[發明專利]多功能凍脹試驗系統及其試驗方法

在審

• 申請號: 202010937471.0
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN112326921A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 曹亞鵬;李國玉;周志偉;王新斌;柴明堂;張軍;郭騰
• 申請（專利權）人: 中國科學院西北生態環境資源研究院
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01N3/08;G01N25/00;G01N1/28
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 李程

本發明公開了一種多功能凍脹試驗系統及其試驗方法，所述試驗系統包括支撐架，設置于所述支撐架上用于存放土樣的試驗桶體，控制所述土樣溫度的溫度控制系統，通過所述試驗桶體頂部、擇一給所述土樣施加恒定壓力或無窮剛度的施力系統，通過所述試驗桶體下部向土樣內補水的無壓補水系統以及檢測系統。本發明可進行多條件耦合試驗，集成度高。

技術領域

本發明涉及凍土研究技術領域，特別是涉及一種多功能凍脹試驗系統及其試驗方法。

背景技術

具有負溫或零溫并含有冰的土類和巖石稱之為凍土。當土中水變成冰時，體積增大9％，稱為土中水的凍脹，當土中水的體積膨脹足以引起土顆粒間的相對位移時就形成凍結時土的體積膨脹，稱為土的凍脹。凍脹分為原位凍脹和分凝凍脹兩種類型。在封閉系統中，土中主要發生原位凍脹。而在有水分補給的開放系統中，水分在驅動機制的作用下遷移到某個位置凍結，稱為分凝凍脹，其凍脹量較大。當凍土中發生鹽漬化現象時，復雜的土-水-鹽相互作用改變了原有的凍脹及水分遷移機制，在周期性溫變條件下，加劇了建(構)筑物的破壞。

目前對土壤水-熱-鹽-力所做的研究主要集中在室內模型試驗方面，對單一土層進行研究時，從上到下需要維持柱狀土樣的溫度均一，對多土層進行研究時，提供從上到下溫度梯度變化的環境，模擬地下水的影響時，需要給土樣進行無壓補水，除此之外，還需要模擬不同約束條件對凍土的影響，現有技術的試驗裝置集成度低，不能進行以上多種條件下的耦合試驗。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術中存在的凍脹試驗裝置不能滿足多方面研究需求的缺陷，而提供一種多功能凍脹試驗系統。

本發明的另一個目的是提供所述多功能凍脹試驗系統的試驗方法。

為實現本發明的目的所采用的技術方案是：

一種多功能凍脹試驗系統，包括支撐架，設置于所述支撐架上用于存放土樣的試驗桶體，控制所述土樣溫度的溫度控制系統，通過所述試驗桶體頂部、擇一給所述土樣施加恒定壓力或無窮剛度的施力系統，通過所述試驗桶體下部向土樣內補水的無壓補水系統以及檢測系統，其中：

所述試驗桶體包括用于存放土樣的內試樣桶以及設置于所述內試樣桶周向外壁上的冷卻部；

所述溫度控制系統包括所述冷卻部、固定于所述試驗桶體底部的下冷板、可匹配進入與所述內試樣桶內且與其內壁密封連接的上控溫板，所述上控溫板受所述施力系統的作用給所述土樣施加載荷，所述內試樣桶的底部與所述下冷板的頂部密封連接；

所述施力系統包括杠桿施力裝置、助力桿、上部反力梁，所述助力桿上設有可拆卸的量力環，當所述上部反力梁與所述支撐架固定連接時且助力桿上不安裝量力環時，上部反力梁通過固定上控溫板的位置以模擬無限剛度條件，當上部反力梁與所述支撐架固定連接時且助力桿上安裝量力環時，模擬柔性邊界條件；

所述無壓補水系統包括設置于所述試驗桶體底部的補水腔體以及給所述補水腔體供水的連通器結構，所述補水腔體上設有朝向土樣的補水孔；

所述檢測系統包括設置于量力環上的位移傳感器和/或設置于所述助力桿上的應力傳感器和/或用于測量土樣溫度的溫度傳感器和/或用于測量土樣在豎直方向上位移的位移傳感器探針和/或用于測量補水量和補水速率的補水計量裝置。

在上述技術方案中，所述支撐架包括下底板和固定于所述下底板上的導向桿，所述下底板的底部固定有支撐腿，所述下冷板固定于所述下底板上，所述上部反力梁與所述導向桿的上部滑動連接，且所述上部反力梁可通過緊固連接件緊固于所述導向桿上。

在上述技術方案中，所述試驗桶體外側設置保溫套，保溫套的底部固定于下冷板或支撐架上，所述試驗桶體的頂部設有可密封保溫套開口的所述上頂板，所述上頂板通過第一拉桿固定于下冷板或支撐架上，所述上頂板上形成供所述助力桿穿出的通孔，助力桿與該通孔之間密封連接。