CN113466434A - 自馈式冻土力学测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种自馈式冻土力学测试系统，涉及冻土测试设备技术领域。自馈式冻土力学测试系统包括提供三轴压力的外压力室、改变试样总体积的内压力室、对试样进行单向冻结试验的冷浴系统、轴向力传感器、位移传感器、弯曲元测试系统、温控测试系统、CT测试系统和自馈式数据采集控制系统，自馈式数据采集控制系统与各个测试部件连接，用于采集各个测试部件的数据，并自动控制试验过程。该系统能够准确模拟试样自然冻结过程、准确测试试样剪切过程中总体积和微结构的变化，还能够实现试样动力特性测试，为冻土工程设计提供技术参数。
Description
技术领域
本发明涉及冻土测试设备技术领域，具体而言，涉及一种自馈式冻土力学测试系统。
背景技术
冻土在我国广泛分布，包括多年冻土和季节性冻土，分布面积占据我国国土面积的75％。众多大型项目在冻土区开展，例如哈大高铁、青藏铁路等，大型工程在冻土区开展，冻土力学特征对于工程的设计、施工以及后期安全运营发挥着举足轻重的作用。
冻土力学特征测试中的关键是：需要通过室内测试系统精准地模拟现场冻土遭遇的应力场、温度场等变化，其获得的物理力学参数才能够为冻土工程设计提供准确可靠的技术参数。现有技术中使用较多的设备为冻土三轴仪试验系统，该系统主要通过预先对试样进行冷冻，然后将试样置入三轴试验系统中，通过冷浴保持负温，进而按照实验计划对试样加载，实现冻土不同应力路径条件下测试工作，获得不同负温条件下冻土的力学特征指标，该设备目前使用较多，且技术较为成熟。
随着测试技术的不断发展，精准模拟现场环境的测试系统大力发展，岩土工程师开始不断追逐技术进步，力求缩小室内测试环境与现场真实环境之间的差距。现有技术中对于试样的冻结可通过冰箱、模型箱等进行冷冻，到达设定的负温后将试样放入三轴试验系统中，这个过程中试样是从各个部位进行逐步冻结的，然而现场岩土体的冻结往往从表面向内逐步冻结，即单向冻结，现有冻土动三轴测试中未考虑单向冻结的客观事实。另外，冻土力学测试中，对于土体结构的变化无法实时监测，现有技术中主要利用CT等进行扫描，但在加载过程中扫描的试验结果往往具有一定的局限性。冻土力学测试中的总体积变化仅通过试样中间的一个圆形传感器进行监测，不能够反映冻土在剪切过程中的总体积变化，仅能获得一个相对的数值。
综上，一种能够真实模拟试样自然冻结过程、实现试样内部结构变化精准测试及总体积变化测试的冻土力学测试系统亟待开发。
发明内容
本发明的目的包括提供一种自馈式冻土力学测试系统，其能够准确模拟试样自然冻结过程、准确测试试样剪切过程中总体积和微结构的变化，还能够实现试样动力特性测试，为冻土工程设计提供技术参数。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种自馈式冻土力学测试系统，自馈式冻土力学测试系统包括：
外压力室，用于提供三轴方向的压力；
内压力室，设置在外压力室内，内压力室包括底座和顶帽，底座用于支撑试样的下端，顶帽盖设在试样的上端，内压力室用于改变试样的总体积；
冷浴系统，安装在内压力室的上方，用于对试样进行单向冻结试验；
传力杆，传力杆的下端支撑到顶帽，传力杆的长度可调；
轴向力传感器，安装在传力杆的上端，轴向力传感器用于检测试样受到的轴向力；
位移传感器，安装在内压力室上，用于检测试样的轴向位移量；
弯曲元测试系统，安装在内压力室上，用于实时获取试样的剪切波速数据；
温控测试系统，安装在内压力室内，用于检测试样的温度；
CT测试系统，安装在外压力室外，用于对试样进行扫描；
自馈式数据采集控制系统，与各个测试部件连接，用于采集各个测试部件的数据，并自动控制试验过程。
在可选的实施方式中，自馈式冻土力学测试系统还包括：
体积控制系统，连接到内压力室，用于向试样补水。
在可选的实施方式中，自馈式冻土力学测试系统还包括：
压力控制系统，连接到外压力室，用于控制外压力室三轴方向的压力。
在可选的实施方式中，自馈式冻土力学测试系统还包括：
孔隙水压力传感器，用于检测试样在不排水剪切中产生的孔隙水压力。
在可选的实施方式中，自馈式冻土力学测试系统还包括：
动静轴向载荷施加系统，用于向试样施加动载荷和静载荷。
在可选的实施方式中，自馈式冻土力学测试系统还包括：
液压增压系统，连接到动静轴向载荷施加系统，用于在对试样施加载荷的过程提供液压增压服务。
在可选的实施方式中，自馈式冻土力学测试系统还包括：
标准量杯，用于盛装液体，并与内压力室连通；
差位传感器，用于实时监测标准量杯中液体的体积变化信息；
总体积变化测试系统，连接到差位传感器，用于根据体积变化信息得到试样的总体积变化数据。
在可选的实施方式中，温控测试系统包括：
柔性温度传感器，排布在试样的外周面，并通过信号传递光纤连接至自馈式数据采集控制系统。
在可选的实施方式中，平面应变测试系统包括：
两个相对设置的刚性板，用于夹持试样的相对两侧；
两个相对设置的橡皮膜，用于夹持试样的另外相对两侧；
温度传感器，设置在刚性板上，用于检测试样的温度。
在可选的实施方式中，CT测试系统包括：
固定底座；
固定支架，安装在固定底座上；
CT扫描机，滑动连接在固定支架上，CT扫描机位于外压力室的外侧。
本发明实施例提供的自馈式冻土力学测试系统的有益效果包括：自馈式冻土力学测试系统能够实现冻土三轴试验测试以及平面应变测试，整个测试过程中实时提供试样的总体积变化数据，利用弯曲元测试系统与CT测试系统相结合实现冻土微结构更加精准的测试，便于技术人员进行操作掌握。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的自馈式冻土力学测试系统的组成示意图；
图2为平面应变测试系统的工作示意图；
图3为温控测试系统的工作示意图；
图4为图3的左视图；
图5为图3的俯视图；
图6为CT测试系统的工作示意图。
图标：1-自馈式冻土力学测试系统；2-外压力室；3-内压力室；31-底座；32-顶帽；4-冷浴系统；5-传力杆；6-轴向力传感器；7-位移传感器；8-发射端；9-接收端；10-弯曲元智能采集控制系统；11-体积控制系统；12-压力控制系统；13-孔隙水压力传感器；14-动静轴向载荷施加系统；15-液压增压系统；16-标准量杯；17-总体积变化测试系统；18-自馈式数据采集控制系统；19-计算机；20-刚性板；21-橡皮膜；22-温度传感器；23-柔性温度传感器；24-信号传递光纤；25-固定底座；26-固定支架；27-CT扫描机；28-试样。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1，本实施例提供了一种自馈式冻土力学测试系统1，主要解决现有技术中不能够准确模拟试样28自然冻结过程、不能够准确测试试样28剪切过程中总体积变化及微结构变化的不足，还能够实现试样28动力特性测试。根据设定的试验方案，还能够进行冻融融化过程中力学特性测试，能够准确获取试样28融沉过程中产生的融沉量，为冻土工程设计提供技术参数。
具体的，自馈式冻土力学测试系统1包括外压力室2、内压力室3、平面应变测试系统、冷浴系统4、传力杆5、轴向力传感器6、位移传感器7、弯曲元测试系统、温控测试系统(图1中未示出)、CT测试系统(图1中未示出)、体积控制系统11、压力控制系统12、孔隙水压力传感器13、动静轴向载荷施加系统14、液压增压系统15、标准量杯16、差位传感器(图1中未示出)、总体积变化测试系统17、自馈式数据采集控制系统18和计算机19。
其中，外压力室2设置有加载系统，在加载系统的作用下，外压力室2可以向试样28提供三轴方向的压力，外压力室2施加的压力主要通过气压控制。
内压力室3设置在外压力室2内，在试验过程中，内压力室3中充满防冻液，内压力室3包括底座31和顶帽32，底座31用于支撑试样28的下端，顶帽32盖设在试样28的上端。
试样28的尺寸可以是50*100mm、70*140mm、100*200mm等，系统能够满足不同尺寸的试样28的测试要求，还可以根据预定尺寸对该套系统进行定制，满足不同条件下的测试需求。
冷浴系统4安装在内压力室3的上方，冷浴系统4的部分管路可固定在顶帽32上，冷浴系统4用于对试样28进行单向冻结试验。具体的，在试样28的冻结试验过程中，在预定的试样28安装完成后，通过冷浴系统4对试样28进行单向冻结试验，该过程与试样28在自然界的真实冻结过程一致，模拟效果更加真实。
传力杆5的下端支撑到顶帽32，传力杆5的长度可调，这样，试样28发生高低变化时，可以通过调整传力杆5的长度满足使用要求。
轴向力传感器6安装在传力杆5的上端，传力杆5将顶帽32的力通过传力杆5传递至轴向力传感器6。轴向力传感器6用于检测试样28受到的轴向力，包括静力剪切和动荷载剪切两种模式下的剪应力检测，同时能够检测进行偏压固结过程中的轴向力。
位移传感器7安装在内压力室3上，用于检测试样28的轴向位移量，为后期的轴向应变计算提供支撑。
弯曲元测试系统安装在内压力室3上，弯曲元测试系统包括发射端8、接收端9和弯曲元智能采集控制系统10，其中，发射端8安装在顶帽32上，接收端9安装在底座31上，发射端8和接收端9均连接到弯曲元智能采集控制系统10。弯曲元测试系统用于实时获取试样28的剪切波速数据，通过剪切波速数据的变化数值间接获得试样28的冻结情况、结构的损伤情况等基础数据。弯曲元测试系统可以在试样28冻结、消融、剪切等各个阶段对试样28的剪切波速进行测试。
体积控制系统11连接到内压力室3，用于向试样28补水，一方面满足该套设备常规三轴试验的需求，另一方面能够在试样28冻结过程中进行水量补给，体积控制系统11包括蠕动泵，能够实时控制向冻结的试样28补水的速率。
压力控制系统12连接到外压力室2，用于控制外压力室2三轴方向的压力。
孔隙水压力传感器13用于检测试样28在不排水剪切中产生的孔隙水压力。
动静轴向载荷施加系统14用于向试样28施加动载荷和静载荷，实现对试样28的动力学试验和静力学试验。液压增压系统15连接到动静轴向载荷施加系统14，用于在对试样28施加载荷的过程提供液压增压服务。
标准量杯16用于盛装液体，并与内压力室3连通，差位传感器用于实时监测标准量杯16中液体的体积变化信息，总体积变化测试系统17连接到差位传感器，用于根据体积变化信息得到试样28的总体积变化数据，能够对试样28在任意阶段的总体积变化进行实时监测，测试精度较高，达到mm级别。
自馈式数据采集控制系统18与各个测试部件连接，用于采集各个测试部件的数据，并自动控制试验过程。具体的，自馈式数据采集控制系统18的主要功能是进行数据的采集以及对硬件的控制，并与弯曲元测试系统、冷浴系统4、加载系统联合使用，冻结过程中如果温控测试系统反映的温度达到了预定值即可停止，同时根据此时的弯曲元测试系统获得的结果，确定试样28的结构变化，冷浴系统4在测试中仍然运行，确保试样28持续处于冻结状态，冻结效果基于弯曲元测试系统和温控测试系统进行反馈，试验目标值与试验系统的控制实现了自馈式控制，整个试验过程全自动，大大提高了试验效率。
计算机19连接到自馈式数据采集控制系统18，用于数据采集和系统总体控制。
请参阅图2，平面应变测试系统是三轴测试系统的替换测试系统，可以替换后进行平面应变试验。平面应变测试系统利用三轴试验的系统进行控制，整个加载系统等不变化。平面应变测试系统设置在内压力室3内，用于改变试样28的总体积。具体的，平面应变测试系统包括两个相对设置的刚性板20、两个相对设置的橡皮膜21(请参阅图3)和温度传感器22，两个相对设置的刚性板20用于夹持试样28的相对两侧，两个相对设置的橡皮膜21用于夹持试样28的另外相对两侧，温度传感器22设置在刚性板20上，用于检测试样28的温度。
请参阅图3至图5，温控测试系统附着在橡皮膜21的内侧，温控测试系统包括柔性温度传感器23和信号传递光纤24，其中，柔性温度传感器23排布在试样28的外周面，并通过信号传递光纤24连接至自馈式数据采集控制系统18。具体的，柔性温度传感器23通过并列的方式排列，通过信号传递光纤24进行连接，柔性温度传感器23能够对试样28不同位置处的温度进行实时采集，通过信号传递光纤24传递至自馈式数据采集控制系统18，自馈式数据采集控制系统18根据试样28的温度变化控制冷浴系统4的运行。
请参阅图6，CT测试系统安装在外压力室2外，用于对试样28进行扫描。具体的，CT测试系统包括固定底座25、固定支架26和CT扫描机27，固定支架26安装在固定底座25上，CT扫描机27滑动连接在固定支架26上，CT扫描机27位于外压力室2的外侧。本实施例中提供的CT测试系统与传统的将压力室水平置入CT中进行扫描截然不同，本实施例中的外压力室2处于直立状态，CT扫描机27在试验过程中的任意阶段均可以进行扫描，外压力室2处于直立状态与水平状态相比，具有明显的优越性，试样28的受力更加均匀，前期局限性得到了很好的解决。
本实施例提供的自馈式冻土力学测试系统1的工作过程：
首先，安装试样28，将预制好的试样28安装放到设备上，并将弯曲元测试系统以及CT测试系统排好位置，检测系统的各个传感器的工作状态以及阀门的开启情况。
其次，进行试验，按照试验方案设置的方案对试样28进行冻结及加载，根据温控测试系统的监测结果控制冷浴系统4的工作状态，确保试样28达到预定的冻结要求，然后根据预先设置的程序进行加载。也可以进行冻结后的消融试验，模拟冻融循环对岩土体力学特征的影响，还可以进行冻土的各种应力路径条件下的试验，得到不同应力路径下冻土的力学参数。整个测试过程中可以借助弯曲元测试系统和CT测试系统对试样28的结构进行监测，两种方法相互验证，获得岩土体不同状态的结构变化参数。
最后，卸荷清理，试验结束后首先对试样28进行卸荷处理，关闭冷浴系统4、CT测试系统和弯曲元测试系统，然后进行试样28拆除，并对整个试验系统进行清理，为后期试验开始做准备。
本实施例提供的自馈式冻土力学测试系统1的有益效果包括：
1.能够准确模拟试样28自然冻结过程、能够准确测试试样28剪切过程中总体积变化及微结构变化，还能够实现试样28动力特性测试，根据设定的试验方案，还能够进行冻融融化过程中力学特性测试，能够准确获取试样28融沉过程中产生的融沉量，为冻土工程设计提供技术参数；
2.自馈式冻土力学测试系统1能够实现冻土三轴试验测试以及平面应变测试，整个测试过程中实时提供试样28的总体积变化数据，利用弯曲元测试系统与CT测试系统相结合实现冻土微结构更加精准的测试，便于技术人员进行操作掌握。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述自馈式冻土力学测试系统包括：
外压力室(2)，用于提供三轴方向的压力；
内压力室(3)，设置在所述外压力室(2)内，所述内压力室(3)包括底座(31)和顶帽(32)，所述底座(31)用于支撑试样(28)的下端，所述顶帽(32)盖设在所述试样(28)的上端；
平面应变测试系统，设置在所述内压力室(3)内，用于改变所述试样(28)的总体积；
冷浴系统(4)，安装在所述内压力室(3)的上方，用于对所述试样(28)进行单向冻结试验；
传力杆(5)，所述传力杆(5)的下端支撑到所述顶帽(32)，所述传力杆(5)的长度可调；
轴向力传感器(6)，安装在所述传力杆(5)的上端，所述轴向力传感器(6)用于检测所述试样(28)受到的轴向力；
位移传感器(7)，安装在所述内压力室(3)上，用于检测所述试样(28)的轴向位移量；
弯曲元测试系统，安装在所述内压力室(3)上，用于实时获取所述试样(28)的剪切波速数据；
温控测试系统，安装在所述内压力室(3)内，用于检测所述试样(28)的温度；
CT测试系统，安装在所述外压力室(2)外，用于对所述试样(28)进行扫描；
自馈式数据采集控制系统(18)，与各个测试部件连接，用于采集各个测试部件的数据，并自动控制试验过程。
2.根据权利要求1所述的自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述自馈式冻土力学测试系统还包括：
体积控制系统(11)，连接到所述内压力室(3)，用于向所述试样(28)补水。
3.根据权利要求1所述的自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述自馈式冻土力学测试系统还包括：
压力控制系统(12)，连接到所述外压力室(2)，用于控制所述外压力室(2)三轴方向的压力。
4.根据权利要求1所述的自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述自馈式冻土力学测试系统还包括：
孔隙水压力传感器(13)，用于检测所述试样(28)在不排水剪切中产生的孔隙水压力。
5.根据权利要求1所述的自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述自馈式冻土力学测试系统还包括：
动静轴向载荷施加系统(14)，用于向所述试样(28)施加动载荷和静载荷。
6.根据权利要求5所述的自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述自馈式冻土力学测试系统还包括：
液压增压系统(15)，连接到所述动静轴向载荷施加系统(14)，用于在对所述试样(28)施加载荷的过程提供液压增压服务。
7.根据权利要求1所述的自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述自馈式冻土力学测试系统还包括：
标准量杯(16)，用于盛装液体，并与所述内压力室(3)连通；
差位传感器，用于实时监测所述标准量杯(16)中液体的体积变化信息；
总体积变化测试系统(17)，连接到所述差位传感器，用于根据所述体积变化信息得到所述试样(28)的总体积变化数据。
8.根据权利要求1所述的自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述温控测试系统包括：
柔性温度传感器(23)，排布在所述试样(28)的外周面，并通过信号传递光纤(24)连接至所述自馈式数据采集控制系统(18)。
9.根据权利要求1所述的自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述平面应变测试系统包括：
两个相对设置的刚性板(20)，用于夹持所述试样(28)的相对两侧；
两个相对设置的橡皮膜(21)，用于夹持所述试样(28)的另外相对两侧；
温度传感器(22)，设置在所述刚性板(20)上，用于检测所述试样(28)的温度。
10.根据权利要求1所述的自馈式冻土力学测试系统，其特征在于，所述CT测试系统包括：
固定底座(25)；
固定支架(26)，安装在所述固定底座(25)上；
CT扫描机(27)，滑动连接在所述固定支架(26)上，所述CT扫描机(27)位于所述外压力室(2)的外侧。
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