相连接，将第二直通型快速接头和第三直通型快速接头与冷浴箱三的进口相连接；将连接下冷盘的第三快速接头和第三快速接头分别通过管道与冷浴箱一连接，与补水管连接的第四快速接头通过管道与马氏瓶相连，并将马氏瓶下的阀门保持关闭状态；将热电偶的导线接至温度采集仪；连接内舱室和外舱室之间的隔腔的第七快速接头和连接内舱室的第八快速接头分别与三阀组连接，三阀组保持关闭状态，再将差压传感器连接至三阀组。

4.根据权利要求1所述一种土体冻胀试验方法，其特征在于：所述冷工质进出导管为螺旋PU管。

5.根据权利要求1所述一种土体冻胀试验方法，其特征在于：柔性隔热膜通过O型圈箍在上冷盘和下冷盘的周侧面上。

6.根据权利要求1所述一种土体冻胀试验方法，其特征在于：下冷盘通过硅胶垫片粘接在舱底座上。

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