[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

技術領域

本發明公開一種大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統，利用該試驗系統可對大尺度試樣按高壓固結-有載凍結路徑進行多種模式凍融試驗，并能自動實時獲取和存儲溫度、水分和應力信息，特別適用于400~800m厚表土層人工凍結地層技術領域的深土凍融過程水-熱-力耦合作用研究。

背景技術

在人工地層凍結技術領域，隨著資源開采深度增加，我國中東部地區400~800m?厚表土層凍結技術所涉及的一些凍土力學基礎問題日益受到關注，例如深土凍融過程的水-熱-力耦合作用問題。深入了解該問題是凍結管斷裂防治及凍結壁設計的重要基礎。深部土體經歷漫長地質沉積作用，處于超固結狀態，在高地壓下進行凍融過程，與淺表土迥異。只有按深部土體的賦存狀態和受力條件研究凍融過程中水-熱-力耦合作用規律，才能準確和深入地了解深土凍融過程的凍脹力演化機制。?

然而目前土體凍融試驗裝置無法滿足深土凍融過程水-熱-力耦合作用的試驗需要。主要問題在于：（1）試驗裝置中的試樣筒目前普遍采用有機玻璃筒，有機玻璃雖有較好的絕熱性能，但在高內壓下，其剛度和強度不足，側向產生不可忽略的變形，對于深土凍脹應力測量，將產生較大誤差；（2）目前主要采用測量凍融過程補水量變化的方法間接獲得土體內水分，或試驗結束后剖開試樣測試土體內部的含水率。上述測試手段不能實時和直接地獲得土體內部水分變化，無法了解凍融過程水-熱-力的動態耦合作用；（3）常規凍融試驗試樣筒的內部空間為Φ100mm×100mm，限制了微型水分和應力傳感器在土體內埋設，無法實時獲得凍融過程土體內部的水分和應力的變化。

因此有必要研制大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統，以深入了解深部土體凍融過程水-熱-力耦合作用機制，為開展400m~800m厚表土層人工凍結技術基礎研究提供試驗平臺。?

發明內容

本發明旨在克服現有土體凍融試驗裝置的缺點與不足，提供一種滿足研究深部土體凍融過程水-熱-力耦合作用的試驗系統，利用該系統可對大尺度試樣進行高壓固結和有載凍結，能實時獲取凍融過程土體內部溫度、水分和應力的變化。

本發明是由以下技術方案實現的：該大尺度高壓土體凍融過程水-熱-力耦合作用試驗系統，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和底座，試樣筒的兩端設有法蘭，并兩端外圍分別設有減小端部應力的加強肋板，試樣筒內部有效空間尺寸為Φ500mm×1000mm，最大可承受15MPa內壓；所述試樣筒底端由法蘭連接有一個中心設有傳感器引線孔的底座；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，包括設于試樣筒頂部的頂部控溫腔，敷設于試樣筒內壁的內反射隔熱層，包覆于試樣筒外部的保溫層，均勻環繞在試樣筒外壁的筒體控溫管，設于試樣筒下部的底部控溫管以及高低溫恒溫槽；所述頂部控溫腔及底部控溫管分別由頂部冷媒循環管及底部冷媒循環管與高低溫恒溫槽連接，高低溫恒溫槽還與筒體控溫管連接；所述數據采集系統，由荷重傳感器、傳感器組、數據采集儀和計算機組成，傳感器組包括埋設于土體內部的溫度傳感器、水分傳感器和土壓計，傳感器引線與數據采集儀連接，數據采集儀連接計算機。

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，限位板和頂板裝置，所述反力架由反力板和高強螺桿組成，高強螺桿沿試樣筒周向均布，并與上法蘭連接，為豎向加載提供反力；所述限位板與高強螺桿活動連接，并可由鎖緊螺母固定；所述頂板裝置包括順序固定連接的下承壓板、承壓環、上承壓板、傳力鋼板和傳力柱，所述傳力柱設于頂板裝置的中心，所述上承壓板和下承壓板之間形成密封的頂部控溫腔；所述千斤頂對應傳力柱的中軸設置，并與限位板固定連接；所述伺服控制臺與千斤頂連接，對土體加、卸載以及維持恒壓。

所述補水系統，包括補水腔、反濾層、補水管路和馬氏瓶，所述補水管路包括補水管和排氣調壓管，所述補水腔位于試樣筒內的下部，補水腔的頂面均布補水孔并設有反濾層，補水腔內設有支撐骨架，補水腔由補水管與馬氏瓶連接，管體上設有流量調節閥。

本發明的有益效果：

（1）試樣筒采用高強鑄鋼圓筒，并在結構設計上進行了優化，與有機玻璃筒相比強度和剛度大幅提高，在高內壓作用下側向變形小，可滿足研究400m~800m厚表土層土體凍融過程的需要；

（2）試樣筒內部空間Φ500mm×1000mm，可容納高徑比1~2的大尺度試樣，滿足現有規格傳感器埋設的尺寸和間距要求，保證了試驗精度；