一種空心凍土試驗裝置及其使用方法
2023-06-30 08:56:31 4
一種空心凍土試驗裝置及其使用方法
【專利摘要】本發明公開了一種空心凍土試驗裝置及其使用方法，在底座上設置壓力室，在壓力室內由下至上依次安裝下部墊塊、試樣下帽圈、空心凍土試樣、試樣上帽圈、上部墊塊、活塞，壓力室的頂部設有活塞孔，活塞穿過活塞孔，並與上部墊塊接觸；內、外膠膜與空心凍土試樣壁緊密接觸，製冷介質通過內、外壓通道與圍壓控制設備連接，冷卻液循環通道與溫控設備連接，溫度傳感器置於製冷介質中。待空心凍土試樣徑向溫度梯度達到試驗要求並穩定後，便可實現徑向溫度梯度空心凍土試樣的壓縮試驗、剪切試驗和蠕變試驗，為進一步研究溫度梯度對凍土強度及變形的影響提供依據，且操作方便，價格低廉。
【專利說明】一種空心凍土試驗裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種空心凍土試驗裝置及其使用方法，尤其涉及一種徑向溫度梯度邊界條件下的凍土試驗裝置及其使用方法。
【背景技術】
[0002]凍土是一種溫度低於(TC且含有冰的特殊巖土層，對外界溫度變化極為敏感。目前針對凍土的研究主要集中在均勻溫度凍土，已經取得了強度隨溫度降低而增加的共識。天然凍土地區(多年凍土和季節凍土)路基工程、管線工程，人工凍土(豎井開挖、基坑圍護、地鐵聯絡通道、盾構對接及進出洞)工程中凍土溫度場具有一定的非均勻性(溫度梯度)，沿用非均勻溫度凍土實驗方法和理論體系去預測、評估多年凍土地區與人工凍土工程中凍土帷幕(結構)的變形與穩定，具有重要的學術價值和工程意義。相關裝置亟待建立。
[0003]目前已有大多凍土試驗裝置主要針對均勻溫度實心凍土試樣，缺少非均勻溫度下空心凍土試樣的相關試驗裝置。已有空心扭剪儀試驗對象為空心試樣，但是無法實現非均勻溫度的控制。已有發明申請號為:201310010431.1的公開文獻「溫度梯度凍土單軸蠕變試驗裝置及其使用方法」和申請號為:201310313643.7的公開文獻「一種二維溫度梯度凍土試驗裝置及其使用方法」，分別可以實現實心凍土試樣的豎向溫度梯度控制和二維溫度梯度控制，但均不是專門針對空心凍土試樣，無法實現空心凍土試樣的力學性質精確測試。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種空心凍土試驗裝置及其使用方法，可以實現空心凍土試樣內、外不同溫度的獨立控制，可以實現徑向溫度梯度的快速及穩定的控制，為研究溫度梯度空心凍土的力學性質提供進一步的技術保證。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0006]一種空心凍土試驗裝置，包括底座、壓力室、空心凍土試樣、內膠膜、外膠膜、內循環管道、外循環管道、控溫製冷設備和圍壓控制設備，所述壓力室罩設在底座上面，所述壓力室頂部設有活塞孔；在所述壓力室內，所述底座上設置有凹槽朝上的下部墊塊，所述下部墊塊上固定安裝有空心環狀帽形結構的試樣下帽圈，且所述下部墊塊的凸起部分位置與試樣下帽圈的帽沿位置相對應固定；所述內膠膜為空心筒狀結構，所述內膠膜豎直安裝在試樣下帽圈上，且所述內膠膜的底面四周與試樣下帽圈的帽沿內圈邊緣固定，所述空心凍土試樣為空心筒狀結構，所述空心凍土試樣的內表面緊挨內膠膜的外表面放置在試樣下帽圈的帽沿上，所述外膠膜為空心筒狀結構，所述外膠膜的內表面緊挨空心凍土試樣的外表面，且所述外膠膜的底面四周固定安裝在試樣下帽圈的帽沿外圈邊緣，所述內膠膜和外膠膜上面設置有試樣上帽圈，且所述內膠膜和外膠膜的頂部四周與試樣上帽圈的帽沿內、外圈邊緣分別固定，所述的試樣上帽圈、空心凍土試樣、試樣下帽圈的內、外直徑相同；在所述試樣上帽圈上固定安裝有凹槽朝下的上部墊塊，且所述上部墊塊的凸起部分位置與試樣上帽圈的帽沿位置相對應，所述上部墊塊的上表面設置有活塞，且所述活塞設置在活塞孔中；在所述空心凍土試樣的內腔中設置有內循環管道，所述內循環管道的兩個連接埠分別穿過下部墊塊和底座再與冷卻液循環通道連接，所述冷卻液循環通道與控溫製冷設備連接，所述圍壓控制設備通過內壓通道與空心凍土試樣的內腔連通，所述圍壓控制設備往內腔中通入製冷介質；在所述空心凍土試樣的外圍空腔中設置有外循環管道，所述外循環管道的兩個連接埠分別穿過底座與冷卻液循環通道連接，所述冷卻液循環通道與控溫製冷設備連接，所述圍壓控制設備通過外壓通道與空心凍土試樣外圍空腔連通，所述圍壓控制設備往外圍空腔中通入製冷介質。所述空心凍土試樣的內腔和外圍空腔通入的製冷介質中設置有溫度傳感器，所述溫度傳感器的信號輸出端與數據採集儀的信號輸入端連接。
[0007]更進一步的，所述內循環管道為倒U形結構；所述外循環管道為螺線管型倒U形結構，可增加外循環管道與製冷介質的接觸面積。
[0008]更進一步的，所述內膠膜和外膠膜的頂部四周與試樣上帽圈用橡皮筋紮緊，所述內膠膜和外膠膜的底部四周與試樣下帽圈用橡皮筋紮緊。橡皮筋彈性較大，易於操作，且紮緊效果較好，可以實現空心凍土試樣的內壁、外壁與製冷介質完全密封隔離。
[0009]一種空心凍土試驗裝置的使用方法，包括以下步驟:
[0010]a、在底座上固定安裝下部墊塊，並且使其凹槽向上，在下部墊塊上固定安裝試樣下帽圈，且所述下部墊塊的凸起部分位置與試樣下帽圈的帽沿位置相對應；在所述試樣下帽圈的帽沿內圈邊緣處豎直安裝內膠膜，緊挨著內膠膜外側豎直安裝空心凍土試樣，緊挨著空心凍土試樣的外側豎直安裝外膠膜，在空心凍土試樣上端面放置試樣上帽圈，在所述試樣上帽圈上面固定安裝上部墊塊，且所述上部墊塊的凸起部分位置與試樣上帽圈的帽沿位置相對應，在所述上部墊塊的上表面設置有活塞；
[0011]b、在所述空心凍土試樣的空腔中設置內循環管道，所述內循環管道的兩個連接埠分別穿過下部墊塊和底座再與冷卻液循環通道連接，所述冷卻液循環通道與控溫製冷設備連接；在所述空心凍土試樣的外圍空腔中設置有外循環管道，所述外循環管道的兩個連接埠分別穿過底座與冷卻液循環通道連接，所述冷卻液循環通道與控溫製冷設備連接；
[0012]C、所述圍壓控制設備通過內壓通道與空心凍土試樣的內腔連通，所述圍壓控制設備通過外壓通道與空心凍土試樣外圍空腔連通；所述空心凍土試樣的內腔和所述空心凍土試樣的外圍空腔中設置有溫度傳感器；
[0013]d、在底座上安裝壓力室，使得上述步驟中已安裝的結構置於壓力室內部，所述的活塞穿過活塞孔露置在壓力室頂部外；
[0014]e、所述圍壓控制設備往內腔和外圍空腔中分別通入製冷介質；
[0015]f、打開控溫製冷設備，控溫製冷設備的冷媒通過冷卻液循環通道在內循環管道和外循環管道中循環；
[0016]g、監控溫度傳感器的數據，同時動態調整控溫製冷設備的溫度；
[0017]h、待空心凍土試樣的內腔和外圍空腔溫度穩定，形成設定的徑向溫度梯度後，則可以進行凍土試驗。
[0018]有益效果:
[0019]1、本發明裝置及其使用方法主要針對空心凍土試樣，可以實現內、外圍壓的獨立控制，可以實現內、外不同溫度的獨立控制，可以形成空心凍土試樣的不同徑向溫度梯度分布、不同徑向圍壓分布的邊界條件，為研究溫度梯度凍土的力學性質提供了更進一步的技術保證。
[0020]2、本發明裝置中空心凍土試樣通過液體製冷介質製冷，可以加快徑向溫度梯度的控制時間，其製冷效果優於空氣傳遞製冷效果，且液體製冷介質可以直接作為內、外圍壓的加載載體。
[0021]3、本發明裝置中溫度傳感器直接置於內、外製冷介質中，可以直接量測內、外製冷介質的溫度，為動態調整控溫製冷設備提供依據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]附圖1為本發明的結構示意圖。
[0023]附圖2為試樣上帽圈的主視圖。
[0024]附圖3為試樣上帽圈的俯視圖。
[0025]附圖4為試樣下帽圈的主視圖。
[0026]附圖5為試樣下帽圈的俯視圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0028]如附圖1所示，一種空心凍土試驗裝置，包括底座6、壓力室2、空心凍土試樣11、內膠膜14、外膠膜15、內循環管道17、外循環管道18、控溫製冷設備和圍壓控制設備，所述壓力室2罩設在底座6上面，所述壓力室2頂部設有活塞孔。
[0029]在所述壓力室2內，所述底座6上設置有凹槽朝上的下部墊塊13，所述下部墊塊13上固定安裝有空心環狀帽形結構的試樣下帽圈12，且所述下部墊塊13的凸起部分位置與試樣下帽圈12的帽沿位置相對應固定，所述下部墊塊13與試樣下帽圈12採用螺栓10固定；所述內膠膜14為空心筒狀結構，所述內膠膜14豎直安裝在試樣下帽圈12上，且所述內膠膜14的底面四周與試樣下帽圈12的帽沿內圈邊緣密封固定，所述空心凍土試樣11為空心筒狀結構，所述空心凍土試樣11的內表面緊挨內膠膜14的外表面，且空心凍土試樣
11的底面設置在試樣下帽圈12的帽沿上，所述外膠膜15為空心筒狀結構，所述外膠膜15的內表面緊挨空心凍土試樣11的外表面，且所述外膠膜15的底面四周採用密封固定方式安裝在試樣下帽圈12的帽沿外圈邊緣，所述內膠膜14和外膠膜15的高度略高於空心凍土試樣11的高度，所述內膠膜14和外膠膜15上面設置有試樣上帽圈9，且所述內膠膜14和外膠膜15的頂部四周與試樣上帽圈9的帽沿內、外圈邊緣分別密封固定，所述的試樣上帽圈9、空心凍土試樣11、試樣下帽圈12的內、外直徑相同，且試樣上帽圈9同樣為空心環狀帽形結構；在所述試樣上帽圈9上固定安裝有凹槽朝下的上部墊塊8，且所述上部墊塊8的凸起部分位置與試樣上帽圈9的帽沿位置相對應固定，所述上部墊塊8與試樣上帽圈9採用螺栓10固定，所述上部墊塊8的上表面設置有活塞1，且所述活塞I設置在活塞孔中，通過活塞I在活塞孔中向下移動對空心凍土試樣11進行加載，便可實現徑向溫度梯度凍土試樣的壓縮試驗、剪切試驗和蠕變試驗。
[0030]在所述空心凍土試樣11的內腔(即為內膠膜14內側的壓力室2空間區域)中設置有內循環管道17，所述內循環管道17的兩個連接埠分別穿過下部墊塊13和底座6再與冷卻液循環通道3連接，所述冷卻液循環通道3與外界控溫製冷設備連接，所述圍壓控制設備通過內壓通道4與空心凍土試樣11的內腔連通，所述圍壓控制設備通過內壓通道4可以往內腔中通入製冷介質19，外界溫控制冷設備內的冷卻液通過冷卻液循環通道3在內腔內循環管道17中循環，冷卻液傳遞冷量給內腔製冷介質19，從而實現內腔的獨立控制；同時通過內壓管道4往內腔中通入一定量的製冷介質19來獨立實現內腔壓力值。在所述空心凍土試樣11的外圍空腔(即為外膠膜15外側的壓力室2空間區域)中設置有外循環管道18，所述外循環管道18的兩個連接埠分別穿過底座6再與冷卻液循環通道3連接，所述冷卻液循環通道3與外界控溫製冷設備連接，所述圍壓控制設備通過外壓通道7與空心凍土試樣11外圍空腔連通，所述圍壓控制設備通過外壓通道7可以往外圍空腔中通入製冷介質19，外界溫控制冷設備的冷卻液通過冷卻液循環通道3在外循序管道18中循序，冷卻液傳遞冷量給外圍製冷介質19實現外圍空腔的獨立控制；同時通過外壓管道7往外圍空腔中通入一定量的製冷介質19來獨立實現外圍空腔壓力值。上述液體製冷介質19不僅製冷效果優於空氣傳遞式製冷效果，而且液體製冷介質19可以直接作為內、外圍壓的加載載體，配合完成空心凍土試樣11的試驗。
[0031]所述空心凍土試樣11的內腔和外圍空腔通入的製冷介質19中均設置有溫度傳感器16，所述兩個溫度傳感器16分別通過溫度傳感引線5與數據採集儀連接，所述的兩個溫度傳感器16的信號輸出端分別與其對應的數據採集儀的信號輸入端連接。這樣便可以檢測內、外腔不同溫度，從而實現內、外腔不同溫度的獨立控制。
[0032]所述內循環管道17為倒U形結構，所述外循環管道18為螺線管型倒U形結構。空心凍土試樣11為本裝置試驗對象，由於空心凍土試樣11內腔空間有限，而螺線管型倒U形結構循環管道體積較大，故使用倒U形內循環管道結構；由於空心凍土試樣11外圍空腔空間較大，為了增加製冷接觸面積，可以使用螺線管型倒U形結構循序管道。
[0033]所述內膠膜14和外膠膜15的頂部四周與試樣上帽圈9用橡皮筋紮緊，所述內膠膜14和外膠膜15的底部四周與試樣下帽圈12用橡皮筋紮緊，可以實現空心凍土試樣的內壁、外壁與製冷介質完全密封隔離。
[0034]一種空心凍土試驗裝置的安裝及其使用方法，包括以下步驟:
[0035]a、在底座6上固定安裝下部墊塊13，並且使其凹槽向上，在下部墊塊13上固定安裝試樣下帽圈12，且所述下部墊塊13的凸起部分位置與試樣下帽圈12的帽沿位置相對應；在所述試樣下帽圈12的帽沿內圈邊緣處豎直安裝內膠膜14，緊挨著內膠膜14外側豎直安裝空心凍土試樣11，緊挨著空心凍土試樣11的外側豎直安裝外膠膜15，在空心凍土試樣11上端面設置上試樣上帽圈9，在所述試樣上帽圈9上面固定安裝上部墊塊8，且所述上部墊塊8的凸起部分位置與試樣上帽圈9的帽沿位置相對應，在所述上部墊塊8的上表面設置有活塞I ;
[0036]b、在所述空心凍土試樣11的空腔中設置內循環管道17，所述內循環管道17的兩個連接埠分別穿過下部墊塊13和底座6再與冷卻液循環通道3連接，所述冷卻液循環通道3與控溫製冷設備連接；在所述空心凍土試樣11的外圍空腔中設置有外循環管道18，所述外循環管道18的兩個連接埠分別穿過底座6與冷卻液循環通道3連接，所述冷卻液循環通道3與控溫製冷設備連接；
[0037]C、所述圍壓控制設備通過內壓通道4與空心凍土試樣11的內腔連通，所述圍壓控制設備通過外壓通道7與空心凍土試樣11外圍空腔連通；所述空心凍土試樣11的內腔和所述空心凍土試樣11的外圍空腔中設置有溫度傳感器16 ；
[0038]d、在底座6上安裝壓力室2，使得上述步驟中已安裝的結構置於壓力室2內部，所述的活塞I穿過活塞孔露置在壓力室2頂部外；
[0039]e、所述圍壓控制設備往內腔和外圍空腔中分別通入製冷介質19 ；
[0040]f、打開控溫製冷設備，控溫製冷設備的冷媒(冷卻液)通過冷卻液循環通道3在內循環管道17和外循環管道18中循環；
[0041]g、監控溫度傳感器16的數據，同時動態調整控溫製冷設備的溫度，調試至空心凍土試樣的試驗溫度；
[0042]h、待空心凍土試樣11的內腔和外圍空腔溫度穩定，形成設定的徑向溫度梯度後，通過活塞I在活塞孔中向下移動對空心凍土試樣11進行加載，便可實現徑向溫度梯度凍土試樣的壓縮試驗、剪切試驗和蠕變試驗，為進一步研究溫度梯度對凍土強度及變形的影響提供依據。
[0043]本發明裝置底座6採用的是不鏽鋼材質。試樣上、下帽圈與上、下部墊塊採用環氧樹脂、尼龍等絕熱高強材料，可以最大限度的隔絕內、外不同製冷介質的相互影響，消除空心凍土試樣11上、下兩端徑向溫度梯度與其整體徑向溫度梯度不一致的現象。
[0044]本發明是專門針空心凍土試樣的結構設計的，在空心凍土試驗精度中，比使用目前公知的實心凍土試驗裝置更進一步。
[0045]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種空心凍土試驗裝置，其特徵在於:包括底座(6)、壓力室(2)、空心凍土試樣(11)、內膠膜(14)、外膠膜(15)、內循環管道(17)、外循環管道(18)、控溫製冷設備和圍壓控制設備，所述壓力室(2 )罩設在底座(6 )上面，所述壓力室(2 )頂部設有活塞孔； 在所述壓力室(2)內，所述底座(6)上設置有凹槽朝上的下部墊塊(13)，所述下部墊塊(13)上固定安裝有空心環狀帽形結構的試樣下帽圈(12)，且所述下部墊塊(13)的凸起部分位置與試樣下帽圈(12)的帽沿位置相對應固定；所述內膠膜(14)為空心筒狀結構，所述內膠膜(14)豎直安裝在試樣下帽圈(12)上，且所述內膠膜(14)的底面四周與試樣下帽圈(12)的帽沿內圈邊緣固定，所述空心凍土試樣(11)為空心筒狀結構，所述空心凍土試樣(11)的內表面緊挨內膠膜(14)的外表面放置在試樣下帽圈(12)的帽沿上，所述外膠膜(15)為空心筒狀結構，所述外膠膜(15)的內表面緊挨空心凍土試樣(11)的外表面，且所述外膠膜(15)的底面四周固定安裝在試樣下帽圈(12)的帽沿外圈邊緣，所述內膠膜(14)和外膠膜(15)上面設置有試樣上帽圈(9)，且所述內膠膜(14)和外膠膜(15)的頂部四周與試樣上帽圈(9)的帽沿內、外圈邊緣分別固定，所述的試樣上帽圈(9)、空心凍土試樣(11)、試樣下帽圈(12)的內、外直徑相同；在所述試樣上帽圈(9)上固定安裝有凹槽朝下的上部墊塊(8)，且所述上部墊塊(8)的凸起部分位置與試樣上帽圈(9)的帽沿位置相對應，所述上部墊塊(8)的上表面設置有活塞(1)，且所述活塞(I)設置在活塞孔中； 在所述空心凍土試樣(11)的內腔中設置有內循環管道(17)，所述內循環管道(17)的兩個連接埠分別穿過下部墊塊(13 )和底座(6 )再與冷卻液循環通道(3 )連接，所述冷卻液循環通道(3)與控溫製冷設備連接，所述圍壓控制設備通過內壓通道(4)與空心凍土試樣(11)的內腔連通，所述圍壓控制設備往內腔中通入製冷介質(19);在所述空心凍土試樣(11)的外圍空腔中設置有外循環管道(18)，所述外循環管道(18)的兩個連接埠分別穿過底座(6)與冷卻液循環通道(3)連接，所述冷卻液循環通道(3)與控溫製冷設備連接，所述圍壓控制設備通過外壓通道(7)與空心凍土試樣(11)外圍空腔連通，所述圍壓控制設備往外圍空腔中通入製冷介質(19)； 所述空心凍土試樣(11)的內 腔和外圍空腔通入的製冷介質(19)中設置有溫度傳感器(16)，所述溫度傳感器(16)的信號輸出端與數據採集儀的信號輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的一種空心凍土試驗裝置，其特徵在於:所述內循環管道(17)為倒U形結構，所述外循環管道(18)為螺線管型倒U形結構。
3.根據權利要求1所述的一種空心凍土試驗裝置，其特徵在於:所述內膠膜(14)和外膠膜(15)的頂部四周與試樣上帽圈(9)用橡皮筋紮緊，所述內膠膜(14)和外膠膜(15)的底部四周與試樣下帽圈(12)用橡皮筋紮緊。
4.基於權利要求1所述的一種空心凍土試驗裝置的使用方法，其特徵在於，包括以下步驟: a、在底座(6)上固定安裝下部墊塊(13)，並且使其凹槽向上，在下部墊塊(13)上固定安裝試樣下帽圈(12)，且所述下部墊塊(13)的凸起部分位置與試樣下帽圈(12)的帽沿位置相對應；在所述試樣下帽圈(12)的帽沿內圈邊緣處豎直安裝內膠膜(14)，緊挨著內膠膜(14)外側豎直安裝空心凍土試樣(11)，緊挨著空心凍土試樣(11)的外側豎直安裝外膠膜(15)，在空心凍土試樣(11)上端面放置試樣上帽圈(9)，在所述試樣上帽圈(9)上面固定安裝上部墊塊(8)，且所述上部墊塊(8)的凸起部分位置與試樣上帽圈(9)的帽沿位置相對應，在所述上部墊塊(8)的上表面設置有活塞(I)； b、在所述空心凍土試樣(11)的空腔中設置內循環管道(17)，所述內循環管道(17)的兩個連接埠分別穿過下部墊塊(13)和底座(6)再與冷卻液循環通道(3)連接，所述冷卻液循環通道(3)與控溫製冷設備連接；在所述空心凍土試樣(11)的外圍空腔中設置有外循環管道(18)，所述外循環管道(18)的兩個連接埠分別穿過底座(6)與冷卻液循環通道(3)連接，所述冷卻液循環通道(3)與控溫製冷設備連接； C、所述圍壓控制設備通過內壓通道(4)與空心凍土試樣(11)的內腔連通，所述圍壓控制設備通過外壓通道(7 )與空心凍土試樣(11)外圍空腔連通；所述空心凍土試樣(11)的內腔和所述空心凍土試樣(11)的外圍空腔中設置有溫度傳感器(16)； d、在底座(6)上安裝壓力室(2)，使得上述步驟中已安裝的結構置於壓力室(2)內部，所述的活塞(I)穿過活塞孔露置在壓力室(2)頂部外； e、所述圍壓控制設備往內腔和外圍空腔中分別通入製冷介質(19); f、打開控溫製冷設備，控溫製冷設備的冷媒通過冷卻液循環通道(3)在內循環管道(17)和外循環管道(18)中循環； g、監控溫度傳感器(16)的數據，同時動態調整控溫製冷設備的溫度； h、待空心凍土試樣 (11)的內腔和外圍空腔溫度穩定，形成設定的徑向溫度梯度後，則可以進行凍土試驗。
【文檔編號】G01N3/00GK103884581SQ201410112371
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月24日 優先權日:2014年3月24日
【發明者】趙曉東, 周國慶, 路貴林, 賴澤金, 呂長霖 申請人:中國礦業大學