一种模拟冻融循环粗粒土大型三轴力学试验装置及试验方法与流程

本发明涉及一种三轴力学试验装置及试验方法，具体涉及一种模拟冻融循环粗粒土大型三轴力学试验装置及试验方法，属于岩土力学与试验测试技术领域。

背景技术：

土石坝在我国水电工程建设中得到了广泛的应用。近年来，300m级特高土石坝已在建设，特别修筑在寒冷地区的高土石坝工程，由于寒区气候多变、昼夜温差大，冻融环境和复杂的应力条件对大坝在施工、运行过程中的坝体变形稳定、筑坝粗粒料强度影响较大，危及到大坝的安全运行。因此，开展筑坝粗粒料在冻融循环过程中的强度与变形特性劣化规律相关研究，对寒区高土石坝设计、施工及稳定性评价具有指导意义。

国内外对于筑坝粗粒料力学性能研究主要通过大型三轴试验、大型直剪试验等手段完成的，从颗粒形状、大小、级配、应力路径、外界环境等方面研究粗粒料的抗剪强度、变形与流变特性及本构模型的建立。国内对于冻融循环与复杂应力下的粗粒料力学性质劣化规律尚无测试标准，国内对于冻结、融化排水工况下粗粒料大型三轴试验相关设备及方法未见报道，冻融过程中不同恒定应力水平下粗粒料变形及强度劣化试验相关设备及方法也是空白。因此，现有的粗粒土大型三轴力学试验装置存在无法测试固结排水后粗粒料试样在冻融循环与加载条件下的力学性能参数的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的粗粒土大型三轴力学试验装置存在无法测试固结排水后粗粒料试样在冻融循环与加载条件下的力学性能参数的问题。进而提供了一种模拟冻融循环粗粒土大型三轴力学试验装置及试验方法。

本发明的技术方案是一种模拟冻融循环粗粒土大型三轴力学试验装置，它包括控制系统、数据采集系统、周围压力系统、冻融循环系统和轴向加压系统，它还包括试样模具系统，试样模具系统包括底板、筒体连接座、下压板、下透水板、筒体、循环管、对半保温桶、上透水板、上压板、桶盖、导向套、对半保温桶盖、承立杆、螺母和压头，筒体通过筒体连接座安装在底板上，周围压力系统与底板连接并对试样施加围压；下压板密封安装在底板的上端面中部，控制系统与数据采集系统连接，数据采集系统与下压板上的多个传感器接口连接，下透水板安装在下压板的上端，试样安装在下透水板的上端，上透水板安装在试样的上端，上压板安装在上透水板的上端，上压板上设有排气阀，循环管通过安装在筒体上的桶盖套装在试样上，冻融循环系统与循环管的上部连接，导向套安装在桶盖的上端，承立杆的下部依次穿过导向套和桶盖后与上压板连接，承立杆的上部由上至下依次安装有压头和螺母，对半保温桶套装在筒体的外部，对半保温桶盖盖装在对半保温桶的上端，试样模具系统安装在框架内，轴向加压系统通过与试样模具系统的压头连接并对试样轴向加压。

本发明还提供了一种使用模拟冻融循环粗粒土大型三轴力学试验装置的试验方法，它包括以下步骤：

步骤一：饱和与固结的过程；

步骤一一：根据预定的试样固结应力状态，由轴向加压系统对试样施加竖直向下的预应力；

步骤一二：周围压力系统对试样施加预围压，试样固结排出的水通过下透水板和底板上的排水口排出外界，试样的排水量通过数据采集系统监测；

至此，通过对试样施加不同的围压来采集试样固结的排水量数据；

步骤二：冻融循环-加载过程；

根据预定的冻融循环方式，由冻融循环系统向循环管连续输送设定温度的循环液进行试样的升/降温，升/降温过程中底板内部设置温度传感器，用于实时监测试样内部温度，形成目标温度的试样，试样在冻融循环过程中施加恒定的轴向荷载和围压；

步骤三：三轴压缩过程：

维持步骤二中的试样的温度不变，根据预设的应力路径，以一定的剪切速率向试样施加设定的轴向压力和周围压力，其间通过数据采集系统监测试样的变形、荷载、围压、孔压、温度的变化情况。

本发明与现有技术相比具有以下改进效果：

1、本发明的粗粒料大型三轴试验方法对成型后的试样在三轴压力室内通过预设围压与轴压实现固结排水、恒定荷载下冻融循环及剪切一体化试验过程，实现试样在冻融加载过程中的轴压、围压、变形、温度、排水量自动化采集，试验高效、数据精准可靠。

2、本发明与既有伺服控制液压源、低温冷源和测试仪器配合，或与既有三轴伺服力学试验机(系统)配合，能够模拟冻融循环形成条件进行粗粒料试样三轴力学试验，能够实时测试固结排水后粗粒料试样在冻融循环与加载条件下的力学性能的参数。

附图说明

图1是本发明试验模具的结构示意图；

图2是本发明试验过程中设备连接示意图；

图3是本发明底板接口的示意图；

图4是固结排水量-时间曲线；

图5是试样冻融循环过程中温度-时间变化曲线；

图6是应力-应变曲线。

图中：1.底板，2.筒体连接板，3.下压板，4.下透水板，5.试样，6.筒体，7.循环管，8.对半保温桶，9.上透水板，10.上压板，11.桶盖，12.导向套，13.对半保温桶盖，14.承立杆，15.螺母，16.压头，17.第一密封圈，18.第二密封圈，19.第三密封圈，20.第四密封圈，21.第五密封圈。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的一种模拟冻融循环粗粒土大型三轴力学试验装置，它包括控制系统a、数据采集系统b、周围压力系统c、冻融循环系统d和轴向加压系统e，它还包括试样模具系统f，试样模具系统f包括底板1、筒体连接座2、下压板3、下透水板4、筒体6、循环管7、对半保温桶8、上透水板9、上压板10、桶盖11、导向套12、对半保温桶盖13、承立杆14、螺母15和压头16，筒体6通过筒体连接座2安装在底板1上，周围压力系统c与底板1连接并对试样5施加围压；下压板3密封安装在底板1的上端面中部，控制系统a与数据采集系统b连接，数据采集系统b与下压板3上的多个传感器接口连接，下透水板4安装在下压板3的上端，试样5安装在下透水板4的上端，上透水板9安装在试样5的上端，上压板10安装在上透水板9的上端，上压板10上设有排气阀，循环管7通过安装在筒体6上的桶盖11套装在试样5上，冻融循环系统d与循环管7的上部连接，导向套12安装在桶盖11的上端，承立杆14的下部依次穿过导向套12和桶盖11后与上压板10连接，承立杆14的上部由上至下依次安装有压头16和螺母15，对半保温桶8套装在筒体6的外部，对半保温桶盖13盖装在对半保温桶8的上端，试样模具系统安装在框架内，轴向加压系统e通过与试样模具系统的压头16连接并对试样5轴向加压。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的筒体连接座2通过第五密封圈21密封安装在底板1上。如此设置，便于保证试验模具的密闭性。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的下压板3上设有温度传感器接口3-1、孔压传感器接口3-2、补排水接口3-3、围压液体进液孔3-4、围压压力表接口3-5，温度传感器接口3-1、孔压传感器接口3-2和围压压力表接口3-5内分别安装有温度传感器、孔压传感器和围压压力表。如此设置，便于测量试验过程中的相关数据参数，而且安装在下压板上便于保证传感器的使用安全和准确，结构紧凑。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的承立杆14与导向套12之间密封连接。如此设置，便于保证试验模具的密闭性。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的循环管7为螺旋盘式循环管。如此设置，便于模拟实际冻融循环粗粒土的实际工况。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的试样模具系统为圆柱状模具系统，对半保温桶盖13的中部设有安装孔，与安装孔同轴线开设多个循环管穿过孔。如此设置，便于拆装和生产制造。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本发明的模拟冻融循环粗粒土大型三轴力学试样装置，底板和筒盖二者与筒体之间的结合面均设有密封圈；所述的导向套与承立杆配合处设有密封圈，五处密封圈用于密封，保证试验模具的密闭性；

本发明的试验模具外覆盖有对半保温桶和对半保温桶盖；

本发明的试验模具为中空结构，内设有下压板、下透水板、试样、循环管、上透水板、上压板，做实验时放置顺序依次为下压板、下透水板、试样、上透水板、上压板，上压板设有排气阀，用于在注入围压液时排气；下压板依次设有温度传感器接口、孔压传感器接口、补/排水口、围压液体进液口、围压压力表接口；

本发明的温度传感器接口、孔压传感器接口用于安装在底板中轴线附近并从底板引出的温度传感器、孔压传感器，用于测量试样内部温度、孔压；所述补/排水口用于试验时饱和试样、固结排水；所述围压液体进液口用于将围压液注入到试样与模具的空隙中，通过围压进液口向模具内加入防冻液，并将上压板上方的排气阀打开，待有防冻液流出，立即关闭排气阀。所述试样位于下透水板与上透水板之间，由乳胶膜包裹在试样外侧并且上下两端由密封圈密封于下透水板外边缘和上透水板外边缘；

本发明的周围压力系统可通过计算机控制的压力泵向试验模具内加注围压液体，可根据试验要求不同对试样施加不同的围压。

本发明的轴向加压系统由伺服液压源、反力架、液压缸组成，用于对试样轴向加载，所述伺服液压源通过控制系统的计算机控制，方便，准确；

本发明的冻融循环系统由试验模具内部的循环管与外接的冻融循环机连接组成，用于形成冻结的试样，所述循环管为螺旋状蛇形管，入口和出口位于桶盖上方，冻融循环机与循环管的入口和出口相连。

本发明的控制系统包含计算机，能够对周围压力系统、轴向加压系统、冻融循环系统进行控制以及监视其运行状态；数据采集系统与计算机相连接，可对试验过程中试样内部的温度、孔隙水压力、固结排水量、试样体积应变等数据进行实时采集；

具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的模拟冻融循环粗粒土大型三轴力学试验装置的试验方法，它包括以下步骤：

步骤一：饱和与固结的过程；

步骤一一：根据预定的试样固结应力状态，由轴向加压系统e对试样5施加竖直向下的预应力；

步骤一二：周围压力系统c对试样5施加预围压，试样5固结排出的水通过下透水板4和底板3上的排水口排出外界，试样5的排水量通过数据采集系统b监测；

至此，通过对试样5施加不同的围压来采集试样5固结的排水量数据；

步骤二：冻融循环-加载过程；

根据预定的冻融循环方式，由冻融循环系统d向循环管7连续输送设定温度的循环液进行试样5的升/降温，升/降温过程中底板1内部设置温度传感器，用于实时监测试样内部温度，形成目标温度的试样，试样在冻融循环过程中施加恒定的轴向荷载和围压；

步骤三：三轴压缩过程：

维持步骤二中的试样5的温度不变，根据预设的应力路径，以一定的剪切速率向试样5施加设定的轴向压力和周围压力，其间通过数据采集系统b监测试样5的变形、荷载、围压、孔压、温度的变化情况。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

本实施方式的模拟冻融循环粗粒土大型三轴力学试验方法：包括饱和与固结过程、冻融循环-加载过程和三轴压缩过程；

所述饱和与固结过程：根据预定的试样固结应力状态，由轴向加压系统对试样施加预应力；周围压力系统施加预围压，试样固结排出的水通过下透水板和排水口排出外界，试样的排水量可通过数据采集系统监测；

所述冻融循环-加载过程：根据预定的冻融循环方式，由冻融循环系统向循环管连续输送设定温度的循环液进行试样的升/降温，升/降温过程中底板内部设置温度传感器，用于实时监测试样内部温度，形成目标温度的试样，试样在冻融循环过程中施加恒定的轴向荷载和围压。

所述三轴压缩过程：维持试样的温度不变，根据预设的应力路径，以一定的剪切速率向试样施加设定的轴向压力和周围压力，其间通过数据采集系统监测试样的变形、荷载、围压、孔压、温度的变化情况。

所述周围压力系统、轴向加压系统、冻融循环系统均通过控制系统进行控制，精度较高，且轴向加压系统可按照恒定的应变-应力式控制进行加载，提高了试验的准确性，极大程度地方便了试验的进行。

具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的试样模具系统为圆柱状模具系统，对半保温桶盖13的中部设有安装孔，与安装孔同轴线开设多个循环管穿过孔。如此设置，便于与插接式滑动平台连接，且能够牢固的安装在实验平台上。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

实施例：

以三轴试验为例，步骤如下：

1)本发明试验装置组装：

首先，将第三密封圈19、第四密封圈20、第五密封圈21放置到底板1的对应槽内，将下压板3组装到底板1上，并用螺栓连接。将下透水板4放置到下压板3上，并将试样6放置到下透水板4上；在试样5上端放置上透水板9，然后放置上压板10。为了叙述方便，将该部分定义为部件ⅰ。

其次，将导向套12和桶盖11密封并用螺栓连接好，将承立杆14穿过导向套12，并旋紧螺母15，然后将筒体6和桶盖11用螺栓连接紧固。将循环管7穿过桶盖11紧固。为了叙述方便，将该部分定义为部件ⅱ。

然后，将部件ⅱ套装到部件ⅰ上，并用螺栓紧固。然后整体吊装到试验机加载架内。将对半保温桶围绕组装到筒体6上，盖好对半保温桶盖13。

最后，将压头16装到试验机加载架的压力传感器上。围压压力表、围压进液口、补水口、孔压测量口、温度传感器位置如图3所示。循环管7有两个连接口，为一进一出，冻融循环机；通过围压进液口向试验模具内注入围压液，并将桶盖上方的排气阀打开，待有防冻液流出，立即关闭排气阀。

2)固结阶段

首先，根据预定的试样固结应力状态，由轴向加压系统对试样施加预应力；周围压力系统可通过计算机控制的压力泵向试验模具内加注围压液体，施加预围压，并将桶盖上方的排气阀打开，待有防冻液流出，立即关闭排气阀。可根据试验要求不同对试样施加不同的围压，试样固结渗出的水通过下透水板和排水口排出外界。此时传感器串与数据采集系统连接，开始采集数据。试样固结排水量随时间变化曲线如下图4所示。

3)加载状态下冻融循环阶段

按预设固结时间完成固结后，维持施加于试样上的围压，同时施加预定的轴向压力，进入加载状态下冻融循环阶段。根据预定的冻融循环方式，由冻融循环系统向循环管连续输送设定温度的循环液进行试样的升/降温，升/降温过程中底板内部设置温度传感器，用于实时监测试样内部温度，形成目标温度的试样。试样在冻融循环过程中温度随时间变化曲线如下图5所示。

4)三轴压缩试验阶段

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，其间通过控制系统检测试样的变形情况。

之后，按预设模式进行三轴压缩试验至试样破坏。试验过程中，通过传感器测出试样内部温度和应变值；利用数据采集系统采集轴向位移、轴压、围压等相关数据。三轴压缩试验粗粒料应力-应变曲线如下图6所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。