[發明專利]大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統

無效

• 申請號: 201310044787.7
• 申請日: 2013-02-05
• 公開（公告）號: CN103116014A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 李海鵬;胡琛琛;宋雷;汪汝鋒;張濤;任彥龍;楊志江
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 淮安市科翔專利商標事務所 32110
• 代理人: 韓曉斌

1.一種大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統，其特征是：包括試驗臺，以及與試驗臺連接的加載系統，溫度控制系統，補水系統和數據采集系統；所述試驗臺包括一個能夠容納大尺度試樣的高強鑄鋼試樣筒（13）和底座（20），試樣筒（13）的兩端設有法蘭，并兩端外圍分別設有減小端部應力的加強肋板（30），試樣筒（13）內部有效空間尺寸為Φ500mm×1000mm，最大可承受15MPa內壓；所述試樣筒（13）底端由法蘭連接有一個中心設有傳感器引線孔（21）的底座（20）；所述加載系統設于試驗臺上部，補水系統設于試驗臺下部；?所述溫度控制系統，包括設于試樣筒（13）頂部的頂部控溫腔（29），敷設于試樣筒（13）內壁的內反射隔熱層（28），包覆于試樣筒（13）外部的保溫層（12），均勻環繞在試樣筒（13）外壁的筒體控溫管（27），設于試樣筒（13）下部的底部控溫管（17）以及高低溫恒溫槽；所述頂部控溫腔（29）及底部控溫管（17）分別由頂部冷媒循環管（8）及底部冷媒循環管（18）與高低溫恒溫槽連接，高低溫恒溫槽還與筒體控溫管（27）連接；所述數據采集系統，由荷重傳感器（5）、傳感器組（14）、數據采集儀和計算機組成，傳感器組（14）包括埋設于土體（26）內部的溫度傳感器、水分傳感器和土壓計，傳感器引線（23）與數據采集儀連接，數據采集儀連接計算機。

2.根據權利要求1所述一種大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統，其特征是：所述加載系統，包括伺服控制臺、反力架及順序設置的千斤頂（3），限位板（4）和頂板裝置，所述反力架由反力板（1）和高強螺桿（2）組成，高強螺桿（2）沿試樣筒（13）周向均布，并與上法蘭（7）連接，為豎向加載提供反力；所述限位板（4）與高強螺桿（2）活動連接，并可由鎖緊螺母（32）固定；所述頂板裝置包括順序固定連接的下承壓板（11）、承壓環（10）、上承壓板（9）、傳力鋼板（31）和傳力柱（6），所述傳力柱（6）設于頂板裝置的中心，所述上承壓板（9）和下承壓板（11）之間形成密封的頂部控溫腔（29）；所述千斤頂（3）對應傳力柱（6）的中軸設置，并與限位板（4）固定連接；所述伺服控制臺與千斤頂（3）連接，對土體（26）加、卸載以及維持恒壓。

3.根據權利要求1所述一種大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統，其特征是：所述補水系統，包括補水腔（16）、反濾層（15）、補水管路和馬氏瓶（33），所述補水管路包括補水管（19）和排氣調壓管（25），所述補水腔（16）位于試樣筒（13）內的下部，補水腔（16）的頂面均布補水孔并設有反濾層（15），補水腔（16）內設有支撐骨架，補水腔（16）由補水管（19）與馬氏瓶（33）連接，管體上設有流量調節閥（24）。

4.根據權利要求1或2所述一種大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統，其特征是：所述頂板裝置設有通至頂部控溫腔（29）的頂部冷媒循環管孔，能夠吻合插入頂部冷媒循環管（8）。

5.根據權利要求1或3所述一種大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統，其特征是：所述底座（20）為圓形鋼板，底座（20）上設有分別能夠吻合穿入補水管（19）、底部冷媒循環管（18）及排氣調壓管（25）的補水管孔、底部冷媒循環管孔和排氣調壓管孔。

6.一種基于大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統的土體凍融過程水-熱-力試驗，其特征是：

試驗步驟為：

1）啟動數據采集系統，開始采集土體（26）內的溫度、水分和應力等信息；

2）保持補水管（19）和排氣調壓管（25）暢通，以利于固結時孔隙水排出，按照設定的壓力，通過液壓伺服控制臺控制千斤頂（3）對土體（26）進行恒載固結，直至土體（26）固結達到穩定；

3）固結完成后，緊固限位板（4）的上、下鎖緊螺母（32），通過限位板（4）對土體凍脹變形實現剛性約束；

4）開啟流量調節閥（24），使水進入補水腔（16），氣體由排氣調壓管（25）排出，當無氣泡排出時，調節排氣調壓管（25）內水頭達到土體（26）底部，固定調節排氣調壓管（25）；

5）啟動高低溫恒溫槽，待達到設定的溫度后，開啟水泵，使不同溫度的冷媒分別在底部冷媒循環管（18）、筒體控溫管（27）和頂部控溫腔（29）進行循環，對土體進行凍結，待土體（26）內溫度、水分和應力變化穩定后結束凍結，調節溫度進行土體融解試驗；

6）待土體達到凍結前的初始溫度，且水分和應力變化穩定后結束試驗，試驗過程中數據采集系統實時獲取和存儲土體（26）內的溫度、水分和應力等信息，可直接了解凍融過程中水-熱-力動態耦合作用。