[实用新型]单向冻结冻融循环三轴仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及岩土力学与工程测试技术领域，具体是一种单向冻结冻融循环三轴仪。

背景技术

我国季节性冻土分布面积十分广泛，遍布纬度高于24°的地区，其分布面积为5.137×106km²，占国土面积的53.5％。季节冻土区的工业民用建筑物、渠道涵闸、道路桥梁等的地基土都随着冬夏冷暖交替，土体发生着冻结融化，这种现象称之为冻融循环。在冻结过程中土体的物理力学性质不断发生着变化，同时伴随着冻胀融沉变形和冻结水分迁移，导致土体力学性质发生劣化的同时，产生较大的破坏，使得建(构)筑物的使用寿命减小，大大增加了相应的维修养护费用。

目前研究中多采用室内冻融试验来研究季节性冻土的特性。常采用的低温试验设备按人工降温方式可分为局部恒温和环境恒温两大类。环境恒温是指通过对试验系统所处环境进行降温使整个试验系统(包括试验对象)达到试验要求温度的方法，常见的有在低温室内进行的冻土力学特性试验。局部恒温是指利用某种制冷方式仅在试验对象附近区域创造一个恒温环境，常见有土的冻胀、融沉试验设备、冻土的三轴试验机等。按土样冻融过程的顺序可以将试验分为预冻融试验和正冻融试验两类。预冻融试验方式是传统冻土力学研究常采用的试验方式，试验将冻融过程与加载过程分为两个互不相关联的环节，试验土样在制备完成后被迅速放入低温箱内进行冻结，等试样完全冻结后再迅速取出放入加载设备进行力学性能测试。正冻融试验是指土样冻融过程是在荷载条件下进行的，这种试验模式能够比较接近的描述了天然土层的实际冻融过程。人工冻土的冻结方式按照冻结方向可以分为单向冻结、双向冻结与三向冻结三种方式。按照是否有外界水分补给的情况，可以分为开放系统和封闭系统两种环境。

季节性冻土区的地基土在冬季冻结时地下水通过毛细作用向冻结锋面迁移。在海拔较高或昼夜温差较大的地区，这种冻结过程可能在很短时间经历若干个循环过程，室内三轴试验设备要模拟这一物理过程，必须进行有专门的补水装置和特殊设计的温控系统，以实现开放条件下的单向冻结和融化。

对于冻融循环问题，国内部分单位也进行了研究，并提出了几种新装置。2004年常小晓等提出了一种低温高压三轴蠕变试验仪(详见中国专利号为“ZL200420085815.6”)，其利用三向冻结方式实现低温下的三轴蠕变试验和强度试验，但无法实现大气降温条件下地基土的单向冻结过程模拟。2010年付伟等提出了一种多功能公路土基冻融循环试验装置(中国专利号为“ZL201020254199.8”)，该装置能实现多个土样的单向冻结及冻融循环，但是该装置不能进行相应的力学强度测试，需要在冻结及冻融循环后取出试样后再进行力学强度测试。2012年顾同欣等提出了一种室内冻土冻融循环过程试验装置(中国专利号为“ZL201220004855.8”)，可以用于研究土体的冻融过程，获得不同温度梯度、不同土性下冻结时补水量、冻胀融沉量等参数，但也不能实现冻融条件下强度特性研究。

实用新型内容

针对现有技术的上述不足，本实用新型所要解决的技术问题的在于提供一种单向冻结冻融循环三轴仪，可以实现低温补水条件下的单向冻结冻融循环试验，同时测试冻融循环条件下三轴强度试验。

本实用新型的目的可以通过下述技术方案来实现：

一种单向冻结冻融循环三轴仪，包括压力室、主机、稳定气压源、温控系统、补水装置、测试及数据采集系统，压力室包括外压力室和内压力室，内压力室的上部设有由试样帽上盒和试样帽下盒组成的试样帽，压力室的底部设置由底座上盒及底座下盒组成的底座，试验时试样置于试样帽和底座之间；外压力室与压力室之间利用保温管路与温控系统中的外压力室制冷机相连，采用冷冻液提供试验的环境温度；试样帽下盒及底座上盒均设有冷冻液循环槽，并通过管路分别与温控系统中的试样帽制冷机和试样底座制冷机相连，分别控制试样顶部及底部的温度；内压力室通过管路与稳定气压源相连，通过压缩空气施加围压；压力室上部设有荷载传力轴，穿过压力室上盖作用在试样帽上盒；压力室底座通过管路与补水装置相连；主机提供动力实现试样剪切，试样帽制冷机、试样底座制冷机、外压力室制冷机上分别设有与测试及数据采集系统相连的温度传感器，主机上设置的位移传感器、荷载传感器与测试及数据采集系统相连。