一种测试土体不均匀冻胀系数的试验装置及方法与流程

本发明涉及土工试验技术领域，尤其涉及一种测试土体不均匀冻胀系数的试验装置及方法。

背景技术：

目前，许多国家级大型基建项目将迎来建设的高峰，而这些建设地区都属于高纬度或高海拔的寒冷地区，分布着较广的多年冻土和季节性冻土；此外，人工冻结法因其能较好的处理富水软弱地层，保证工程建设的顺利进行而被广泛应用。这些天然的或者人工产生的冻土较未冻时的物理力学性质发生较大改变，对工程自身的稳定性及周边环境都产生了严重的影响，如何测试不均匀冻胀系数从而准确建立冻土的本构关系是解决该问题的关键步骤。因此，需要一种能测量在一定应力环境下不均匀冻胀系数的试验装置及测试方法。

中国专利cn104316671b公开一种量测人工冻融土冻胀力与冻胀量的试验装置，中国专利cn202837082u的公开一种人工冻土冻融条件下的轴力与变形量测试验装置，中国专利cn108519405a公开一种土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，以上三个专利都只能进行沿热流方向上的冻胀变形和冻胀力之间关系的研究，无法进行垂直热流方向的变形规律研究，且试件顶面的温度为室温，无法精确控制。

因此设计一种能进行一定应力环境下的沿热流方向和竖直热流方向的冻胀变形测试装置和方法是十分重要和必须的。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种测试土体不均匀冻胀系数的试验装置及方法，其具有既能测量沿热流方向的冻胀变形又能测试垂直热流方向的冻胀变形的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种测试土体不均匀冻胀系数的试验装置，包括：

温控系统，包括分别用于调节试件底部、顶部温度的第一温控系统、第二温控系统，通过第一温控系统、第二温控系统可测试同一试件上多个温度状态下的不均匀冻胀系数；

加载系统，包括用于维持试件稳定围压的环向加载系统、用于施加轴向压力的轴向加载系统；

补水系统，用于向试件补充水；

数据采集系统，用于采集并处理试件的温度、应力变形数据。

进一步的，所述第一温控系统包括内部含有环向通路的第一冷盘、与所述第一冷盘相连的第一制冷机；

所述第一冷盘的侧面设有第一进液端口和第一出液端口。

进一步的，所述第二温控系统包括内部具有空腔的第二冷盘、与所述第二冷盘相连的第二制冷机；

所述第二冷盘的侧面设有第二进液端口和第二出液端口。

进一步的，所述第二出液端口内侧设有能够减小流速的透水棉，所述第二冷盘的中心设有孔道。

进一步的，所述环向加载系统包括安装于第一温控系统上方的气囊，所述气囊中心具有用于放置试件的孔；

气囊外侧由套筒固定；所述气囊连接空气压缩机，且二者之间设有气压表。

进一步的，所述轴向加载系统包括若干带有通孔的砝码。

进一步的，所述补水系统包括透水石和补水瓶，所述补水瓶连接补水管，补水管出口可与透水石接触。

进一步的，所述数据采集系统包括温度传感器、应变传感器、温度采集仪、应变采集仪和计算机，温度传感器将温度信号传输至温度采集仪，应变传感器将应变信号传输至应变采集仪，计算机接收温度采集仪、应变采集仪的信号并处理。

一种测试土体不均匀冻胀系数的试验方法，采用上述的试验装置，包括以下步骤：

步骤(1)将第一进液端口、第一出液端口通过软管与第一制冷机相连，并在软管外侧包裹保温棉；

步骤(2)在气囊表面涂抹凡士林，并将气囊安装进入套筒内部，然后将套筒与第一冷盘固定连接；

步骤(3)制备试件，将经过防水处理后的应变传感器贴于试件表面，并在对应位置处将温度传感器插入试件内部；然后在试件表面均匀涂抹凡士林，将试件放入气囊中心的孔并与第一冷盘接触；

步骤(4)将透水石侧面涂抹凡士林并放在试件顶部，将温度传感器、应变传感器分别与温度采集仪、应变采集仪相连；

步骤(5)将第二冷盘放置于透水石上方，将第二进液端口和第二出液端口与第二制冷机相连；将第一冷盘和套筒外侧包裹保温层；

步骤(6)对试件分多级施加围压、轴向压力直至达到设计围压σ3、轴向压力σ1；

步骤(7)将补水瓶连接补水管，补水管穿过第二冷盘中心孔道与透水石接触，在此应力状态下静置，使试件固结直至应变采集仪数值不变，然后将其数字归零；

步骤(8)打开补水瓶开关，设置第一制冷机、第二制冷机的制冷温度，使第一冷盘、第二冷盘温度分别降至设计温度t上、t下；

步骤(9)观察气压表读数，当气囊内气压升高应及时排气，使气囊压力稳定在设定值；

步骤(10)通过计算机观察传感器数据，并记录第i个监测截面处的温度ti、环向应变εiθ和轴向应变εiz，计算不同截面处的不均匀冻胀系数ηi。

进一步的，所述步骤(6)中，将设计围压σ3等分成多级，打开空气压缩机使气囊膨胀对试件加载至第一级围压σ3¹，然后关闭空气压缩机，在第二冷盘上添加砝码至压力达σ3¹；

再打开空气压缩机进行加载至第二级围压σ3²，关闭空气压缩机同时在轴向方向上添加砝码至σ3²；如此循环直到达到设计围压σ3，然后再添加砝码直到设计轴向压力σ1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明整个试验过程可通过调整气囊压力保证土样受到稳定的围压，从而保证试件处在稳定的应力环境下；

(2)本发明采用柔性的气囊施加围压，可进行特定侧压下土样的环向应变的测试，为不均匀冻胀系数的确定提供可能；

(3)本发明采用上下两个制冷盘，通过下部制冷盘(第一冷盘)调节试件底部温度，通过上部制冷盘(第二冷盘)调节试件顶面温度，能够在一个试件上测试多个温度状态下的不均匀冻胀系数。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的第一冷盘结构示意图；

图3为本发明的第二冷盘结构示意图；

其中，1、第一冷盘，1-1、第一进液端口，1-2、第一出液端口，1-3、螺栓孔，1-4、环向通路；

2、试件，3-1、第一制冷机，3-2、第二制冷机，4、气囊，5、套筒，6、砝码，7、透水石；

8、第二冷盘，8-1、第二进液端口，8-2、第二出液端口，8-3、透水棉，8-4、空腔，8-5、孔道；

9、补水瓶，10、气压表，11、空气压缩机，12、应变传感器，13、计算机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在只能进行沿热流方向上的冻胀变形和冻胀力之间关系的研究、无法精确控制试件顶面温度的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种测试土体不均匀冻胀系数的试验装置及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提供了一种测试土体不均匀冻胀系数的试验装置，包括温控系统、加载系统、补水系统和数据采集系统，其中，温控系统包括第一温控系统、第二温控系统，加载系统包括环向加载系统和轴向加载系统。

第一温控系统包括第一冷盘1和第一制冷机3-1，第一冷盘1的结构如图2所示，第一冷盘1内部具有多个彼此连通的环形通路1-4，其周向外侧设有第一进液端口1-1和第一出液端口1-2，第一进液端口1-1与最内侧环形通路1-4连通，第一出液端口1-2与最外侧环形通路1-4连通。

在一些实施方式中，第一进液端口1-1和第一出液端口1-2设置于第一冷盘1的1/2高度位置，且二者与第一冷盘1的中心连线形成一定夹角。

所述第一进液端口1-1、第一出液端口1-2分别通过软管与第一制冷机3-1相连。

在一些实施方式中，所述软管为橡胶管。

所述第一冷盘1轴向设有多个螺栓孔1-3。

第二温控系统包括第二冷盘8和第二制冷机3-2，第二冷盘8的结构如图3所示，所述第二冷盘8的内部设有空腔8-4，第二冷盘8中心设有用于补水管穿过的孔道8-5，所述第二冷盘8的侧面设有分别与空腔8-4连通的第二进液端口8-1和第二出液端口8-2。

在一些实施方式中，第二进液端口8-1和第二出液端口8-2设置于第二冷盘8的顶部位置，且二者与第二冷盘8的中心连线形成一定夹角。

所述第二出液端口8-2内侧设有能够减小流速的透水棉8-3。

所述第二进液端口8-1、第二出液端口8-2分别通过软管与第二制冷机3-2相连。

在一些实施方式中，所述软管为橡胶管。

所述环向加载系统包括气囊4、套筒5、空气压缩机11，所述套筒5用于给气囊4提供反力，空气压缩机11用于向气囊4中充气。

所述气囊4的中心具有用于放置试件2的孔，气囊4的侧面设有用于充放气的气嘴；套筒5侧壁具有用于气嘴穿过的孔。

所述套筒5内部中空，底部开口，顶部预留用于试件穿过的孔，套筒5底部开口直径大于其顶部预留孔，所述预留孔直径大于第二冷盘8直径。

套筒5底部边缘具有延伸部，延伸部带有通孔，延伸部的通孔与第一冷盘1的螺栓孔对应，使套筒5与第一冷盘1通过螺栓固定。

在一些实施方式中，所述套筒5为钢制套筒。

空气压缩机11通过管路与气囊4侧面的气嘴相连，所述管路上安装有气压表10；通过气囊4的充放气以维持试件2围压数值的稳定，气压表10用于实时监测气压。

所述轴向加载系统包括若干带有通孔的重量级砝码6，砝码6的通孔用于补水管穿过。

所述补水系统包括透水石7、补水管、补水瓶9，补水管与补水瓶9相连，所述补水管依次穿过砝码6中心的通孔、第二冷盘8的孔道8-5与放在试件2顶面的透水石7相接触。

在一些实施方式中，所述补水瓶9为马氏瓶，所述补水管为硅胶管。

所述数据采集系统包括温度传感器、应变传感器12、温度采集仪、应变采集仪和计算机13，温度传感器将温度信号传输至温度采集仪，应变传感器12将应变信号传输至应变采集仪，计算机13接收温度采集仪、应变采集仪的信号并处理。

在一些实施方式中，所述温度传感器为热电偶，所述应变传感器12为应变片。

采用本申请试验装置测试土体不均匀冻胀系数的方法为：

步骤(1)将第一进液端口1-1、第一出液端口1-2通过软管与第一制冷机3-1相连，并在软管外侧包裹保温棉；

在一些实施方式中，保温棉的厚度为2cm。

步骤(2)在气囊4表面涂抹凡士林，并将气囊4从套筒5底部安装进入套筒5内部，然后将套筒5与第一冷盘1通过螺栓连接。

步骤(3)制备试件2，试件2的制备过程为现有技术，此处不再赘述；

将经过防水处理后的应变片贴于试件2表面，并在对应位置处将热电偶插入试件2内部；然后在试件2表面均匀涂抹凡士林，通过套筒5顶部预留孔慢慢将试件2放入气囊4中心的孔并与第一冷盘1接触。

步骤(4)将透水石7侧面涂抹凡士林并放在试件2顶部，以减少变形过程中产生的摩擦力；将应变片、热电偶的线紧贴试件2从套筒5顶部孔隙引出，并将应变片、热电偶分别与温度采集仪、应变采集仪相连。

步骤(5)将第二冷盘8放置于透水石7上方，将第二进液端口8-1和第二出液端口8-2与第二制冷机3-2相连；

将第一冷盘1和套筒5外侧包裹2cm厚的保温层。

步骤(6)对试件2分多级施加围压、轴向压力直至达到设计围压σ3、轴向压力σ1：

将设计围压σ3等分成多级，打开空气压缩机11使气囊4膨胀对试件2加载至第一级围压σ3¹，然后关闭空气压缩机11，在第二冷盘8上添加砝码6至压力达σ3¹；

再打开空气压缩机11进行加载至第二级围压σ3²，关闭空气压缩机11同时在轴向方向上添加砝码6至σ3²；如此循环直到达到设计围压σ3，然后再添加砝码6直到设计轴向压力σ1。

步骤(7)将补水瓶9连接补水管，补水管穿过第二冷盘8中心孔道与透水石7接触，在此应力状态下静置，使试件2固结直至应变采集仪数值不变，然后将其数字归零。

步骤(8)打开补水瓶9开关，设置第一制冷机3-1、第二制冷机3-2的制冷温度，使第一冷盘1、第二冷盘8的温度分别降至设计温度t上、t下；

步骤(9)观察气压表10的读数，当试件2膨胀、气囊4内气压升高应及时通过气嘴排气，使气囊4压力稳定在设定值σ3；

步骤(10)通过计算机13观察应变片、热电偶数据，并记录第i个监测截面处的温度ti(i＝1,2,3…)、环向应变(垂直热流方向)εiθ和轴向应变(沿着热流方向)εiz，计算不同截面处(即不同温度下)的不均匀冻胀系数

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。