[发明专利]温度梯度冻土单轴蠕变试验装置及方法

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：