CN113433292A - 冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统及方法，试验系统包括冻融试验系统、核磁共振检测系统、力学加载系统、数据监测与采集系统。冻融试验系统对散体试样进行冻融处理，核磁共振检测系统进行微观孔隙未冻水含量的测定，力学加载系统进行宏观力学性质测定，宏微观测试过程中由数据监测与采集系统获取试验结果数据。本发明不仅可以获取散体试样在冻融过程中温度、应变和冻胀力的信息，而且能够从微观和宏观角度探究在冻融循环条件下散体试样细观结构特征与损伤力学机制，为研究高寒季冻区矿山排土场、尾矿场等散体堆积体稳定性提供重要数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别是一种适用于高寒高海拔地区矿山安全、稳定、高效开采备的冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统。
背景技术
冻融循环是由昼夜或季节热量变化引起的岩土体反复冻结-融解的过程，这种现象在季节性冻土区或者一些高纬高海拔地区尤为普遍。我国高海拔寒区分布广泛，约占国土面积的70％以上，最大温差可达45℃，且干湿季明显，因此存在着明显的冻融循环作用。冻融循环对岩土体施加的是一种周期性的荷载作用，单次的冻融作用会激发试样产生不可逆的损伤，经过周而复始的冻融处理将产生疲劳损伤破坏，对岩土体的物理力学性质及内在结构产生显著影响。
散体是由彼此相联系的固体颗粒所共同组成的集合体，主要的特征是分散性、复杂性和易变性。不同于岩石和土壤，其复杂性和易变性主要是指散体是由颗粒和孔隙组成，其力学特性与颗粒大小、形状及分布特征密切相关。当介质中含有水分和黏结性物质时，颗粒之间具有一定的黏聚力，这种散体称为非理想散体。本发明所提到的散体即为非理想散体。
矿山尾矿坝、排土场等散体物料堆积时，散体物料缝隙网中不断充填细粒物料和水分，冻融条件下水冰相变对大块物料的铰接状态和小块物料的积聚状态造成破坏；同时长时间的冻融循环还会使矸石本身发生破坏。矿山露天采场岩质边坡在冻融循环下会发生损伤劣化，影响上覆岩土工程的稳定性，形成严重的矿山事故隐患。因此，高寒高海拔地区矿山的安全、稳定、高效开采备受关注。
研究冻融循环条件下岩土体微细观结构特征与力学损伤机理对于防范冻融破坏、提高散体物料稳定性有重要意义，为此，在实验室中针对散体试样如何设计搭建冻融循环作用下宏微观结构演化试验系统，是所需解决的技术问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要提供一种冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统，以实现对散体试样在冻融循环试验过程中获得微观孔隙结构演化信息以及宏观力学特性损伤信息，为相关研究提供数据支持。
技术方案：本发明的目的是这样实现的：本发明的冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统，包括计算机、分别与数据监测与采集系统相连的冻融试验系统、核磁共振检测系统和力学加载系统；
所述的数据监测与采集系统包括冻胀力采集装置、应变采集装置和温度采集装置；
所述的冻融试验系统包括冻融试验箱、制冷管、电热丝、温度控制器，所述冻融试验箱箱体内壁包裹有聚氨酯保温层，冻融试验箱内设有分两层放置多个散体试样的中间隔板，冻融试验箱的一侧壁上开有数据线集纳孔和电线孔；所述制冷管布设在箱体的中间隔板处，所述电热丝布设在箱体内顶底两端；所述温度控制器与制冷管、加热丝电连接，电线通过电线孔引出冻融试验箱，温度控制装置通过数据线与计算机相连接；温度控制器控制制冷管和电热丝的工作状态与工作时长，以调节冻融温度、冻融时长与冻融循环次数；
所述的核磁共振检测系统包括低场核磁共振检测仪、Fluke红外热像仪和恒温水浴箱，所述低场核磁共振检测仪测定实时温度下的核磁信号强度，所述红外热像仪测定散体试样的实时表面温度，所述恒温水浴箱用于水浴加热散体试样至预设温度；低场核磁共振检测仪通过数据线与计算机相连接；
所述力学加载系统包括加载油泵、设在加载油泵上的承载台和设在承载台上方的刚性压柱，所述的加载油泵与刚性压柱分别通过电路导线与计算机相连接；
所述的冻胀力采集装置包括超薄型电阻式压力传感器和冻胀力采集卡，所述的超薄型电阻式压力传感器为多个，间隔分布在中间隔板上层中的散体试样上，多个超薄型电阻式压力传感器分别通过数据线经数据线集纳孔引出与冻胀力采集卡相连接。
所述应变采集装置包括低温应变片和静态应变采集仪，所述的低温应变片为多个，间隔分布在中间隔板下层中的散体试样表面上，多个低温应变片分别通过数据线经数据线集纳孔引出与静态应变采集仪相连接。
所述温度采集装置包括热电偶和安捷伦温度信号数字化仪，所述的热电偶为多个，间隔分布在中间隔板上层中的散体试样上，多个热电偶分别通过数据线经数据线集纳孔引出与安捷伦温度信号数字化仪相连。
所述多个超薄型电阻式压力传感器为2-4个，沿散体试样高度方向布设，间隔距离为15-25mm。
所述多个热电偶为2-4个，沿散体试样高度方向布设，间隔距离距为15-25mm。
一种使用上述冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统的试验方法，包括如下步骤：
a.制作多个散体平行试样，并在多个散体试样上分别布设超薄型电阻式压力传感器、热电偶、低温应变片；
b.打开冻融试验箱，将分别布设有超薄型电阻式压力传感器、热电偶、低温应变片的多个散体试样放入冻融试验箱内，并将在散体试样上分别布设的多个超薄型电阻式压力传感器与冻胀力采集卡相连、多个热电偶与安捷伦温度信号数字化仪相连、多个低温应变片与静态应变采集仪相连，冻胀力采集卡、安捷伦温度信号数字化仪、静态应变采集仪均通过数据线分别与计算机接通，完成整个试验系统的连接；
c.关闭冻融试验箱，通过温度控制器调节冻融温度、冻融时长和冻融循环次数，调节制冷管和电热丝的交替工作、实现对散体试样的冻融处理，直至完成预设冻融循环次数后停止；在冻融处理过程中，由冻胀力采集装置记录水分相变产生的冻胀力，应变采集装置记录散体试样的表面应变数据，温度采集装置记录散体试样的内部温度变化情况；
d.完成预设冻融循环次数后，冻融试验结束，将多个散体试样随机均分为试验Ⅰ和试验Ⅱ两组进行试验，试验Ⅰ组由核磁共振检测系统测定微观孔隙未冻水变化情况，试验Ⅱ组由力学加载系统测定力学性质变化规律；
e.根据数据监测与采集系统得到的数据，得出多个散体试样分别在冻融过程中表面应变变化、内部冻胀力变化、内部温度变化、孔隙未冻水含量变化、冻结特征曲线与滞回特性变化、应力-应变曲线、弹性模量、泊松比和抗压性。
所述试验Ⅰ组中，先将散体试样放入恒温水浴箱中，依次测量正温区间0℃～40℃内各温度测点下试样的核磁信号强度；之后将散体试样放入冻融试验箱内，在负温区间-40～0℃范围内，选取多个温度测点，得到冻结过程的冻结特征曲线；冻结过程测量完毕后，同样在该负温区间内，从低温到高温依次重复选取的原冻结过程中的温度测点，得到回温过程的回温特征曲线；测量核磁信号强度前，用Fluke红外热像仪测取散体试样表面温度是否达到设计温度；
所述试验Ⅱ组中，散体试样表面布置轴向和周向的低温应变片，低温应变片与静态应变采集仪相连，记录散体试样在加载过程中产生的轴向应变和周向应变，将散体试样放置在承载台上，通过计算机调节加载油泵对承载台进行升降控制，当散体试样接触刚性压柱时，计算机记录加载过程中加载力、位移、时间、应力、应变等信息，当散体试样出现明显破碎时即停止加载，并回落承载台。
所述的试验Ⅰ组中的散体试样用保鲜膜包裹，以防止与外界发生水分交换。
所述每个温度测点的水浴或冷冻处理时长相同，均为3-5h。
有益效果：本发明针对高寒高海拔地区矿山的安全、稳定、高效开采备、以及矿山事故隐患，对矿山露天采场岩质边坡在冻融循环下会发生的损伤劣化，以及影响上覆岩土工程稳定性的问题，采用冻融试验系统、核磁共振检测系统、力学加载系统、数据监测与采集系统，对散体试样开展冻融循环试验，研究冻融循环条件下岩土体微细观结构特征与力学损伤机理对于防范冻融破坏、对提高散体物料稳定性有重要意义。通过在实验室中针对散体试样如何设计搭建冻融循环作用下宏微观结构演化试验系统，实现对散体试样在冻融循环试验过程中获得微观孔隙结构演化信息以及宏观力学特性损伤信息，为相关技术领域的研究提供数据支持。其主要优点有：
1.利用冻融试验箱并搭配制冷管与电热丝，能够模拟自然冻融过程，通过温度控制装置可自行设定冻融温度、冻融时长与冻融循环次数，实现冻融过程的自动化；
2.搭建了以低场核磁共振仪为主的核磁共振检测系统探究未冻水含量的变化及未冻水在散体中的赋存与迁移，进而表征微观孔隙结构演化特性；搭建以重力恒载加载装置为主的力学加载系统测得弹性模量、泊松比等力学参数，进而表征宏观力学损伤特性。
附图说明
图1是本发明的冻融循环作用下散体宏微观结构演化试验系统示意图；
图2是本发明的冻融试验箱结构示意图。
图中：1-冻融试验系统，11-冻融试验箱，12-制冷管，13-电热丝，14-温度控制装置，15-聚氨酯保温层，16-数据线集纳孔，17-电线孔，18-电线；
2-核磁共振检测系统，21-低场核磁共振检测仪，22-Fluke红外热像仪，23-恒温水浴箱；
3-力学加载系统，31-加载油泵，32-承载台，33-刚性压柱，34-电路导线；
4-数据监测采集系统，41-超薄型电阻式压力传感器，42-冻胀力采集卡，43-数据线，44-低温应变片，45-静态应变采集仪，46-热电偶，47-安捷伦温度信号采集仪，48-计算机；5-散体试样。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明：
如图1图2所示，本发明冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统，包括计算机48、分别与数据监测与采集系统4相连的冻融试验系统1、核磁共振检测系统2和力学加载系统3；所述的数据监测与采集系统4包括冻胀力采集装置、应变采集装置和温度采集装置；
所述的冻融试验系统1包括冻融试验箱11、制冷管12、电热丝13、温度控制器14，所述冻融试验箱11箱体内壁包裹有聚氨酯保温层15，冻融试验箱11内设有分两层放置多个散体试样5的中间隔板，冻融试验箱11的一侧壁上开有数据线集纳孔16和电线孔17；所述制冷管12布设在箱体的中间隔板处，所述电热丝13布设在箱体内顶底两端；所述温度控制器14与制冷管12、加热丝13电连接，电线18通过电线孔17引出冻融试验箱11，温度控制装置14通过数据线与计算机48相连接；温度控制器14控制制冷管12和电热丝13的工作状态与工作时长，以调节冻融温度、冻融时长与冻融循环次数；
所述的核磁共振检测系统2包括低场核磁共振检测仪21、Fluke红外热像仪22和恒温水浴箱23，所述低场核磁共振检测仪21测定实时温度下的核磁信号强度，所述红外热像仪22测定散体试样5的实时表面温度，所述恒温水浴箱23用于水浴加热散体试样5至预设温度；低场核磁共振检测仪21通过数据线与计算机48相连接；
所述力学加载系统3包括加载油泵31、设在加载油泵31上的承载台32和设在承载台32上方的刚性压柱33，所述的加载油泵31与刚性压柱33分别通过电路导线34与计算机48相连接；
所述的冻胀力采集装置包括超薄型电阻式压力传感器41和冻胀力采集卡42，所述的超薄型电阻式压力传感器41为多个，间隔分布在中间隔板上层中的散体试样5上，多个超薄型电阻式压力传感器41分别通过数据线43经数据线集纳孔16引出与冻胀力采集卡42相连接。所述应变采集装置包括低温应变片44和静态应变采集仪45，所述的低温应变片44为多个，间隔分布在中间隔板下层中的散体试样5表面上，多个低温应变片44分别通过数据线43经数据线集纳孔16引出与静态应变采集仪45相连接。所述温度采集装置包括热电偶46和安捷伦温度信号数字化仪47，所述的热电偶46为多个，间隔分布在中间隔板上层中的散体试样5上，多个热电偶46分别通过数据线43经数据线集纳孔16引出与安捷伦温度信号数字化仪47相连。所述多个超薄型电阻式压力传感器41为2-4个，沿散体试样5高度方向布设，间隔距离为15-25mm。所述多个热电偶46为2-4个，沿散体试样5高度方向布设，间隔距离距为15-25mm。所有传感器连接用的数据线43均通过数据线集纳孔16引出冻融试验箱11。冻胀力采集卡42、静态应变采集仪45、安捷伦温度信号数字化仪47均通过数据线43与计算机48连接。
本发明的冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验方法，具休步骤如下：
a.制作多个散体平行试样5，并在多个散体试样5上分别布设多个超薄型电阻式压力传感器41、热电偶46、低温应变片44；制作过程中，在散体试样5不同位置处插入细木签作预置钻孔，用于放入超薄型电阻式压力传感器41、热电偶46等并进行密封，低温应变片44布置在散体试样5轴向与周向不同位置处；
b.打开冻融试验箱11，将分别布设有超薄型电阻式压力传感器41、热电偶46、低温应变片44的多个散体试样5放入冻融试验箱11内，并将在散体试样5上分别布设的多个多个超薄型电阻式压力传感器41与冻胀力采集卡42相连、多个热电偶(46)与安捷伦温度信号数字化仪47相连、多个低温应变片44与静态应变采集仪45相连，冻胀力采集卡42、安捷伦温度信号数字化仪47、静态应变采集仪45均通过数据线43分别与计算机48接通，完成整个试验系统的连接；
c.关闭冻融试验箱11，通过温度控制器14调节冻融温度、冻融时长和冻融循环次数，调节制冷管12和电热丝13的交替工作、实现对散体试样5的冻融处理，直至完成预设冻融循环次数后停止；在冻融处理过程中，由冻胀力采集装置记录水分相变产生的冻胀力，应变采集装置记录散体试样5的表面应变数据，温度采集装置记录散体试样5的内部温度变化情况；
d.冻融试验结束后，将多个散体试样5随机均分为试验Ⅰ和试验Ⅱ两组进行试验，试验Ⅰ组由核磁共振检测系统2测定微观孔隙未冻水变化情况，试验Ⅱ组由力学加载系统3测定力学性质变化规律；
所述试验Ⅰ组中，先将散体试样5放入恒温水浴箱23中，依次测量正温区间0℃～40℃内各温度测点下试样的核磁信号强度；之后将散体试样5放入冻融试验箱11内，在负温区间-40～0℃范围内，选取多个温度测点，得到冻结过程的冻结特征曲线；例如，先将散体试样5放入恒温水浴箱23中，依次测量正温区间内0、5、10、15、20、25、30、35、40℃下试样的核磁信号强度；之后将散体试样5放入冷冻试验箱体11内，在冻结过程中的负温区间内0、-1、-2、-5、-10、-15、-20、-25、-30、-35、-40℃下试样的核磁信号强度，得到冻结特征曲线；冻结过程测量完毕后，同样在该负温区间内，从低温到高温依次重复选取的原冻结过程中的温度测点，得到回温过程的回温特征曲线；测量核磁信号强度前，用Fluke红外热像仪22测取散体试样5表面温度是否达到设计温度；所述的试验Ⅰ组中的散体试样5用保鲜膜包裹，以防止与外界发生水分交换；所述每个温度测点的水浴或冷冻处理时长相同，均为3-5h。
所述试验Ⅱ组中，散体试样5表面布置轴向和周向的低温应变片44，低温应变片44与静态应变采集仪45相连，记录散体试样5在加载过程中产生的轴向应变和周向应变，将散体试样5放置在承载台32上，通过计算机48调节加载油泵31对承载台32进行升降控制，当散体试样5接触刚性压柱33时，计算机48记录加载过程中加载力、位移、时间、应力、应变等信息，当散体试样5出现明显破碎时即停止加载，并回落承载台。取出破碎的散体试样5用塑料密封袋保存，再放入下一个散体试样5，重复上述的加载试验，直至所有散体试样5测试完毕；
e.根据数据监测与采集系统4得到的数据，得出多个散体试样5分别在冻融过程中表面应变变化、内部冻胀力变化、内部温度变化、孔隙未冻水含量变化、冻结特征曲线与滞回特性变化、应力-应变曲线、弹性模量、泊松比和抗压性。
Claims (10)
1.一种冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统，其特征在于：它包括计算机(48)、分别与数据监测与采集系统(4)相连的冻融试验系统(1)、核磁共振检测系统(2)和力学加载系统(3)；
所述的数据监测与采集系统(4)包括冻胀力采集装置、应变采集装置和温度采集装置；
所述的冻融试验系统(1)包括冻融试验箱(11)、制冷管(12)、电热丝(13)、温度控制器(14)，所述冻融试验箱(11)箱体内壁包裹有聚氨酯保温层(15)，冻融试验箱(11)内设有分两层放置多个散体试样(5)的中间隔板，冻融试验箱(11)的一侧壁上开有数据线集纳孔(16)和电线孔(17)；所述制冷管(12)布设在箱体的中间隔板处，所述电热丝(13)布设在箱体内顶底两端；所述温度控制器(14)与制冷管(12)、加热丝(13)电连接，电线(18)通过电线孔(17)引出冻融试验箱(11)，温度控制装置(14)通过数据线与计算机(48)相连接；温度控制器(14)控制制冷管(12)和电热丝(13)的工作状态与工作时长，以调节冻融温度、冻融时长与冻融循环次数；
所述的核磁共振检测系统(2)包括低场核磁共振检测仪(21)、Fluke红外热像仪(22)和恒温水浴箱(23)，所述低场核磁共振检测仪(21)测定实时温度下的核磁信号强度，所述红外热像仪(22)测定散体试样(5)的实时表面温度，所述恒温水浴箱(23)用于水浴加热散体试样(5)至预设温度；低场核磁共振检测仪(21)通过数据线与计算机(48)相连接；
所述力学加载系统(3)包括加载油泵(31)、设在加载油泵(31)上的承载台(32)和设在承载台(32)上方的刚性压柱(33)，所述的加载油泵(31)与刚性压柱(33)分别通过电路导线(34)与计算机(48)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统，其特征在于：所述的冻胀力采集装置包括超薄型电阻式压力传感器(41)和冻胀力采集卡(42)，所述的超薄型电阻式压力传感器(41)为多个，间隔分布在中间隔板上层中的散体试样(5)上，多个超薄型电阻式压力传感器(41)分别通过数据线(43)经数据线集纳孔(16)引出与冻胀力采集卡(42)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统，其特征在于：所述应变采集装置包括低温应变片(44)和静态应变采集仪(45)，所述的低温应变片(44)为多个，间隔分布在中间隔板下层中的散体试样(5)表面上，多个低温应变片(44)分别通过数据线(43)经数据线集纳孔(16)引出与静态应变采集仪(45)相连接。
4.根据权利要求1所述的一种冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统，其特征在于：所述温度采集装置包括热电偶(46)和安捷伦温度信号数字化仪(47)，所述的热电偶(46)为多个，间隔分布在中间隔板上层中的散体试样(5)上，多个热电偶(46)分别通过数据线(43)经数据线集纳孔(16)引出与安捷伦温度信号数字化仪(47)相连。
5.根据权利要求2所述的一种冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统，其特征在于：所述多个超薄型电阻式压力传感器(41)为2-4个，沿散体试样(5)高度方向布设，间隔距离为15-25mm。
6.根据权利要求4所述的一种冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统，其特征在于：所述多个热电偶(46)为2-4个，沿散体试样(5)高度方向布设，间隔距离距为15-25mm。
7.一种使用权利要求1所述冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
a.制作多个散体平行试样(5)，并在多个散体试样(5)上分别布设多个超薄型电阻式压力传感器(41)、热电偶(46)、低温应变片(44)；
b.打开冻融试验箱(11)，将分别布设有超薄型电阻式压力传感器(41)、热电偶(46)、低温应变片(44)的多个散体试样(5)放入冻融试验箱(11)内，并将在散体试样(5)上分别布设的多个超薄型电阻式压力传感器(41)与冻胀力采集卡(42)相连、多个热电偶(46)与安捷伦温度信号数字化仪(47)相连、多个低温应变片(44)与静态应变采集仪(45)相连，冻胀力采集卡(42)、安捷伦温度信号数字化仪(47)、静态应变采集仪(45)均通过数据线(43)分别与计算机(48)接通，完成整个试验系统的连接；
c.关闭冻融试验箱(11)，通过温度控制器(14)调节冻融温度、冻融时长和冻融循环次数，调节制冷管(12)和电热丝(13)的交替工作、实现对散体试样(5)的冻融处理，直至完成预设冻融循环次数后停止；在冻融处理过程中，由冻胀力采集装置记录水分相变产生的冻胀力，应变采集装置记录散体试样(5)的表面应变数据，温度采集装置记录散体试样(5)的内部温度变化情况；
d.完成预设冻融循环次数后，冻融试验结束，将多个散体试样(5)随机均分为试验Ⅰ和试验Ⅱ两组进行试验，试验Ⅰ组由核磁共振检测系统(2)测定微观孔隙未冻水变化情况，试验Ⅱ组由力学加载系统(3)测定力学性质变化规律；
e.根据数据监测与采集系统(4)得到的数据，得出多个散体试样(5)分别在冻融过程中表面应变变化、内部冻胀力变化、内部温度变化、孔隙未冻水含量变化、冻结特征曲线与滞回特性变化、应力-应变曲线、弹性模量、泊松比和抗压性。
8.根据权利要求7所述冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统的试验方法，其特征在于：
所述试验Ⅰ组中，先将散体试样(5)放入恒温水浴箱(23)中，依次测量正温区间0℃～40℃内各温度测点下试样的核磁信号强度；之后将散体试样(5)放入冻融试验箱(11)内，在负温区间-40～0℃范围内，选取多个温度测点，得到冻结过程的冻结特征曲线；冻结过程测量完毕后，同样在该负温区间内，从低温到高温依次重复选取的原冻结过程中的温度测点，得到回温过程的回温特征曲线；测量核磁信号强度前，用Fluke红外热像仪(22)测取散体试样(5)表面温度是否达到设计温度；
所述试验Ⅱ组中，散体试样(5)表面布置轴向和周向的低温应变片(44)，并将低温应变片(44)与静态应变采集仪(45)相连，记录散体试样(5)在加载过程中产生的轴向应变和周向应变，将散体试样(5)放置在承载台(32)上，通过计算机(48)调节加载油泵(31)对承载台(32)进行升降控制，当散体试样(5)接触刚性压柱(33)时，计算机(48)记录加载过程中加载力、位移、时间、应力、应变等信息，当散体试样(5)出现明显破碎时即停止加载，并回落承载台。
9.根据权利要求7或8所述冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统的试验方法，其特征在于：所述的试验Ⅰ组中的散体试样(5)用保鲜膜包裹，以防止与外界发生水分交换。
10.根据权利要求8所述冻融循环作用下散体试样宏微观结构演化试验系统的试验方法，其特征在于：所述每个温度测点的水浴或冷冻处理时长相同，均为3-5h。
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|---|---|---|---|---|
| CN115798180A (zh) * | 2023-02-02 | 2023-03-14 | 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 | 一种基于高原城乡绿色发展的矿山排土场监测装置 |
| CN115876608A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-03-31 | 成都理工大学 | 一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备及方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0372636A2 (en) * | 1988-12-02 | 1990-06-13 | Shell Internationale Researchmaatschappij B.V. | A method and cell for freezing formation layer sample tests |
| CN105136837A (zh) * | 2015-07-24 | 2015-12-09 | 中国矿业大学 | 一种煤岩样品液氮循环冻融增透模拟试验系统及方法 |
| CN106370816A (zh) * | 2016-09-23 | 2017-02-01 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 一种可动态测试土壤脱湿/冻结水分变化特征的试验系统 |
| CN108387619A (zh) * | 2018-02-07 | 2018-08-10 | 西安交通大学 | 一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器 |
| CN110823780A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-21 | 中南大学 | 一种饱和冻结岩石未冻水含量的计算方法 |
| CN111157356A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-05-15 | 北京科技大学 | 一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置 |
| CN112255258A (zh) * | 2020-09-24 | 2021-01-22 | 中国矿业大学 | 一种用于试样冻融循环实验的监测系统及方法 |
-
2021
- 2021-06-25 CN CN202110711128.9A patent/CN113433292A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0372636A2 (en) * | 1988-12-02 | 1990-06-13 | Shell Internationale Researchmaatschappij B.V. | A method and cell for freezing formation layer sample tests |
| CN105136837A (zh) * | 2015-07-24 | 2015-12-09 | 中国矿业大学 | 一种煤岩样品液氮循环冻融增透模拟试验系统及方法 |
| CN106370816A (zh) * | 2016-09-23 | 2017-02-01 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 一种可动态测试土壤脱湿/冻结水分变化特征的试验系统 |
| CN108387619A (zh) * | 2018-02-07 | 2018-08-10 | 西安交通大学 | 一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器 |
| CN110823780A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-21 | 中南大学 | 一种饱和冻结岩石未冻水含量的计算方法 |
| CN111157356A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-05-15 | 北京科技大学 | 一种应力扰动作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化测试装置 |
| CN112255258A (zh) * | 2020-09-24 | 2021-01-22 | 中国矿业大学 | 一种用于试样冻融循环实验的监测系统及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 翟成 等: "低温冻结石门揭煤煤体未冻水含量变化特征"", 《煤炭科学技术》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115798180A (zh) * | 2023-02-02 | 2023-03-14 | 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 | 一种基于高原城乡绿色发展的矿山排土场监测装置 |
| CN115798180B (zh) * | 2023-02-02 | 2023-05-02 | 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 | 一种基于高原城乡绿色发展的矿山排土场监测装置 |
| CN115876608A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-03-31 | 成都理工大学 | 一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备及方法 |
| CN115876608B (zh) * | 2023-03-09 | 2023-05-16 | 成都理工大学 | 一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备及方法 |
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