[发明专利]一种能模拟深埋人工冻土形成条件的三轴力学试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种能模拟深埋人工冻土形成条件的三轴力学试验装置，包括主体加载系统、冻结系统及试样测试系统。主体加载系统中，法兰盘、承压筒与底盘构成承压壳体，承压壳体设有引出管与外部既有液压源连接。冻结系统由侧壁冻结液循环通道、底端冻结液循环通道分别与外接既有冷源连接组成。试样测试系统中，预埋于试样内的光纤传感器串与既有测试仪器连接，用于温度和应变监测。本发明与既有伺服控制液压源、低温冷源和测试仪器配合，或与既有三轴伺服力学试验机(系统)配合，能够模拟深埋人工冻土形成条件(先在模拟原始地应力状态下完成土样的长时高压三轴固结，然后在有压条件下冻结土样以形成冻土样)，进行冻土试样三轴力学试验。

技术领域

本发明涉及深部冻土力学与试验测试技术领域，具体是一种能模拟深埋人工冻土形成条件的三轴力学试验装置。本发明与既有伺服控制液压源、低温冷源和测试仪器配合，或与既有三轴伺服力学试验机(系统)配合，能够模拟深埋人工冻土形成条件进行冻土试样三轴力学试验。

背景技术

冻结法是穿过深厚土层建设井筒的最重要方法之一。冻结壁设计理论是冻结法凿井技术的核心之一。原位冻结人工冻土的力学特性是设计冻结壁的重要依据。

近年来，冻结法凿井穿过土层的深度越来越大，已达近800m。深埋原位冻结人工冻土，由于其所处地层深度大、形成条件与常规重塑土的人工冻土试样的形成条件差异大，其物理力学性质与常规重塑土的人工冻土试样的力学性质之间存在很大差异。

因为深埋原状土取样困难、费用高昂，为研究深埋原位人工冻土的力学性质，需要模拟深埋人工冻土形成条件，开展人工冻土三轴力学试验。目前主要有两种技术途径：

途径一：对常规土力学设备进行改造，加大土样的固结压力(达几兆帕～数十兆帕)和加长固结时间(达数天～数月)；土样先在高压固结仪上完成固结后，卸去固结压力，将土样脱模并转移至冻结室，在无压条件下冻结土样形成冻土试样；将制备好的冻土试样放在低温冻土三轴试验机上进行力学试验，测得其力学参数。例如，冷阳光(冷阳光.长时高压K_0固结再冻结粘土的卸载强度及蠕变特性研究[D].中国矿业大学,2014.)用途径一进行了冻土力学试验。

途径二：对三轴伺服力学试验机进行改装。例如，常小晓(常小晓,马巍,马金荣.低温、高压K0固结仪,CN2479498[P].2002.)为三轴伺服力学试验机的三轴压力室加装了冻结功能，使得土样的固结、冻结、三轴剪切全过程都在三轴伺服力学试验机上完成。

然而，该两种途径均存在明显不足。途径一虽能够保证土样的固结压力和固结时间，但固结好的土样是在无压条件下冻结的。这种冻土试样形成的条件与深埋人工冻土在高原始地应力条件下冻结而成的实际严重不符。途径二虽能模拟深埋人工冻土的形成条件，但整个过程在三轴伺服力学试验机上完成，需要占用试验机达数天～数月，试验时间长、试验机时费昂贵，无法高效地开展大量深埋人工冻土试样的力学试验。因此，需要发明一种能模拟深埋人工冻土形成条件的三轴力学试验装置，利用该装置与既有伺服控制液压源、低温冷源和测试仪器配合，或与既有三轴伺服力学试验机(系统)配合，能够测试深埋人工冻土试样的力学性质参数。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足，提供一种能模拟深埋人工冻土形成条件的三轴力学试验装置及方法。

技术方案：本发明的一种能模拟深埋人工冻土形成条件的三轴力学试验装置，包含主体加载系统、冻结系统及试样测试系统；