温度场-应力场耦合固结试验方法与流程

本发明涉及一种温度场-应力场-渗流场耦合固结试验设备,用于获取温度变化情况下土体的固结渗流试验参数，指导工程实践。

背景技术：

核电站采用铀和钚作为燃料，核裂变或者核聚变之后会产生大量能量，核废料处理已经成为了世界难题。据不完全统计，全世界产生的核废料高达20万吨，各国大多采用粘性土进行永久填埋，核废料的放射性同位素在衰变过程中会产生巨大热量，在200-300年后温度高达200℃，因此有必要研究高温条件下粘性土的长期固结变形特性。

能源桩作为一种对地下桩基础中埋设换热管来代替传统地源热泵换热器的技术，不仅仅节省了高额的钻孔费用，并且不占据额外的室外面积，大大节省了地下空间，同时可以有效地控制施工质量。能源桩在换热过程中，桩周围土体温度会循环变化，该过程温度将减小桩土界面摩擦效应，如果在工程实践中缺乏考虑温度对土与结构物的相互作用，将会高估桩基承载力，导致工程事故频发。因此研究温度对土复杂环境下的工程特性，对确保安全施工具有重要意义。

油气管道一般需要高温高压输送，在运输过程中，油气管道将面临着热量耗散，在长期使用过程管道产生大量热量都会被周围土体吸收。研究表明，随着时间的增加，温度将加速土体的蠕变效应，导致管线在使用过程中因地基不均匀沉降发生开裂现象。

通过调研分析不难发现，掌握温度作用下软土固结变形特性是有效避免工程事故的前提之一。但工程事故发生绝不仅仅是在单一温度作用下的结果，而是一种复杂的系统工程。为了研究复杂条件下土体固结的特性，急需设计一种考虑温度场、应力场、渗流场耦合作用条件下的固结仪实验装置。传统固结仪仅能测得常温状态下土体的固结系数，即只能实现单一温度场下土体的固结特性，无法考虑应力场、渗流场和温度场作用对土体固结系数的影响。

基于上述情况，有必要研发一种考虑温度场、应力场和渗流场耦合的固结试验设备用于土体固结试验，为科学研究和工程设计提供数据支持。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是结合试验具体要求，提供一种考虑温度场、应力场和渗流场耦合的固结试验设备，并提供应用此设备的温度场-应力场耦合固结试验方法。本发明具有试验操作简单，试验具有考虑因素全面、可控性强等优点，解决目前固结仪使用的局限性。本发明的技术方案如下：

一种温度场-应力场耦合固结试验方法，所采用的设备包括试验主体系统、加载系统两个系统，所述的试验主体系统为温度-应力-渗流试验主体系统，其中：

所述的试验主体系统包括：基座、温度螺旋管、下透水石、上透水石、保温腔、盖板和环刀；在基座上固定连接内置温度螺旋管的保温腔，环刀置于保温腔内部，并在环刀内侧从下至上依次放置有下透水石、土样、上透水石和盖板；盖板与轴向压力传感器相连，盖板开设有与放水管相连通的通孔；

加载系统中包括温度控制装置、轴向加载装置、渗流控制装置和位移监测装置，其中，

温度控制装置包括：加热/制冷装置、循环泵、循环冷暖管和温度传感器，循环冷暖管将加热/制冷装置与循环泵相连，用以控制温度螺旋管的循环进出水及温度；温度传感器用以监测土样的温度；

轴向加载装置用以通过轴向压力传感器向盖板和位于其下的下透水石和土样施加轴向力；

渗流控制装置包括放水管、用以计量放水管流出水的量筒、上放水阀、反压管、下放水阀、渗流压力传感器和反压控制器，在基座内开设有导流管，通过反压管将基座的导流管与反压控制器相连通，并在反压管上连接用于监测排水量的渗流压力传感器；上放水阀和下放水阀分别设置在放水管和反压管上；

位移监测装置包括：位移传感器支架和与盖板固定连接的位移传感器；

试验方法如下：

(1)根据工程需要，采用环刀切取原状土样或制备成符合规范要求的扰动土样；

(2)在保温腔内部依次放入下透水石、将带有环刀的土样装入保温腔，在土样上依次放上透水石和盖板；安装位移传感器支架和位移传感器；安装轴向压力传感器和托盘；

(3)打开循环泵和加热/制冷装置，根据需要调整加热制冷循环水的温度，待温度传感器采集的温度达到预设值时开始固结渗流实验；

(4)打开上放水阀和下放水阀，关闭反压控制器；

(5)根据试验方案在托盘中按照加载要求放入砝码；

(6)荷载施加过程中，量测量筒中的渗流量。

优选地所述的轴向加载装置包括置于轴向压力传感器上的砝码，轴向压力传感器采集的压力信号通过数据采集器输入计算机中。温度传感器的温度信号通过数据采集器输入计算机中。位移传感器所监测的位移信号，通过数据采集器输入到计算机中。渗流压力传感器与采集器相连，并将压力信号输入计算机中。

本发明存在以下几个方面的优点：

(1)温度螺旋管遍布于土体四周，加热均匀；

(2)试验设备轻小，占地面积少，加载方便可靠，可以进行多参数测量；

(3)试验设备实验效果明显，并且成本较低，便于大规模制作。

附图说明

图1是本发明的一种考虑温度场、应力场和渗流场耦合的固结试验设备。

图中标号说明：1.计算机；2.数据采集器；3.反压控制器；4.砝码；5.位移传感器；6.位移传感器支架；7.盖板；8.环刀(直径6cm，高度4cm)；9.温度传感器；10.温度螺旋管；11.压力传感器；12.托盘；13.压力传感器；14.上放水阀；15.上透水石；16.下透水石；17.下放水阀；18.量筒；19.循环泵；20.加热/制冷装置；21.基座；22保温腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

参见图1，本发明提供了一种温度场-应力场-渗流场耦合的固结试验设备，主要包括温度-应力-渗流试验主体系统、加载系统两个系统。

温度-应力-渗流试验主体系统包括：基座21、温度螺旋管10、下透水石16、上透水石15、温度传感器9、保温腔22、盖板7、位移传感器5、压力传感器13、托盘12、环刀8。在基座21中心连接温度传感器9，在基座21上外侧固定连接内置温度螺旋管10的保温腔22，在保温腔的内部连有环刀8，并在环刀8内侧依次放置带有孔的下透水石16、滤纸、土样、上透水石15和盖板7。盖板7上分别与位移传感器5、压力传感器13和放水管相连。其中压力传感器与托盘12螺栓固定相连。

加载系统中包括温度控制装置、轴向加载装置、渗流控制装置、位移监测装置。温度控制装置包括：加热/制冷装置20、循环泵19、循环冷暖管、温度螺旋管10、温度传感器9、数据采集器2、计算机1。循环冷暖管将加热/制冷装置20与循环泵19相连，达到循环进出水的目的。循环冷暖管分别连接温度-应力-渗流试验主体系统的温度螺旋管10和加热/制冷装置20，控制进出水的温度。为了方便监测温度，温度-应力-渗流试验主体系统的温度传感器9可以监测土样的温度，温度传感器9的电信号，通过数据采集器2输入计算机1中。

轴向加载装置包括：砝码4、托盘12、压力传感器13、数据采集器2、计算机1。在压力传感器13分别与放砝码4的托盘12和数据采集器2相连。通过在托盘12中放在砝码4，并将压力电信号通过数据采集器2输入计算机1中。

渗流控制装置包括量筒18、放水管、上放水阀14、盖板7、基座21、反压管、下放水阀17、压力传感器11、反压控制器3、数据采集器2、计算机1。通过反压管将基座21与反压控制器3相连。并在反压管上连接压力传感器11，压力传感器分别与采集器2相连，并将压力信号输入计算机1中。放水管分别将量筒18与盖板7相连，用于监测排水量。其中上放水阀14和下放水阀17是根据试验要求和不同试验目的专门设置。

位移监测装置包括：位移传感器5、位移传感器支架6、基座21、数据采集器2、计算机1，盖板7。在基座21一侧设置位移传感器支架6，并将位移传感器5固定在盖板7上。将监测的位移信号，通过数据采集器2输入到计算机1中。

试验方法如下：

1.温度场-渗流场耦合渗透试验

(1)根据工程需要，采用环刀8切取原状土试样或制备成符合规范要求的扰动试样。

(2)在保温腔22中依次放入下透水石16(贴有滤纸)、将带有环刀8的土样装入保温腔22，插在温度传感器9上，在土样上依次放上滤纸、上透水石15和盖板7。安装位移传感器支架6和位移传感器5。安装压力传感器13和托盘12。

(3)打开循环泵19和加热/制冷装置20，根据需要调整加热制冷循环水的温度，待温度传感器9采集的温度达到预设值时开始温控渗流试验实验。

(4)打开上放水阀14，关闭下放水阀17。开启反压控制器3，根据需要调节反压大小。

(5)量测量筒18中的排水量。

(6)试验结束，吸出各管路中的水，拆除仪器部件，取出带环刀土样。

2.温度场-应力场耦合固结试验

(1)根据工程需要，采用环刀8切取原状土试样或制备成符合规范要求的扰动试样。

(2)在保温腔22中依次放入下透水石16(贴有滤纸)、将带有环刀8的土样装入保温腔22，插在温度传感器9上，在土样上依次放上滤纸、上透水石15和盖板7。安装位移传感器支架6和位移传感器5。安装压力传感器13和托盘12。

(3)打开循环泵19和加热/制冷装置20，根据需要调整加热制冷循环水的温度，待温度传感器9采集的温度达到预设值时开始固结渗流实验。

(4)打开上放水阀14，下放水阀17。关闭反压控制器3。

(5)根据试验方案在托盘12中按照加载要求放入砝码4。

(6)荷载施加过程中，应量测量筒18中的渗流量。

(7)试验结束，吸出各管路中的水，拆除仪器部件，取出带环刀土样。

3.温度场-应力场-渗流场耦合固结试验

(1)根据工程需要，采用环刀切取原状土试样或制备成符合规范要求的扰动试样。(2)在保温腔内部依次放入下透水石16(贴有滤纸)、将带有环刀8的土样装入保温腔22，插在温度传感器9上，在土样上依次放上滤纸、上透水石15和盖板7。安装位移传感器支架6和位移传感器5。安装压力传感器13和托盘12。

(3)打开循环泵19和加热/制冷装置20，，根据需要调整加热制冷循环水的温度，待温度传感器9采集的温度达到预设值时开始固结渗流实验。

(4)打开上放水阀14，关闭下放水阀17。开启反压控制器3，根据需要调节反压大小。

(5)根据试验方案在托盘12中按照加载要求放入砝码4。

(6)荷载施加过程中，应量测量筒18中的渗流量。

(7)试验结束，吸出各管路中的水，拆除仪器部件，取出带环刀土样。