本發(fā)明屬于凍土工程、路基工程和隧道工程土工試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于研究開放系統(tǒng)中靜動(dòng)荷載作用下普通土、特殊土和路基填料單向凍融物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)儀器。

背景技術(shù)：

我國(guó)在東北、華北、西北等地區(qū)分布廣闊的季節(jié)凍土，占國(guó)土面積的54%，其中凍深達(dá)0.5m且能夠引起工程問(wèn)題的季節(jié)凍土占4.46×10⁶km²，凍深達(dá)1.5m且能夠引起嚴(yán)重工程問(wèn)題的深季節(jié)凍土占3.67×10⁶km²。東北地區(qū)屬于典型的高寒深季節(jié)凍土區(qū)，季節(jié)性凍害問(wèn)題頻繁且相對(duì)嚴(yán)重。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)高速鐵路、快速客運(yùn)專線、重載鐵路、高速公路、鐵路隧道、公路隧道和城市地鐵建設(shè)日益加快，其中大多數(shù)重大基礎(chǔ)設(shè)施均分布在季節(jié)凍土區(qū)和深季節(jié)凍土區(qū)，面臨著不同程度的凍融問(wèn)題。對(duì)于鐵路工程，路基填料的凍融問(wèn)題是影響軌道不平順的重要因素之一，其對(duì)鐵路工程的階段提速、行車安全和使用壽命均有重要影響。此外相關(guān)研究表明，在行車荷載作用下，凍土路基中水分遷移速率將顯著增大，水分遷移量大幅增加，這將導(dǎo)致凍融問(wèn)題更加嚴(yán)重。同時(shí)隨著高速鐵路行車速度的提高以及重載鐵路軸重的增加，行車荷載較之從前顯著提高，在路基中的影響深度可達(dá)6~8m，遠(yuǎn)超目前路基設(shè)計(jì)所考慮的行車振動(dòng)影響深度—基床上部70cm范圍，從而使得由列車荷載作用導(dǎo)致水分遷移速率增加的影響范圍顯著擴(kuò)大，凍害問(wèn)題不容樂(lè)觀。對(duì)于公路工程，雖然其行車荷載形式和鐵路工程不同，但所涉及的問(wèn)題與之基本相似，宏觀表現(xiàn)為路面開裂和不均勻沉降。對(duì)于隧道工程，凍融問(wèn)題影響著隧道的行車安全和使用壽命，由凍融作用引起的襯砌結(jié)構(gòu)大變形、裂縫乃至坍落并不鮮見。因此針對(duì)面臨的季節(jié)性凍害問(wèn)題，以室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M為手段，研究季節(jié)凍土區(qū)土體或路基填料的物理力學(xué)性質(zhì)是必須且重要的。

近年來(lái)，關(guān)于土體或路基填料凍融問(wèn)題的研究大多停留在封閉系統(tǒng)、側(cè)向約束和靜載作用的層面上，對(duì)于動(dòng)載作用下的凍融問(wèn)題和不同固結(jié)狀態(tài)下更一般的凍融問(wèn)題的研究還很鮮見，同時(shí)基于封閉系統(tǒng)進(jìn)行的凍融問(wèn)題研究存在一定局限性，開放系統(tǒng)下成套試驗(yàn)設(shè)施的開發(fā)能夠彌補(bǔ)其不足，因此提出一種用于研究開放系統(tǒng)中靜動(dòng)荷載作用下不同固結(jié)狀態(tài)試樣凍融性質(zhì)的試驗(yàn)儀器具有現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種開放系統(tǒng)凍融土動(dòng)靜三軸測(cè)試儀，它可以真實(shí)模擬土體和路基填料的凍融過(guò)程，可以考慮側(cè)向約束、圍壓、上部靜載、上部動(dòng)載、溫度梯度、初始含水率和密實(shí)度等因素對(duì)試樣單向凍融性質(zhì)的影響，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣凍融過(guò)程中溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、系統(tǒng)補(bǔ)水量、凍脹力、體應(yīng)變和軸向應(yīng)變等物理力學(xué)技術(shù)指標(biāo)的變化情況。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種開放系統(tǒng)凍融土動(dòng)靜三軸測(cè)試儀，包括溫控系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)和數(shù)采系統(tǒng)五大系統(tǒng)，其中：

所述溫控系統(tǒng)包括冷端端頭、暖端端頭、高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置、多孔傳壓介質(zhì)、橡膠膜，高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置分別與冷端端頭和暖端端頭相連通，冷端端頭和暖端端頭分別位于試樣的頂面和底面，橡膠膜包裹在試樣外側(cè)，多孔傳壓介質(zhì)包裹在橡膠膜的外側(cè)；

所述補(bǔ)水系統(tǒng)包括補(bǔ)水槽、補(bǔ)水瓶和高進(jìn)氣值陶土板，補(bǔ)水槽與補(bǔ)水瓶連通，高進(jìn)氣值陶土板位于補(bǔ)水槽內(nèi)且與試樣的底面連接；

所述加載系統(tǒng)包括激振器、反力架、試驗(yàn)臺(tái)座、中央傳力桿和配重，反力架固定在試驗(yàn)臺(tái)座上，激振器固定在反力架上并通過(guò)中央傳力桿與冷端端頭相連接，配重穿套在中央傳力桿上；

所述圍壓系統(tǒng)包括直線軸承、氣壓閥、外壓力室和內(nèi)壓力室，直線軸承和氣壓閥位于外壓力室上蓋板上，直線軸承穿套在中央傳力桿上，多孔傳壓介質(zhì)位于內(nèi)壓力室內(nèi)；

所述數(shù)采系統(tǒng)包括位移傳感器、環(huán)形液面標(biāo)定室、體變測(cè)量室、差壓傳感器、壓電式力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器，環(huán)形液面標(biāo)定室位于內(nèi)壓力室外側(cè)上端，體變測(cè)量室位于內(nèi)壓力室內(nèi)部試樣上方，差壓傳感器用于測(cè)量體變測(cè)量室內(nèi)液面變化量，位移傳感器用于監(jiān)測(cè)冷端端頭位移變化量，壓電式力傳感器用于監(jiān)測(cè)試樣變形過(guò)程中所受壓力和凍脹力，溫度傳感器和濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)試樣內(nèi)部溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的變化時(shí)程。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的開放系統(tǒng)凍融土動(dòng)靜三軸測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102-2010)中涉及的常規(guī)凍土試驗(yàn)、動(dòng)荷載作用時(shí)不同應(yīng)力狀態(tài)下試樣單向凍融試驗(yàn)等。

2、本發(fā)明理念先進(jìn)、原理科學(xué)、操作簡(jiǎn)單，可以為季節(jié)凍土區(qū)、深季節(jié)凍土區(qū)和永久凍土區(qū)高速鐵路、高速公路、大長(zhǎng)隧道的行車安全性分析和長(zhǎng)期性評(píng)價(jià)等提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1是開放系統(tǒng)凍融土動(dòng)靜三軸測(cè)試儀示意圖，1-激振器、2-反力架、3-位移傳感器、4-中央傳力桿、5-配重、6-冷端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置進(jìn)口、7-冷端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置出口、8-直線軸承、9-氣壓閥、10-電路引出孔、11-環(huán)形液面標(biāo)定室、12-外壓力室、體變13-測(cè)量室、14-壓電式力傳感器、15-冷端端頭、16-內(nèi)壓力室、17-多孔傳壓介質(zhì)、18-試樣、19-溫度傳感器、20-濕度傳感器、21-橡膠膜、22-高進(jìn)氣值陶土板、23-暖端端頭、24-補(bǔ)水槽、25-補(bǔ)水系統(tǒng)出水及排氣孔、26-補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)水孔、27-暖端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置進(jìn)口、28-暖端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置出口、29-環(huán)形液面標(biāo)定室進(jìn)水口、30-內(nèi)壓力室進(jìn)水口、31-試驗(yàn)臺(tái)座、32-差壓傳感器；

圖2是試樣發(fā)生膨脹時(shí)總體應(yīng)變、軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變計(jì)算示意圖；

圖3是試樣發(fā)生壓縮時(shí)總體應(yīng)變、軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變計(jì)算示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

具體實(shí)施方式一：如圖1所示，本實(shí)施方式提供的開放系統(tǒng)凍融土動(dòng)靜三軸測(cè)試儀由溫控系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)和數(shù)采系統(tǒng)五大系統(tǒng)組成，其中：

所述溫控系統(tǒng)由冷端端頭15、暖端端頭23、高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置、多孔傳壓介質(zhì)17、橡膠膜21共同組成。其中，冷端端頭15上設(shè)置有冷端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置進(jìn)口6和冷端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置出口7，暖端端頭23上設(shè)置有暖端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置進(jìn)口27和暖端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置出口28，高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置分別與冷端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置進(jìn)口6、冷端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置出口7、暖端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置進(jìn)口27和暖端高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置出口28相連通；冷端端頭15和暖端端頭23分別位于試樣18的頂面和底面，橡膠膜21包裹在試樣18外側(cè)，且與冷端端頭15底面和暖端端頭23頂面貼合，多孔傳壓介質(zhì)17包裹在橡膠膜21的外側(cè)。

所述補(bǔ)水系統(tǒng)由高進(jìn)氣值陶土板22、補(bǔ)水槽24和通用馬氏補(bǔ)水瓶共同組成。其中，補(bǔ)水系統(tǒng)出水及排氣孔25和補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)水孔26位于補(bǔ)水槽24的底面，補(bǔ)水系統(tǒng)出水及排氣孔25與大氣連通，補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)水孔26與通用馬氏補(bǔ)水瓶連通，高進(jìn)氣值陶土板22位于補(bǔ)水槽24內(nèi)且與試樣18的底面連接。補(bǔ)水槽24位于暖端端頭23的頂面。暖端端頭23頂面和試樣18的底面之間自下向上包括補(bǔ)水槽24、高進(jìn)氣值陶土板22。

所述加載系統(tǒng)由動(dòng)力和靜力加載模塊共同組成，具體包括激振器1、反力架2、試驗(yàn)臺(tái)座31、中央傳力桿4和配重5。其中，激振器1固定在反力架2上，反力架2固定在試驗(yàn)臺(tái)座31上，激振器1通過(guò)中央傳力桿4與冷端端頭15相連接，共同組成動(dòng)力加載模塊，激振器1可以采用偏心塊激振器、電磁式激振器或氣動(dòng)式激振器，其作動(dòng)滑距需調(diào)整；配重5穿套在中央傳力桿4上，組成靜力加載模塊。

所述圍壓系統(tǒng)由直線軸承8、氣壓閥9、外壓力室12和內(nèi)壓力室16共同組成。其中，直線軸承8和氣壓閥9位于外壓力室12上蓋板上，直線軸承8穿套在中央傳力桿4上且位于配重5下方，中央傳力桿4和直線軸承8之間進(jìn)行動(dòng)密封處理，多孔傳壓介質(zhì)17位于內(nèi)壓力室16內(nèi)。試驗(yàn)中，通過(guò)內(nèi)壓力室進(jìn)水口30向內(nèi)壓力室16內(nèi)注入特制液體，使之浸潤(rùn)多孔傳壓介質(zhì)17。將氣壓閥9與外部可控壓力源連接，氣壓通過(guò)內(nèi)壓力室16內(nèi)的特制液體將壓力均勻作用在試樣18表面。

所述數(shù)采系統(tǒng)由位移傳感器3、環(huán)形液面標(biāo)定室11、體變測(cè)量室13、差壓傳感器32、壓電式力傳感器14、溫度傳感器19和濕度傳感器20共同組成。其中，環(huán)形液面標(biāo)定室11位于內(nèi)壓力室16外側(cè)上端，體變測(cè)量室13位于內(nèi)壓力室16內(nèi)部試樣上方，環(huán)形液面標(biāo)定室11、體變測(cè)量室13和差壓傳感器32用于監(jiān)測(cè)試樣體變，位移傳感器3用于監(jiān)測(cè)冷端端頭15位移變化量（即：試樣軸向應(yīng)變），壓電式力傳感器14用于監(jiān)測(cè)試樣變形過(guò)程中所受壓力和凍脹力；溫度傳感器19和濕度傳感器20分別插在試樣兩側(cè)，用于監(jiān)測(cè)試樣內(nèi)部溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的變化時(shí)程。上述測(cè)量裝置通過(guò)電路引出孔10與數(shù)據(jù)采集儀連接。

本實(shí)施方式中，所述電路引出孔10采用普通電連接器進(jìn)行改裝，電連接器兩端設(shè)置多個(gè)金屬針頭，導(dǎo)線通過(guò)錫焊方式與之連接。

本實(shí)施方式中，所述冷端端頭15和暖端端頭23內(nèi)部設(shè)置環(huán)狀導(dǎo)流管，并在冷端腔體內(nèi)充填防凍液，在暖端腔體內(nèi)充填蒸餾水，以均勻傳熱。

本實(shí)施方式中，所述多孔傳壓介質(zhì)17孔隙率的取用范圍需經(jīng)試驗(yàn)確定，此外其上下表面應(yīng)當(dāng)分別與冷端端頭15和暖端端頭23的表面相粘連。在凍脹試驗(yàn)中，隨凍脹的不斷發(fā)展，多孔傳壓介質(zhì)孔隙率將逐漸增大，需保證最大孔隙率下，多孔傳壓介質(zhì)區(qū)域不形成大對(duì)流作用。

試驗(yàn)原理：

進(jìn)行凍脹試驗(yàn)時(shí)，在固結(jié)完成的試樣頂面和底面分別施加恒定負(fù)溫和正溫，并在試樣周圍設(shè)置保溫絕熱層，使試樣內(nèi)部形成具有穩(wěn)定溫度梯度的溫度場(chǎng)。同時(shí)在試樣底面高度處提供充足的無(wú)壓水源，以保證開放系統(tǒng)下凍脹過(guò)程中的水分補(bǔ)給。試驗(yàn)開始后，無(wú)壓水源在毛細(xì)力、動(dòng)荷載、負(fù)孔隙壓力等作用下將發(fā)生遷移，在凍結(jié)鋒面以上凍結(jié)引起試樣體積膨脹。

進(jìn)行融沉試驗(yàn)時(shí)，在達(dá)到最大凍脹量的試樣頂面施加指定正溫，使其在指定穩(wěn)定正溫度梯度下緩慢融化，產(chǎn)生沉降。

當(dāng)亟需研究靜載或動(dòng)載作用下試樣凍融性質(zhì)時(shí)，在試樣上部作用配重或激振器以模擬這兩種情況。施加動(dòng)荷載時(shí)，試樣周圍是非剛性多孔傳壓介質(zhì)，不會(huì)影響試樣內(nèi)波的傳遞。

當(dāng)亟需研究不同圍壓條件下試樣凍融性質(zhì)時(shí)，在外壓力室內(nèi)部上端，通過(guò)氣壓閥施加可控氣壓，通過(guò)內(nèi)壓力室防凍液傳遞作用于試樣表面。試驗(yàn)過(guò)程中氣壓需持續(xù)穩(wěn)定施加，較大波動(dòng)對(duì)試驗(yàn)精度影響很大。

上述試驗(yàn)過(guò)程中采用溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器和差壓傳感器等裝置記錄試樣凍融過(guò)程中各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)，并結(jié)合試樣的初態(tài)和終態(tài)，對(duì)試樣凍融過(guò)程進(jìn)行完整描述和分析研究。

技術(shù)指標(biāo)：

（1）試樣尺寸：Φ101mm×200mm；

（2）圍壓：0~1MPa；

（3）直接軸承摩擦力控制在10N以下，且保證氣密性；

（4）模擬溫度范圍：-40℃~+40℃；

（5）動(dòng)荷載頻率范圍：5~10Hz。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式以開放系統(tǒng)中動(dòng)荷載作用下有壓?jiǎn)蜗騼鋈谠囼?yàn)為例說(shuō)明具體實(shí)施方式一中開放系統(tǒng)凍融土動(dòng)靜三軸測(cè)試儀的操作流程，具體包括以下幾方面：

1、試樣制備。參考《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102-2010)中土樣和試樣制備方法，制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸Φ101mm×200mm試樣。脫模后沿試樣高度方向每間隔40mm在其兩側(cè)分別插入溫度傳感器和濕度傳感器各一支。將試樣用橡膠膜包裹，傳感器端頭包裹在內(nèi)，導(dǎo)線從試樣上端捋出。

2、補(bǔ)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)：通過(guò)與補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)水孔連接的馬氏補(bǔ)水瓶向補(bǔ)水槽內(nèi)注水，并調(diào)節(jié)補(bǔ)水槽內(nèi)液面，使之恰好與高進(jìn)氣值陶土板上表面齊平，調(diào)節(jié)完畢后關(guān)閉補(bǔ)水系統(tǒng)。

3、端頭處理：在冷端端頭內(nèi)腔中加注冷凍液，在暖端端頭內(nèi)腔中加注蒸餾水，將冷暖端頭進(jìn)出口與高低溫液浴循環(huán)裝置連接，在接頭處做好保溫處理。

4、裝樣：在高進(jìn)氣值陶土板上方依次放置濾紙、試樣、濾紙和冷端端頭。試樣上下端頭處橡膠膜與冷暖端頭連接，做防水處理。放置多孔傳壓介質(zhì)，依次安裝內(nèi)壓力室、體變測(cè)量室、環(huán)形液面標(biāo)定室、外壓力室和位移傳感器。從外壓力室上部引出溫度傳感器、濕度傳感器、差壓傳感器和壓電式力傳感器的導(dǎo)線，通過(guò)錫焊方式與電路引出孔的金屬針頭連接。在內(nèi)外壓力室內(nèi)注入防凍液，檢查外壓力室氣密性。

5、數(shù)據(jù)采集裝置連接：將溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器、壓電式力傳感器和差壓傳感器導(dǎo)線依次連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，標(biāo)定初始值。

6、試驗(yàn)初始條件設(shè)定：施加圍壓和壓力補(bǔ)償進(jìn)行24h固結(jié)，固結(jié)穩(wěn)定后在試件上下表面分別施加負(fù)溫和正溫，持續(xù)12h，在試樣內(nèi)部形成穩(wěn)定溫度場(chǎng)。

7、試驗(yàn)工況設(shè)定：調(diào)節(jié)冷端端頭溫度至指定溫度，打開補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)水口，開啟激振器，施加特定波形動(dòng)荷載，直至豎向凍脹位移趨于穩(wěn)定方可終止試驗(yàn)。

8、進(jìn)行融沉試驗(yàn)時(shí)，在試樣達(dá)到最大凍脹位移后改變?cè)嚇由媳砻鏈囟葹橹付ㄕ郎兀渌囼?yàn)條件均保持不變。當(dāng)融沉位移趨于穩(wěn)定時(shí)，終止試驗(yàn)。

9、數(shù)據(jù)采集和處理

體變測(cè)量室13內(nèi)液面變化量Δh由差壓傳感器32量測(cè)，冷端端頭15位移變化量ΔH由位移傳感器3量測(cè)獲得。h₀是試樣初始高度，D₁是內(nèi)壓力室15內(nèi)徑，D₂是體變測(cè)量室13外徑，D₃是試樣初始直徑。D₁對(duì)應(yīng)截面積為πD₁²/4，D₂對(duì)應(yīng)截面積為πD₂²/4。體變測(cè)量室13內(nèi)液面初始高度為h₁，變化后高度為h₂。冷端端頭15初始高度為H₁，變化后高度為H₂。圓柱體試樣初始體積為πh₀D₃²/4，見圖2和3。

當(dāng)試樣膨脹時(shí)，體變測(cè)量室13內(nèi)測(cè)量液面下降，位移變化量為Δh=h₁-h₂，冷端端頭15上升，位移變化量ΔH= H₂-H₁，則試樣總體變、軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變計(jì)算如下：

總體變：；

軸向應(yīng)變：；

徑向應(yīng)變：。

當(dāng)試樣壓縮時(shí)，體變測(cè)量室13內(nèi)測(cè)量液面上升，位移變化量為Δh=h₂-h₁，冷端端頭15下降，位移變化量ΔH= H₁-H₂，則試樣總體變、軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變計(jì)算如下：

總體變：；

軸向應(yīng)變：；

徑向應(yīng)變：。