一种土体冻融循环‑动荷载耦合的三轴试验装置的制作方法

本实用新型涉及正冻融土动强度的试验技术，尤其涉及一种土体冻融循环-动荷载耦合的三轴试验装置及其方法。

背景技术：

我国西部地区和东北境内分布着广泛的季节性冻土，季节性冻土一年内至少经历一次冻融循环。对于道路和堤防工程，冬冻春融时土体结构内部及周围湿度和温度都在波动。尤其是在行车荷载的动力作用下，路基或堤防材料特性会出现大幅度的改变，严重影响其正常的工作能力，更严重的可能使道路或堤身发生严重破坏。因此开展土体冻融循环-动荷载耦合情况下的研究显得尤为重要。目前，已知的研究土体冻融循环效应的仪器研制较多，但是大多以土体冻融后的静三轴仪为主，部分研究土体温度效应的动三轴仪只能单独实现土体的冻结或者增温。

为此，寻求一种实现土体冻融循环和动荷载相结合的设备和方法，已经成为冻融土动三轴试验方法中一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种土体冻融循环-动荷载耦合的三轴试验装置，可实现高低温的精确控制，且自动化控制温度变化，安装拆卸方便，提高了常规动三轴仪的普适性。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本装置包括试样、动三轴压力单元、温控单元和循环液供给单元；

其位置连接关系是：

试样置于动三轴压力单元内部，温控单元与动三轴压力单元连接监测其围压液体温度，温控单元又与循环液供给单元相连控制循环液的温度，循环液供给单元与动三轴压力单元相连，为其提供循环液。

与以往技术相比，本实用新型具有下列优点和积极效果：

①在动三轴仪的基础上增加了温控装置，可以实现冻融循环后的动三轴试验，对温度实现自动化控制，控温精度高；

②在压力室壁外部缠绕螺旋铜管控制围压液体的温度，实现试样的冻融循环，避免了在压力室壁开孔，压力室顶盖及底板的开孔也较少，有利于保温和提高温控精度；

③隔热石棉与螺旋铜管接触处按照铜管的纹路设置沟槽，使隔热石棉与螺旋铜管完全契合，增加保温板的密封性；

④循环液供给源与螺旋铜管采用特制保温管及保温接头相连接，最大限度降低循环液的温度损失；

⑤循环液体和围压液体均为乙二醇混合液，减少升温转降温时更换液体的麻烦，温控范围为-30～30℃，温度控制精度为±0.2℃；

⑥只进行常温动三轴试验时，将螺旋铜管和两块曲面保温板拆除即可，拓展了动三轴仪的应用范围。

总之，本实用新型能够实现土样在有荷情况下的冻融循环和动荷载的施加，温控精度高，安装拆卸方便。

附图说明

图1是本装置的结构方框图；

图2是本装置的结构示意图；

图3是螺旋铜管的结构示意图。

图中：

000—试样单元，

001—试样， 002—耐高低温橡皮膜，

003—试样上帽， 004—试样下帽，

005—上透水石， 006—下透水石；

100—动三轴压力单元，

101—激振器， 102—加载承台， 103—下排水管，

104—压力室出液口， 105—活塞杆， 106—不锈钢保温板，

107—保温隔热石棉， 108—压力室筒壁， 109—压力室，

110—传力杆， 111—压力传感器， 112—拉杆，

113—顶盖， 114—顶盖排水孔， 115—压力室进液口；

116—上排水管；

200—温控单元，

201—温度控制器， 202—导线， 203—温度传感器探针；

300—循环液供给单元，

301—循环液供给源， 302—循环液出口，

3031、3032—上、下保温管， 3041、3042—上、下保温接头，

305—铜管进液口， 306—螺旋铜管，

307—铜管出液口， 308—循环液回流口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1，本装置包括试样单元000、动三轴压力单元100、温控单元200和循环液供给单元300；

其位置连接关系是：

试样000置于动三轴压力单元100内部，温控单元200与动三轴压力单元100连接监测其围压液体温度，温控单元200又与循环液供给单元300相连控制循环液的温度，循环液供给单元300与动三轴压力单元100相连，为其提供循环液。

2、功能单元

0）试样单元000

如图2，试样单元000包括试样001，设置有耐高低温橡皮膜002、试样上帽003、试样下帽004、上透水石005和下透水石006；

在耐高低温橡皮膜002内，从下到上，试样下帽004、下透水石006、试样001、试样上帽003和上透水石005试依次排列构成一个圆柱。

所述的试样001是标准的三轴土样。

1）动三轴压力单元100

如图2，动三轴压力单元100包括激振器101、加载承台102、下排水管103、压力室出液口104、活塞杆105、不锈钢保温板106、保温隔热石棉107、压力室筒壁108、压力室109、传力杆110、压力传感器111、拉杆112、顶盖113、顶盖排水孔114、压力室进液口115和上排水管116；

其位置和连接关系是：

压力室109设置在顶盖113和加载承台102之间，并用拉杆112将顶盖113、压力室109和加载承台102固定为一体；

在压力室109中轴线上设置有传力杆110和压力传感器111，活塞杆105固定在加载承台102上，激振器101与活塞杆105相连，提供动荷载；

在加载承台102内部两侧分别设置有压力室进液口115和压力室出液口104，在顶盖113上开孔设置有顶盖排水孔114；

螺旋铜管306紧密缠绕在压力室筒壁108外壁上，并在螺旋铜管306外部依次设置有保温隔热石棉107和不锈钢保温板106，保温隔热石棉107内表面按照螺旋铜管306的纹路设置有沟槽，使保温隔热石棉107能够与螺旋铜管306完全契合；保温隔热石棉107与不锈钢保温板106粘在一起并分成两块曲面板，覆盖在螺旋铜管306外部后用钢箍箍紧；

在顶盖113的顶面和加载承台102的下底面均依次设置保温隔热石棉107和不锈钢保温板106。

2）温控单元200

如图2，温控单元200包括温度控制器201、导线202和温度传感器探针203；

温度传感器探针203置于压力室109内部，温度传感器探针203通过导线202与温度控制器201相连接，温度控制器201通过导线202与循环液供给源301相连接。

3）循环液供给单元300

如图2、3，循环液供给单元300包括循环液供给源301、循环液出口302、上、下保温管3031、3032、上、下保温接头3041、3042、铜管进液口305、螺旋铜管306、铜管出液口307和循环液回流口308；

在循环液供给源301的上、下部分别设置有循环液出口302、循环液回流口308，循环液出口302、上保温管3031、上保温接头3041、铜管进液口305、螺旋铜管306、铜管出液口307、下保温接头3042、下保温管3032和循环液回流口308依次连通。

二、使用方法

本方法包括下列步骤：

①试验前准备工作：制备试样001并置于恒温（根据需求设置，一般为室温）箱中24h，确保内部温度均匀；

②在活塞杆105上的耐高低温橡皮膜002内，从下到上，试样下帽004、下透水石006、试样001、试样上帽003和上透水石005试依次排列构成一个圆柱。

③安装压力室109，将螺旋铜管306紧密缠绕在压力室筒壁108外壁上，并将保温隔热石棉107与不锈钢保温板106组成的两块曲面板覆盖在螺旋铜管306外部，并使保温隔热石棉107内表面沟槽与螺旋铜管306表面突出部分完全契合，拼装好后用钢箍箍紧；

④安装顶盖113，将传力杆110下移，直至与试样上帽003顶部接触；

⑤在顶盖113的顶面和加载承台102的底面均依次设置保温隔热石棉107和不锈钢保温板106；

⑥向压力室109中注入乙二醇作为围压液体；

⑦开启循环液供给源301和温度控制器201；

⑧循环液供给源301设置有两个档，冻结时，当监测温度高于试验温度时，温度控制器201控制循环液供给源301供低于试验温度2℃的循环液；当监测温度等于试验温度时，温度控制器201控制循环液供给源301提供等于试验温度的循环液；

融化时，当监测温度低于试验温度时，温度控制器201控制循环液供给源301提供高于试验温度2℃的循环液；当监测温度等于试验温度时，温度控制器201控制循环液供给源301提供等于试验温度的循环液；

⑨待监测温度达到试验温度后，再等待2h，使试样001内部温度达到试验要求温度，随后即可进行动三轴试验；

⑩试验结束后，关闭循环液供给源301的开关，螺旋铜管306中循环液在自重作用下回流至循环液供给源301。