温度梯度冻土单轴蠕变试验装置及方法

摘要

本发明公开的温度梯度冻土单轴蠕变试验装置及方法，装置由压力罩、高度调节垫块、凸底座、上下制冷板和隔热板组成。压力罩上部滑配设有活塞和抽真空通道，凸底座上设有制冷剂循环通道和测试导线通道。试验时，在凸底座上依次安放隔热板、下制冷板、试样、上制冷板、隔热板、压力罩，通过O形密封圈将凸底座和压力罩之间密封。通过压力罩内抽真空以实现试样所需绝热边界条件；通过调节上下制冷板中冷媒温度实现试样垂直温度梯度；通过调节活塞受力方向和大小实现试样所需蠕变荷载。本发明可提供单向应力状态和稳定的绝热边界条件，适合于不同温度梯度和不同尺度条件下冻土单轴蠕变特性研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土工试验装置及方法，特别是一种具有温度梯度的冻土单轴蠕变试验装置及方法。

背景技术

冻土是温度敏感性材料，掌握温度对冻土变形强度的影响规律对冻土地基上的建/构筑物设计和稳定性评价具有重要的参考价值和科学意义。无论是天然冻土(如东北地区的季节性冻土，青藏高原的多年冻土)还是人工冻土(如华东和蒙陕地区人工冻结的特厚表土和含水软岩)，受地层温度，大气温度，冷媒温度以及暴露时间好环境条件等因素综合影响，冻土介质所处温度场属于典型的非均匀场(由多个温度梯度组合而成)。常规冻土试验方法可大致分为两类：材料尺度的试块试验和结构尺度的模型试验。均匀温度冻土试块试验属于材料单元试验无法涵盖温度梯度因子这一重要因素，模型试验属于实际冻土工程的室内缩比试验，虽可反映实际的温度梯度因子和时空分布特征，但不能直接观测和提取温度梯度效应的发挥机理和演化规律，因此使得温度梯度因子与其他工程环境变量(荷载性状，土性含水量，温度条件，尺度效应等)对冻土工程稳定性的耦合作用机理研究迟迟未能有突破和进展。

认识和掌握温度梯度边界对冻土工程稳定性的影响机理，亟待建立相关室内试验装置和相关试验方法（试样制作，试验流程，数据处理，归纳演绎）。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种结构简单、操作简单、能够实现垂直温度梯度边界的冻土单轴蠕变试验装置及方法。

技术方案：本发明的温度梯度冻土单轴蠕变试验装置，包括凸底座、固定在凸底座上的压力罩，压力罩内设有固定试样的上制冷板和下制冷板，下制冷板下设有位于凸底座中部凸台上的下隔热板，上制冷板上设有上隔热板，上隔热板上设有从压力罩顶部穿入的活塞，压力罩的顶部设有套装在活塞上的高度调节垫块，活塞上压在高度调节垫块上的台肩；所述的上、下制冷板的两侧对称设有从凸底座穿出的制冷剂循环通道，压力罩的顶部设有抽真空通道，凸底座上设有通往压力罩内的测试导线通道。

所述的上制冷板、下制冷板、上隔热板和下隔热板的直径均相等；压力罩与凸底座相固定的接触面上设有密封圈。

利用上述装置的温度梯度冻土单轴蠕变实验方法，包括以下步骤：

a．试样安装：在凸底座上依次安放下隔热板、下制冷板、试样、上制冷板和上隔热板，将压力罩 密封固定在凸底座上，将活塞从压力罩顶部的通孔插入，通过调节高度调节垫块使活塞与试样相接触； 

b．真空冻结：通过抽真空通道对压力罩抽真空，使试样处于真空状态，并使活塞所受初始荷载为P₀=100kPa，调节上制冷板和下制冷板中的冷媒温度实施冻结，直至达到设定的温度梯度；

c．加载蠕变：对活塞施加外荷载P₁，试样所需荷载P和活塞应受到的外荷载为P₁(P₁＞0为压，P₁＜0为拉)之间满足P₁=P+P₀，实时采集试样变形数据。

该装置由压力罩，高度调节垫块，凸形底座，上下制制制冷板和隔热板组成。压力罩上部滑配设有法兰的活塞，凸形底座上设有制冷剂循环通道和测试导线通道。

有益效果：本发明与现有技术相比，在进行温度梯度冻土试验方面具有以下显著优势：

(1) 充分利用真空环境同时实现绝热边界和蠕变荷载施加的双重功能，大幅度提高试样中温度控制精度；

(2) 通过调整制制冷板和隔热板直径，可进行不同直径和不同高度的冻土单轴蠕变试验，方便研究温度梯度诱导的冻土非均质特性发挥的尺度效应；

(3) 适用压力范围更为灵活。对天然冻土，可调整活塞上增减配重即可实现0-400kPa的蠕变应力，对于人工冻土，则可联合MTS材料试验机实现1-20MPa的蠕变应力；

(4) 试验在室温环境中和改造后的常规三轴系统上便可实施试验，具有低成本和高效率的双重功效。

附图说明

图1为本发明的温度梯度冻土单轴蠕变试验装置结构剖面图。

图中：1－压力罩；2－高度调节垫块；3－凸底座；4－上制冷板；5－下制冷板；6-1－上隔热板；6-2－下隔热板；7－活塞；8－制冷剂循环通道；9－测试导线通道；10－试样；11－O型密封圈；12－抽真空通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的温度梯度冻土单轴蠕变试验装置，主要由压力罩1、高度调节垫块2、凸底座3、上制冷板4、下制冷板5、上隔热板6-1、下隔热板6-2和活塞7构成，压力罩1螺纹固定在凸底座3上，压力罩1与凸底座3相固定的接触面上设有密封圈。压力罩1内设有固定试样10的上制冷板4和下制冷板5，下制冷板5下设有位于凸底座3中部凸台上的下隔热板6-2，上制冷板4上设有上隔热板6-1，上隔热板6-1上设有从压力罩1顶部穿入的活塞7，活塞7与压力罩1顶部入口滑动配合，压力罩1的顶部设有套装在活塞7上的高度调节垫块2，活塞7上压在高度调节垫块2上的台肩；所述的上、下制冷板4、5的两侧对称设有从凸底座3穿出的制冷剂循环通道8，所述的上制冷板4、下制冷板5、上隔热板6-1和下隔热板6-2的直径均相等。压力罩1的顶部设有抽真空通道12，凸底座3上设有通往压力罩1内的测试导线通道9。

 

 本发明的温度梯度冻土单轴蠕变实验方法：

a．试样安装：在凸底座3上依次安放下隔热板6－1、下制冷板5、试样10、上制冷板4和上隔热板6－1，将压力罩1 密封固定在凸底座3上，将活塞7从压力罩1顶部的通孔插入，通过调节高度调节垫块2使活塞7与试样10相接触；上下制冷板通过循环通道8与凸底座3外面的制冷系统相连；将压力罩与凸底座通过“O”型密封圈螺栓连接，并抽真空，通过法兰和压力罩之间垫块保证活塞与试样紧密接触，但试样不受力；

b．真空冻结：通过抽真空通道12对压力罩1抽真空，使试样10处于真空状态，并使活塞7所受初始荷载为P₀=100kPa，调节上制冷板4和下制冷板5中的冷媒温度实施冻结，直至达到设定的温度梯度；

c．加载蠕变：对活塞(7)施加外荷载P₁，改变活塞7上外荷载P₁施加方向和大小，试样10所需荷载P和活塞7应受到的外荷载为P₁(P₁＞0为压，P₁＜0为拉)之间满足P₁=P+P₀，达到试样10的所需的蠕变荷载P（P=P₁+P₀）并保持，便可实施单轴蠕变试验，实时采集试样10变形数据。

通过真空泵将压力罩抽成真空实现试样径向绝热边界条件；改变法兰与压力罩之间垫块高度实现活塞与试样的接触但不受力；改变活塞受力方向实现蠕变荷载的任意调节。制制冷板和隔热板直径相同。

通过改变上制冷板和下制冷板冷媒温度调节试样的垂直温度梯度，通过改变活塞受力大小和方向，调节试样的蠕变荷载等级。