CN112326920A - 可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置及其试验方法，所述试验装置包括支撑架，设置于所述支撑架上用于存放土样的试验桶体，控制所述土样温度的温度控制系统，通过所述试验桶体顶部、择一给所述土样施加恒定压力或无穷刚度的施力系统，通过所述试验桶体下部向土样内补水的无压补水系统以及检测系统，本发明可进行多方面耦合试验，装置集成度高。

Description

可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置及其试验 方法

技术领域

本发明涉及土样冻胀技术领域，特别是涉及一种可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置及其试验方法。

背景技术

具有负温或零温并含有冰的土类和岩石称之为冻土。当土中水变成冰时，体积增大9％，称为土中水的冻胀，当土中水的体积膨胀足以引起土颗粒间的相对位移时就形成冻结时土的体积膨胀，称为土的冻胀。

在实际工程中，不同位置的土体具有的约束形式是多样的，因而其冻胀性也有所不同。例如，房建工程中，基础下部土体在发生冻胀时，其荷载可视作恒定，处于恒应力约束条件；靠近坚硬岩层或完全刚性结构下的土体被完全限制，此时冻胀力最大，可将其简化为刚度无限大的完全约束条件。

当冻土中发生盐渍化现象时，复杂的土-水-盐相互作用改变了原有的冻胀及水分迁移机制，在周期性温变条件下，加剧了建(构)筑物的破坏。

目前对土体水-热-盐-力所做的研究主要集中在室内模型试验方面，在上覆荷载条件下，进行开放系统及封闭系统下的盐-冻胀试验研究。然而现有的试验装置集成度低，有的只能进行荷载下的试验，而不能进行无限刚度下的试验，除此之外，大多数研究主要通过上下冷板施加温度梯度，土层内温度呈梯度变化(模拟多个土层的试验)，无法在恒定温度条件下，研究单一土层(土层内温度均一)多场耦合特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的试验装置集成度低，而提供可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置。

本发明的另一方面，是提供所述试验装置的试验方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，包括支撑架，设置于所述支撑架上用于存放土样的试验桶体，控制所述土样温度的温度控制系统，通过所述试验桶体顶部、择一给所述土样施加恒定压力或无穷刚度的施力系统，通过所述试验桶体下部向土样内补水的无压补水系统以及检测系统，其中：

所述试验桶体包括用于存放土样的内试样桶以及设置于所述内试样桶周向外壁上的冷却部；

所述温度控制系统包括所述冷却部、固定于所述试验桶体底部的下冷板、可匹配进入与所述内试样桶内且与其内壁密封连接的上控温板，所述上控温板受所述施力系统的作用给所述土样施加载荷，所述内试样桶的底部与所述下冷板的顶部密封连接；

所述施力系统包括杠杆施力装置和上部反力梁，当所述上部反力梁与所述支撑架固定连接时，上部反力梁通过助力杆固定上控温板的位置以模拟无限刚度条件，当所述上部反力梁与所述支撑架活动连接时，受所述杠杆施力装置下拉的上部反力梁通过助力杆给所述上控温板施加载荷以模拟恒应力条件；

所述无压补水系统包括设置于所述试验桶体底部的补水腔体以及给所述补水腔体供水的连通器结构，所述补水腔体上设有朝向土样的补水孔；

所述检测系统包括设置于所述助力杆上的应力传感器和/或用于测量土样温度的温度传感器和/或用于测量土样在竖直方向上位移的位移传感器探针和/或用于测量补水量和补水速率的补水计量装置。

在上述技术方案中，所述支撑架包括下底板和固定于所述下底板上的导向杆，所述下底板的底部固定有支撑腿，所述下冷板固定于所述下底板上，所述上部反力梁与所述导向杆的上部滑动连接，且所述上部反力梁可通过紧固连接件紧固于所述导向杆上。

在上述技术方案中，所述试验桶体外侧设置保温套，保温套的底部固定于下冷板或支撑架上，所述试验桶体的顶部设有可密封保温套开口的所述上顶板，所述上顶板通过第一拉杆固定于下冷板或支撑架上，所述上顶板上形成供所述助力杆穿出的通孔，助力杆与该通孔之间密封连接。

在上述技术方案中，所述杠杆施力装置包括杠杆组件、受力板、固定于所述支撑架底部的支点块，其中所述杠杆组件包括杠杆、可选择性装配于所述杠杆一端的砝码，所述杠杆的中部铰接于受力板上，所述受力板与位于所述支撑架下方的导向杆滑动连接，所述支点块的底部支点与所述杠杆相接触，所述受力板通过第二拉杆固定于所述上部反力梁上。

在上述技术方案中，所述杠杆的另一端设有可沿其长度方向调节的平衡块，平衡块与砝码分别位于所述杠杆的两端。

在上述技术方案中，位移传感器探针朝下固定于所述上顶板上，所述助力杆上固定有一测量块，所述位移传感器探针探测与所述测量块之间的间距测量土样的位移；

所述温度传感器包括穿过所述上控温板竖直插入所述土样内的第一温度传感器和/或穿过所述试验桶体的侧壁水平插入所述土样内的一个或多个第二温度传感器。

在上述技术方案中，所述试验桶体包括可替换的第一试验桶体和第二双层桶体，其中所述第一试验桶体包括所述的内试样桶以及设置于所述内试样桶周向外壁上的冷却部，所述第二双层桶体包括内试样桶和外试样桶，内试样桶的底部与下冷板密封连接，所述外试样桶滑动套接于所述内试样桶外，所述外试样桶的侧壁上形成供第二温度传感器插入的小孔，所述内试样桶的侧壁上形成供所述第二温度传感器穿入的条形孔，所述条形孔的长度大于所述小孔的孔径。

在上述技术方案中，所述检测系统还包括多个用于测试盐分的盐分传感器，所述盐分传感器插接于所述第二双层桶体的不同高度，所述第二双层桶体的内试样桶的侧壁上固定有加强筋。

在上述技术方案中，所述助力杆的顶部固定于所述上部反力梁的底部，底部固定有施力圆盘，所述施力圆盘同轴心固定于所述上控温板的顶面上。

在上述技术方案中，所述助力杆包括固定于所述上部反力梁底部的定位套、固定穿套于所述定位套内的受力轴和固定于所述上控温板顶部的上控温板反力杆，其中所述上控温板反力杆的顶部形成有凹槽，所述凹槽内固定所述应力传感器，所述受力轴可匹配插入所述凹槽内直接或间接作用于所述应力传感器。

在上述技术方案中，所述冷却部为设置于所述内试样桶外的冷却夹套或冷却盘管；

所述上控温板和下冷板包括用于存放冷却液的空腔以及与所述空腔相连通的冷板循环液进管和冷板循环液出管；或者所述上控温板和下冷板均包括上下设置的上冷却板和下冷却板，所述下冷却板内设置螺旋形开槽，所述上冷却板盖合于所述下冷却板时，密封所述螺旋形开槽形成螺旋形冷却液通道，所述螺旋形冷却液通道两端分别与冷板循环液出液管和冷板循环液进液管相连通。

在上述技术方案中，所述上控温板的周向侧壁上设有密封圈。

在上述技术方案中，所述补水板与下冷板围合形成补水腔体，所述补水腔体上设有两个进水口，其中一进水口通过补水管连接马氏瓶，另一进水口连接连通软管以和所述马氏瓶构成连通器结构；

所述补水计量装置包括置于所述马氏瓶下方的称重装置和装配于所述补水管上的压差计。

在上述技术方案中，所述补水板与设置于所述下冷板上的环形凸缘形成补水腔体，所述补水板包括底部透水架和固定于所述底部透水架顶部的孔板，其中所述底部透水架包括网格交叉排布的筋条，所述筋条上设有贯穿的通水孔。

本发明的另一方面，所述试验装置的试验方法，将土样装入内试样桶内，上控温板和下冷板密封试验桶体的上下两端，使得土样处于相对密封状态，可以进行以下三个方面的耦合试验：

(1)单一土层或者温度梯度：当冷却部关闭，下冷板、上控温板开启时，土样内形成温度梯度，模拟多个土层试验，当下冷板、上控温板关闭，冷却部开启时，土样内温度固定均一，模拟单一土层试验；

(2)开放系统或者封闭系统：当无压补水系统开启时，进行开放系统试验，模拟地下水补给，无压补水的同时开启下冷板和上控温板，温度梯度作为补水驱动力，当无压补水系统关闭时，进行封闭系统试验，模拟无地下水补给；

(3)恒应力或无限刚度的边界条件：当所述上部反力梁与所述支撑架固定连接时，土样的位移被完全限制，进行无限刚度条件下的试验；当所述上部反力梁与所述支撑架活动连接时，上部反力梁受所述杠杆施力装置的恒定拉力下拉，进行恒应力条件下的试验；

试验过程中，温度传感器实时采集土样的温度变化，应力传感器可反映土样在冻胀过程中产生的应力，位移传感器探针测量土样在冻融过程中土样在竖直方向上的位移，补水测量装置测量补水量和补水速率。

在上述技术方案中，当进行单一土层试验时，所述试验桶体采用第一试验桶体，温度传感器采用从所述上控温板插入土样内的第一温度传感器；

当进行温度梯度试验时，所述试验桶体采用第二双层桶体，温度传感器采用从第二双层桶体侧壁插入土样内的多个第二温度传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种既能做温度梯度(土层从上到下温度呈梯度变化)，又能对单一土层(土层内各个位置的温度一致)进行研究的试验装置，既可以进行恒应力条件(上部反力梁受杠杆装置下拉)，又可进行无限刚度条件下(上部反力梁锁死)的试验研究，既可以进行开放系统试验(无压补水系统启动，模拟实际地层中有地下水补给)，又可以进行封闭系统试验(无压补水系统关闭，模拟实际地层中没有地下水补给)。如此进行多种试验研究，功能多样化。除此之外，本发明的试验装置结构简单，便于拆装，操作简便，便于推广应用。

2.本发明采用杠杆施力装置，可有效的向土样施加恒定载荷，并且通过杠杆式的结构，充分利用杠杆原理，可通过较小重量的砝码即可向土样施加较大载荷，满足不同试验条件的需求。同时，也可以将试样位移完全限制，转换限制条件。从而满足多应用场景下的功能。

3.利用可替换的双层桶体的结构，有效避免了横向设置的温度传感器(或盐分传感器等其他传感器)对土样膨胀过程施加侧向限制，阻碍土样膨胀(防止“抱死”)，提高本装置的试验测量精度。

附图说明

图1是本试验装置的主视图。

图2是本试验装置的正视图。

图3是本试验装置的侧视图。

图4是试验桶体、水源以及上控温板、下冷板、上顶板、下底板之间的连接关系图。

图5是图1中的局部放大图(为了便于显示，上移透水板的位置)。

图6是透水板的结构示意图。

图7是冷却夹套与内试样桶的结构示意图。

图8是冷却盘管与内试样桶的结构示意图。

图9是上控温板的结构示意图。

图10是第二双层桶体的结构示意图。

图中：1-内试样桶，2-上部反力梁，3-上控温板，4-环形凸缘，5-补水管，6-应力传感器，7-位移传感器探针，8-施力圆盘，9-加强翼，10-上顶板，11-下底板，12-第一拉杆，13-螺栓，14-支撑腿，15-测量块，16-第一温度传感器，17-第二温度传感器，18-小孔，19-条形孔，20-定位套，21-受力轴，22-上控温板反力杆，23-装配槽，24-导向杆，25-冷却夹套，26-冷却盘管，27-空腔循环液出口，28-空腔循环液进口，29-循环液进口，30-循环液出口，31-空腔，33-冷板循环液进管，34-上冷却板，35-下冷却板，36-螺旋形开槽，37-冷板循环液出液管，38-冷板循环液进液管，39-透水架，40-孔板，41-通水孔，42-受力板，43-支点块，44-杠杆，45-平衡块，46-砝码，47-第二拉杆，48-托盘，49-连接杆，50-外试样桶，51-马氏瓶，52-压差计，53-连接板，54-助力杆，55-凹槽，56-温度传感器孔,57-软管，58-保温套，59-密封圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，包括支撑架、设置于所述支撑架上的试验桶体、控制所述土样温度的温度控制系统、通过所述试验桶体顶部给所述土样择一施加恒定压力或无穷刚度的施力系统、通过所述试验桶体下部向土样内补水的无压补水系统以及检测系统，其中：

所述试验桶体包括用于存放土样的内试样桶1以及设置于所述内试样桶1周向外壁上的冷却部；

所述温度控制系统包括所述冷却部、固定于所述试验桶体底部的下冷板、可匹配与所述内试样桶1内壁密封连接的上控温板3，所述上控温板3受所述施力系统的作用给所述土样施加载荷，所述内试样桶的底部与所述下冷板的顶部密封连接(所述下冷板的顶部形成供所述试验桶体的底部插入的装配槽23，便于对所述试验桶体进行定位和密封所述内试样桶1)；

所述施力系统包括杠杆施力装置和上部反力梁2，当所述上部反力梁2与所述支撑架固定连接时，上部反力梁2通过助力杆54固定上控温板3的位置以模拟无限刚度条件，当所述上部反力梁22与所述支撑架活动连接时，受所述杠杆施力装置下拉的上部反力梁2通过助力杆54给所述上控温板3施加载荷以模拟恒应力条件；

所述无压补水系统包括设置于所述试验桶体底部的补水板，所述补水板与下冷板围合形成补水腔体，所述补水腔体通过连通器结构供水。与蠕动泵通过压力供水不同，本申请选用无压补水，以模拟实际的地层环境状况。上控温板3和下冷板开启后，土样形成温度梯度，在温度梯度的驱动力作用下，通过连通器结构进行无压补水。

所述检测系统包括设置于所述助力杆54上的应力传感器6和/或用于测量土样温度的温度传感器和/或用于测量土样在竖直方向上位移的位移传感器探针7和/或用于测量补水量和补水速率的补水计量装置。

将土样装入内试样桶1内，上控温板3和下冷板密封试验桶体的上下两端，使得土样处于相对密封状态，可以进行以下三个方面的耦合试验：

(1)单一土层或者温度梯度：当冷却部关闭，下冷板、上控温板3开启时，土样内形成温度梯度，模拟多个土层试验，当下冷板、上控温板3关闭，冷却部开启时，土样内温度固定均一，模拟单一土层试验；

(2)开放系统或者封闭系统：当无压补水系统开启时，进行开放系统试验，模拟地下水补给，当无压补水系统关闭时，进行封闭系统试验，模拟无地下水补给；正是马氏瓶这种构件形成的连通器结构，使得试验的时候，可以模拟实际地层当中的无压补水。

(3)恒应力或无限刚度的边界条件：当所述上部反力梁2与所述支撑架固定连接时，进行无限刚度条件下的试验，此时土样的位移被完全限制，研究土样的膨胀力，理论上膨胀力越来越大；当所述上部反力梁2与所述支撑架活动连接时，上部反力梁2受所述杠杆施力装置的恒定拉力下拉，进行恒应力条件下的试验，此时土样上相当于压了固定重量的重物，该压力不变，膨胀力理论上固定不变，相当于上覆荷载产生的应力。

试验过程中，温度传感器实时采集土样的温度变化，应力传感器6可反映土样在冻胀过程中产生的应力，位移传感器探针7测量土样在冻融过程中土样在竖直方向上的位移，补水测量装置测量补水量和补水速率，这些数据可人工记录处理，也可传输至监测终端自动处理。

所述支撑架包括下底板11和固定于所述下底板11上的导向杆24，所述下冷板固定于所述下底板11上，所述内试样桶1的底部密封固定于所述下冷板的上表面上。所述上部反力梁2与所述导向杆24的上部滑动连接，且所述上部反力梁2可通过紧固连接件紧固于所述导向杆24上，所述受力板42与位于所述支撑架下方的导向杆24滑动连接，以起到导向作用，保证受力板42在竖直方向上上下移动。

当利用紧固连接件将导向杆24与上部反力梁2紧固连接在一起时，可进行无限刚度条件下的试验，此时主要测量应力状态，即冻胀力这种状态。紧固连接件可选用固定螺栓，导向杆24上设置螺纹，利用固定螺栓可将上部反力梁2的两端分别固定在两个导向杆24上，上部反力梁2的位置固定。

导向杆24的设置可实现力在竖直方向上传导不发生偏移，所述支撑架上固定有竖直的导向杆24，更为优选的，导向杆24底部穿过下底板11并通过连接螺栓固定于下底板11上，所述上部反力梁2的端部形成有供所述导向杆24穿过的导向孔。更进一步的，所述导向杆24设置有两个，对称设置在所述试验桶体的左右两侧，所述上部反力梁2的两端分别与两个导向杆24滑动连接。

为了维持试验桶体内温度的稳定性，所述试验桶体外侧设置保温套58，保温套58的底部固定于下冷板或下底板11上，所述试验桶体的顶部设有可密封其开口的所述上顶板10，所述上顶板10通过第一拉杆12固定于所述下底板11或下冷板上，所述上顶板10上形成供所述助力杆54穿出的通孔，助力杆54与该通孔之间密封连接，可以起到隔热的作用，减少热损失，上顶板10与最外面的保温套58形成密闭空间，起到隔热的作用。所述第一拉杆12的底部通过螺栓13固定于所述下底板11或下冷板上，所述上顶板10通过螺栓13紧固于所述第一拉杆12的顶部；所述第一拉杆12的上下两端均为螺纹段，通过与其螺纹连接的螺栓13可实现上顶板10和下底板11的固定，如图所示，第一拉杆12设置有三个，以试验桶体的轴心为轴呈环形阵列均匀分布，所述下底板11的底部固定有支撑腿14，以将整个试验装置放置于试验平台上。

开启上下冷板或者周围的冷却部的时候，试样在竖直方向上没有热损失，使得试验更加准确，接近真实的天然情况。

如图2-3所示，所述杠杆施力装置包括杠杆组件、受力板42、固定于所述支撑架底部的支点块43，其中所述杠杆组件包括杠杆44、可选择性装配于所述杠杆44一端的砝码46，所述杠杆44的中部铰接于受力板42上，所述支点块43的底部支点与所述杠杆44相接触，所述受力板42通过第二拉杆47固定于所述上部反力梁2上。第二拉杆47设置有对称的两个，形成对称拉力。所述杠杆44与所述底部支点相接触的位置上形成接触凹槽。为了适应不同高度的土柱，所述支点块43为多个可替换的不同高度的支点块43，或者为高度可调的支点块43，以调节杠杆44平衡时与下底板11之间的间距。

在杠杆44的端部装配不同个数或不同重量的砝码46时，杠杆44给所述受力板42提供恒定的拉力，再通过第二拉杆47给上部反力梁2提供恒定的拉力，实现核定恒定荷载。同第一拉杆12的装配方式相同，第二拉杆47的顶部通过紧固螺栓紧固在上部反力梁2上，底部通过紧固螺栓紧固在受力板42上，拆卸上部反力梁2时，将紧固螺栓取下即可。

更进一步的，为了保持杠杆44的平衡，所述杠杆44的另一端设有可沿其长度方向调节的平衡块45，平衡块45与砝码46分别位于所述杠杆44的两端。所述杠杆44的其中一段为螺纹杆，所述平衡块45与所述螺纹杆通过螺纹连接。在放置砝码前，先调节平衡块45，把整个杠杆体系调平衡，然后添加砝码46。

更进一步的，所述杠杆44的端部固定有一用于放置砝码46的托盘48。托盘48通过连接杆49固定于所述杠杆44的端部，所述连接杆49的顶部通过连接螺杆铰接或一体成型的方式固定连接于所述杠杆44上，所述杠杆44通过连接轴或连接螺杆直接铰接于受力板42上，所述杠杆44上靠近中部的位置与所述支点块43接触，所述杠杆44的端部通过连接轴铰接于受力板42顶部的两个相对设置的连接板53上。

为了准确的采集位移数据，所述位移传感器探针7朝下固定于所述上顶板10上，所述助力杆54上固定有一测量块15，所述位移传感器探针7探测与所述测量块15之间的间距测量土样的位移。比如，土样冻胀时，在竖直方向上上移，位移传感器探针7与所述测量块15之间的缩小，如此测量土样的位移。

为了准确的测量土样内的温度，所述温度传感器包括穿过所述上控温板3竖直插入所述土样内的第一温度传感器16和/或穿过所述试验桶体的侧壁水平插入所述土样内的一个或多个第二温度传感器17。当第二温度传感器17设有多个时，可探测不同高度位置下的土样温度，温度梯度下(多个土层)的冻胀试验，需要测量的温度是整个土柱上的温度分布，因为整个土柱上面因为存在温度梯度，温度是不一样的，所以传感器插在侧壁上。

第二温度传感器从试样桶侧壁开孔插入，在土体膨胀时，多个第二温度传感器和试验桶体对土样施加侧向限制，会形成“抱死”结构，对土体膨胀造成较大限制，降低了盐-冻胀仪的测量精度。

为了防止土样在冻胀过程中被施加侧向限制，也就是被试验桶体“抱死”，所述试验桶体包括可替换的第一试验桶体和第二双层桶体，其中所述第一试验桶体包括所述的内试样桶1以及设置于所述内试样桶1周向外壁上的冷却部，如图7-8所示，所述第二双层桶体包括内试样桶1和外试样桶50，如图10所示，内试样桶1的底部与下冷板密封连接，所述内试样桶1滑动套接于所述外试样桶内，所述外试样桶的侧壁上形成供所述第二温度传感器17插入的小孔18，所述内试样桶1的侧壁上形成供所述第二温度传感器17穿入的条形孔19，所述条形孔19的长度大于所述小孔18的孔径。，所述条形孔与所述小孔一一对应设置，条形孔19给第二温度传感器17提供了上下移动的空间，如此土样在冻胀过程中，带动第二温度传感器17上移，外试样桶50及第二温度传感器17相对内试样桶1上移，防止土样被试验桶体抱死，提高测试的精准度。

为了测试盐度的影响，所述检测系统还包括多个用于测试盐分的盐分传感器，所述盐分传感器插接于所述双层桶体的不同高度。设置方式同第二温度传感器17。

为了防止上覆荷载试验时，上覆荷过大造成内试样桶1开裂，所述内试样桶1的侧壁上固定有加强筋。

因此在进行单一土层试验时，将第一试验桶体装配在支撑架上，在进行梯度温度试验时，将第二双层桶体装配在支撑架上。根据不同试验需求选择使用不同的试验桶体。

为了直观的查看冻胀过程中土样的变化，所述试验桶体采用透明材质。

为了使得助力杆54均匀的向上控温板3施加载荷，所述助力杆54的顶部固定于所述上部反力梁2的底部，底部固定有施力圆盘8，所述施力圆盘8同轴心固定于所述上控温板3的顶面上，更进一步的，所述助力杆54的底部与所述施力圆盘8之间固定有加强翼9，所述加强翼9以所述助力杆54的轴心环形阵列分布，如图所示，加强翼9的个数是三个，每相邻的两个加强翼9之间的角度为120度。

为了应力传感器6准确的采集数据，所述助力杆54包括固定于所述上部反力梁2底部的定位套20、固定穿套于所述定位套20内的受力轴21和固定于所述上控温板3顶部的上控温板反力杆22，其中所述上控温板反力杆22的顶部形成有凹槽55，所述凹槽55内固定所述应力传感器6，所述受力轴21可匹配插入所述凹槽55内直接或间接作用于所述应力传感器6。如此设置便于拆卸装配，且可提高测量的精准度。

所述冷却部为设置于所述内试样桶1外的冷却夹套25或冷却盘管26。当冷却部为冷却夹套25时，所述冷却夹套25内形成存放冷却液的控温腔体，所述冷却夹套25顶部设有与所述控温腔体连通的空腔循环液出口27、底部设有与所述控温腔体连通的空腔循环液进口28。当冷却部为冷却盘管26时，冷却盘管26呈螺旋形盘绕于所述试验桶体的外壁上，冷却盘管26的底部为循环液进口29、顶部为循环液出口30。

所述上控温板3和下冷板均可以采用以下两种结构：

第一种，所述上控温板3和下冷板包括用于存放冷却液的空腔31以及与所述空腔31相连通的冷板循环液进管32和冷板循环液出管33。通过循环冷却液控制上控温板3的温度。当上控温板3上设置施力圆盘8时，上控温板循环液进管和上控温板循环液出管穿出施力圆盘8。

第二种：所述上控温板3和下冷板均包括上下设置的上冷却板34和下冷却板35，所述下冷却板35内设置螺旋形开槽36，所述上冷却板34盖合于所述下冷却板35时，密封所述螺旋形开槽36形成螺旋形冷却液通道，所述螺旋形冷却液通道两端分别与冷板循环液出液管37和冷板循环液进液管38相连通。所述上冷却板34和下冷却板35可通过螺钉紧固连接，螺旋形冷却液通道的设置方式，可优化冷却效果。所述环形凸缘4形成在下冷板的上冷却板34的顶部，便于加工成型，另外所述上控温板3的上冷却板34和下冷却板35上均可设置有供第一温度传感器16插入的温度传感器孔56。

为了保证上控温板3与内试样桶1内壁的密封性，所述上控温板3的周向侧壁上设有密封圈59。

更进一步的，所述补水腔体上设有两个进水口，其中一进水口通过补水管5连接马氏瓶51，另一进水口连接连通软管57以和所述马氏瓶51构成连通器结构，所述补水计量装置包括置于所述马氏瓶51下方的称重装置和装配于所述补水管上的压差计52；

称重装置可采用电子天平，计量试验过程中的补水量，可相机拍摄或者人工观察马氏瓶当中刻度的变化以计算补水量，所述补水管5上设置压差计52测量补水速率，连通软管57软管的端口放置的高度和压差计52高度相当，如此形成一个连通器结构，实现无压补水。两个进水口上分别固定有一连接管，穿过下冷板上的穿孔延伸出来分别连接补水管5和连通软管57，且所述补水管5和连通软管57与所述穿孔之间密封连接)。

所述补水板与设置于所述下冷板上的环形凸缘4形成补水腔体，所述补水板包括底部透水架39和固定于所述底部透水架39顶部的孔板40，其中所述底部透水架39包括网格交叉排布的筋条，所述筋条上设有贯穿的通水孔41。

经由补水管5供给的水进入补水板内，经由通水孔41在底部透水架39内分布均匀，再通过孔板40上的小孔18进入到土样内，保证均匀的给所述土样补水，防止土样内水量分布不均匀，影响试验结果，进一步提高了试验结果的可靠性。

实施例2

封闭系统(无压补水系统关闭)条件下的，恒应力条件下或无限刚度条件下的单一土层的冻胀试验。

填装土样：

(1)若导向杆24上装配了调节螺栓，则先拧下调节螺栓，使得上部反力梁2与导向杆24滑动连接，将上部反力梁2与第二拉杆47之间的紧固螺栓取下，取下上部反力梁2；

(2)拧下螺栓13，取下上顶板10；

(3)将上控温板从试验桶体内取出，通过试验桶体的顶部开口填装土样；

(4)上控温板压装在土样正上方，盖合上顶板10，拧紧螺栓13，安装上部反力梁2，利用紧固螺栓上部反力梁2的两端紧固在第二拉杆47上；

(5)必要时利用调节螺栓固定上部反力梁2的位置。

装填土样后分别进行实施例2.1恒应力条件下的单一土层的冻胀试验和实施例2.2无限刚度条件下的单一土层的冻胀试验，实施例2.1和2.2均包括单次冻结以及冻融循环，跟温度条件设置有关，本实施例中试验桶体采用图7或者图8所示的第一试验桶体，温度测量使用第一温度传感器。

2.1

依据上述步骤装填土样，不装配调节螺栓，上部反力梁2与导向杆24滑动连接，在托盘48上放置额定数量的砝码46，杠杆44以支点块43作为支点旋转，通过第二拉杆47下拉上部反力梁2，上部反力梁2通过助力杆54给上控温板3施加上负载荷，上控温板3给土样施加恒定载荷。

2.1.1

进行恒应力单一土层单次降温下的冻胀试验，具体操作流程为：将冷却部连接冷浴，调整冷浴的温度变化为25℃-20℃-15℃-10℃-5℃-0℃-(-5)℃-(-10)℃-(-15)℃-(-20)℃，模拟单一土层在单次降温下的冻胀试验。比如从白天到黑夜单一土层的温度变化，这时要进行的是单次降温下的冻胀试验。

2.1.2

进行恒应力单一土层冻融循环下的冻胀试验。具体操作流程为：将冷却部连接冷浴，调整冷浴的温度变化为25℃-20℃-15℃-10℃-5℃-0℃-(-5)℃-(-10)℃-(-15)℃-(-20)℃-(-15)℃-(-10)℃-(-5)℃-0℃-5℃-10℃-15℃-20℃-25℃，模拟一年四季土层宏观的温度变化。

2.2

在装填土样后，利用调节螺栓将上部反力梁2紧固在导向杆24上，将试样的位移完全限制住。其余试验步骤参上2.1.1和2.1.2中的操作流程，可分别进行无限刚度单一土层单次降温下的冻胀试验和无限刚度单一土层冻融循环下的冻胀试验。

本实施例2.1和2.2中测量参数有冻胀量(通过位移传感器探针7测量)、冻胀应力(由应力传感器6测量)以及试样的温度变化(通过第一温度传感器16测量)。实施例2.2中冻胀量只能测量出微小的融化位移，在冻融循环的时候。

实施例3

3.1

恒应力条件下温度梯度下土层的冻胀试验，试验装置调节同实施例2.1，填装土样的过程同实施例2。本实施例的试验桶体采用如图10所示的第二双层桶体，侧壁插多个第二温度传感器，多个第二温度传感器可测量土样竖直方向上的温度变化。除此之外，第二双层桶体还可插入盐分传感器以测量土柱在竖直方向上的盐分变化。

3.1.1开放系统单次冻结试验

无压补水系统开启，连接马氏瓶，构成连通器结构进行无压补水，周向冷却部关闭，下冷板、上控温板3分别连接冷浴，在温度梯度的作用下，水分在土层内迁移，进行无压补水，下冷板维持恒定温度(一般是负温，本实施例为-1℃)，上控温板3的温度按照25℃-20℃-15℃-10℃-5℃-0℃-(-5)℃-(-10)℃-(-15)℃-(-20)℃这种形式来变化。

需要采集的数据有补水量及补水速率、土样竖直方向上的温度梯度(多个第二温度传感器测量)、冻胀量(通过位移传感器探针7测量)和冻胀应力(通过应力传感器测量，理论上与上覆荷载相等)。

3.1.2开放系统冻融循环试验

无压补水过程同3.1.1，下冷板、上控温板3分别连接冷浴，下冷板维持恒定温度(一般是负温，本实施例为-1℃)，上控温板3温度按照25℃-20℃-15℃-10℃-5℃-0℃-(-5)℃-(-10)℃-(-15)℃-(-20)℃-(-15)℃-(-10)℃-(-5)℃-0℃-5℃-10℃-15℃-20℃-25℃这种形式来变化(本实施例中温度区间为5℃，该温度区间可根据需要调节，也可设置成正弦函数变化)。

需要采集的数据有补水量及补水速率、土样竖直方向上的温度梯度(多个第二温度传感器测量)、冻胀量(通过位移传感器探针7测量)和冻胀应力(通过应力传感器测量，理论上与上覆荷载相等)。

3.1.3封闭系统单次冻结试验

关闭无压补水系统，不连接马氏瓶，温度控制同实施例3.1.1，需要采集的数据有土样竖直方向上的温度梯度(多个第二温度传感器测量)、冻胀量(通过位移传感器探针7测量)和冻胀应力(通过应力传感器测量，理论上与上覆荷载相等)。

3.1.4封闭系统冻融循环试验

关闭无压补水系统，不连接马氏瓶，温度控制同实施例3.1.2，需要采集的数据同实施例3.1.3。

3.2

无限刚度条件下温度梯度下土层的冻胀试验，试验装置调节同实施例2.2，填装土样的过程同实施例2。本实施例的试验桶体采用如图10所示的第二双层桶体，侧壁插多个第二温度传感器，多个第二温度传感器可测量土样竖直方向上的温度变化。除此之外，第二双层桶体还可插入盐分传感器以测量土柱在竖直方向上的盐分变化。采用实施例3.1.1-3.1.4的试验步骤，可分别进行无限刚度条件下的开放系统单次冻结试验、开放系统冻融循环试验封闭、封闭系统单次冻结试验、封闭系统冻融循环试验。

总之，除了以上实施例，本装置可在单一土层或温度梯度(多个土层模拟)中择一条件；开放系统(开启无压补水系统)和封闭系统(关闭无压补水系统)中择一条件；恒应力和无限刚度中择一条件进行组合分类，进行多种条件下的研究。除此之外，也可以在试验过程中进行以上试验条件的转换。值得说明的是，在开放系统条件下进行单一土层试验时，先启动下冷板、上控温板3，形成温度梯度，再打开无压补水系统，温度梯度为土层水分迁移的驱动力。补水完成后，关闭下冷板、上控温板3，打开周向冷却部，调整土体温度均一，进行试验。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，包括支撑架，设置于所述支撑架上用于存放土样的试验桶体，控制所述土样温度的温度控制系统，通过所述试验桶体顶部、择一给所述土样施加恒定压力或无穷刚度的施力系统，通过所述试验桶体下部向土样内补水的无压补水系统以及检测系统，其中：

所述试验桶体包括用于存放土样的内试样桶以及设置于所述内试样桶周向外壁上的冷却部；

所述温度控制系统包括所述冷却部、固定于所述试验桶体底部的下冷板、可匹配进入与所述内试样桶内且与其内壁密封连接的上控温板，所述上控温板受所述施力系统的作用给所述土样施加载荷，所述内试样桶的底部与所述下冷板的顶部密封连接；

所述施力系统包括杠杆施力装置和上部反力梁，当所述上部反力梁与所述支撑架固定连接时，上部反力梁通过助力杆固定上控温板的位置以模拟无限刚度条件，当所述上部反力梁与所述支撑架活动连接时，受所述杠杆施力装置下拉的上部反力梁通过助力杆给所述上控温板施加载荷以模拟恒应力条件；

所述无压补水系统包括设置于所述试验桶体底部的补水腔体以及给所述补水腔体供水的连通器结构，所述补水腔体上设有朝向土样的补水孔；

所述检测系统包括设置于所述助力杆上的应力传感器和/或用于测量土样温度的温度传感器和/或用于测量土样在竖直方向上位移的位移传感器探针和/或用于测量补水量和补水速率的补水计量装置。

2.如权利要求1所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述支撑架包括下底板和固定于所述下底板上的导向杆，所述下底板的底部固定有支撑腿，所述下冷板固定于所述下底板上，所述上部反力梁与所述导向杆的上部滑动连接，且所述上部反力梁可通过紧固连接件紧固于所述导向杆上。

3.如权利要求1所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述试验桶体外侧设置保温套，保温套的底部固定于下冷板或支撑架上，所述试验桶体的顶部设有可密封保温套开口的上顶板，所述上顶板通过第一拉杆固定于下冷板或支撑架上，所述上顶板上形成供所述助力杆穿出的通孔，助力杆与该通孔之间密封连接。

4.如权利要求1所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述杠杆施力装置包括杠杆组件、受力板、固定于所述支撑架底部的支点块，其中所述杠杆组件包括杠杆、可选择性装配于所述杠杆一端的砝码，所述杠杆的中部铰接于受力板上，所述受力板与位于所述支撑架下方的导向杆滑动连接，所述支点块的底部支点与所述杠杆相接触，所述受力板通过第二拉杆固定于所述上部反力梁上。

5.如权利要求4所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述杠杆的另一端设有可沿其长度方向调节的平衡块，平衡块与砝码分别位于所述杠杆的两端。

6.如权利要求3所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，位移传感器探针朝下固定于所述上顶板上，所述助力杆上固定有一测量块，所述位移传感器探针探测与所述测量块之间的间距测量土样的位移；

所述温度传感器包括穿过所述上控温板竖直插入所述土样内的第一温度传感器和/或穿过所述试验桶体的侧壁水平插入所述土样内的一个或多个第二温度传感器。

7.如权利要求1所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，

所述试验桶体包括可替换的第一试验桶体和第二双层桶体，其中所述第一试验桶体包括所述的内试样桶以及设置于所述内试样桶周向外壁上的冷却部，所述第二双层桶体包括内试样桶和外试样桶，内试样桶的底部与下冷板密封连接，所述外试样桶滑动套接于所述内试样桶外，所述外试样桶的侧壁上形成供第二温度传感器插入的小孔，所述内试样桶的侧壁上形成供所述第二温度传感器穿入的条形孔，所述条形孔的长度大于所述小孔的孔径。

8.如权利要求7所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，

所述检测系统还包括多个用于测试盐分的盐分传感器，所述盐分传感器插接于所述第二双层桶体的不同高度，所述第二双层桶体的内试样桶的侧壁上固定有加强筋。

9.如权利要求1所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述助力杆的顶部固定于所述上部反力梁的底部，底部固定有施力圆盘，所述施力圆盘同轴心固定于所述上控温板的顶面上。

10.如权利要求1所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述助力杆包括固定于所述上部反力梁底部的定位套、固定穿套于所述定位套内的受力轴和固定于所述上控温板顶部的上控温板反力杆，其中所述上控温板反力杆的顶部形成有凹槽，所述凹槽内固定所述应力传感器，所述受力轴可匹配插入所述凹槽内直接或间接作用于所述应力传感器。

11.如权利要求1所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述冷却部为设置于所述内试样桶外的冷却夹套或冷却盘管；

所述上控温板和下冷板包括用于存放冷却液的空腔以及与所述空腔相连通的冷板循环液进管和冷板循环液出管；或者所述上控温板和下冷板均包括上下设置的上冷却板和下冷却板，所述下冷却板内设置螺旋形开槽，所述上冷却板盖合于所述下冷却板时，密封所述螺旋形开槽形成螺旋形冷却液通道，所述螺旋形冷却液通道两端分别与冷板循环液出液管和冷板循环液进液管相连通。

12.如权利要求1所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述上控温板的周向侧壁上设有密封圈。

13.如权利要求1所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述补水板与下冷板围合形成补水腔体，所述补水腔体上设有两个进水口，其中一进水口通过补水管连接马氏瓶，另一进水口连接连通软管以和所述马氏瓶构成连通器结构；

所述补水计量装置包括置于所述马氏瓶下方的称重装置和装配于所述补水管上的压差计。

14.如权利要求13所述的可分别进行恒应力和无限刚度冻胀试验的试验装置，其特征在于，所述补水板与设置于所述下冷板上的环形凸缘形成补水腔体，所述补水板包括底部透水架和固定于所述底部透水架顶部的孔板，其中所述底部透水架包括网格交叉排布的筋条，所述筋条上设有贯穿的通水孔。

15.如权利要求1-14中任一项所述试验装置的试验方法，其特征在于，将土样装入内试样桶内，上控温板和下冷板密封试验桶体的上下两端，使得土样处于相对密封状态，可以进行以下三个方面的耦合试验：

(1)单一土层或者温度梯度：当冷却部关闭，下冷板、上控温板开启时，土样内形成温度梯度，模拟多个土层试验，当下冷板、上控温板关闭，冷却部开启时，土样内温度固定均一，模拟单一土层试验；

(2)开放系统或者封闭系统：当无压补水系统开启时，进行开放系统试验，模拟地下水补给，无压补水的同时开启下冷板和上控温板，温度梯度作为补水驱动力，当无压补水系统关闭时，进行封闭系统试验，模拟无地下水补给；

(3)恒应力或无限刚度的边界条件：当所述上部反力梁与所述支撑架固定连接时，土样的位移被完全限制，进行无限刚度条件下的试验；当所述上部反力梁与所述支撑架活动连接时，上部反力梁受所述杠杆施力装置的恒定拉力下拉，进行恒应力条件下的试验；

试验过程中，温度传感器实时采集土样的温度变化，应力传感器可反映土样在冻胀过程中产生的应力，位移传感器探针测量土样在冻融过程中土样在竖直方向上的位移，补水测量装置测量补水量和补水速率。

16.如权利要求15所述的试验方法，其特征在于，当进行单一土层试验时，所述试验桶体采用第一试验桶体，温度传感器采用从所述上控温板插入土样内的第一温度传感器；

当进行温度梯度试验时，所述试验桶体采用第二双层桶体，温度传感器采用从第二双层桶体侧壁插入土样内的多个第二温度传感器。

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