[發(fā)明專利]一種模擬高壓水凍結(jié)成冰過程的三軸力學(xué)試驗(yàn)裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810107065.4
• 申請日: 2018-02-02
• 公開（公告）號: CN108088757B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王寶生;楊維好;黃家會;韓濤;張馳;楊志江;張濤;王衍森;任彥龍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24;G01N1/42;G01D21/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

一種能模擬高壓水凍結(jié)成冰過程的三軸力學(xué)試驗(yàn)裝置及方法，包括主體加載系統(tǒng)、凍結(jié)系統(tǒng)及試樣測試系統(tǒng)；主體加載系統(tǒng)中法蘭盤、軸壓活塞與承壓外殼構(gòu)成加載主體，軸壓、圍壓分別由三軸伺服試驗(yàn)機(jī)直接、通過油水分離器間接控制；凍結(jié)系統(tǒng)中，周向凍結(jié)液循環(huán)通道、底座凍結(jié)液循環(huán)通道與外部冷源連接用于降溫凍結(jié)，試樣外圍設(shè)有可溶外殼保證成冰形狀；試樣測試系統(tǒng)中，試樣內(nèi)的光纖傳感器串與光纖數(shù)據(jù)采集儀連接，測量溫度和應(yīng)變。本發(fā)明與三軸伺服試驗(yàn)機(jī)、油水分離器、外部冷源和光纖數(shù)據(jù)采集儀配合，能夠使水在可溶外殼限制下有壓凍結(jié)成冰，可溶外殼在冰樣成形后被溶解，繼而實(shí)現(xiàn)水有壓凍結(jié)成冰后直接在原始應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行三軸力學(xué)試驗(yàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冰力學(xué)特性研究技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種開模擬高壓水凍結(jié)成冰過程的三軸力學(xué)試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)

冰力學(xué)從20世紀(jì)初至今已經(jīng)有了長足發(fā)展，冰的力學(xué)試驗(yàn)是不可或缺的研究手段。早期冰力學(xué)研究主要集中在冰與結(jié)構(gòu)物相互作用、破冰機(jī)理等方面，研究對象主要為河冰或海冰，力學(xué)試驗(yàn)一般只考慮冰溫、加載速率對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

隨著冰力學(xué)發(fā)展，其研究對象拓展至高原凍土、極地冰川等，這類冰在形成過程中受到不同程度的原始應(yīng)力，因此凍結(jié)壓力開始成為各國學(xué)者關(guān)注。

因?yàn)槌Ｒ?guī)冰力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備在開發(fā)階段并未考慮到凍結(jié)壓力的影響，無法完成凍結(jié)壓力研究任務(wù)，需要改進(jìn)原有技術(shù)手段進(jìn)行相關(guān)研究。目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法：

方法一：對常規(guī)冰力學(xué)試驗(yàn)中的制樣設(shè)備進(jìn)行改造，在鋼制模具上加裝加壓功能，然后按照常規(guī)冰力學(xué)試驗(yàn)流程開展研究，即先加壓凍結(jié)再恒溫養(yǎng)護(hù)最后將試樣從模具中取出并置于伺服加載設(shè)備中進(jìn)行力學(xué)性能測試。

方法二：改變制樣手段，先在無壓條件下制出單晶冰，然后再將單晶冰打碎過篩得到目標(biāo)尺寸的冰晶粒，接著將冰晶粒和裝入柔性膜中并用水充填晶粒間空隙做成類似土力學(xué)實(shí)驗(yàn)中飽和土樣的冰試樣，之后在三軸伺服設(shè)備中進(jìn)行有壓凍結(jié)，經(jīng)恒溫養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行力學(xué)性能測試(Sammonds P R,Murrell S A F,Rist M A,et al.The design of a high-pressure low-temperature triaxial deformation cell for ice[J].Cold RegionsScience&Technology,1991,19(2):177-188.)。

然而，上述兩種方法均存在顯著缺陷，方法一雖然可以在有壓凍結(jié)條件下對水進(jìn)行凍結(jié)制樣，但并沒有脫離常規(guī)設(shè)備的研究思路，在力學(xué)性能測試時需要先拆模取樣再將冰樣封裝后放入三軸壓力室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，存在明顯的先卸載再加載過程，該應(yīng)力歷史是否會對冰的力學(xué)測試結(jié)果造成影響有待研究；方法二雖然可以在三軸伺服設(shè)備中完成以避免制樣過程中應(yīng)力歷史的影響，但該方法的前提是先獲得固定尺寸的冰晶粒，無法研究凍結(jié)壓力對水直接凍結(jié)所制冰樣力學(xué)特性的影響。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有冰力學(xué)試驗(yàn)裝置和測試方法的不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)在全過程應(yīng)力可控條件下，進(jìn)行水有壓凍結(jié)成冰后直接進(jìn)行三軸試驗(yàn)的裝置及方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的能模擬高壓水凍結(jié)成冰過程的三軸力學(xué)試驗(yàn)裝置，包括主體加載系統(tǒng)、凍結(jié)系統(tǒng)及試樣測試系統(tǒng)；

所述主體加載系統(tǒng)包括法蘭盤、承壓外殼、軸壓活塞、試樣底座、進(jìn)液加載管、排氣管和保溫層；所述法蘭盤、承壓外殼與軸壓活塞構(gòu)成加載主體；法蘭盤呈階梯狀，扣合在承壓外殼底部，通過內(nèi)六角螺栓與承壓外殼連接，二者外側(cè)設(shè)有保溫層；軸壓活塞穿過承壓外殼頂部中心孔伸入加載主體內(nèi)部；所述的試樣底座設(shè)在法蘭盤上，二者通過密封圈密封；所述進(jìn)液加載管、排氣管均穿過保溫層與法蘭盤上的鉆孔相連，連通承壓外殼內(nèi)部圍壓加載空間；