一种可实现局部控温的三轴试验装置及其试验方法与流程

本发明公开了一种实现局部定位控温的三轴试验装置。

背景技术：

三轴试验被广泛用于测定土的强度和应力应变有关参数，也常用来测定土的静止侧压力系数k0、消散系数cv、渗透系统k等，在土工测试及岩土工程研究发展过程中扮演了极为重要的作用，是进行土变形和强度特征研究的关键手段，常规三轴试验由三轴试验系统来实现，该系统主要由压力室、轴向加压设备、围压施加系统、体积变化和孔隙压力量测系统以及计算机控制与分析系统所构成，在此基础上相继衍生出非饱和土三轴试验系统、动三轴试验测试系统、空心扭剪试验系统等一系列土工及岩石测试装置，为岩土工程相关研究发展提供有力的保障，可以说岩土学科每一步的发展都离不开土工测试设备的功能不断突破。

随着面对的岩土地质环境越来越为复杂，工程人员对测试手段、仪器设备也不断提出了新的功能要求以便更好地反映岩土体真实的状态，岩土体是自然的地质产物，应力应变、渗流、化学、温度等外部因素都现实存在并多场耦合关联，任何忽略周围环境因素影响而得到的土体基本性质是片面的，难以满足实际工程的需要，在诸多的外部因素中，温度的改变无疑是最为显著的诱因之一，温度改变必然带动物质的迁移从而引发化学场、应力场的改变，这使得考虑温度对岩土基本性质影响的研究日益受到国内外研究者的关注，更是当前现有非饱和测试装置不能回避的难点。

截止目前针对三轴试验系统国内外加热(制冷)温控方式可总结分为三种：①直接把整体仪器放在一个温度控制室或箱体内；②在三轴压力室外壁缠绕加热带或者线圈；③采用安装在压力室内的管片或棒发热并通过压力室内的液体传导加热试样，第一种方式无疑最为简单，无需在试验设备上增设装置，但温控实验室或者箱体的建设成本较高，尤其不利于具体人员在较高或较低温度环境下实验操作调节，同时所有电子元器件在高温高湿度环境下易产生故障和寿命损耗，而第二种方式最大问题在于热量的散逸，对于高温表现尚好，但对于低温下能耗较高从而对温度精度的控制存在较大难度；这一点同样存在于第三种方式，并且通过在内部安装加热制冷方式不仅很难控制温度的均匀性还存在容易发生泄漏进而导致围压不稳的情况发生。

为此能够实现高低温控制、温度控制精度高、分布均匀性好，且对电子元器件影响小并对三轴原生构造改动小的局部控温装置的设计构思一直存在着现实的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供局部控温三轴装置，通过该装置可以实现在各种三轴、扭剪及共振柱试验中试样的温度控制，该发明装置控温空间范围据试样大小体积而改变，针对性强、能耗小且温度精度高(可控制在±0.1℃)、空间均匀性好(可控制在±0.05℃)，控温范围可兼顾从高温150℃到低温-25℃较大的温度区间，同时整体构造小巧灵活，独立性强、拆卸方便，不对三轴等原有部件或构造有任何破坏，该装置控制和采集可以独立操作亦可以模块化镶嵌组合在已有采集控制软件中，植入性强。

为了实现本发明的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种实现局部控温的三轴试验装置，包括薄壁控温杯体和基座，薄壁控温杯体和基座构成封闭的杯型结构放置于三轴压力室内；

薄壁控温杯体的杯壁内设有一个相互连通的进液通道和出液通道，所述进液通道和出液通道相互间紧挨着并平行的形成一组螺旋盘绕上升的热交换循环通道；

进液通道的进液端和出液通道的出液端对称布置于薄壁控温杯体的上部两侧，所述进液通道的进液端和出液通道的出液端均与外部水浴装置连接；

试样的上部连接试样顶帽，试样的底部通过底座与金属杯型筒内壁底部相连，所述底座的内部和试样顶帽的内部分别埋设有温度监测探头；

所述温度监测探头和外部水浴装置均与控制器控制连接。

进液通道的进液端上连接有进液管路接头，出液通道的出液端上连接有出液管路接头。

所述薄壁控温杯体由金属杯型筒和有机玻璃筒嵌套复合而成，金属杯型筒外壁具有镂空凹槽，所述镂空凹槽与有机玻璃筒的内壁对接在一起形成所述热交换循环通道。

所述金属杯型筒外壁上位于上下两个相邻镂空凹槽之间设有用于保证热交换循环通道间不串流的密封胶条。

所述金属杯型筒的内壁下端具有渐缩型收缩口。

所述金属杯型筒的内壁设有用于增强散热面的纵横沟槽。

一种基于所述的实现局部控温的三轴试验装置的试验方法，薄壁控温杯体内填充液体，使试样完全淹没在液体内，并通过薄壁控温杯体的杯壁内的热交换循环通道连通外部水浴装置进行热量交换，实现在试样周围形成环形温度场；同时，薄壁控温杯体可以兼做压力室作用，通过加载在液体的气压压力实现了对试样的围压控制；

通过内置在底座和试样顶帽内的温度监测探头进行温度的检测，并将检测到的温度实时反馈给控制器，控制器控制外部水浴装置对水浴温度实现精确控温以及水浴循环速度实现精确控制，使处于薄壁控温杯体中心位置的试样充分受到液体作为热传导介质和筒壁热辐射后改变温度。

所述液体为防冻剂高沸点液体。

本发明的有益效果是：

1、本发明装卸方便，可据不同规格的底座配套使用，实现了在常规的动、静三轴、共振柱等试验系统开展不同温度条件下的土工试验；

2、本发明通过对试样局部控温来实现温度变化，能耗较低，拆卸方便、独立性强并且控温精度高，温度变化范围可达到-20℃～+150℃，温度精度为0.1℃，空间均匀度为0.05℃。

附图说明

图1实现局部控温的三轴试验装置剖面图；

图2控温装置剖面图；

图3-a为控温杯纵剖视图；

图3-b为控温杯俯视图；

图3-c为有机玻璃筒剖面图；

图3-d为有机玻璃外筒俯视图；

图3-e为杯体外壁管路、内部沟槽剖面图；

图3-f为杯体俯视图；

图4-a为基座纵剖面图；

图4-b为基座俯视图；

图5为热交换循环通道的结构示意图；

其中：1-薄壁控温杯体，2-金属杯型筒，3-有机玻璃筒，4-循环通道进口，5-循环通道出口，6-循环管路进口接头，7-循环管路出口接头，8-密封胶条，9-防冻及高沸点液体，10-试样，11-底座，12-基座，(13，14)-温度监测探头，15-压力室，16-连接气压控制围压，17-连接反压及顶帽温度探头，18-孔压连接及温度探头，19-基座，20-升降轴承，21-底座，22-顶帽，23-上透水板，24-试样，25-电子荷重计，26-液位，27-气体填充。

具体实施方式

实施例

如附图1-4，一种用于局部控温的三轴试验装置，该装置总体分为两个部分，即进行热量循环控温的薄壁控温杯体1和作为承台杯底的基座12，具体见图2。

薄壁控温杯体1分为两种材料的杯体嵌套组合，金属杯型筒2主要考虑热传导性，有机玻璃筒3主要考虑保温性能。这必须合理控制好金属杯型筒2外壁与有机玻璃筒3内壁直径差异以保证两层间良好的契合，金属杯型筒2内径大小尺寸具体要根据试验中试样尺寸大小而定，本次实施例是针对直径70mm的试样，其内径从上到下部可在110-98mm逐渐过渡收缩。

内层的金属圆筒杯2外壁镂空处理形成凹槽，与外层的有机玻璃筒3嵌套后，一方面两层材料交接形成沿桶壁螺旋上升的热交换循环通道，同时为保证温度的均衡性，循环通道进口4和循环通道出口5全部相邻平行排布并在薄壁控温杯体1上部分别形成对称的循环管路进口接头6、循环管路出口接头7，循环管路进口接头6、循环管路出口接头7与外部热源进行连接实现热交换。

另外每组循环通道之间由嵌入在金属杯型筒2外壁凹槽的密封胶条8进行封堵，保证了通道间液体不串流，也有利于双层的契合，具体见图2或图3-a。

为了提高热传导、扩散效率，金属杯型筒2内壁采用沟槽处理，形成散热叶片以加大热扩散面积，也加大阻尼减少因底座升降造成壁内防冻及高沸点液体9的起伏，保持试样10稳定。

为了保证在试样10高度范围的温度均衡一致，金属杯型筒2内壁下部采用了逐渐收缩的构造，保证散热面更接近安放试样10的底座11周围，减少因底座直接接触造成的热量散逸，同时内壁的散热片间距可以根据温度差异进行间距的变化以调节温度的空间差异。

这样安放好试样10后，把薄壁控温杯体1套入并与基座12上密封胶条8进行紧密闭合形成完整的杯体，试样10处于杯体中心，然后在其中充满热传导良好的防冻及高沸点液体9并淹没整个试样10后，控制水浴装置通过循环管路进口接头6和循环管路出口接头7进行热量交换。

一旦循环通道有热量进入，可以通过循环通道在薄壁控温杯体1形成一个封闭的环形温度场，筒壁的热辐射和防冻及高沸点液体9的热传导交换作用使处于薄壁控温杯体1中心的试样10得到均匀的温度影响，具体试样10的温度由埋设在顶帽及底座中的温度探头进行监测反馈，经过编程pid算法进而实现控温装置的精准性。

同时薄壁控温杯体1可以兼做压力室作用，通过加载在防冻及高沸点液体9的气压压力实现了对试样10的围压控制。

本发明中采集控温程序可以独立操作亦可以模块化镶嵌组合在已有采集控制软件中，植入性强。薄壁控温杯体1和基座尺寸可以根据试样要求灵活多变也可以作为标准尺寸的通用性装置广泛应用在岩土体等材料的三轴及共振试验的温控中。