一种模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验装置及方法与流程

本发明涉及冰力学特性研究技术领域，具体涉及一种开模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验装置及方法。

背景技术：

冰力学从20世纪初至今已经有了长足发展，冰的力学试验是不可或缺的研究手段。早期冰力学研究主要集中在冰与结构物相互作用、破冰机理等方面，研究对象主要为河冰或海冰，力学试验一般只考虑冰温、加载速率对试验结果的影响。

随着冰力学发展，其研究对象拓展至高原冻土、极地冰川等，这类冰在形成过程中受到不同程度的原始应力，因此冻结压力开始成为各国学者关注。

因为常规冰力学试验设备在开发阶段并未考虑到冻结压力的影响，无法完成冻结压力研究任务，需要改进原有技术手段进行相关研究。目前主要有两种实现方法：

方法一：对常规冰力学试验中的制样设备进行改造，在钢制模具上加装加压功能，然后按照常规冰力学试验流程开展研究，即先加压冻结再恒温养护最后将试样从模具中取出并置于伺服加载设备中进行力学性能测试。

方法二：改变制样手段，先在无压条件下制出单晶冰，然后再将单晶冰打碎过筛得到目标尺寸的冰晶粒，接着将冰晶粒和装入柔性膜中并用水充填晶粒间空隙做成类似土力学实验中饱和土样的冰试样，之后在三轴伺服设备中进行有压冻结，经恒温养护后进行力学性能测试(sammondspr,murrellsaf,ristma,etal.thedesignofahigh-pressurelow-temperaturetriaxialdeformationcellforice[j].coldregionsscience&technology,1991,19(2):177-188.)。

然而，上述两种方法均存在显著缺陷，方法一虽然可以在有压冻结条件下对水进行冻结制样，但并没有脱离常规设备的研究思路，在力学性能测试时需要先拆模取样再将冰样封装后放入三轴压力室内进行试验，存在明显的先卸载再加载过程，该应力历史是否会对冰的力学测试结果造成影响有待研究；方法二虽然可以在三轴伺服设备中完成以避免制样过程中应力历史的影响，但该方法的前提是先获得固定尺寸的冰晶粒，无法研究冻结压力对水直接冻结所制冰样力学特性的影响。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的在于针对现有冰力学试验装置和测试方法的不足，提供一种能够实现在全过程应力可控条件下，进行水有压冻结成冰后直接进行三轴试验的装置及方法。

技术方案：本发明的能模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验装置，包括主体加载系统、冻结系统及试样测试系统；

所述主体加载系统包括法兰盘、承压外壳、轴压活塞、试样底座、进液加载管、排气管和保温层；所述法兰盘、承压外壳与轴压活塞构成加载主体；法兰盘呈阶梯状，扣合在承压外壳底部，通过内六角螺栓与承压外壳连接，二者外侧设有保温层；轴压活塞穿过承压外壳顶部中心孔伸入加载主体内部；所述的试样底座设在法兰盘上，二者通过密封圈密封；所述进液加载管、排气管均穿过保温层与法兰盘上的钻孔相连，连通承压外壳内部围压加载空间；

所述冻结系统包括周向冻结液循环通道、周向冻结液进液管、周向冻结液出液管、底座冻结液循环通道、底座冻结液进液管、底座冻结液出液管和可溶外壳；所述的周向冻结液循环通道设在承压外壳的外壁内，其上端与周向冻结液出液管相连，下端与周向冻结液进液管相连；所述的底座冻结液循环通道设在试样底座下端；所述底座冻结液进液管、底座冻结液出液管分别设在法兰盘内，连通底座冻结液循环通道；所述可溶外壳置于试样底座上方，与轴压活塞在同一轴线上，其内表面与乳胶膜的外表面紧密贴合；可溶外壳初始为固态，在试验过程中逐渐被液压溶剂缓慢溶解，在试样完全变成固态后失去侧限功效；

所述试样测试系统包括试样、压头、乳胶膜、轴向光纤传感器串和环向光纤传感器串，所述压头位于轴压活塞下端，试样位于压头和试样底座之间，所述乳胶膜包裹在试样外侧并且上下两端由密封圈密封于压头和试样底座外侧，所述的乳胶膜用于在可溶外壳被溶解后隔离试样与液压溶剂，保证试样与液压溶剂不接触；所述的轴向光纤感器串和环向光纤感器串分别预设在试样中轴线和中部环线位置，并穿过试样底座、法兰盘引出。

所述与承压外壳顶部中心孔相配合的轴压活塞之间设有密封圈。

所述的法兰盘与承压外壳扣合之间设有密封圈。

所述的承压外壳在上表面靠近活塞孔区域设有环形薄膜加热器，用于在冻结实验中控制结冰方向，以及防止承压外壳与轴压活塞接触处结冰。

在所述的试样中预设有轴向光纤感器串和环向光纤感器串，用于在试验过程中采集试样变形和温度数据。

所述的压头上开有向乳胶膜内注水的注水口。

上述装置的一种能模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验方法：整个试验过程在三轴伺服试验机内完成，轴压由三轴伺服试验机轴压控制单元通过轴压活塞施加，三轴伺服试验机围压控制单元通过油水分离器与进液加载管相连，通过伺服液压油间接控制承压外壳内液压溶剂的压力，完成三轴力学试验，试验流程主要分为冻结和三轴力学试验两个阶段；

所述冻结阶段，根据预设冻结压力调整装置轴压和围压，根据预定的冻结方式，由外接冷源分别向周向冻结液循环通道、底座冻结液循环通道连续输送设定温度的冻结液，降低围压室和试样的温度，形成设定温度的固态试样，其间轴向光纤感器串和环向光纤感器串与外部光纤数据采集仪相连用于测量试样的温度；

所述三轴力学试验阶段，维持试样的温度不变，根据预设的应力路径，向试样施加按设定规律变化的轴压和围压，并通过轴向光纤感器串和环向光纤感器串读取试样的变形数据。

有益效果：本发明适用于冰力学特性研究，尤其是冻结压力对冰力学特性影响研究；由于采用了上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明与三轴伺服试验机、油水分离器、外部冷源和光纤数据采集仪配合，能够使水在可溶外壳限制下有压冻结成冰，可溶外壳在冰样成形后被溶解，继而实现水有压冻结成冰后直接在原始应力状态下进行三轴力学试验；

(2)本发明中，可溶外壳在水冻结过程中起到侧限作用，能够保证成冰外形满足试验要求；可溶外壳在试验过程中逐渐被液压溶剂缓慢溶解，在试样达到固态状态后失去侧限功效，试验设计时只需根据冻结时间调整可溶外壳厚度即可；

(3)本发明设置有底座冻结液循环通道和周向冻结液循环通道，可在应力控制条件下进行自下向上的单向冻结或由外向内的环向冻结等不同形式的冻结，能够用于研究不同冻结方式对冰力学特性的影响；

(4)本发明在承压外壳在上表面靠近活塞孔区域设有环形薄膜加热器，用于控制装置上表面温度。一方面能够在冻结期间调整装置整体的温度梯度，控制试样冻结方式；另一方面能够防止承压外壳与轴压活塞接触处结冰，提高试验精度；

(5)本发明在试样中预设有轴向光纤传感器串和环向光纤传感器串，试验时可在测试试样的内部变形和温度；

(6)本发明可用于开展其他材料在有压凝固条件下力学性质参数研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例中加压冻结阶段的设备连接示意图；

图3是本发明实施例中保温养护和三轴力学试验时的设备连接示意图；

图中：1-轴压活塞，2-保温层，3-排气管，4-周向冻结液出液管，5-试样，6-乳胶膜，7-可溶外壳，8-周向冻结液进液管，9-进液加载管，10-薄膜加热器，11-承压外壳，12-压头，13-周向冻结液循环通道，14-液压溶剂，15-试样底座，16-底座冻结液进液管，17-内六角螺栓，18-底座冻结液循环通道，19-底座冻结液出液管，20-轴向光纤传感器串，21-环向光纤传感器串，22-法兰盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的能模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验装置，主要由主体加载系统、冻结系统及试样测试系统构成；

所述主体加载系统包括法兰盘22、承压外壳11、轴压活塞1、试样底座15、进液加载管9、排气管3和保温层2；所述法兰盘22、承压外壳11与轴压活塞1构成加载主体；法兰盘22呈阶梯状，扣合在承压外壳11底部，通过内六角螺栓17与承压外壳11连接，二者外侧设有保温层2；轴压活塞1穿过承压外壳11顶部中心孔伸入加载主体内部；所述的试样底座15设在法兰盘22上，二者通过密封圈密封；所述进液加载管9、排气管3均穿过保温层2与法兰盘22上的钻孔相连，连通承压外壳11内部围压加载空间；所述与承压外壳11顶部中心孔相配合的轴压活塞1之间设有密封圈；所述的法兰盘22与承压外壳11扣合之间设有密封圈。

所述冻结系统包括周向冻结液循环通道13、周向冻结液进液管8、周向冻结液出液管4、底座冻结液循环通道18、底座冻结液进液管16、底座冻结液出液管19和可溶外壳7；所述的周向冻结液循环通道13设在承压外壳11的外壁内，其上端与周向冻结液出液管4相连，下端与周向冻结液进液管8相连；所述的底座冻结液循环通道18设在试样底座15下端；所述底座冻结液进液管16、底座冻结液出液管19分别设在法兰盘22内，连通底座冻结液循环通道18；所述可溶外壳7置于试样底座15上方，与轴压活塞1在同一轴线上，其内表面与乳胶膜6的外表面紧密贴合；所述的可溶外壳7在水冻结过程中起到侧限作用，能够保证成冰外形满足试验要求，可溶外壳7初始为固态，在试验过程中逐渐被液压溶剂13缓慢溶解，在试样5完全变成固态后失去侧限功效，试验设计时只需根据冻结时间调整可溶外壳7厚度即可。所述的承压外壳11在上表面靠近活塞孔区域设有环形薄膜加热器10，用于在冻结实验中控制结冰方向，以及防止承压外壳11与轴压活塞1接触处结冰。

所述试样测试系统包括试样5、压头12、乳胶膜6、轴向光纤传感器串20和环向光纤传感器串21，所述压头12位于轴压活塞1下端，试样5位于压头12和试样底座15之间，在所述的试样5中预设有轴向光纤感器串20和环向光纤感器串21，用于在试验过程中采集试样变形和温度数据。所述乳胶膜6包裹在试样5外侧，并且上下两端由密封圈密封于压头12和试样底座15外侧，所述的压头12上开有向乳胶膜6内注水的注水口。所述的乳胶膜6用于在可溶外壳7被溶解后隔离试样5与液压溶剂14，保证试样5与液压溶剂14不接触；所述的轴向光纤感器串20和环向光纤感器串21分别预设在试样5中轴线和中部环线位置，并穿过试样底座15、法兰盘22引出。

本发明的能模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验方法：整个试验过程在三轴伺服试验机内完成，轴压由三轴伺服试验机轴压控制单元通过轴压活塞1施加，三轴伺服试验机围压控制单元通过油水分离器与进液加载管9相连，通过伺服液压油间接控制承压外壳11内液压溶剂14的压力，完成三轴力学试验，试验流程主要分为冻结和三轴力学试验两个阶段；

所述冻结阶段，根据预设冻结压力调整装置轴压和围压，根据预定的冻结方式，由外接冷源分别向周向冻结液循环通道13、底座冻结液循环通道18连续输送设定温度的冻结液，降低围压室和试样5的温度，形成设定温度的固态试样5，其间轴向光纤感器串20和环向光纤感器串21与外部光纤数据采集仪相连用于测量试样5的温度；

所述三轴力学试验阶段，维持试样5的温度不变，根据预设的应力路径，向试样5施加按设定规律变化的轴压和围压，并通过轴向光纤感器串20和环向光纤感器串21读取试样5的变形数据。

下面以有压单向冻结三轴试验为例，对试验方法进行详细说明，试验需结合冷源、油水隔离器、三轴伺服试验机和光纤数据采集仪来完成，分为装置组装、加压冻结、保温养护和三轴试验4个流程，具体步骤如下：

1)装置组装

a.首先，取出乳胶膜6并在其内侧画出环向光纤传感器串21的位置标记，之后将环向光纤传感器串21粘贴在乳胶膜6内侧标记位置处，然后用密封圈将乳胶膜6固定在试样底座15上端，接着将环向光纤感器串21和轴向光纤感器串20穿过底座15，从法兰盘22下端引出，并在试样底座15的预留穿孔处做密封，之后将轴向光纤感器串20上端固定在压头12下端中心位置，然后用密封圈将乳胶膜6上端密封在压头12外侧；

b.通过压头12上的注水口向乳胶膜内注入除气水，待水注满并排出空气后用螺栓将注水口密封后，将可溶外壳7套在乳胶膜6外侧，可溶外壳7上端略低于压头12上表面，下端置于底座15下台阶面；

c.最后，将装入轴压活塞1的承压外壳11放置在法兰盘22上端并用内六角螺栓17紧固。

2)加压冻结

a.首先，将装置转移至三轴伺服试验机内，并将三轴试验机轴向加载模块下降至与轴压活塞1上端完全接触，然后将液压溶剂14通过进液加载管9注满装置内部空间，此时可溶外壳7即开始缓慢溶解；

b.将进液加载管9与油水隔离器连接，油水隔离器另一端头与三轴伺服试验机围压控制单元相连，此时装置内围压由三轴伺服试验机围压控制单元通过油水隔离器间接控制；操作辅助设备三轴伺服试验机，按照相同的加载速率将轴压和围压加载至预设值；

c.最后，将底座冻结液进液管16、底座冻结液出液管19与冷源a连接，同时分别将轴向光纤感器串20、环向光纤感器串21与光纤数据采集仪连接，调试好后开始采集温度数据；开启冷源a，并按照预设的冻结温度进行冻结，冻结发展情况通过光纤数据采集仪进行判断；冻结至试样5内达到预设温度状态，本阶段完成；如图2所示。

3)保温养护

有压冻结完成后开展三轴试验前，将试样5在预设试验温度下保温24小时；预设试验温度可在0℃至-70℃间根据研究需要设定；

保持上步骤1)中对三轴伺服试验机的设置，将周向冻结液进液管8、周向冻结液出液管4与冷源b连接，关闭冷源a，并断开三轴力学试验装置与冷源a之间的连接，开启冷源b，并按预设试验温度通入冻结液对有压冻结完成的试样5进行保压低温养护；养护阶段可溶外壳7被完全溶解，达到试验温度下保温24小时的养护时间后本阶段工作完成；养护阶段设备连接情况如图3所示；

4)三轴试验

完成上述工作后，继续利用冷源b对三轴力学试验装置进行温度控制，同时操作三轴伺服试验机，进行三轴剪切试验，试验过程中，通过光纤数据采集仪测出沿试样5中轴向应变及环向应变，并试样破坏后记录试验数据，试验完成；三轴试验阶段设备连接情况如图3所示。