CN114235597B - 一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具及操作方法 - Google Patents

一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具及操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具及操作方法，由包括冷液循环进管、冷液循环管、刚性加载板、刚性隔热板、冷液循环回管和温度传感器组成；冷液循环管位于刚性加载板内部，刚性加载板嵌套在刚性隔热板内部；将模具安装好，外接冷源循环系统和温度控制系统，可实现复杂应力路径和特定温度梯度下冻土物理力学特性的研究，本发明具有结构简单、操作方便等特点。

Description

一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具及操作方法
技术领域
本发明涉及一种对冻土进行温度梯度试验的模具，特别是涉及一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具及操作方法。
背景技术
在冻胀力、初始地应力和冻土与构筑物之间的相互总用力的综合作用下，冻土处于三向不等的应力状态。现阶段对冻土在复杂应力状态的强度和变形特性的研究多依靠常规三轴试验系统。然而该系统只能施加轴向和环向的应力，使冻土处于轴对称应力状态，忽略了中主应力的影响，并不能真实反映出冻土实际的受力状态。同时受地层温度，大气温度，冷媒温度以及环境条件冻土介质所处温度场属于典型的非均匀场(有多个温度梯度组成)。因此，有必要综合考虑温度梯度和中主应力对冻土物理力学特性的影响规律。
对岩石和常规土而言，二者在真三轴应力状态下的力学特性被广泛研究，真三轴试验系统较为成熟，然而冻土真三轴仪非常少。因此，有必要对现有真三轴仪器改装，使得其功能更加齐全。
目前对冻土真三轴试验系统及冻土温度梯度试验系统的研制及其主要不足如下：
(1)中国发明，CN108267360A/微机控制真三轴冻土试验机；中国发明，中国发明授权，CN111458214B/一种大尺寸冻土真三轴加载试验装置。在上述发明中，仅能提供均匀的温度场，并不能实现温度梯度。
(2)中国发明，CN107576562A/一种多场耦合真三轴测试系统及其试验方法，该发明大主应力和中主应力方向为刚性加载，小主应力为柔性加载，可以开展复杂温度场下的冻土真三轴试验，但三个主应力方向固定，不能实现小主应力方向加载的特殊应力路径(张坤勇等，小主应力方向加载条件的掺砾黏土真三轴试验，岩土力学，2018,39(9):3270-3276)。
(3)中国发明，中国发明授权，CN103364266B/一种二维温度梯度冻土试验装置及其方法，该发明仅能实现轴对称应力状态下的温度梯度，并不能考虑中主应力的影响。
鉴于此，需要发明一种可用于控制温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具，以实现同时考虑温度梯度和中主应力的目的。
发明内容
本发明的目的是要克服现有技术中存在的问题，提供一种结构简单，便于简单的用于控制温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具，可同时考虑温度梯度和中主应力。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具及操作方法，包括冷液循环进管、冷液循环管、刚性加载板、刚性隔热板、冷液循环回管和温度传感器，其特征在于，所述刚性加载板嵌套在刚性隔热板；冷液循环管位于刚性加载板内部，冷液循环进管和冷液循环回管与冷液循环管相连；温度传感器预埋在刚性加载板内部。
优选的，所述刚性加载板和刚性隔热板尺寸可调节。
优选的，所述刚性加载板材质应满足刚度大，导热性好。
优选的，所述刚性隔热板材质应满足刚度大，隔热性好。
优选的，所述冷液循环进管与冷液循环回管。均为内部中空的金属管。
一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具的操作方法，包括以下步骤：
步骤一、对一维温度梯度进行模拟，首先对循环冷液流速和变截面进行标定；
步骤二、在竖直方向内冷液循环管的直径均匀减小，温度梯度是上下两端的温度差恒定，且上两端之间部分的温度大致呈线性分布，对应于不同流速下，不同的直径变化会实现不同的温度梯度，要用循环冷液进行标定；
步骤三、在不同循环冷液流速条件下，通过温度传感器监测不同位置的温度来判别是否能达到设定的温度梯度；通过监测冷液循环进管冷液循环回管之间不同位置的温度，要是大致呈线性变化，说明温度梯度成功。
步骤四、对二维温度梯度进行模拟，再对循环冷液流速和变截面进行标定；
步骤五、在水平和竖直方向内都均匀减小；
步骤六、在不同循环冷液流速条件下，通过温度传感器监测不同位置的温度来判别是否能达到设定的温度梯度。
由于采用如上，本发明的优点有：
1、根据试样尺寸，确定刚性加载板和刚性隔热板的尺寸，通过设定外部循环冷液的温度，控制加载板的温度，从而实现温度梯度。
2、将模具安装好，外接冷源循环系统和温度控制系统，可实现复杂应力路径和特定温度梯度下冻土物理力学特性的研究，本发明具有结构简单、操作方便等特点。
附图说明
图1是本发明的用于控制温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具结构示意图。
图2是本发明的用于控制温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具俯视图。
图3是本发明的用于控制温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具主视图。
图4是本发明的用于控制温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具组合示意图。
图5是本发明的用于控制温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具单向温度梯度示意图。
图6是本发明的用于控制温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具双向温度梯度示意图。
图中标号说明：1-冷液循环进管，2-冷液循环管，3-刚性加载板，4-刚性隔热板，5-冷液循环回管，6-温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例：
如图1-6是用于控制温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具，是由冷液循环进管1、冷液循环管2、刚性加载板3、刚性隔热板4、冷液循环回管5、温度传感器6组成。首先根据试样尺寸，选取合适的刚性加载板3和刚性隔热板4；将刚性加载板3嵌入刚性隔热板4后，按照真三轴的装样步骤进行装样。
装好试样后，外置冷源系统进水口与冷液循环进管1相连，外置冷源系统回水口与冷液循环回管5相连，并通过温度传感器6监测模具内部的温度；其中每一个刚性加载板3温度均受一个独立的外置冷源系统控制。
当各刚性加载板3内部温度稳定后，继续冻结48h后，依据试验方案开展试验。
一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具的操作方法，包括以下步骤：
步骤一、对一维温度梯度进行模拟，首先对循环冷液流速和变截面进行标定；步骤二、在竖直方向内冷液循环管的直径均匀减小，温度梯度是上下两端的温度差恒定，且上两端之间部分的温度大致呈线性分布，对应于不同流速下，不同的直径变化会实现不同的温度梯度，要用循环冷液进行标定；步骤三、在不同循环冷液流速条件下，通过温度传感器监测不同位置的温度来判别是否能达到设定的温度梯度；通过监测冷液循环进管冷液循环回管之间不同位置的温度，要是大致呈线性变化，说明温度梯度成功；步骤四、对二维温度梯度进行模拟，再对循环冷液流速和变截面进行标定；步骤五、在水平和竖直方向内都均匀减小；步骤六、在不同循环冷液流速条件下，通过温度传感器监测不同位置的温度来判别是否能达到设定的温度梯度。
依据上述方法仅能实现均匀低温场，并不能实现温度梯度。当循环冷液流速一定时，输冷量与冷液循环管的面积成正比，因此对刚性加载板3内的冷夜循环管2进行改造，其主要特征在于变截面，从冷液循环进管1到冷液循环回管5，冷液循环回管5的面积逐渐减小。一维温度梯度：如图5所示，在竖直方向内冷液循环管的直径均匀减小，在试验之前需要对循环冷液流速和变截面进行标定，具体操作如下所述，在不同循环冷液流速条件下，通过温度传感器监测不同位置的温度来判别是否能达到设定的温度梯度。二维温度梯度：如图6所示，冷液循环管的直径，在水平和竖直方向内都均匀减小。标定方法和一维温度梯度的方法相同。
在进行温度梯度的研究中，在加载方向(大主应力方向)上的加载板，采用恒截面的刚性加载板3；侧向(中主应力、小主应力)采用变截面的刚性加载板3。根据试验方案，设置个刚性加载板3内的循环冷液温度和流速。
此外，该刚性加载板3的还可以进一步运用到岩石、混凝土等岩土材料的真三轴试验研究，仅需花费很小的数额进行改造。
还可以在刚性刚性加载板3合适的位置安装声发射探头和超声波探头，通过获得的试验参数，对其反演分析可进一步获得试样在加载过程中内部裂纹的发育情况和试样的特征应力，如闭合应力、起裂应力、损伤应力。
在试验开始前，对加载版进行标定，对一维而言，要是竖直方向之间的温度大致呈线性变化，就说明成功了；二维的是水平和竖直方向的温度都呈现线性变化，二维就达到了预期的效果。
标定好之后，按照真三轴试验加载版的安装方式就行安装；安装好之后连接冷液循环系统；温度梯度稳定后，即可开始试验。
以上所诉实施例只为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让相关技术人员能够据以实施，但以上所述内容并不限制本发明的保护范围，故凡依本发明之形状、原理所做的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内；显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具，包括冷液循环进管、冷液循环管、刚性加载板、刚性隔热板、冷液循环回管和温度传感器，其特征在于，所述刚性加载板嵌套在刚性隔热板；冷液循环管位于刚性加载板内部，冷液循环进管和冷液循环回管与冷液循环管相连；温度传感器预埋在刚性加载板内部；
所述基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具的操作方法，包括以下步骤：
步骤一、对一维温度梯度进行模拟，首先对循环冷液流速和变截面进行标定；
步骤二、在竖直方向内冷液循环管的直径均匀减小，温度梯度是上下两端的温度差恒定，且上两端之间部分的温度大致呈线性分布，对应于不同流速下，不同的直径变化会实现不同的温度梯度，要用循环冷液进行标定；
步骤三、在不同循环冷液流速条件下，通过温度传感器监测不同位置的温度来判别是否能达到设定的温度梯度；其中，通过监测冷液循环进管冷液循环回管之间不同位置的温度，要是大致呈线性变化，说明温度梯度成功；
步骤四、对二维温度梯度进行模拟，再对循环冷液流速和变截面进行标定；
步骤五、冷液循环管的直径在水平和竖直方向内都均匀减小；
步骤六、在不同循环冷液流速条件下，通过温度传感器监测不同位置的温度来判别是否能达到设定的温度梯度。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具，其特征在于：所述刚性加载板由刚度高导热性好的材料制作而成。
3.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具，其特征在于：所述刚性隔热板由刚度高导热性差的材料制作而成。
4.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具，其特征在于：所述温度传感器的型号为CYYZ11。
5.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度的冻土真三轴刚性加载模具，其特征在于：所述冷液循环进管与冷液循环回管均为内部中空的金属管。
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