CN117074194B - 一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载*** - Google Patents

一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，包括：垫板；压力室，压力室固定在垫板的顶端且与垫板同轴设置，压力室内的中心位置通过固定机构固定有土样；第一围压***；第二围压***；轴压***；供气***，供气***用于为第一围压***、第二围压***、轴压***供气；压力传感器，压力传感器设置在土样的顶部且与土样顶部。本发明可以设置不同的轴压和双向围压来进行试验。同时装置移动便捷，能够广泛应用于土样的室内冻融试验。有效地解决了现有设备在进行冻融试验时无法模拟土体实际受力状态的问题。

Description

一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***
技术领域
本发明涉及土力学试验领域，特别是涉及一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***。
背景技术
我国是世界第三冻土大国，其中季节性冻土约占我国陆地总面积的53.5％。随着我国经济建设的不断发展，越来越多的大型基础设施在季节冻土区兴建。作为建筑物的基础和土工构筑物的主体，土体在长期冻融作用下的强度稳定性和变形稳定性是上部结构安全服役的重要保障。土体在冻融胀缩过程中，其体变路径将受到初始应力状态的显著影响，进而改变土颗粒的排列和土颗粒间的联结，造成土的结构和力学性质发生变化。目前关于土体冻融的研究主要集中于零应力状态或完全侧限应力状态，尚未考虑土体在三向受力条件下的力学性质的冻融劣化效应。
两项已有专利，201720292939.9和201910718941.1，分别介绍了一种应变控制式三轴仪的试件冻融循环自动化装置和一种用于粗粒土的大型冻融循环三轴试验设备。然而，它们的运作过程依赖于多个复杂的组件，维护和故障排除相对复杂，并且使用的样本是圆柱形，无法模拟土体的三向应力状态，且无法快速地进行批量试验。
针对上述问题，本文提出一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，实现在三向应力条件下进行土体的冻融循环试验，更加真实的模拟土体在实际工程中的三向复杂受力状态，弥补冻融循环作用在复杂应力条件下对土体力学性质影响方面研究的欠缺。
发明内容
本发明的目的是提供一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，以解决现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，包括：
垫板；
压力室，所述压力室固定在所述垫板的顶端且与所述垫板同轴设置，所述压力室内的中心位置通过固定机构固定有土样；
第一围压***，所述第一围压***设置在所述压力室内且与所述土样左右两侧面对应设置；
第二围压***，所述第二围压***设置在所述压力室内且与所述土样的前后两面对应设置；
轴压***，所述轴压***设置在所述压力室内的底部且与所述土样的底部对应设置；
供气***，所述供气***用于为所述第一围压***、所述第二围压***、所述轴压***供气；
压力传感器，所述压力传感器设置在所述土样的顶部且与所述土样顶部；
其中，所述第一围压***、所述第二围压***、所述供气***的施压方向位于以所述土样中心为原点的空间直角坐标系的三个坐标轴上。
根据本发明提供的三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，所述压力室包括四个刚性外壁、压力室顶板，四个所述刚性外壁呈矩形环状结构布置，所述压力室顶板位于所述刚性外壁的顶部且与所述刚性外壁可拆卸连接。
根据本发明提供的三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，所述固定机构包括分别设置在所述土样顶端和底端的土样顶板和土样底板，所述土样底板与所述刚性外壁固定连接，所述土样底板固定在所述垫板的顶面，所述压力室顶板、所述土样底板的中心位置分别开设有通孔，所述土样顶板可拆卸连接在所述压力室顶板的所述通孔内，所述垫板上设置有固定组件，所述压力传感器通过所述固定组件可拆卸连接在所述土样顶板上。
根据本发明提供的三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，所述固定组件包括固定连接在所述垫板顶面的支撑架，所述支撑架为U型结构，所述压力室顶板中心的所述通孔内设置有固定板，所述固定板底面与所述压力传感器抵接，所述支撑架上竖向螺纹连接有定位螺栓，所述定位螺栓与所述固定板的顶面抵接。
根据本发明提供的三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，所述供气***包括气泵，所述第一围压***、所述第二围压***、所述轴压***分别与所述气泵固定连通。
根据本发明提供的三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，所述第一围压***包括两个第一围压气囊，两所述第一围压气囊分别设置在所述土样左右侧壁与对应的所述刚性外壁之间，所述压力室的左右侧壁上分别开设有第一围压气孔，所述气泵的输出端固定连接有第一围压气管，所述第一围压气管穿过所述第一围压气孔与所述第一围压气囊固定连通。
根据本发明提供的三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，所述第二围压***包括两个第二围压气囊，两所述第二围压气囊分别设置在所述土样前后外壁与对应的所述刚性外壁之间，所述压力室的前后外壁上分别开设有第二围压气孔，所述气泵的输出端固定连接有第二围压气管，所述第二围压气管穿过所述第二围压气孔与所述第二围压气囊固定连通。
根据本发明提供的三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，所述轴压***包括固定在所述土样底部与所述土样底板之间的轴压气囊，所述土样底板上开设有轴压气孔，所述气泵的输出端固定连通有轴压气管，轴压气管一端穿过所述轴压气孔与所述轴压气囊固定连通。
根据本发明提供的三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，所述第一围压气管、所述第二围压气管、所述轴压气管上分别设置有精密压力控制器，所述精密压力控制器用于分别控制所述第一围压气囊、所述第二围压气囊、所述轴压气囊的压力。
根据本发明提供的三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，相邻所述刚性外壁之间设置有隔板，所述隔板与所述刚性外壁之间的夹角为45°。
本发明公开了以下技术效果：
1)本发明工作时，通过将土样固定在压力室内，之后分别在土样的四周以及底部设置第一围压***、第二围压***以及围压***，并将供气***分别与第一围压***、第二围压***以及围压***连接，通过固定机构将压力传感器固定在土样的顶部，之后通过供气***为第一围压***、第二围压***以及围压系供气，压力传感器连接压力采集***，压力采集***显示土样受到的双向围压与轴压达到预设值后，将压力室放入冻融循环箱内，供气***位置在压力室外，如此，土样就会在冻融循环的同时受到持续且稳定的围压和轴压作用，可以模拟土体在实际工程中承受的三向应力状态的同时进行土体的冻融试验。
2)本发明可以设置不同的轴压与任意的双向围压来进行试验。同时装置移动便捷，能够广泛应用于土样的室内冻融试验。有效地解决了现有设备在模拟土体冻融循环状态下力学性质研究存在的问题。
3)本发明模拟精度高，可以模拟实际环境中土体承受的三向应力状态，包括水平两向的围压和竖向的轴压。
4)本装置在冻融试验中可以保持围压和轴压的稳定，更真实地反映冻融过程中土体结构的变化对其力学性质的影响。相比于现有冻融循环试验技术能够提供更真实、更准确的试验数据。
5)与已有的冻融试验设备相比，本装置易于装配，操作方便，容易维护和故障排除。大大减轻试验人员的工作负担，提高试验效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明持荷冻融土样气压加载***的轴测图；
图2为本发明持荷冻融土样气压加载***主视图的剖视图；
图3为本发明持荷冻融土样气压加载***俯视图的剖视图；
图4为本发明持荷冻融土样气压加载***的***图。
其中，1、垫板；2、土样；3、压力传感器；4、刚性外壁；5、压力室顶板；6、土样顶板；7、土样底板；8、支撑架；9、固定板；10、定位螺栓；11、气泵；12、第一围压气囊；13、第一围压气孔；14、第一围压气管；15、第二围压气囊；16、第二围压气孔；17、第二围压气管；18、轴压气囊；19、轴压气孔；20、轴压气管；21、隔板；22、固定螺钉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-4，本发明提供一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，包括：
垫板1；
压力室，压力室固定在垫板1的顶端且与垫板1同轴设置，压力室内的中心位置通过固定机构固定有土样2；
第一围压***，第一围压***设置在压力室内且与土样2左右两侧面对应设置；
第二围压***，第二围压***设置在压力室内且与土样2的前后两面对应设置；
轴压***，轴压***设置在压力室内的底部且与土样2的底部对应设置；
供气***，供气***用于为第一围压***、第二围压***、轴压***供气；
压力传感器3，压力传感器3设置在土样2的顶部且与土样2顶部；
其中，第一围压***、第二围压***、供气***的施压方向位于以土样2中心为原点的空间直角坐标系的三个坐标轴上。
本发明工作时，通过将土样2固定在压力室内，之后分别在土样2的四周以及底部设置第一围压***、第二围压***以及轴压***，并将供气***分别与第一围压***、第二围压***以及轴压***连接，通过固定机构将压力传感器3固定在土样2的顶部，之后通过供气***为第一围压***、第二围压***以及轴压***供气，压力传感器3连接压力采集***，压力采集***显示土样2受到的双向围压与轴压达到预设值后，将压力室放入冻融循环箱内，供气***位置在压力室外，如此，土样2就会在冻融循环的同时受到持续且稳定的围压和轴压作用，可以模拟土体在自然环境下承受的三向应力状态的同时进行土体的冻融试验。
进一步优化方案，压力室包括四个刚性外壁4、压力室顶板5，四个刚性外壁4呈矩形环状结构布置，压力室顶板5位于刚性外壁4的顶部且与刚性外壁4可拆卸连接。刚性外壁4与压力室顶板5之间通过固定螺钉22可拆卸连接。
进一步优化方案，固定机构包括分别设置在土样2顶端和底端的土样顶板6和土样底板7，土样底板7与刚性外壁4固定连接，土样底板7固定在垫板1的顶面，压力室顶板5、土样底板7的中心位置分别开设有通孔，土样顶板6可拆卸连接在压力室顶板5的通孔内，垫板1上设置有固定组件，压力传感器3通过固定组件可拆卸连接在土样顶板6上。
进一步优化方案，固定组件包括固定连接在垫板1顶面的支撑架8，支撑架8为U型结构，压力室顶板5中心的通孔内设置有固定板9，固定板9底面与压力传感器3抵接，支撑架8上竖向螺纹连接有定位螺栓10，定位螺栓10与固定板9的顶面抵接。
进一步优化方案，供气***包括气泵11，第一围压***、第二围压***、轴压***分别与气泵11固定连通。
进一步优化方案，第一围压***包括两个第一围压气囊12，两第一围压气囊12分别设置在土样2左右侧壁与对应的刚性外壁4之间，压力室的左右侧壁上分别开设有第一围压气孔13，气泵11的输出端固定连接有第一围压气管14，第一围压气管14穿过第一围压气孔13与第一围压气囊12固定连通。
进一步优化方案，第二围压***包括两个第二围压气囊15，两第二围压气囊15分别设置在土样2前后外壁与对应的刚性外壁4之间，压力室的前后外壁上分别开设有第二围压气孔16，气泵11的输出端固定连接有第二围压气管17，第二围压气管17穿过第二围压气孔16与第二围压气囊15固定连通。
进一步优化方案，轴压***包括固定在土样2底部与土样底板7之间的轴压气囊18，土样底板7上开设有轴压气孔19，气泵11的输出端固定连通有轴压气管20，轴压气管20一端穿过轴压气孔19与轴压气囊18固定连通。
进一步优化方案，第一围压气管14、第二围压气管17、轴压气管20上分别设置有精密压力控制器，精密压力控制器用于分别控制第一围压气囊12、第二围压气囊15、轴压气囊18的压力。
通过精密压力控制器控制气泵11向第一围压气囊12、第二围压气囊15、轴压气囊18内重启，实现对土样2轴压和围压的精确控制。
进一步优化方案，相邻刚性外壁4之间设置有隔板21，隔板21与刚性外壁4之间的夹角为45°。隔板21的设置将相邻的第一围压气囊12和第二围压气囊15分开，相对的气囊之间的压力相等，从而能模拟土体在自然环境下的双向不等围压。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，其特征在于，包括：
垫板（1）；
压力室，所述压力室固定在所述垫板（1）的顶端且与所述垫板（1）同轴设置，所述压力室内的中心位置通过固定机构固定有土样（2）；所述压力室包括四个刚性外壁（4）、压力室顶板（5），四个所述刚性外壁（4）呈矩形环状结构布置，所述压力室顶板（5）位于所述刚性外壁（4）的顶部且与所述刚性外壁（4）可拆卸连接；相邻所述刚性外壁（4）之间设置有隔板（21），所述隔板（21）与所述刚性外壁（4）之间的夹角为45°；
第一围压***，所述第一围压***设置在所述压力室内且与所述土样（2）左右两侧面对应设置；
第二围压***，所述第二围压***设置在所述压力室内且与所述土样（2）的前后两面对应设置；
轴压***，所述轴压***设置在所述压力室内的底部且与所述土样（2）的底部对应设置；
供气***，所述供气***用于为所述第一围压***、所述第二围压***、所述轴压***供气；
压力传感器（3），所述压力传感器（3）设置在所述土样（2）的顶部且与所述土样（2）顶部接触；
其中，所述第一围压***、所述第二围压***、所述轴压***的施压方向位于以所述土样（2）中心为原点的空间直角坐标系的三个坐标轴上；
所述固定机构包括分别设置在所述土样（2）顶端和底端的土样顶板（6）和土样底板（7），所述土样底板（7）与所述刚性外壁（4）固定连接，所述土样底板（7）固定在所述垫板（1）的顶面，所述压力室顶板（5）、所述土样底板（7）的中心位置分别开设有通孔，所述土样顶板（6）可拆卸连接在所述压力室顶板（5）的所述通孔内，所述垫板（1）上设置有固定组件，所述压力传感器（3）通过所述固定组件可拆卸连接在所述土样顶板（6）上；
所述固定组件包括固定连接在所述垫板（1）顶面的支撑架（8），所述支撑架（8）为U型结构，所述压力室顶板（5）中心的所述通孔内设置有固定板（9），所述固定板（9）底面与所述压力传感器（3）抵接，所述支撑架（8）上竖向螺纹连接有定位螺栓（10），所述定位螺栓（10）与所述固定板（9）的顶面抵接。
2.根据权利要求1所述的一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，其特征在于：所述供气***包括气泵（11），所述第一围压***、所述第二围压***、所述轴压***分别与所述气泵（11）固定连通。
3.根据权利要求2所述的一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，其特征在于：所述第一围压***包括两个第一围压气囊（12），两所述第一围压气囊（12）分别设置在所述土样（2）左右侧壁与对应的所述刚性外壁（4）之间，所述压力室的左右侧壁上分别开设有第一围压气孔（13），所述气泵（11）的输出端固定连接有第一围压气管（14），所述第一围压气管（14）穿过所述第一围压气孔（13）与所述第一围压气囊（12）固定连通。
4.根据权利要求3所述的一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，其特征在于：所述第二围压***包括两个第二围压气囊（15），两所述第二围压气囊（15）分别设置在所述土样（2）前后外壁与对应的所述刚性外壁（4）之间，所述压力室的前后外壁上分别开设有第二围压气孔（16），所述气泵（11）的输出端固定连接有第二围压气管（17），所述第二围压气管（17）穿过所述第二围压气孔（16）与所述第二围压气囊（15）固定连通。
5.根据权利要求4所述的一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，其特征在于：所述轴压***包括固定在所述土样（2）底部与所述土样底板（7）之间的轴压气囊（18），所述土样底板（7）上开设有轴压气孔（19），所述气泵（11）的输出端固定连通有轴压气管（20），轴压气管（20）一端穿过所述轴压气孔（19）与所述轴压气囊（18）固定连通。
6.根据权利要求5所述的一种三向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载***，其特征在于：所述第一围压气管（14）、所述第二围压气管（17）、所述轴压气管（20）上分别设置有精密压力控制器，所述精密压力控制器用于分别控制所述第一围压气囊（12）、所述第二围压气囊（15）、所述轴压气囊（18）的压力。
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