一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土工程试验仪器技术领域，具体涉及一种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]季节性冻土指的是冬季冻结春季融化的土层，受季节性影响，冬季冻结、夏季全部融化。我国季节性冻土区面积大约513.7万平方千米，占国土面积的53.5%。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程的变形控制具有较大影响。冻胀是指由于土的冻结作用而造成的体积膨胀现象；融沉是指季节性冻土融化时，冰晶和冰膜融化成水，土层在重力和上覆荷载的作用下，路基和路面产生不同的沉降现象。冻结和融沉对土体的结构会造成变化，在季节性冻土上铺设建筑物，首先要考虑冻结和融沉对它的影响，这也是研究土的冻融循环的目的所在。
[0003]目前，我国在冻融方面的研究，常用的试验方式大致可以分为三类:一是无压三向冻结，即用传统冻土力学研究中常用方法，将试样先冻结-融化循环，然后再进行力学试验，这种试验模式下冻融循环过程在完全无荷载条件下完成，并不能真实反映天然条件下土在受力状态下的实际冻融过程；第二种是在有机玻璃内进行的单向有压冻融试验，此类试验模式可在冻融过程中施加单向压力，同时可以模拟开发冻融过程，但试验测试仅限于压缩性、渗透性和孔隙比等几个指标，却无法量测冻融前后土体强度指标；第三种是在三轴试验机中将试样周围铺设加热-冷凝管道，在管道内通过液体循环将试样进行加热和冷凝，此试验方法可以对试样施加围压，但同时试样周围的加热-冷凝管道也对施加围压的液体温度造成影响，液体温度变化会导致围压变化，更有甚者，围压液体在长时间的降温可能冻结，使得试验整体失败。
[0004]本发明的目的是研究季节性冻土地区土体冻融循环的土体强度变形特性，为了尽可能的描述天然土体冻融循环过程，即实现三轴试验条件下冻融循环过程而开发的一套试验装置。
【发明内容】
[0005]针对研究背景中所涉及到的问题，本发明的目的是在三轴试验仪原有的饱和土试验的基础之上，提供了冻融循环装置，使得三轴试验仪中的土体能够迅速冷冻和升温，达到土在三轴试验状态下实现冻融循环效果。
[0006]—种三轴试验条件下的土体冻融循环试验装置，包括稳定压力氮气源、高精度压力控制阀门、三通1、开关控制阀门1、开关控制阀门I1、气体加热装置、气体冷凝装置、三通
11、开关控制阀门III和⑶S三轴试验仪。
[0007]I)装置连接原理
[0008]所述稳定压力氮气源通过导气管与高精度压力控制阀门的进气口连通，高精度压力控制阀门的出气口通过导气管与三通I的A气口连通，三通的B气口通过导气管与开关控制阀门I的进气口连通，三通的C气口通过导气管与开关控制阀门II的进气口连通。所述开关控制阀门I的出气口通过导气管与气体加热装置的进气口 I接通，给气体加热装置恒压供气，气体加热装置通过梯度加热的方式控制位于装置内部的气体。气体加热装置的出气口 I通过导气管与三通II的B气口连通。所述开关控制阀门II的出气口通过导气管与气体冷凝装置的进气口 II接通，给气体冷凝装置恒压供气，气体冷凝装置通过梯度冷凝的方式控制位于装置内部的气体。气体冷凝装置的出气口 II导气管与三通II的C气口连通。通过导气管将所述三通II的A气口与开关控制阀门III的进气口连通，开关控制阀门III的出气口与所述GDS三轴试验仪的进气口连通。被加热-冷凝的惰性气体通过开关控制阀门III向GDS三轴试验仪提供稳定压力的气体，连接原理参见附图1。
[0009]2)气体加热-冷凝装置
[0010]所述气体加热装置包括断路器、温控器1、温控探头1、阀门1、气压表1、进气保温通道1、出气保温通道1、隔热层1、加热管、耐高低温有机玻璃外壁1、进气口 1、出气口 1、铁丝网I和进气疏气装置I。
[0011]由所述耐高低温有机玻璃外壁I构造的加热容器，加热容器还包括隔热层1、加热管以及铁丝网I。
[0012]所述气体加热装置中的加热管与温控器I串联，温控探头I的数据输出端通过导线与温控器I数据端连接，断路器串联在温控器I与220V电源线路中间。
[0013]所述气体加热装置中的断路器I通电后，加热管中的电阻产生热量加热气体，温控探头I探测气体温度，通过串联的温控器I控制加热管的发热时间，加热管中出口气体超过一定温度后，控制断路器开关断开。如此，不断流入的气体在装置内部实现热量交换，保持输出气体的压力和温度稳定。
[0014]所述气体加热装置的进气口 I与进气保温通道I的一端连通，进气保温通道I的另外一端与进气疏气装置I的进气口连通。进气疏气装置I的出气口与所述加热容器的进气端连通，所述加热容器的出气端通过导气管与阀门I的进气口连通。所述阀门I的出气口通过导气管与气压表I的进气口连通，气压表I的出气口通过导气管与出气保温通道I的进气口连通。所述出气保温通道I的出气口与所述气体加热装置的出气口 I连通。
[0015]所述气体冷凝装置包括温控器11、温控探头I1、阀门I1、气压表I1、进气保温通道
I1、出气保温通道I1、隔热层I1、耐高低温有机玻璃外壁I1、进气口 I1、出气口 I1、冷凝管、压缩机、毛细管1、毛细管I1、蒸发器、干燥过滤器、铁丝网I1、和进气疏气装置II。
[0016]由所述耐高低温有机玻璃外壁II构造的冷凝容器，冷凝容器还包括隔热层I1、冷凝管以及铁丝网II。
[0017]所述的气体冷凝装置中冷凝管与干燥过滤器连通，干燥过滤器与蒸发器连通，毛细管I安装在连接蒸发器和干燥过滤器的管道内壁，蒸发器与压缩机连通，毛细管II安装在连接蒸发器和压缩机的管道内壁，压缩机与冷凝器连通形成一个循环。
[0018]所述气体冷凝装置的进气口 II与进气保温通道II的一端连通，进气保温通道II的另外一端与进气疏气装置II的进气口连通。进气疏气装置II的出气口在所述冷凝容器的进气端连通，所述冷凝容器的出气端通过导气管与阀门II的进气口连通。所述阀门II的出气口通过导气管与气压表II的进气口连通，气压表II的出气口通过导气管与出气保温通道II的进气口连通。所述出气保温通道II的出气口与所述气体冷凝装置的出气口 II连通。
[0019]所述气体加热装置的出气口与三通II的B气口连通，所述气体冷凝装置的出气口与三通II的C气口连通，三通II的A气口与开关控制阀门III的进气口连通。所述开关控制阀门III的出气口与⑶S三轴测试仪的进气口连通。
[0020]该装置作用是为GDS三轴试验仪提供压力稳定的冷、热气流。为了便于气体的加热-冷凝、流动，该装置的外观形状设计为圆柱体，参见附图2和3。各部分的详细功能以及设计如下:
[0021]附图4为进气疏气装置。气体通过气体空腔和稳流孔筛，形成平稳的气流，为下一步均匀加热-冷凝提供前提保证。考虑到既需要使气体平稳通过土颗粒，且不破坏土体颗粒结构，进入三轴试验仪的气体压强设置为小于20kPa。从进气口流入的高速气体在储气室中进行稳定、缓冲。
[0022]发热管呈圆形螺旋状均匀分布在装置的中心部位，其外部包裹一层圆柱散热铁丝网I。圆柱散热铁网I可吸收发热管散发的热量，并与气体充分接触，将余热均匀地传递给不断上涌的气体。隔热层I可对已经加热的气体进行保温，并保护有机玻璃外壁