一种砾类冻土强度测试系统

摘要

本发明属于材料性质测定技术领域，公开了一种砾类冻土强度测试系统，用于对砾类冻土样施加外力测试其动态性能，包括三轴室和用于固定三轴室的作动主机；三轴室内部具有放置土样的密封的试验腔室，并在其底部具有开口供外部的动力杆穿入对土样施加轴向力；系统还包括外部的主液压模块，主液压模块与三轴室的试验腔室连通并注入承压介质；系统还包括外部的循环浴模块，在试验腔室外部包围有循环腔室，循环浴模块与循环腔室连通并向循环腔室内持续注入流动的工质。本发明的三轴室筒身采用三个玻璃隔板隔开所形成的三腔室结构，从而在原有的试验腔室外部增加循环腔室实现温度调控，并通过外部的真空区域隔绝与外部热交换，从而提高热交换效率。

说明书

技术领域

本发明属于材料性质测定技术领域，尤其涉及针对砾类冻土强度测试和分析技术，具体为一种砾类冻土强度测试系统。

背景技术

基于三轴仪的三轴压缩试验是测定工程土体抗剪强度的一种较为完善的方法，常规三轴仪由三轴压力室（以下简称三轴室）、轴向力加载系统、围压反压加载系统、孔隙水压力量测系统等组成。三轴室是三轴仪的核心部件，主要由金属顶板、底板和围压腔组成的密闭容器，用于模拟一定埋深环境下土体真实受力状态。常规三轴压缩试验主要步骤如下：将工程土体制成圆柱体试样，并外套橡胶膜，放入密封三轴室内，然后向三轴室内注入承压介质（例如水、液压油等），施加围压，使试样各方向处于静水压力状态。此时，试样内X、Y、Z三个方向上主应力相等，不发生剪应力破坏。再通过传力杆对试样施加轴向压力，轴向（Z向）主应力逐渐增大，试样最终受剪破坏，计剪切破坏时由传力杆施加在试样上的轴向压应力，从而计算试样的孔隙水压力变化，供施工作为参考依据。

现有的土动三轴仪用的三轴室有且仅有用于放置试样的空腔，通过向空腔内注入油液来实现压力模拟。但由于是常温下测试土壤试样，则得出的试验结果较为单一，无法用于指导一些特定温度下的特殊土壤的动态性能。其中许多高寒地区的土体中由于含水量不足，内部孔隙在水体冻涨过程中受到一定的限制，就会形成土颗粒、冰、气同时存在的复杂结合体，则整体强度的难以测试。若这类非饱和含冰土体遇热，则会在热融过程中，出现土颗粒、冰、气、水四相共存冻融土体，相比于完全冻结状态，土体强度急剧下降，易诱发土体变形、运移、形成山地灾害。现有技术中关于冻融循环条件下粗粒冻土强度参数研究较少，缺乏对砾类冻土在冻融过程中强度变化过程中的完整性测试，缺少强度随着温度、密度、冰水转化率等关系的试验研究，其中主要原因是缺乏较好的试验器材。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种砾类冻土强度测试系统，通过多层筒身结构实现对内部土壤试样的温度调节，从而在不同温度条件下测试其试样在冻融过程的强度变化。

本发明所采用的技术方案为：

第一方面，本发明公开一种砾类冻土强度测试系统，用于对砾类冻土样施加外力测试其动态性能，包括三轴室和用于固定三轴室的作动主机；

所述三轴室内部具有放置土样的密封的试验腔室，三轴室底部具有开口，系统中具有的动力杆可从该开口处穿入并对土样施加轴向推力；

系统还包括外部的主液压模块，所述主液压模块与三轴室的试验腔室连通并注入承压介质；

系统还包括外部的循环浴模块，在试验腔室外部包围有循环腔室，所述循环浴模块与循环腔室连通并向循环腔室内持续注入流动的工质；

系统还包括外部用于收集测试参数的数据采集单元。

结合第一方面，本发明提供第一方面的第一种实施方式，在所述循环腔室的外部还包括一层中空的环形空腔，所述环形空腔与外部设有的真空稳定器连通。

结合第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第二种实施方式，所述三轴室为一体式设备，其中包括三块相互嵌套的筒型的玻璃隔板，最内部的玻璃隔板内的空腔即为试验腔室，中间的相邻两块玻璃隔板之间的间隙为循环腔室，最外部的间隙为环形空腔。

结合第一方面的第二种实施方式，本发明提供第一方面的第三种实施方式，所述三轴室还包括顶板和底板，所述顶板和底板之间通过多根支撑杆固定连接；

在顶板上设有上嵌槽，在底板上设有下嵌槽，所述玻璃隔板被夹持在上嵌槽与下嵌槽之间。

结合第一方面的第三种实施方式，本发明提供第一方面的第四种实施方式，所述顶板上扣设有上托盘，所述上托盘与顶板之间具有上真空腔；

所述底板上扣设有下托盘结构，所述下托盘结构包括相互扣合固定的第一下托盘和第二下托盘，在第一下托盘和第二下托盘之间具有下真空腔。

结合第一方面的第三或四种实施方式，本发明提供第一方面的第五种实施方式，所述顶板上设有多个与环形空腔连通的上环形空腔通孔，所述环形空腔通孔设置在顶板的外侧周向表面，并通过管道与外部的真空稳定器连通。

结合第一方面的第三或四种实施方式，本发明提供第一方面的第六种实施方式，所述顶板具有多个与循环腔室连通的循环腔上孔，所述底板上具有多个与循环腔室连通的循环腔下孔；所述循环浴模块通过管道与循环腔上孔和循环腔下孔连通实现工质循环。

结合第一方面的第四种实施方式，本发明提供第一方面的第七种实施方式，所述顶板上设有多个与试验腔室连通的上导液孔，在所述第一下托盘上设有多个同样与试验腔室连通的下导液孔，所述上导液孔与下导液孔的开口均设置在三轴室的外侧端面上；

所述主液压模块通过管道与上导液孔与下导液孔连接实现承压介质的输入和输出。

结合第一方面的第四种实施方式，本发明提供第一方面的第八种实施方式，所述上托盘上端面设有多个与上真空腔连通的上真空连接孔，所述第一下托盘上设有多个与下真空腔连通的下真空连接孔；所述真空稳定器通过管道与上真空连接孔和下真空连接孔连通。

其中，本发明中的低温三轴室是指应用在三轴仪中的试验容器，具有一定的容积，能够在其内部放置土样，同时具有足够的容积填充足够的承压介质，并能够保证较好的密封效果，在内腔维持稳定的压力状态，从而完成需要一定时间过程的冻融测试过程。

其中，内腔中的土样一般放置在置物台上，并套设有橡胶套定型，然后再通过外部设备向内腔中填充承压介质，由液态的承压介质不断挤压使得内腔中的内压达到试验要求，通过在内腔不同位置设置多个传感器来对内部结构进行监控，从而在不断增压过程中记录数据测算土样的结构强度。

由于现有设备中不具备较好的温度调节功能，要实现该效果，本发明通过对三轴室的结构改进，从而与外部系统配合实现较好的温度控制效果。其中，筒身被夹持在两个金属盘体之间，通过顶板和底板的连接夹持进行固定。具体来说，筒身一般为透明材料支撑的筒状结构，不仅便于观察内部试样状态，同时采用耐腐蚀的材料具有较高的稳定性。而所谓的密封腔室是在筒身固定后所形成的独立空间，通过在内部设置隔板的方式将空间分隔，其中的试验腔室作为主要空间用于容纳柱形的土壤试样，在现有技术中仅有该层结构。

而本发明在试验腔室外或一侧还设有循环腔室，该循环腔室设有至少两个开口，通过连接外部的循环设备将具有一定温度的工质输入到循环腔室内，通过调节输入工质的温度从而使试验腔室的温度被控制在一定区间内，以达到试验要求。

值得说明的是，该工质为流体，具体为一种防冻冷却液，且保持正常的液态状态的温度范围较宽，最低可在零下60℃，最高可超过105℃，适用于调节整个三轴室内的试验温度，相较于现有技术能够提供更加宽广的温度调节范围。

环形空腔是指在包裹在循环腔表面避免其与外部空间直接接触的隔离层结构，在测试时会将其内部气体抽离形成接近真空状态，从而尽可能降低热传递效率，使得循环腔室内的工质仅与试验腔室内的承压介质之间进行热交换，提高热效率。而循环腔室与试验腔室的接触方式具有多种，则环形空腔与循环腔室的其余表面接触才能保证热传递效率。

由于玻璃隔板分隔形成的密封腔室的环形曲面外部已经包裹有中空的环形空腔，则为了进一步降低与外部的无效热传递，通过在顶板和底板上增加额外的托盘结构，来进一步实现较好的保温效果。其中上托盘和下托盘结构同样为金属结构，并在中间形成一定的空腔，通过外部设备在试验时将空腔内的气体抽出，从而形成单个或多个真空腔，增加上下两个开口处的保温效果。

本发明的有益效果为：

本发明为了降低温控三轴室高低温环境对原作动主机设备功能的影响，增设了低温三轴室上下两个板体的托盘，并将托盘嵌在原三轴室顶板和底板之上，在托盘与板体中间预留有高真空保护腔，试验时将采用抽真空处理，最大程度上降低试验腔和外界之间的热交换。

同时本发明的三轴室筒身采用三个玻璃隔板隔开所形成的三腔室结构，从而在原有的试验腔室外部增加循环腔室实现温度调控，并通过外部的真空区域隔绝与外部热交换，从而提高热交换效率。

附图说明

图1是本发明中实施例5部分的整个三轴室轴侧结构示意图；

图2是本发明中实施例5部分的整个三轴室在拆分状态下的轴侧结构示意图；

图3是本发明中实施例5部分的整个三轴室的正面示意图；

图4是本发明中在图3中沿A-A线剖切后的截面示意图；

图5是本发明中在图4状态下单独的底板部分截面示意图；

图6是本发明中实施例5部分的整个三轴室的俯视图；

图7是本发明中图6中沿B-B线剖切后的截面示意图；

图8是本发明中图7状态下的底板截面示意图；

图9是本发明实施例1中整个三轴仪的结构示意图。

图中：1-上托盘，1.1-上真空腔，1.2-上真空连接孔，2-顶板，2.1-循环腔上孔，2.2-环形空腔通孔，2.3-上嵌槽，2.4-上导液孔，3-支撑杆，4-底板，4.1-循环腔下孔，4.2-下嵌槽，5-第一下托盘，5.1-下导液孔，5.2-下密封环，5.3-下真空连接孔，6-第二下托盘，7-动力杆密封，8-第一玻璃，9-第二玻璃，10-第三玻璃，11-下真空腔，12-下托盘连接孔，13-三轴室，14-作动主机，15-数据采集单元，16-高温循环浴，17-低温循环浴，18-真空稳定器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

本实施例公开一种砾类冻土强度测试系统，如图9所示，具体包括三轴室13和用于固定三轴室13的作动主机14；其中三轴室13内部具有放置土样的密封的试验腔室，并在其底部具有开口供外部作动主机14的动力杆穿入对土样施加轴向力。

系统还包括外部的主液压模块，所述主液压模块与三轴室13的试验腔室连通并注入承压介质；系统还包括外部的循环浴模块，在试验腔室外部包围有循环腔室，所述循环浴模块与循环腔室连通并向循环腔室内持续注入流动的工质。

如图9所示，本实施例中的循环浴模块包括高温循环浴16和低温循环浴17，均为独立循环的设备，用于高温和低温测试时向三轴室13内输入不同温度的工质进行温度控制。

本实施例在循环腔室的外部还包括一层中空的环形空腔，所述环形空腔与外部设有的真空稳定器18连通。真空稳定器18包括真空泵、压力数测仪器和自反馈软件，是与电脑连接能够自动控制对应封闭空间内的空压状态。三轴室13为一体式设备，其中包括三块相互嵌套的筒型的有机玻璃隔板，最内部的玻璃隔板内的空腔即为试验腔室，中间的相邻两块玻璃隔板之间的间隙为循环腔室，最外部的间隙为环形空腔。

三轴室13还包括顶板2和底板4，所述顶板2和底板4之间通过多根支撑杆3固定连接；在顶板2上设有上嵌槽2.3，在底板4上设有下嵌槽4.2，所述玻璃隔板被夹持在上嵌槽2.3与下嵌槽4.2之间。

如图9所示，本实施例中还设置有独立的数据采集单元15，该数据采集单元15与其他控制设备相同，均与最左侧示出的电脑连接，而在三轴室13内设有的多种传感器与数据采集单元15连接，并由数据采集单元15将数据处理后发送至电脑端。而数据采集单元15主要收集真空稳定压力、低温稳定温度、试样端部温度、试样内部温度。

本实施例中的设备是对现有大型设备GDS土动三轴仪进行功能开发，保留稳定的机械动力系统、轴向位移测试系统，研制一套适用于测定砾类冻土强度测试的低温三轴室13、及温控系统，使之在功能上满足对砾类冻土三轴强度测试的需要，并能在试验过程中给出试样某指定位置温度、气压力变化曲线。

其中的主要区别是在低温三轴室13的底板4和顶板2上铣出嵌槽，将有机玻璃腔卡入其中，并辅助多条支撑杆3连接，保护有机玻璃的玻璃隔板管体免于形变；嵌槽内衬耐磨损、耐酸碱的硅氟胶圈，增强密闭性。

实施例2：

本实施例公开一种应用在上述实施例1中的低温三轴室13结构，现有的GDS土动三轴仪是一种用于测量土壤样品结构强度的实验设备，其核心部分即为三轴室13，是一种具有密封空腔的容器。其底部具有开口，外部的动力杆能够从该开口进入三轴室13内，并在底部开口处设有动力杆密封7，动力杆可对处于密封腔室内的土壤试样施加轴向力，从而在密封空腔内存在承压介质时测试该试样的结构强度，并通过多个传感器记录实验数据。

其中，该三轴室13包括顶板2、底板4和处在中间的筒身，该筒身包括两个筒型的玻璃隔板，即为第三玻璃10和第二玻璃9。在顶板2和底板4端面均铣出环形的嵌槽，在顶板2上即为上嵌槽2.3，而底板4上即为下嵌槽4.2。上嵌槽2.3和下嵌槽4.2具有相同的截面形状，如图5所示，可以看到该嵌槽结构为楔形或梯形结构，内侧间距逐渐减小。当第二玻璃9和第三玻璃10被嵌入上、下嵌槽4.2内时，由于两侧的顶板2和底板4拉紧夹持，使其能够被固定且形成较好的密封效果。

而顶板2与底板4通过中间设有的多根支撑杆3连接，在顶板2和底板4外周位置等圆心角设有多个固定孔，从固定孔中穿入螺栓至支撑杆3端部进行拉紧固定。而中间的玻璃隔板受到两侧挤压能够尽可能多的沉入上嵌槽2.3和下嵌槽4.2内，并可在其嵌槽内填充防水胶进一步增加密封效果。

本实施例中，当顶板2、底板4和中间的两侧玻璃隔板固定后，处在第三玻璃10内的空间即为试验腔室，而处在第三玻璃10和第二玻璃9之间的空间为循环腔室。在顶板2和底板4上还设有多个连接孔，其中包括顶板2上的上导液孔2.4和底板4上的下导液孔5.1，两种导液孔均是一侧开口处在顶板2和底板4向内的端面上，而其外侧开口处在顶板2和底板4外侧端面上，通过外部插设有连接管道与液压系统连通。由液压系统向试验腔室内注入液态的承压介质，本实施例中的承压介质为液压油。由于土壤试样被定型后呈柱状体，且外部套设有橡胶套，当注入液压油时，该土壤试样会受到除与动力杆接触端面外的周向挤压力，并通过调节外部液压系统来实现不同的压力环境，从而获取不同的实验数据。

而连接孔还包括设置在顶板2上的循环腔上孔2.1和设置在底板4上的循环腔下孔4.1，该循环腔上孔2.1和下孔的一侧开口设置循环腔室内，具体来说，循环腔上空设置在顶板2第三玻璃10与第二玻璃9所嵌入的两条环形的上嵌槽2.3之间。同样的，循环腔下孔4.1也设置在对应位置，而循环腔上孔2.1和下孔的外侧开口同样设置在顶板2和底板4的外侧端面上，由于其所在同心圆半径较大，则与两侧的导液孔具有一定间距不会造成相互影响。

实验过程中，先将土壤试样固定后放置在动力杆的端部，然后将底板4、第二玻璃9、第三玻璃10、支撑杆3、顶板2和多个传感器依次固定连接，然后将顶板2悬挂在三轴仪上，然后开始向试验腔室内注入承压介质。当压力达到初始设定值后，由内部的压力传感器反馈数据指标，确认后再对循环腔室内注入流动的工质。由于外部循环浴模块需要一定的启动时间，则当循环腔室内的温度传感器读数达到初速设定值后开始试验过程。过程中通过调节动力杆推力、内环境压力和温度来测试土壤试样在不同条件下的结构强度，从而完成单次试验。

实施例3：

本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化限定，其中，由于对三轴室13进行调整，通过第二玻璃9隔出的循环腔室在试验过程中一直持续有液体流动，虽然与内部的第三玻璃10之间具有较大的接触表面，但由于层层嵌套的设置方式，其外部的曲面表面积更大，若工质温度与环境温度相差较大时，会导致其能量浪费较多。

本实施例则在第二玻璃9外增设有一层保温层，该保温层采用一种透明的软质材料，具有至少两层，其内部填充有一定量的空气或二氧化碳，通过粘胶粘贴在顶板2和底板4上，而不直接与第二玻璃9接触。或可在顶板2与底板4上设有魔术贴，同时在保温层上下边沿上同样设置相对应的魔术贴，能够快速装配和拆卸。

这种透明材质填充低导热系数气体的保温层材料，其厚度一般大于第二玻璃9与第三玻璃10之间的间距，从而提供较好的保温效果。但其相较于常用的聚氨酯材料并不具有较好的隔热性能，但由于该试验过程中需要对内部的土壤试样的受力变化状态实时监测，若采用聚氨酯材料会阻挡观察视线。

实施例4：

本实施例是在上述实施例1的基础上进一步优化限定，其中，与实施例2不同的是，由于长时间试验过程中对工质温度的调整精度较高，为了进一步降低能量消耗和导热效率，本实施例对整个三轴室13进行优化。

在图4中可以看到，该顶板2上具有三条共圆心的上嵌槽2.3，同时底板4上具有三条下嵌槽4.2，在第二玻璃9外部还设有第三玻璃10，该第一玻璃8与第二玻璃9的间距小于第二玻璃9与第三玻璃10的间距，则在第二玻璃9与第一玻璃8之间形成的环形空腔容积小于循环腔室容积。在顶板2上还设有多个环形空腔通孔2.2，该环形空腔通孔2.2与环形空腔连通，与其他设置在顶板2上的连接孔类似，均是直接沿三轴室13轴线方向直接钻削得到，并通过在外部插设有连接件固定密封连接。

而该环形空腔通孔2.2通过管道与外部的真空稳定器18或真空系统连通，在试验过程中能够保持真空状态（该状态是接近完全真空，由于设备需要经常拆卸，则气密性能会有影响），则在循环腔室的内流动的工质仅与内部的试验腔室进行热交换，进一步降低对外的热交换。

实施例5：

本实施例是在上述实施例3的基础上进行优化限定，由于顶板2和底板4均采用一定厚度的金属板材结构，虽然第二玻璃9外部还设有环形空腔，能够避免大面积的热交换，但其顶部同样会存在一定面积的无用热交换。

如图1-8所示，本发明在顶板2和底板4上各设有一种托盘，其中顶板2上扣合有上托盘1，而底板4上扣合有下托盘结构。而上托盘1为单层盖板结构，并在其扣合端面上设有多个环形凹槽，使其扣合在顶板2平面上时，该环形凹槽形成上真空腔1.1。图4中可以看到，在每个环形凹槽的两侧均设有两条环形的密封槽，该密封槽在扣合时能够形成密封腔，能够提高上真空腔1.1的密闭性。

与整体的真空腔不同的是，由于每个腔室与顶板2的接触面积有限，则对应每个腔室各设置一个上真空腔1.1能够更有针对性，同时由于容积减小，能够快速达到真空状态，且一旦存在气密性下降的问题，通过真空稳定器18的持续运作也能够使其保持在一定低压状态。在上托盘1上还设有多个上真空连接孔1.2，由于是单层设置，则可直接在外侧端面开口即可。

而下托盘结构包括两个相互扣合的第一下托盘5和第二下托盘6，其中第一下托盘5与第二下托盘6通过内部的多个螺栓固定连接，并在其间形成一体式的下真空腔11。而第二下托盘6上设有下托盘连接孔12，通过在作动主机14上穿出螺栓进入下托盘连接孔12内进行固定。在第一下托盘5上设有多个下真空连接孔5.3，如图8所示，图中可以看到下真空连接孔5.3的一侧开口在第一下托盘5的内侧端面上，而其外侧开口则设置在第一下托盘5的周向曲面上。这种开孔设计能够保证在不额外设置其他通道情况下，直接在外部通过连接管贴合在第一下托盘5周向曲面上，即可对下真空腔11进行气体抽离。

由于在顶板2和底板4上直接设置托盘结构，且上下两个托盘结构可通过设置单独的固定螺栓或螺纹配合，或直接扣合，再抽真空后由外部气压将其压紧。但原本设置在顶板2和底板4端面上的连接孔开口则被阻挡。

本实施例中包含两种设置方式，其中一种是直接在上托盘1、第一下托盘5和第二下托盘6上开设对应的通道，并将管道直接穿过该通道与顶板2或底板4上的各种连接孔对应，但这种设置方式会挤占原本的上真空腔1.1或下真空腔11空间。则第二种方式如图中所示，将顶板2上的循环腔上孔2.1和环形空腔通孔2.2的开口均设置在顶板2的周向曲面上，并以等间隔的方式隔开循环腔上孔2.1和环形空腔的通道，使其不会相互影响。而底板4上同样将循环腔下孔4.1的开口设置在底板4的周向曲面上，同时由于底板4上具有较大的开口用于避让动力杆，则下导液孔5.1设置在第一下托盘5上，与下真空连接孔5.3一样，其连接外部的开口设置在第一下托盘5周向曲面上。而第一下托盘5上还设有下密封环5.2，进一步提高密封效果。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。