CN115876608B - 一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位冻融‑干湿循环环境下岩土力学试验设备及方法，其中试验设备包括机架和压力室，压力室包括相互配合的压力室底板和压力室缸体，机架中部设置有工作台，工作台上安装有压力室底板及带动压力室缸体升降与压力室底板接触/分离的提升机构；机架侧面设置有滑动至压力室底板处、用于对压力室底板上的试样进行密封冻融循环的可拆卸冻融系统；工作台上设置有用于对压力室内的试样施加轴压的轴压系统，压力室连接有用于对其内部试样施加围压、渗透压的围压系统和渗透压系统。

Description

一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备及方法

技术领域

本发明属于岩土体不同循环条件下力学特性试验技术领域，尤其涉及一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备及方法。

背景技术

随着国民经济的蓬勃发展与交通规划的日益完善，我国在西部寒区修建了川藏铁路、青藏铁路以及滇藏铁路等岩土工程。青藏高原温差大、干湿分明的气候特点，导致岩土体同时经历了冻融循环与干湿循环。一方面，岩土体裂隙中水变为冰产生的冻胀力，会造成岩土体的剥落、碎裂，同时，在经历吸水饱和-蒸发风干循环作用下，也会对寒区岩土体的力学性质造成损伤劣化，从而诱发滑坡、崩塌等地质灾害，严重威胁工程设施与生态环境安全。

目前，研究岩土体在反复冻融或者干湿循环作用下力学强度的试验设备已较为完善，但试验设备多为分离式，如冻融箱、增湿与干燥箱，且对其耦合循环作用下的力学试验还需要转换至另外的设备。整个试验过程需要使用多种设备，加长了试验周期，破坏了试样的结构性，影响试验精度。专利（申请号：202110046030.6）中发明了一种冻融-干湿环境下岩石损伤声学监测装置及方法，虽然实现了岩石原位冻融-干湿循环，但冻融-干湿循环后岩石的力学参数无法进行原位试验；专利（申请号：201920630702.6）申请了一种冻融干湿循环试验机，能够模拟岩石随四季环境变化的冻融风化过程，但其太阳能供电装置极大程度上限制了用电补给，且设计的试验设备同样也无法实现冻融-干湿状态下岩土力学试验。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备及方法解决了现有试验设备进行冻融-干湿循环试验时需要移动试样，出现破坏试样结构的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备，其包括机架和压力室，压力室包括相互配合的压力室底板和压力室缸体，机架中部设置有工作台，工作台上安装有压力室底板及带动压力室缸体升降与压力室底板接触/分离的提升机构；

机架侧面设置有滑动至压力室底板处、用于对压力室底板上的试样进行密封冻融循环的可拆卸冻融系统；工作台上设置有用于对压力室内的试样施加轴压的轴压系统，压力室连接有用于对其内部试样施加围压、渗透压的围压系统和渗透压系统。

本发明的有益效果为：本方案试样放置在压力室后，可以通过移动可拆卸冻融系统对其进行冻融-干湿循环试验，冻融-干湿循环试验完成后只需要移走可拆卸冻融系统，罩上压力室缸体就可以做三轴剪切或单轴剪切试验，在整个试验过程中一旦试样放置上就无需再移动，可以避免试验过程中对试样的人为扰动，确保了试验精度，有效地反映出实际情况。

本方案可进行岩土体的多种力学试验，包括三轴剪切试验、单轴抗压试验等，通过试验过程可得到岩土体的多种物理、力学性质参数，实现了一机多功能化，极大地节约了试验设备的花销。

进一步地，提升机构包括固定安装在工作台上的导柱，导柱上滑动安装有与压力室缸体固定连接的提升梁，提升梁与通过提升夹块固定于工作台上的提升油缸固定连接；提升油缸通过控制其开关、升降方向及升降速度的阀门系统与油源动力设备连接。

上述技术方案的有益效果为：本方案通过上述结构进行压力室缸体的升降，可以实现压力室缸体与压力室缸体的精准配合，保证压力室的密封性，以利于后续三轴或单轴试验时测量的数据的精准性。

进一步地，轴压系统包括轴压油缸和设置于机架上、穿过压力室缸体与试样接触的承压柱，承压柱与机架之间设置有荷载传感器；轴压油缸设置在工作台下表面，用于穿过工作台和压力室底板与承压柱配合对试样加载轴压，且其底部固定设置有轴压位移传感器；轴压油缸与油源动力设备连接。

上述技术方案的有益效果为：本方案通过荷载传感器与轴压位移传感器的布设，可以精准记录试样所受的压力大小与轴向变形，以利于后续试样剪切强度与抗压强度参数的计算。

进一步地，可拆卸冻融系统包括冻融箱和其上设置有滑动导轨的架台，冻融箱安装于滑动导轨上；冻融箱包括升降温系统和固定于升降温系统的侧面、用于容纳试样的箱体；箱体上可拆卸连接有与箱体配合形成密封冻融室的箱门；箱体和箱门在上下表面均开设有相互配合的弧形孔。

上述技术方案的有益效果为：本方案通过上述结构进行试样的原位冻融，可以实现试样的多次冻融循环，并可根据试验目的自行确定冻融循环试验与其他试验的先后顺序。

进一步地，压力室底板上固定安装有用于放置试样的压力室底座，压力室底座上设置有孔压传感器，冻融循环时压力室底座与箱体和箱门下表面的弧形孔密封配合。

上述技术方案的有益效果为：压力室底座的设置，一方面可以便于孔压传感器的布置，另一方面，其可以使试样被抬高，以使冻融箱在完全容纳试样时，整个箱体密封性的实现。

进一步地，渗透压系统包括将水箱的水送入压力室中、通入试样底部渗流孔的进水管路系统及接收试样顶部的渗流孔流出的水的体变管，体变管内部设置有体变管位移传感器，且其通过立柱夹块固定于机架上；体变管中的水通过水阀流出。

上述技术方案的有益效果为：本方案通过上述结构实现了渗流系统的液循环，并将体变管位移传感器安装在体变管中，换算出了渗流量、渗流速度等参数。

进一步地，围压系统包括将油液从油箱泵入压力室的进油管路和将油液回流至油箱的回油管路，进油管路包括依次通过管路连接的围压油缸、第一二位三通电磁阀和第一高压电磁阀，第一高压电磁阀与压力室连接；

围压油缸的底部设置有围压位移传感器，压力室内的试样与压力室底座之间设置有围压荷载传感器；回油管路包括依次通过管路连接的第二高压电磁阀和第二二位三通电磁阀，第二高压电磁阀通过管路与压力室连通。

上述技术方案的有益效果为：本方案通过上述结构实现了围压加载系统的闭循环，将油传回油箱，避免了液压油的浪费。

进一步地，机架包括通过连接板连接的两个垫板和固定于垫板上的两个底架，两个底架的一侧固定有面板；工作台固定于两个底架的顶部；工作台两侧固定有立柱，立柱的顶部通过锁紧螺母固定有上横梁。

上述技术方案的有益效果为：本方案将机架的上部和下部均设置成框架结构，可以保证轴压加载时，整个机架的稳定性；上部框架结构可以使工作台留有足够大的空间，以便于可拆卸冻融系统进入包裹住试样进行冻融-干湿试验。

进一步地，压力室内还设置有分别采集试样轴向变形、环向变形的轴向变形传感器和环向变形传感器。

第二方面，本方案还提供一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备的试验方法，其包括步骤：

制备试样：取得圆柱体试样，并将试样两端面进行打磨平整后放置于压力室底座上；

冻融循环：将试样放置于箱体内，通过升降温系统选取融化温度与冻结温度的控制范围与时长进行冻融循环；

干湿循环：启动升降温系统，使试样在箱体内进行烘干，结束后启动渗流循环；

拆卸可拆卸冻融系统：当试样的冻融-干湿循环结束后，拆除箱门，通过滑动导轨向架台方向移动，使箱体完全退出工作台；

力学试验：通过提升机构下移压力室缸体，使压力室缸体与压力室底板接触，以罩住试样；之后启动轴压系统和围压系统进行试样的三轴剪切试验或者单轴抗压试验。

上述技术方案的有益效果为：本方案通过上述结构达到了冻融-干湿循环状态下岩土力学试验设备一体化的目的，并实现了原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验，提高了试验操作便捷性，减少了试验周期。

附图说明

图1为原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备的立体图。

图2为原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备的主视图。

图3为原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备的侧视图。

图4为原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备去除可拆卸冻融系统的立体图。

图5为图4中装置的剖视图。

图6为试样安装在压力室底座上的结构示意图。

图7为可拆卸冻融系统的结构示意图。

其中，1、压力室；2、可拆卸冻融系统；5、垫板；6、底架；7、面板；8、连接板；9、工作台；11、导柱；12、导柱夹块；13、提升梁；14、直线轴承；15、提升支架；16、上横梁；17、锁紧螺母；18、提升油缸；19、轴压油缸；20、提升油缸18夹块；21、承压柱；22、主机阀板；25、单向锁紧阀；26、叠加式单向调速阀；27、荷载传感器；

28、轴压位移传感器；29、围压油缸；32、围压荷载传感器；33、围压位移传感器；35、比例卸荷阀；36、体变管；37、立柱夹块；38、水阀；39、孔压传感器；40、体变管位移传感器；41、轴向变形传感器；42、环向变形传感器；43、冻融箱；44、滑动导轨；45、架台；46、箱门；47、卸扣；48、镶块；49、箱体；50、升降温系统；51、温度控制数显仪；52、压力室缸体；53、压力室底板；54、压力室底座。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本方案提供的原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备包括机架和压力室1，压力室1包括相互配合的压力室底板53和压力室缸体52，压力室底板53和压力室缸体52相互配合后，其内部形成密闭的腔室。为了便于对试样上变形进行监测，本方案优选在压力室1内还设置有分别采集试样轴向变形、环向变形的轴向变形传感器41和环向变形传感器42。

如图4所示，机架包括通过连接板8连接的两个垫板5和固定于垫板5上的两个底架6，两个底架6的一侧固定有面板7；工作台9固定于两个底架6的顶部；工作台9两侧固定有立柱，立柱的顶部通过锁紧螺母17固定有上横梁16。其中，垫板5作为机架的底座，其材质具有刚度大、抗滑移性能高等特点。

如图4所示，机架中部设置有工作台9，工作台9上安装有压力室底板53及带动压力室缸体52升降与压力室底板53接触/分离的提升机构。

在本发明的一个实施例中，提升机构包括通过导柱夹块12固定安装在工作台9上的导柱11，导柱11优选为两根，其顶部具有连接两导柱11的提升支架15；导柱11上滑动安装有与压力室缸体52固定连接的提升梁13，提升梁13可防止压力室缸体上下滑动时出现较大晃动，以保证压力室缸体与压力室底座的快速准确对位。

滑动配合具体可以为在提升梁13两端的直线轴承14，直线轴承14套装在导柱11上实现压力室缸体在导柱11上的上下滑动。提升梁13与通过提升夹块固定于工作台9上的提升油缸18固定连接；提升油缸18通过控制其开关、升降方向及升降速度的阀门系统与油源动力设备连接，油源动力设备为三轴剪切试验与单轴抗压试验提供围压、轴压。

如图2所示，阀门系统包括设置在管路上的电磁换向阀24、单向锁紧阀25和叠加式单向调速阀26，管路一端与提升油缸18连接，另一端与油源动力设备导通；电磁换向阀24、单向锁紧阀25、叠加式单向调速阀26分别控制提升油缸18的升降方向、开关以及升降速度。

如图1所示，机架侧面设置有滑动至压力室底板53处、用于对压力室底板53上的试样进行密封冻融循环的可拆卸冻融系统2；工作台9上设置有用于对压力室1内的试样施加轴压的轴压系统，压力室1连接有用于对其内部试样施加围压、渗透压的围压系统和渗透压系统。

如图2和图4所示，轴压系统包括轴压油缸19和设置于机架的上横梁16上、穿过压力室缸体52与试样接触的承压柱21，承压柱21与机架之间设置有荷载传感器27，荷载传感器27用于记录试样在试验过程中所受的轴向压力。轴压油缸19设置在工作台9下表面，用于穿过工作台9和压力室底板53与承压柱21配合对试样加载轴压，且其底部固定设置有轴压位移传感器28，轴压位移传感器28通过换算用于记录试样的应变；轴压油缸19与油源动力设备连接。

本方案通过轴压油缸19以及提升油缸18，会将压力传至压力室底座54上的试件，然后压力经过承压柱21传递至顶部的荷载传感器27，最终试样所受压力值由荷载传感器27显示，方便实时控制轴压大小。

如图3和图7所示，可拆卸冻融系统2包括冻融箱43和其上设置有滑动导轨44的架台45，冻融箱43安装于滑动导轨44上，以便于冻融箱43通过滑动导轨44滑入工作台9；冻融箱43包括升降温系统50和固定于升降温系统50的侧面、用于容纳试样的箱体49；升降温系统50上具有对其温度进行控制和显示的温度控制数显仪51，升降温系统50的降温通过压缩机制冷实现，升温通过电热丝加热形成热循环。

如图5和图6所示，压力室底板53上固定安装有用于放置试样的压力室底座54，压力室底座54上设置有孔压传感器39，冻融循环时压力室底座54与箱体49和箱门46下表面的弧形孔密封配合。压力室底座54的设置，一方面可以便于孔压传感器39的布置，另一方面，其可以使试样被抬高，以使冻融箱43在完全容纳试验时，整个箱体密封性的实现。

箱体49上可拆卸连接有与箱体49配合形成密封冻融室的箱门46，具体地，箱门46可以在其两侧设置多个卸扣47实现与箱体49的可拆卸连接。箱体49和箱门46在上下表面均开设有相互配合的弧形孔，上侧的两个弧形孔相互配合以容纳承压柱21，下侧的两个弧形孔相互配合以容纳压力室底座54。

如图7所示，为了便于箱门46的加工以及冻融-干湿循环试验时冻融箱43的密封性，箱门46包括门板和两个镶块48，门板设置成规则的方形，弧形孔开设在两个镶块48上，箱体49上开设有供镶块48卡入的方形槽，且箱体49上的弧形孔开设于方形槽处。

在进行冻融-干湿循环试验时，通过滑动导轨44将箱体49移动至压力室底座54处，使压力室底座54和承压柱21均卡入弧形槽，之后在上下侧均卡入镶块48，保证上下侧相互配合的弧形孔处的密封性，之后再通过卸扣47安装上门板，即可进行冻融-干湿循环试验。

如图4所示，渗透压系统包括将水箱的水送入压力室1中通入试样底部的渗流孔的进水管路系统及接收试样顶部的渗流孔流出的水的体变管36，其中进水管路系统包括通过管道连接的水泵、第三二位三通电磁阀31，水泵与水箱连接，第三二位三通电磁阀31与压力室1导通。从压力室1流出的水通过第四二位三通电磁阀31流入体变管36。

在水泵与第三二位三通电磁阀31之间的管路上还可以设置上比例阀；水泵为恒定压力（1MPa），通过比例卸荷阀35可将压力水流经过旁置管到排出，减小渗流压力，使渗流压力可手动控制在0~1Mpa。

体变管36内部设置有体变管位移传感器40，且其通过立柱夹块37固定于机架上；体变管36中的水通过水阀38流出。水阀38可将体变管36的水介质排出，体变管36一方面用于土工试验时测量试样变形，另一方面用于装置渗流循环过程中出露的水流，通过体变管位移传感器40，可测量出体变管36中的液面高度，从而换算出渗流量、渗流速度。

第三二位三通电磁阀31为渗流循环过程中进水出水的控制阀门，第四二位三通电磁阀31与体变管36连接，为测量渗流量的控制阀门，当用体变管36测量渗流循环过程中出露的水流量时，此阀门为开启状态，当渗流循环过程结束时，此阀门为关闭状态。

如图4所示，围压系统包括将油液从油箱泵入压力室1的进油管路和将油液回流至油箱的回油管路，进油管路包括依次通过管路连接的围压油缸29、第一二位三通电磁阀31和第一高压电磁阀30，第一高压电磁阀30与压力室1连接；

围压油缸29的底部设置有围压位移传感器33，压力室1内的试样与压力室底座54之间设置有围压荷载传感器32；回油管路包括依次通过管路连接的第二高压电磁阀30和第二二位三通电磁阀31，第二高压电磁阀30通过管路与压力室1连通。

第一高压电磁阀30的作用为避免围压缸出来的高压介质（围压范围为5~10MPa）破坏液压控制系统里的低压泵，第二高压电磁阀30的作用为排除空气，由于空气压缩比比较高，当在围压系统中通入介质时，需要提前排除围压系统里面的空气，保证试验的准确性。

第二二位三通电磁阀31的作用为回收围压系统的油介质，形成围压系统闭环，将油传输回油箱，第一二位三通电磁阀31有两个用处，其一是配合第二高压电磁阀30排除空气，其二是当回收围压系统的油介质时，需要通过此阀将空气输送进围压系统，保证油介质全部能够回收至油箱中，避免油介质的浪费。

本方案还提供一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备的试验方法，包括步骤：

制备试样：取得圆柱体试样，并将试样两端面进行打磨平整后放置于压力室底座54上；当试样为岩体时，可以通过钻孔岩心方法取得圆柱体试样；试样在进行冻融-干湿循环之前应避免岩样产生人为裂缝。

冻融循环：将试样放置于箱体49内，通过升降温系统50选取融化温度与冻结温度的控制范围与时长进行冻融循环；在冻结过程中，试样应在-20℃±2℃温度下冻结4h；在融化过程中，试样应在20℃±2℃温度下融解4h。

干湿循环：启动升降温系统50，使试样在箱体49内进行烘干，结束后启动渗流循环；烘干时应在105℃下烘干24h，结束后，启动渗透压系统，进行渗流循环，渗流循环时间应持续24小时，渗流循环结束后，也就完成了试样的干湿循环。

拆卸可拆卸冻融系统：当试样的冻融-干湿循环结束后，拆除箱门46，通过滑动导轨44向架台45方向移动，使箱体49完全退出工作台9。

力学试验：通过提升机构下移压力室缸体52，使压力室缸体52与压力室底板53接触，以罩住试样；之后启动轴压系统和围压系统进行试样的三轴剪切试验或者单轴抗压试验。

在进行三轴剪切试验时，试样在不同围压下试验，应以每秒0.05MPa的加载速度同时施加围压和轴压至预定的围压值，以此时试件的轴向变形值作为初始值，在轴压加载过程中，应以每秒0.5MPa～1.0MPa的加载速度施加。同样的，当进行单轴抗压试验时，轴压加载速度也应为每秒0.5MPa～1.0MPa。

本试验设备通过可拆卸冻融系统2、轴压系统、围压系统和渗透压系统的相互配合，试验人员可通过试验过程得到岩体的吸水率、冻融质量损失率、冻融系数、冻融-干湿循环前后的单轴抗压强度、软化系数、抗剪强度参数、弹性模量、泊松比等，以及土体的抗剪强度参数、冻土融沉系数等。

Claims (8)

1.一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备，其特征在于，包括机架和压力室，所述压力室包括相互配合的压力室底板和压力室缸体，所述机架中部设置有工作台，所述工作台上安装有压力室底板及带动压力室缸体升降与压力室底板接触/分离的提升机构；

所述机架侧面设置有滑动至压力室底板处、用于对压力室底板上的试样进行密封冻融循环的可拆卸冻融系统；所述工作台上设置有用于对压力室内的试样施加轴压的轴压系统，压力室连接有用于对其内部试样施加围压、渗透压的围压系统和渗透压系统；

所述可拆卸冻融系统包括冻融箱和其上设置有滑动导轨的架台，所述冻融箱安装于所述滑动导轨上；所述冻融箱包括升降温系统和固定于升降温系统的侧面、用于容纳试样的箱体；所述箱体上可拆卸连接有与箱体配合形成密封冻融室的箱门；所述箱体和箱门在上下表面均开设有相互配合的弧形孔；

所述压力室底板上固定安装有用于放置试样的压力室底座；冻融循环时所述压力室底座与箱体和箱门下表面的弧形孔密封配合；

所述提升机构包括固定安装在所述工作台上的导柱，所述导柱上滑动安装有与压力室缸体固定连接的提升梁，所述提升梁与通过提升夹块固定于工作台上的提升油缸固定连接；所述提升油缸通过控制其开关、升降方向及升降速度的阀门系统与油源动力设备连接。

2.根据权利要求1所述的原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备，其特征在于，所述轴压系统包括轴压油缸和设置于机架上、穿过压力室缸体与试样接触的承压柱，所述承压柱与机架之间设置有荷载传感器；

所述轴压油缸设置在工作台下表面，用于穿过工作台和压力室底板与承压柱配合对试样加载轴压，且其底部固定设置有轴压位移传感器；所述轴压油缸与油源动力设备连接。

3.根据权利要求1所述的原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备，其特征在于，压力室底座上设置有孔压传感器。

4.根据权利要求1所述的原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备，其特征在于，所述渗透压系统包括将水箱的水送入压力室中、通入试样底部渗流孔的进水管路系统及接收试样顶部的渗流孔流出的水的体变管，所述体变管内部设置有体变管位移传感器，且其通过立柱夹块固定于机架上；所述体变管中的水通过水阀流出。

5.根据权利要求1所述的原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备，其特征在于，所述围压系统包括将油液从油箱泵入压力室的进油管路和将油液回流至油箱的回油管路，所述进油管路包括依次通过管路连接的围压油缸、第一二位三通电磁阀和第一高压电磁阀，第一高压电磁阀与压力室连接；

所述围压油缸的底部设置有围压位移传感器，压力室内的试样与压力室底座之间设置有围压荷载传感器；所述回油管路包括依次通过管路连接的第二高压电磁阀和第二二位三通电磁阀，第二高压电磁阀通过管路与压力室连通。

6.根据权利要求1所述的原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备，其特征在于，所述机架包括通过连接板连接的两个垫板和固定于垫板上的两个底架，两个所述底架的一侧固定有面板；所述工作台固定于两个底架的顶部；所述工作台两侧固定有立柱，所述立柱的顶部通过锁紧螺母固定有上横梁。

7.根据权利要求1所述的原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备，其特征在于，所述压力室内还设置有分别采集试样轴向变形、环向变形的轴向变形传感器和环向变形传感器。

8.一种权利要求1-7任一所述的原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备的试验方法，其特征在于，包括步骤：

制备试样：取得圆柱体试样，并将试样两端面进行打磨平整后放置于压力室底座上；

冻融循环：将试样放置于箱体内，通过升降温系统选取融化温度与冻结温度的控制范围与时长进行冻融循环；

干湿循环：启动升降温系统，使试样在箱体内进行烘干，结束后启动渗流循环；

拆卸可拆卸冻融系统：当试样的冻融-干湿循环结束后，拆除箱门，通过滑动导轨向架台方向移动，使箱体完全退出工作台；

力学试验：通过提升机构下移压力室缸体，使压力室缸体与压力室底板接触，以罩住试样；之后启动轴压系统和围压系统进行试样的三轴剪切试验或者单轴抗压试验。

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