高压低温冻土压力加载装置的制作方法

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种与ct配套的高压低温冻土压力加载装置。

背景技术：

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，具有流变性、温度敏感性等特点，一般分布于高纬地带和高山垂直带上部。由于人类活动大多集中在温暖地区或低海拔平原地带，所以对于冻土的认识不是很多，但是随着人类活动空间的扩大以及对资源需求的增多，人类逐渐将目光投向了太空、海洋和冻土区。中国的冻土可分为季节冻土和多年冻土，其中季节冻土占中国领土面积一半以上，多年冻土分总面积为全国领土面积的1/5。随着社会及技术的发展，在冻土区开展的工程也逐渐增多，因此需要对冻土的性质进行深入研究。

研究冻土的性质时最理想的试样是原状冻土，然而，冻土对土温、含水量、干容重、压力等参数很敏感，而现有技术中的冻土进行研究的压汞法、显微镜切片法、扫描电镜镀膜法、x射线衍射法到超声波法、计算机断层扫描技术(ct技术)都存在局限性，对制备好的试样产生扰动，无法真实反应土体内部细微观结构在外部环境作用下的实时变化。其中，最理想的方法是利用计算机断层扫描技术(ct技术)对冻土进行观察研究，该方法需要用与ct机配套的压力舱对冻土进行监测。现有的压力舱为控温压力舱，但其为分离式结构，利用ct扫描技术对对冻土在温度变化或受荷过程中的检测都是在带控温系统的三轴试验机上进行力学试验，在试验进行到某个阶段时，再将试样取出放到ct扫描系统上进行扫描，这样导致在取出放入过程中，由于外界环境温度的影响，使得试样的温度发生微小的改变，容易对扫描进行干扰，极大的影响试验结果的准确性与可靠性，且无法长时间保持低温状态，无法实现稳定高压下的操作，精度低，对冻土的研究有局限性，无法开展长周期的研究工作。现有的低温冻土三轴压力室包括以下部件：围压系统、轴压系统、温控系统，整个设备设计为竖向固定的设备，尺寸很大，压力壁很厚，不能实现在加载中进行ct扫描。为了克服以上技术问题，亟需一种满足ct断层扫描的高压低温冻土压力加载装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是为了克服上述技术问题，提供一种高压低温冻土压力加载装置，该装置结构尺寸小，能够水平放置，易于移动，能够与ct设备联合使用，能够完成高压和/或长时间低温环境下的冻土研究工作，数据结果准确度及精确度高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高压低温冻土压力加载装置，包括一体化结构的油缸单元和压力室单元，油缸单元包括液压缸端盖、缸筒及液压缸后盖，三者围绕而成的筒体内设置有活塞组件，活塞组件与活塞杆相连，活塞杆通过液压缸端盖延伸到筒体外部，活塞组件底部与连接部的一端相连，液压缸后盖上设置有m油口，液压缸后盖后端连接有压力传感器单元，压力传感器单元包括传感器护筒，传感器护筒尾部与护筒座相连，液压缸后盖、传感器护筒与护筒座之间形成放置容置腔，容置腔内放置有压力试验机传感器与承载该传感器的传感器座，传感器座与连接部的另一端相连，压力试验机传感器后端连接有第一压头，油缸单元还包括进油口与出油口，压力室单元包括压力室件，压力室件上设有排气孔，排气孔处设置有排气阀，通过紧固板将压力室件前端固定在隔热板，隔热板的另一侧与护筒座后侧相连，压力室件外侧设置有外缸，压力室件后端设置有压力室底板，压力室底板上贯通设置有试样装夹辅助杆，压力室件内部设置有试样容腔，试样容腔两端各设置有一个压头，试样容腔前端的压头与推力杆相连，推力杆与第一压头相作用，试样容腔外依次设置有油液层和冷冻液通道层，油液层与围压加载装置相连，冷冻液通道层内设置有用于保持试样温度的冷冻液通道，压力室单元还设置有围压传感器以及温度传感器，围绕压力室单元外侧设置有保温单元，围压加载装置采用数字式伺服稳压油源对围压进行自动跟踪稳压，油缸单元中采用数字式伺服稳压油源控制高精度油缸对轴压进行加载自动跟踪稳压。

具体的，还包括处理器，温度传感器、压力试验机传感器和围压传感器分别与处理器相连，还包括与处理器相连的显示装置。

具体的，液压缸端盖上沿其前端延伸设置有用于承载固定位移传感器的位移传感器座，位移传感器为光栅位移计，位移传感器与处理器相连，还包括与位移传感器连接的位移传感器显示表。

优选的，还包括分别与处理器相连的振动传感器及与其相连接的报警器，振动传感器与压力室单元相连，当检测的振动参数超过一定阈值时，处理器控制报警器发出警报。

具体的，液压缸端盖内侧与活塞间及液压缸后盖内侧与连接部间设置有密封圈，液压缸端盖外侧与活塞间及液压缸后盖外侧与连接部间还设置有防尘圈。

优选的，油缸单元、压力室单元和保温单元为一体化结构。

进一步的，还包括支撑体，支撑体包括底座，底座上设置有前支撑座和后支撑座，压力传感器单元通过圆柱销固定在前支撑座和后支撑座上。

具体的，冷冻液通道包括依次连接的进水口、循环通道、过水道、螺旋槽、回水道及出水口，进水口及出水口分别与压力室单元外部连通，螺旋槽围绕压力室件外壁设置，压力室单元还设置有用于排布过线的过线口。

具体的，冷冻液通道包括第一通道及第二通道，第一通道依次包括第一进水口、第一循环通道、第一螺旋槽、第一回水道及第一出水口，第二通道依次包括第二进水口、第二循环通道、过水道、第二螺旋槽、第二回水道及第二出水口，第一回水道与第二回水道相互独立且被隔板间隔开来，第一出水口、第一进水口、第二进水口、第二出水口贯通设置在压力室底板上。

进一步的，压力室件包括结构相同对称设置的上部和下部，上部和下部连接端头之间设置有试样装夹辅助杆，上部呈倒z字型结构。

本发明的有益效果是：结构设计合理，利用一体化结构，可以水平放置，易于移动，能够实现冻土无扰动实时监测，防止冻土受到外界环境温度的影响，能够长时间在低温和高压环境下进行试验，提高试验结果的准确度和精确度，便于移动，操作简单，性能稳定，采用数字式伺服稳压油源能够实现高达10mpa的围压，相对于现有制冷技术而言，采用相互独立的冷冻液通道设计，制冷效率高，能够实现压力室长时间工作在-20℃—30℃的温度范围内，且无需担心低温环境下影响传感器采集数据的有效性，能够进行上下板温差不超过0.1℃的高精度控温；此外，由于本申请的结构尺寸小，能够满足ct扫描内径尺寸，非加压端部采用的是螺栓固定承受荷载，可以控制压力室的壁厚，使得压力室的壁很薄，使得ct扫描的射线穿透压力室的壁；且能够在振动干扰超过一定阈值时，发出警报，以便能够准确试验，节省人力物力，降低成本。本发明适用于冻土试验研究。

附图说明

图1是本发明的俯向结构示意图；

图2是本发明的侧向结构示意图；

图3是本发明的后视图；

图4是本发明图1的a-a截面示意图；

图5是本发明图1的c向视图；

图6是本发明图2的b-b截面示意图；

图7是本发明中油缸单元的俯向结构示意图；

图8是本发明中油缸单元的侧向图；

图9是本发明图7的c向视图；

图10是本发明中压力室单元的俯向结构示意图；

图11是本发明中压力室单元的侧向结构示意图；

图12是本发明图10的c向视图；

图13是压力室单元的后视图；

其中，1.活塞杆，2.第一螺钉，3.液压缸端盖，4.缸筒，6.液压缸后盖，7.传感器座，8.压力试验机传感器，9.传感器护筒，10.护筒座，11.隔热板，12.冷却缸压板，13.紧固板，14.压力室件，15.外缸，17.出水接头，18.压力室底板，19.试样装夹辅助杆，20.左压头，21.试样容腔，22.密封圈，26为底座，27.后支撑座，28.圆柱销，30.前支撑座，31.右压头，37.位移传感器座，39.防尘圈，44.第一压头，45.推力杆，47.旋转接头，48.保温单元，50.压力室端盖，51.杠杆，52.杠杆座，53.圆柱销，54.透水板，56.油缸接头，57.密封垫片，58为油口，100.m油口，101.第一出水口，102.第一进水口，103.第一过线口，104.螺旋槽，105.过水道，106.第一回水道，107.排气孔，108.第一循环通道，201.第二出水口，202.第二进水口，203.第二过线口，206.第二回水道，208.第二循环通道，301.进出油孔，302.隔板，303.回油口。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

在本申请中以图中左侧为前端，右侧为后端或尾部。在本申请的附图中，为了能够清楚表达部件位置关系，将部分隐藏的部分部件进行特殊处理，绘于图上。使得其可视。

本发明的装置结构如图1-6所示，油缸单元与压力室单元为一体化结构，能够减少外界干扰，克服现有技术中分离式结构的缺点，结构尺寸小，能够满足ct扫描内径尺寸，非加压端部采用的是螺栓固定承受荷载，可以控制压力室的壁厚，使得压力室的壁很薄，使得ct扫描的射线穿透压力室的壁，以满足ct断层扫描的要求，更优选的是优选设计油缸单元、压力室单元和保温单元为一体化结构。高压低温冻土压力室采用铝合金材料。

如图7-9，油缸单元包括油缸模块及荷载传感器模块，油缸模块包括液压缸端盖3、缸筒4及液压缸后盖6，液压缸端盖3上沿其前端延伸设置有用于承载固定位移传感器的位移传感器座37，位移传感器为光栅位移计，优选为反射式光栅，光栅位移计的精度高，位移综合测量精度50mm，精度0.1％f.s，还包括设置在液压电气控制柜上方的与位移传感器连接的光栅位移计显示表，可以直观地观测得知位移数据。油缸模块用于加载轴压。

液压缸端盖3通过第一螺钉2固定在缸筒4上，基于固定力考虑，优选高强内六角圆柱头螺钉，液压缸端盖3、缸筒4及液压缸后盖6围绕而成的区域为筒体，筒体内设置有活塞组件，活塞组件与活塞杆1相连，活塞杆1通过液压缸端盖3延伸到筒体外部，活塞组件底部与连接部相连，连接部即图1中在缸筒44内与液压缸后盖6相连的矩形区域，液压缸后盖6上设置有m油口100，m油口100可以根据实际情况的需要，选择作为进油口或出油口，液压缸后盖6后端连接有压力传感器单元，压力传感器单元包括传感器护筒9，传感器护筒9尾部与护筒座10相连，传感器护筒9固定在液压缸后盖6后端，液压缸后盖6、传感器护筒9与护筒座10之间形成放置容置腔，容置腔内放置有压力试验机传感器8与承载该传感器的传感器座7，传感器座7与连接部相连，通过第一螺钉2将压力试验机传感器8固定在传感器座7上，压力试验机传感器8可以选用svsl-xs-20t型号，精度高。压力试验机传感器8后端连接有感知压力的第一压头44，油缸单元还包括进油口与出油口，进油口与出油口处设置有油缸接头56，通过油缸单元完成轴向加压。

油缸单元中的密封容腔承受油压作用，因此，缸体组件要有足够的强度，较高的表面精度及可靠的密封性。为防止油液向液压缸外泄漏或由高压腔向低压腔泄漏，在缸筒与端盖、活塞与活塞杆、活塞与缸筒、活塞杆与前端盖之间等处均设置有密封装置，在前端盖外侧等处，还装有防尘装置，例如图8中，液压缸端盖3内侧与活塞间及液压缸后盖6内侧与连接部间设置有密封圈22，液压缸端盖3外侧与活塞间及液压缸后盖6外侧与连接部间还设置有防尘圈39，如此可以增加密封性，降低干扰，提高准确度与精确度。密封装置优选为o形密封圈。o形密封圈的截面为圆形，能够实现静密封和速度较低的滑动密封，简单紧凑，安装方便，价格便宜，可在-40～120℃的温度范围内工作。在无液压力时，靠o形圈的弹性对接触面产生预接触压力，实现初始密封，当密封腔充入压力油后，在液压力的作用下，o形圈挤向槽一侧，密封面上的接触压力上升，提高了密封效果。为了保证密封效果，在动密封中，当压力大于10mpa时，o形圈就会被挤入间隙中而损坏，为此需在o形圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈，其厚度为1.3～2.4mm，双向受高压时，两侧都要加挡圈。为了防止活塞快速退回到行程终端时撞击缸盖，液压缸端部还设置有缓冲装置，防止损坏缸体，有时还需设置排气装置，如在图7中液压缸端盖3顶端设置的装置就是排气装置。

如图10-13，压力室单元包括压力室件14，压力室件14上设有排气孔107，排气孔107与油液层相连通，排气孔107处设置有排气阀，通过控制排气阀控制是否从排气孔进行排气操作。通过紧固板13将压力室件14前端固定在隔热板11上，隔热板11与压力室件14之间还设有冷却缸压板12，冷却缸压板12能够快速进行温度传导，隔热板11的另一侧与护筒座10后侧相连，隔热板采用尼龙板，成本低廉，隔温效果好。压力室件14外侧设置有外缸15，外缸即为冷却缸。压力室件14后端设置有压力室底板18，压力室底板18上贯通设置有用于辅助装夹试样的试样装夹辅助杆19。压力室件14包括结构相同对称设置的上部和下部，上部和下部连接端头设置有试样装夹辅助杆19，上部呈倒z字型结构如图所示，z字型逆向旋转90°的结构，按照图中方向，其右侧即为其前端；如此设计，紧固性好，易于更换及维修，当上部损坏时，只需要更换上部，节约成本。压力室件14包括结构相同对称设置的上部和下部，上部和下部连接端头设置有试样装夹辅助杆19，上部呈倒z字型结构如图所示，z字型逆向旋转90°的结构，按照图中方向，其右侧即为其前端；如此设计，紧固性好，易于更换及维修，当上部损坏时，只需要更换上部，节约成本。

压力室件14内部设置有试样容腔21，试样容腔21两端各设置有一个压头，具体而言，试样容腔21后端设有左压头20，前端设置有右压头31，左压头20与试样容腔之间设置有透水板54，右压头31前端与推力杆45相连，推力杆45与第一压头44相作用。试样容腔21外依次设置有油液层和冷冻液通道层，油液层与围压加载装置相连，围压加载装置包括设置在压力室单元侧部的围压进阀与围压卸除(即放油或回油)开关，用于调节围压。冷冻液通道层内设置有用于保持试样温度的冷冻液通道，冷冻液通道包括依次连接的进水口、循环通道、过水道、螺旋槽、回水道及出水口，螺旋槽104围绕压力室件14外壁设置螺旋槽为冷却循环槽，其位置优选分布在压力室件14后侧端部处。进水口及出水口分别与压力室单元外部连通，出水接头与出水口相连，例如图10中，出水接头17与第一出水口101相连，压力室单元还设置有用于排布传感器等部件线路的过线口、围压传感器以及温度传感器，温度传感器可以设置于压力室端盖50处或其他位置，如在压力室底板18上贯通设置有第一过线口103，为了使得布线合理均匀，还设置有第二过线口203。围绕压力室单元外侧设置有保温单元48，保温单元48可以采用塑料泡沫制成的保温罩，上述各个压头皆为隔热压头，以减少对冻土温度的影响。还包括与温度传感器相连的温度显示装置，以便操作人员能够及时根据显示的温度对进入系统的水温进行调节，使得温度满足试样环境要求。

采用数字式伺服稳压油源对围压进行自动跟踪稳压，油缸单元中采用数字式伺服稳压油源控制高精度油缸对轴压进行加载自动跟踪稳压，数字式伺服稳压油源能够实现本申请的高压功能。如此设计的高压低温冻土压力室能够形成高达10.0mpa的高压试验环境。

该装置中还包括处理器，处理器与温度传感器、压力试验机传感器8和围压传感器分别与处理器相连，还包括与处理器相连的显示装置以便于显示相应上述数据，使得操作人员及时跟进各项参数的情况。在该装置中使用油液而不是气缸控制高精度油缸针对轴压、围压进行调节，并将由压力试验传感器测得的压力、位移传感器测得的位移值、围压传感器测得的围压数据传输到处理器进行处理并显示。处理器对相应数据进行处理及显示，处理器还可以与数字式伺服稳压油源相连，通过数字式伺服稳压油源对轴压及围压进行自动控制。在具体的试验中，首先进行温度控制，而后施加围压，同时注意控制温度；继而施加轴压，同时调节温度，整个过程中一直利用处理器对相应数据进行处理，并控制轴压及围压。此外，还可以利用数字式伺服稳压油源显示体积变化量，体积变化量可以根据油量变化(油的进、出体积可以计算出来)直接得到，无需采用传感器。

冷冻液通道包括第一通道及第二通道，第一通道与第二通道相互独立且被隔板间隔开来，以便在需要两端的温度不同时，可以单独控制试样两端顶(外)部的温度。可以设置冷冻液通道包括依次连接的进水口、循环通道、过水道、螺旋槽、回水道及出水口，进水口及出水口分别与压力室单元外部连通。此外，本申请还提出以下设计，第一出水口101、第一进水口102、第二出水口201、第二进水口202贯通设置压力室底板18上，水源1通过第一进水口102进入左端面，在左端面做循环，循环后通过第一循环通道108，进入冷却缸左部分的螺旋槽，当循环到冷却缸的中间位置时，进入第一回水道106，然后通过第一回水道106从第一出水口101出来，完成左循环。2、水源2通过第二进水口202进入右端面做循环。循环后通过过水道105，进入冷却缸右部分的螺旋槽，进入第二循环通道208，当循环到冷却缸的中间位置时，进入第二回水道206，然后通过第二回水道206从2出水口出来，完成右循环，第一回水道106和第二回水道206是独立的，中间用隔板302隔开，如图6所示。如此设计，能够实现长时间处于低温状态，保证冻土性能和结构，提高测量结果的准确度，有效保证压力室工作温度范围-20℃—30℃；上下板温差不超过0.1℃。

为了保持密封性，接头与系统连接处安装有密封垫片57。设置旋转接头47以便利于调试设备，通过进出油孔301及回油口303通入油液，为了简化设备，也可以设置进出油孔301与回油口303为同一个孔，如58为油口，一般是进油的，但是也可以出油。

将制得的土样放入本发明的装置中后，不需要再来回更换装置即可实现冻土在外荷载及温度变化下的ct扫描，做到无扰动实时监测，冻土无需受到外界环境温度的影响，且能够长时间在低温和高压环境下进行试验，试验结果准确性与可靠性较高，为低温和高压环境下冻土研究提供了丰富的数据。

为了进一步提高结果的准确度，该装置还包括分别与处理器相连的振动传感器及报警器，振动传感器与压力室单元相连，当检测的振动参数超过一定阈值时，处理器控制报警器发出警报，提醒操作人员注意振动的干扰，可以等到消除振动干扰因素后再进行试验，提高结果准确性。

为了提高使用便利性，提高稳定性，该装置还包括支撑体，支撑体包括底座26，前支撑座30和后支撑座27分别使用第一螺钉2固定在底座26上，压力传感器单元通过圆柱销28固定在前支撑座30和后支撑座27上。为了使得该装置便于移动，可以在底座底部设置万向轮，也可以在万向轮上设定锁定部件，等移动到特定位置，锁住锁定部件，固定高压低温冻土压力室，带需要移动时，解锁锁定部件即可移动，提高使用便利性。

为了轻便地实现设备的水平移动，该系统的底部还连接有杠杆51，所述杠杆51通过圆柱销53固定在杠杆座52上。同理，也可以加设小车，将本系统固定在小车上进行移动。此外，也可以不采用小车或杠杆，直接由人工抬起移动本系统。