CN1609587A - 低温高压三轴蠕变试验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工程材料试验仪器领域，具体是一种低温高压三轴蠕变试验仪。包括主机、制冷系统、液压稳压油源系统和数据采集处理系统，主机试验罐体位于支架上，试验罐体内上部设有上压杆，下部设有轴向加压活塞，轴向加压活塞下部通过轴向压力加载输入与液压稳压油源系统相连通，试验罐体内部通过围压加载输入与液压稳压油源系统相连通，外部设有制冷压缩管与制冷系统相连；所有的测量传感器分别和数据采集处理系统相连。本发明可以做常温和低温(－30℃)下的三轴蠕变和单轴蠕变试验，以及常温和低温下的单、三轴强度的试验。本发明造价低、体积小、无噪声、无危险、节能，操作方便，移动灵活，工作压力稳定。
Description
技术领域
本发明涉及工程材料试验仪器领域，具体的说是一种低温高压三轴蠕变试验仪。
背景技术
我国是世界第三冻土大国，多年冻土和季节冻土分别占国土面积的20％和55％。冻土区各项工程(交通、能源、水利、通信等)与日俱增。因此，广泛深入地开展冻土、冻土工程等领域的研究和开发显得愈加重要。另外，随着国力增强和国民经济的发展，国家投资力度的加大以及寒区重大工程的上马、人工冻结法深基坑的开挖等工程中，都需要冻土力学指标的实验参数-冻土蠕变试验。
材料(冻土)在恒应力作用下，变形随时间的发展过程。该过程称之为“流变”，亦即蠕变。冻土由于其中有冰和未冻水的存在，而且有非常明显的流变特性。因此，冻土长期强度及蠕变试验参数的确定尤为重要。一般包括以下三个过程：1、确定蠕变方程(预报变形量)；2、确定本构方程(应力与应变关系)；3、确定强度松弛方程(即长期强度的预报)。
长期以来，人们都是利用液压伺服材料试验机进行此项试验，还未有专门的蠕变实验设备。而用液压伺服材料试验机进行此项工作存在很多缺点：1、只能做常温单轴下的蠕变试验；2、蠕变试验需要长时间的运行，用液压伺服材料试验机这样就要损耗大量的电、水等能源，运行费用高；3、仪器造价高等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不但可用载荷控制而且可用变形来控制、并可做常温和低温(-30℃)下的三轴蠕变和单轴蠕变试验以及常温和低温下的单、三轴强度试验的低温高压三轴蠕变试验仪。
本发明的目的可以通过以下措施来实现：
一种低温高压三轴蠕变试验仪，包括主机、制冷系统、液压稳压油源系统和数据采集处理系统，主机试验罐体位于支架上，试验罐体内上部设有上压杆，下部设有轴向加压活塞，轴向加压活塞和上压杆之间为测试样品；上压杆上端设有轴向压力传感器及输出，并与试验罐体之间分别设有防尘圈和“O”型密封圈，上压杆由螺帽固定；轴向加压活塞与试验罐体之间设有“O”型密封圈，下部通过轴向压力加载输入与液压稳压油源系统相连通，并设有轴向位移变化测量传感器；试验罐体内部通过围压加载输入与液压稳压油源系统相连通，外部设有制冷压缩管与制冷系统相连，围压加载输入上设有围压测量传感器和体积变化测量传感器；试验罐体上设有排气孔，内部还设有温度测量计和温度测量传感器；试验罐体外部设有保温层；所述的围压测量传感器、体积变化测量传感器、轴向位移变化测量传感器、温度测量传感器和轴向压力传感器分别和数据采集处理系统相连。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明利用“液压”原理而设计，工作原理为：由液压稳压油源给出某侧向恒定压力，之后再给出某恒定轴向压力，推动轴向活塞运动，进而给试样加载。液压稳压油源的工作原理：一次性将压力打够，存于储能器中，当压力低于某一给定值时再次启动到达某一设定值后停止，往复循环。无水冷却循环系统，这样既节约了水能，也节约了电能。而材料试验机需要水冷却循环系统，还需要液压油源长期运行。
本发明不但可以用载荷控制，还可以用变形来控制。本发明可以做常温和低温(-30℃)下的三轴蠕变和单轴蠕变试验，以及常温和低温下的单、三轴强度的试验。可以模拟研究深度达700m的深土在负温条件下的人工冻结开挖工程中的试验参数。还可在测试过程中实现试样体积变化的测量。本发明造价低、体积小、无噪声、无危险、节能，操作方便，移动灵活，工作压力稳定。本发明可广泛用于科研单位、大专院校及地质、煤炭和建筑系统单位。
附图说明
本发明的结构由附图1予以给出
1-试验罐体 2-支架 3-围压测量传感器 4-体积变化测量传感器5-轴向压力加载输 6-围压加载输入 7-轴向位移变化测量传感器8-轴向加压活塞 9-温度测量传感器 10-温度测量计 11-测试样品12-制冷压缩管 13-保温层 14-试验罐上盖 15-排气孔16-轴向压力传感器及输出 17-上压杆 18-螺帽 19-防尘圈20-“O”型密封圈 21-试验罐上盖把手 22-制冷系统23-液压稳压油源系统 24-数据采集处理系统
具体实施方式
一种低温高压三轴蠕变试验仪，包括主机、制冷系统22、液压稳压油源系统23和数据采集处理系统24，主机试验罐体1位于支架2上，实验罐体1侧壁采用高强度无缝钢管整体精加工而成，试验罐体1内上部设有上压杆17，下部设有轴向加压活塞8，轴向加压活塞8和上压杆17之间为测试样品11；上压杆17上端设有轴向压力传感器及输出16，并与试验罐体1之间分别设有防尘圈19和“O”型密封圈20，上压杆17由螺帽18固定；轴向加压活塞8与试验罐体1之间设有“O”型密封圈20，下部通过轴向压力加载输入5与液压稳压油源系统23相连通，并设有轴向位移变化测量传感器7；试验罐体1内部通过围压加载输入6与液压稳压油源系统23相连通，外部设有制冷压缩管12与制冷系统22相连，围压加载输入6上设有围压测量传感器3和体积变化测量传感器4；试验罐体1上设有排气孔15，内部还设有温度测量计10和温度测量传感器9；试验罐体1外部设有保温层13，保温层13用1mm厚双层钢板按加压体外型尺寸做成圆桶状，中间用发泡聚氨脂填充(100mm厚)，用以保温；所述的围压测量传感器3、体积变化测量传感器4、轴向位移变化测量传感器7、温度测量传感器9和轴向压力传感器16分别和数据采集处理系统24相连。
本发明的操作过程简单如下：
1、通过试验罐上盖把手21将试验罐上盖14打开；
2、将制备好的测试样品11套上防油、耐低温橡胶套，置于轴向加压活塞8和上压杆17之间，放在底盘装试件座上，并放好温度测量计10；
3、向试验罐体注入10#航空液压油，并盖上试验罐上盖14；
4、轻轻的将上压杆17推动，使其和试样11紧密接触以防围压加载后脱落，然后拧紧固定上压杆17的螺帽(18)；
5、打开液压稳压油源系统24，使试验罐体1内的气体排出，关闭排气孔15的阀门；
6、将围压测量传感器3、体积变化测量传感器4、轴向位移变化测量传感器7、温度测量传感器9和轴向压力传感器16分别连接在数据采集处理系统24上；
7、打开制冷系统22给实验罐体1降温，降到实验所需温度后进行温度控制；
8、当温度降到实验所需要温度后，恒定12小时，开始做试验；
9、打开液压稳压油源系统23，先施加围压，固结好后，再施加轴向压力；
10、从数据采集处理系统24获取有关数据，做出相应试验结果。
本发明的技术参数及性能为：
温度测定范围：常温～-30℃，控温精度±0.05℃
侧向压力范围：0～20MPa
轴向压力范围：100kN(10吨)
申请人受山东某工程单位委托，利用本发明对山东巨野矿区冻结粘土做了单、三轴的蠕变试验，其结果如图2：(1)为单轴蠕变变形过程汇总曲线(层位1，-10℃)；(2)为三轴蠕变变形过程汇总曲线(层位5，-10℃，σ3＝8MPa)；(3)为单轴蠕变应力与破坏时间曲线(层位1，-10℃)；(4)为三轴蠕变应力与破坏时间曲线(层位5，-10℃)。
单轴蠕变预报模型
根据蠕变试验曲线，建议用维亚洛夫蠕变预报模型来计算不同时刻的蠕变变形：
ε＝Aσmtλ
式中ε、σ及t分别为蠕变应变(％)、蠕变应力(MPa)及蠕变历时(min)，A、m及λ为蠕变参数，它们的值为：A＝2.092、m＝0.716、λ＝-0.449+0.267σ。
三轴蠕变预报模型
根据蠕变试验曲线，建议用维亚洛夫蠕变预报模型来计算不同时刻的蠕变变形：
ε＝Aσmtλ
式中ε、σ及t分别为蠕变应变(％)、蠕变偏应力(MPa)及蠕变历时(min)，A、m及λ为蠕变参数，它们的为：A＝0.5000、m＝2.102、λ＝-0.422+0.168σ。
Claims (2)
1、一种低温高压三轴蠕变试验仪，其特征是包括主机、制冷系统(22)、液压稳压油源系统(23)和数据采集处理系统(24)，主机试验罐体(1)位于支架(2)上，试验罐体(1)内上部设有上压杆(17)，下部设有轴向加压活塞(8)，轴向加压活塞(8)和上压杆(17)之间为测试样品(11)；上压杆(17)上端设有轴向压力传感器及输出(16)，并与试验罐体(1)之间分别设有防尘圈(19)和“O”型密封圈(20)，上压杆(17)由螺帽(18)固定；轴向加压活塞(8)与试验罐体(1)之间设有“O”型密封圈(20)，下部通过轴向压力加载输入(5)与液压稳压油源系统(23)相连通，并设有轴向位移变化测量传感器(7)；试验罐体(1)内部通过围压加载输入(6)与液压稳压油源系统(23)相连通，外部设有制冷压缩管(12)与制冷系统(22)相连，围压加载输入(6)上设有围压测量传感器(3)和体积变化测量传感器(4)；试验罐体(1)上设有排气孔(15)，内部还设有温度测量计(10)和温度测量传感器(9)；所述的围压测量传感器(3)、体积变化测量传感器(4)、轴向位移变化测量传感器(7)、温度测量传感器(9)和轴向压力传感器(16)分别和数据采集处理系统(24)相连。
2、如权利要求1所述的一种低温高压三轴蠕变试验仪，其特征是试验罐体(1)外部设有保温层(13)。
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