CN103884581B - 一种空心冻土试验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心冻土试验装置及其使用方法，在底座上设置压力室，在压力室内由下至上依次安装下部垫块、试样下帽圈、空心冻土试样、试样上帽圈、上部垫块、活塞，压力室的顶部设有活塞孔，活塞穿过活塞孔，并与上部垫块接触；内、外胶膜与空心冻土试样壁紧密接触，制冷介质通过内、外压通道与围压控制设备连接，冷却液循环通道与温控设备连接，温度传感器置于制冷介质中。待空心冻土试样径向温度梯度达到试验要求并稳定后，便可实现径向温度梯度空心冻土试样的压缩试验、剪切试验和蠕变试验，为进一步研究温度梯度对冻土强度及变形的影响提供依据，且操作方便，价格低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种空心冻土试验装置及其使用方法，尤其涉及一种径向温度梯度边界条件下的冻土试验装置及其使用方法。
背景技术
冻土是一种温度低于0℃且含有冰的特殊岩土层，对外界温度变化极为敏感。目前针对冻土的研究主要集中在均匀温度冻土，已经取得了强度随温度降低而增加的共识。天然冻土地区（多年冻土和季节冻土）路基工程、管线工程，人工冻土（竖井开挖、基坑围护、地铁联络通道、盾构对接及进出洞）工程中冻土温度场具有一定的非均匀性（温度梯度），沿用非均匀温度冻土实验方法和理论体系去预测、评估多年冻土地区与人工冻土工程中冻土帷幕（结构）的变形与稳定，具有重要的学术价值和工程意义。相关装置亟待建立。
目前已有大多冻土试验装置主要针对均匀温度实心冻土试样，缺少非均匀温度下空心冻土试样的相关试验装置。已有空心扭剪仪试验对象为空心试样，但是无法实现非均匀温度的控制。已有发明申请号为：201310010431.1的公开文献“温度梯度冻土单轴蠕变试验装置及其使用方法”和申请号为：201310313643.7的公开文献“一种二维温度梯度冻土试验装置及其使用方法”,分别可以实现实心冻土试样的竖向温度梯度控制和二维温度梯度控制，但均不是专门针对空心冻土试样，无法实现空心冻土试样的力学性质精确测试。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种空心冻土试验装置及其使用方法，可以实现空心冻土试样内、外不同温度的独立控制，可以实现径向温度梯度的快速及稳定的控制，为研究温度梯度空心冻土的力学性质提供进一步的技术保证。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种空心冻土试验装置，包括底座、压力室、空心冻土试样、内胶膜、外胶膜、内循环管道、外循环管道、控温制冷设备和围压控制设备，所述压力室罩设在底座上面，所述压力室顶部设有活塞孔；在所述压力室内，所述底座上设置有凹槽朝上的下部垫块，所述下部垫块上固定安装有空心环状帽形结构的试样下帽圈，且所述下部垫块的凸起部分位置与试样下帽圈的帽沿位置相对应固定；所述内胶膜为空心筒状结构，所述内胶膜竖直安装在试样下帽圈上，且所述内胶膜的底面四周与试样下帽圈的帽沿内圈边缘固定，所述空心冻土试样为空心筒状结构，所述空心冻土试样的内表面紧挨内胶膜的外表面放置在试样下帽圈的帽沿上，所述外胶膜为空心筒状结构，所述外胶膜的内表面紧挨空心冻土试样的外表面，且所述外胶膜的底面四周固定安装在试样下帽圈的帽沿外圈边缘，所述内胶膜和外胶膜上面设置有试样上帽圈，且所述内胶膜和外胶膜的顶部四周与试样上帽圈的帽沿内、外圈边缘分别固定，所述的试样上帽圈、空心冻土试样、试样下帽圈的内、外直径相同；在所述试样上帽圈上固定安装有凹槽朝下的上部垫块，且所述上部垫块的凸起部分位置与试样上帽圈的帽沿位置相对应，所述上部垫块的上表面设置有活塞，且所述活塞设置在活塞孔中；在所述空心冻土试样的内腔中设置有内循环管道，所述内循环管道的两个连接端口分别穿过下部垫块和底座再与冷却液循环通道连接，所述冷却液循环通道与控温制冷设备连接，所述围压控制设备通过内压通道与空心冻土试样的内腔连通，所述围压控制设备往内腔中通入制冷介质；在所述空心冻土试样的***空腔中设置有外循环管道，所述外循环管道的两个连接端口分别穿过底座与冷却液循环通道连接，所述冷却液循环通道与控温制冷设备连接，所述围压控制设备通过外压通道与空心冻土试样***空腔连通，所述围压控制设备往***空腔中通入制冷介质。所述空心冻土试样的内腔和***空腔通入的制冷介质中设置有温度传感器，所述温度传感器的信号输出端与数据采集仪的信号输入端连接。
更进一步的，所述内循环管道为倒U形结构；所述外循环管道为螺线管型倒U形结构，可增加外循环管道与制冷介质的接触面积。
更进一步的，所述内胶膜和外胶膜的顶部四周与试样上帽圈用橡皮筋扎紧，所述内胶膜和外胶膜的底部四周与试样下帽圈用橡皮筋扎紧。橡皮筋弹性较大，易于操作，且扎紧效果较好，可以实现空心冻土试样的内壁、外壁与制冷介质完全密封隔离。
一种空心冻土试验装置的使用方法，包括以下步骤：
a、在底座上固定安装下部垫块，并且使其凹槽向上，在下部垫块上固定安装试样下帽圈，且所述下部垫块的凸起部分位置与试样下帽圈的帽沿位置相对应；在所述试样下帽圈的帽沿内圈边缘处竖直安装内胶膜，紧挨着内胶膜外侧竖直安装空心冻土试样，紧挨着空心冻土试样的外侧竖直安装外胶膜，在空心冻土试样上端面放置试样上帽圈，在所述试样上帽圈上面固定安装上部垫块，且所述上部垫块的凸起部分位置与试样上帽圈的帽沿位置相对应，在所述上部垫块的上表面设置有活塞；
b、在所述空心冻土试样的空腔中设置内循环管道，所述内循环管道的两个连接端口分别穿过下部垫块和底座再与冷却液循环通道连接，所述冷却液循环通道与控温制冷设备连接；在所述空心冻土试样的***空腔中设置有外循环管道，所述外循环管道的两个连接端口分别穿过底座与冷却液循环通道连接，所述冷却液循环通道与控温制冷设备连接；
c、所述围压控制设备通过内压通道与空心冻土试样的内腔连通，所述围压控制设备通过外压通道与空心冻土试样***空腔连通；所述空心冻土试样的内腔和所述空心冻土试样的***空腔中设置有温度传感器；
d、在底座上安装压力室，使得上述步骤中已安装的结构置于压力室内部，所述的活塞穿过活塞孔露置在压力室顶部外；
e、所述围压控制设备往内腔和***空腔中分别通入制冷介质；
f、打开控温制冷设备，控温制冷设备的冷媒通过冷却液循环通道在内循环管道和外循环管道中循环；
g、监控温度传感器的数据，同时动态调整控温制冷设备的温度；
h、待空心冻土试样的内腔和***空腔温度稳定，形成设定的径向温度梯度后，则可以进行冻土试验。
有益效果：
1、本发明装置及其使用方法主要针对空心冻土试样，可以实现内、***压的独立控制，可以实现内、外不同温度的独立控制，可以形成空心冻土试样的不同径向温度梯度分布、不同径向围压分布的边界条件，为研究温度梯度冻土的力学性质提供了更进一步的技术保证。
2、本发明装置中空心冻土试样通过液体制冷介质制冷，可以加快径向温度梯度的控制时间，其制冷效果优于空气传递制冷效果，且液体制冷介质可以直接作为内、***压的加载载体。
3、本发明装置中温度传感器直接置于内、外制冷介质中，可以直接量测内、外制冷介质的温度，为动态调整控温制冷设备提供依据。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
附图2为试样上帽圈的主视图。
附图3为试样上帽圈的俯视图。
附图4为试样下帽圈的主视图。
附图5为试样下帽圈的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1所示，一种空心冻土试验装置，包括底座6、压力室2、空心冻土试样11、内胶膜14、外胶膜15、内循环管道17、外循环管道18、控温制冷设备和围压控制设备，所述压力室2罩设在底座6上面，所述压力室2顶部设有活塞孔。
在所述压力室2内，所述底座6上设置有凹槽朝上的下部垫块13，所述下部垫块13上固定安装有空心环状帽形结构的试样下帽圈12，且所述下部垫块13的凸起部分位置与试样下帽圈12的帽沿位置相对应固定，所述下部垫块13与试样下帽圈12采用螺栓10固定；所述内胶膜14为空心筒状结构，所述内胶膜14竖直安装在试样下帽圈12上，且所述内胶膜14的底面四周与试样下帽圈12的帽沿内圈边缘密封固定，所述空心冻土试样11为空心筒状结构，所述空心冻土试样11的内表面紧挨内胶膜14的外表面，且空心冻土试样11的底面设置在试样下帽圈12的帽沿上，所述外胶膜15为空心筒状结构，所述外胶膜15的内表面紧挨空心冻土试样11的外表面，且所述外胶膜15的底面四周采用密封固定方式安装在试样下帽圈12的帽沿外圈边缘，所述内胶膜14和外胶膜15的高度略高于空心冻土试样11的高度，所述内胶膜14和外胶膜15上面设置有试样上帽圈9，且所述内胶膜14和外胶膜15的顶部四周与试样上帽圈9的帽沿内、外圈边缘分别密封固定，所述的试样上帽圈9、空心冻土试样11、试样下帽圈12的内、外直径相同，且试样上帽圈9同样为空心环状帽形结构；在所述试样上帽圈9上固定安装有凹槽朝下的上部垫块8，且所述上部垫块8的凸起部分位置与试样上帽圈9的帽沿位置相对应固定，所述上部垫块8与试样上帽圈9采用螺栓10固定，所述上部垫块8的上表面设置有活塞1，且所述活塞1设置在活塞孔中，通过活塞1在活塞孔中向下移动对空心冻土试样11进行加载，便可实现径向温度梯度冻土试样的压缩试验、剪切试验和蠕变试验。
在所述空心冻土试样11的内腔（即为内胶膜14内侧的压力室2空间区域）中设置有内循环管道17，所述内循环管道17的两个连接端口分别穿过下部垫块13和底座6再与冷却液循环通道3连接，所述冷却液循环通道3与外界控温制冷设备连接，所述围压控制设备通过内压通道4与空心冻土试样11的内腔连通，所述围压控制设备通过内压通道4可以往内腔中通入制冷介质19，外界温控制冷设备内的冷却液通过冷却液循环通道3在内腔内循环管道17中循环，冷却液传递冷量给内腔制冷介质19，从而实现内腔的独立控制；同时通过内压管道4往内腔中通入一定量的制冷介质19来独立实现内腔压力值。在所述空心冻土试样11的***空腔（即为外胶膜15外侧的压力室2空间区域）中设置有外循环管道18，所述外循环管道18的两个连接端口分别穿过底座6再与冷却液循环通道3连接，所述冷却液循环通道3与外界控温制冷设备连接，所述围压控制设备通过外压通道7与空心冻土试样11***空腔连通，所述围压控制设备通过外压通道7可以往***空腔中通入制冷介质19，外界温控制冷设备的冷却液通过冷却液循环通道3在外循序管道18中循序，冷却液传递冷量给***制冷介质19实现***空腔的独立控制；同时通过外压管道7往***空腔中通入一定量的制冷介质19来独立实现***空腔压力值。上述液体制冷介质19不仅制冷效果优于空气传递式制冷效果，而且液体制冷介质19可以直接作为内、***压的加载载体，配合完成空心冻土试样11的试验。
所述空心冻土试样11的内腔和***空腔通入的制冷介质19中均设置有温度传感器16，所述两个温度传感器16分别通过温度传感引线5与数据采集仪连接，所述的两个温度传感器16的信号输出端分别与其对应的数据采集仪的信号输入端连接。这样便可以检测内、外腔不同温度，从而实现内、外腔不同温度的独立控制。
所述内循环管道17为倒U形结构，所述外循环管道18为螺线管型倒U形结构。空心冻土试样11为本装置试验对象，由于空心冻土试样11内腔空间有限，而螺线管型倒U形结构循环管道体积较大，故使用倒U形内循环管道结构；由于空心冻土试样11***空腔空间较大，为了增加制冷接触面积，可以使用螺线管型倒U形结构循序管道。
所述内胶膜14和外胶膜15的顶部四周与试样上帽圈9用橡皮筋扎紧，所述内胶膜14和外胶膜15的底部四周与试样下帽圈12用橡皮筋扎紧，可以实现空心冻土试样的内壁、外壁与制冷介质完全密封隔离。
一种空心冻土试验装置的安装及其使用方法，包括以下步骤：
a、在底座6上固定安装下部垫块13，并且使其凹槽向上，在下部垫块13上固定安装试样下帽圈12，且所述下部垫块13的凸起部分位置与试样下帽圈12的帽沿位置相对应；在所述试样下帽圈12的帽沿内圈边缘处竖直安装内胶膜14，紧挨着内胶膜14外侧竖直安装空心冻土试样11，紧挨着空心冻土试样11的外侧竖直安装外胶膜15，在空心冻土试样11上端面设置上试样上帽圈9，在所述试样上帽圈9上面固定安装上部垫块8，且所述上部垫块8的凸起部分位置与试样上帽圈9的帽沿位置相对应，在所述上部垫块8的上表面设置有活塞1；
b、在所述空心冻土试样11的空腔中设置内循环管道17，所述内循环管道17的两个连接端口分别穿过下部垫块13和底座6再与冷却液循环通道3连接，所述冷却液循环通道3与控温制冷设备连接；在所述空心冻土试样11的***空腔中设置有外循环管道18，所述外循环管道18的两个连接端口分别穿过底座6与冷却液循环通道3连接，所述冷却液循环通道3与控温制冷设备连接；
c、所述围压控制设备通过内压通道4与空心冻土试样11的内腔连通，所述围压控制设备通过外压通道7与空心冻土试样11***空腔连通；所述空心冻土试样11的内腔和所述空心冻土试样11的***空腔中设置有温度传感器16；
d、在底座6上安装压力室2，使得上述步骤中已安装的结构置于压力室2内部，所述的活塞1穿过活塞孔露置在压力室2顶部外；
e、所述围压控制设备往内腔和***空腔中分别通入制冷介质19；
f、打开控温制冷设备，控温制冷设备的冷媒（冷却液）通过冷却液循环通道3在内循环管道17和外循环管道18中循环；
g、监控温度传感器16的数据，同时动态调整控温制冷设备的温度，调试至空心冻土试样的试验温度；
h、待空心冻土试样11的内腔和***空腔温度稳定，形成设定的径向温度梯度后，通过活塞1在活塞孔中向下移动对空心冻土试样11进行加载，便可实现径向温度梯度冻土试样的压缩试验、剪切试验和蠕变试验，为进一步研究温度梯度对冻土强度及变形的影响提供依据。
本发明装置底座6采用的是不锈钢材质。试样上、下帽圈与上、下部垫块采用环氧树脂、尼龙等绝热高强材料，可以最大限度的隔绝内、外不同制冷介质的相互影响，消除空心冻土试样11上、下两端径向温度梯度与其整体径向温度梯度不一致的现象。
本发明是专门针空心冻土试样的结构设计的，在空心冻土试验精度中，比使用目前公知的实心冻土试验装置更进一步。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种空心冻土试验装置，其特征在于：包括底座(6)、压力室(2)、空心冻土试样(11)、内胶膜(14)、外胶膜(15)、内循环管道(17)、外循环管道(18)、控温制冷设备和围压控制设备，所述压力室(2)罩设在底座(6)上面，所述压力室(2)顶部设有活塞孔；
在所述压力室(2)内，所述底座(6)上设置有凹槽朝上的下部垫块(13)，所述下部垫块(13)上固定安装有空心环状帽形结构的试样下帽圈(12)，且所述下部垫块(13)的凸起部分位置与试样下帽圈(12)的帽沿位置相对应固定；所述内胶膜(14)为空心筒状结构，所述内胶膜(14)竖直安装在试样下帽圈(12)上，且所述内胶膜(14)的底面四周与试样下帽圈(12)的帽沿内圈边缘固定，所述空心冻土试样(11)为空心筒状结构，所述空心冻土试样(11)的内表面紧挨内胶膜(14)的外表面，所述空心冻土试样(11)放置在试样下帽圈(12)的帽沿上，所述外胶膜(15)为空心筒状结构，所述外胶膜(15)的内表面紧挨空心冻土试样(11)的外表面，且所述外胶膜(15)的底面四周固定安装在试样下帽圈(12)的帽沿外圈边缘，所述内胶膜(14)和外胶膜(15)上面设置有试样上帽圈(9)，且所述内胶膜(14)和外胶膜(15)的顶部四周与试样上帽圈(9)的帽沿内、外圈边缘分别固定，所述的试样上帽圈(9)、空心冻土试样(11)、试样下帽圈(12)的内、外直径相同；在所述试样上帽圈(9)上固定安装有凹槽朝下的上部垫块(8)，且所述上部垫块(8)的凸起部分位置与试样上帽圈(9)的帽沿位置相对应，所述上部垫块(8)的上表面设置有活塞(1)，且所述活塞(1)设置在活塞孔中；
在所述空心冻土试样(11)的内腔中设置有内循环管道(17)，所述内循环管道(17)的两个连接端口分别穿过下部垫块(13)和底座(6)再与冷却液循环通道(3)连接，所述冷却液循环通道(3)与控温制冷设备连接，所述围压控制设备通过内压通道(4)与空心冻土试样(11)的内腔连通，所述围压控制设备往内腔中通入制冷介质(19)；在所述空心冻土试样(11)的***空腔中设置有外循环管道(18)，所述外循环管道(18)的两个连接端口分别穿过底座(6)与冷却液循环通道(3)连接，所述冷却液循环通道(3)与控温制冷设备连接，所述围压控制设备通过外压通道(7)与空心冻土试样(11)***空腔连通，所述围压控制设备往***空腔中通入制冷介质(19)；
所述空心冻土试样(11)的内腔和***空腔通入的制冷介质(19)中设置有温度传感器(16)，所述温度传感器(16)的信号输出端与数据采集仪的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种空心冻土试验装置，其特征在于：所述内循环管道(17)为倒U形结构，所述外循环管道(18)为螺线管型倒U形结构。
3.根据权利要求1所述的一种空心冻土试验装置，其特征在于：所述内胶膜(14)和外胶膜(15)的顶部四周与试样上帽圈(9)用橡皮筋扎紧，所述内胶膜(14)和外胶膜(15)的底部四周与试样下帽圈(12)用橡皮筋扎紧。
4.基于权利要求1所述的一种空心冻土试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在底座(6)上固定安装下部垫块(13)，并且使其凹槽向上，在下部垫块(13)上固定安装试样下帽圈(12)，且所述下部垫块(13)的凸起部分位置与试样下帽圈(12)的帽沿位置相对应；在所述试样下帽圈(12)的帽沿内圈边缘处竖直安装内胶膜(14)，紧挨着内胶膜(14)外侧竖直安装空心冻土试样(11)，紧挨着空心冻土试样(11)的外侧竖直安装外胶膜(15)，在空心冻土试样(11)上端面放置试样上帽圈(9)，在所述试样上帽圈(9)上面固定安装上部垫块(8)，且所述上部垫块(8)的凸起部分位置与试样上帽圈(9)的帽沿位置相对应，在所述上部垫块(8)的上表面设置有活塞(1)；
b、在所述空心冻土试样(11)的空腔中设置内循环管道(17)，所述内循环管道(17)的两个连接端口分别穿过下部垫块(13)和底座(6)再与冷却液循环通道(3)连接，所述冷却液循环通道(3)与控温制冷设备连接；在所述空心冻土试样(11)的***空腔中设置有外循环管道(18)，所述外循环管道(18)的两个连接端口分别穿过底座(6)与冷却液循环通道(3)连接，所述冷却液循环通道(3)与控温制冷设备连接；
c、所述围压控制设备通过内压通道(4)与空心冻土试样(11)的内腔连通，所述围压控制设备通过外压通道(7)与空心冻土试样(11)***空腔连通；所述空心冻土试样(11)的内腔和所述空心冻土试样(11)的***空腔中设置有温度传感器(16)；
d、在底座(6)上安装压力室(2)，使得上述步骤a、b、c中已安装的结构置于压力室(2)内部，所述的活塞(1)穿过活塞孔露置在压力室(2)顶部外；
e、所述围压控制设备往内腔和***空腔中分别通入制冷介质(19)；
f、打开控温制冷设备，控温制冷设备的冷媒通过冷却液循环通道(3)在内循环管道(17)和外循环管道(18)中循环；
g、监控温度传感器(16)的数据，同时动态调整控温制冷设备的温度；
h、待空心冻土试样(11)的内腔和***空腔温度稳定，形成设定的径向温度梯度后，则可以进行冻土试验。
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