一种用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置及方法

技术领域

本申请涉及岩土体冻融循环条件下的应力试验技术领域，尤其涉及一种用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置及方法。

背景技术

随着国内经济的发展，在西部寒区修建的岩土工程也越来越多。对于高寒地区的岩土冻融状态的应力变换也亟需研究。西部寒区温差大、干湿分明的气候特点，导致岩土体同时经历了冻融循环。在冻融循环的过程中，岩土体中的水会变为冰，由于水变为冰时体积会产生膨胀，因此会导致岩体收到膨胀力，造成岩土体的剥落、碎裂，同时，在经历吸饱水和蒸发风干循环作用后，寒区岩土体的力学性质也会发生变化，从而诱发滑坡、崩塌等地质灾害，严重威胁工程设施与生态环境安全。

目前，实验室一般采用真三轴应力加载试验装置进行非饱和土在不同应力路径下的变形、强度等指标的测量。例如，中国专利：一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备及方法(公开号：CN115876608A)公开了一种原位冻融-干湿循环环境下岩土力学试验设备，其虽然实现了岩石原位冻融-干湿循环，但它是采用电力来实现冻融循环的温度调节的，不够环保。中国专利：一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置及方法(公开号：CN116642918A)公开了一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置，其虽然较为环保，但由于其中的涡流管直接将空气作为介质调节温度作用在样本之上，没有很好的将冷热端多余的能量进行相应保存，造成了能源浪费。

发明内容

本申请的实施例提供一种用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置及方法，通过设置涡流管和相变材料，降低了冻融循环中岩土样本三轴应力加载试验的能耗。

为达到上述目的，一方面，本申请的实施例提供了一种用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置，包括三轴加载装置、压力循环装置和空气冻融温度循环装置；所述三轴加载装置包括内部设有岩体样本护膜的压力仓和用于对岩体样本护膜施加轴压的轴压机构；所述岩体样本护膜的上下两端分别密封连接在所述轴压机构上；所述岩体样本护膜与所述压力仓的内壁之间形成液体压力仓，所述液体压力仓内设有冻融循环导温铜管；所述液体压力仓与所述压力循环装置连通；所述压力循环装置能够为所述液体压力仓通入液体；所述空气冻融温度循环装置包括气体温度控制中枢、空气交换器、常温空气导入控制组件、涡流管、热端储温罐、热端气流控制组件、冷端储温罐和冷端气流控制组件；所述涡流管的入口通过常温空气导入控制组件连通空气交换器，出口分别连通冷端储温罐的入口和热端储温罐的入口；所述冷端储温罐的出口和热端储温罐的出口通过所述气体温度控制中枢连接所述冻融循环导温铜管的两端；所述冷端储温罐内设有第一相变介质；所述热端储温罐内设有第二相变介质；所述热端气流控制组件能够控制所述热端储温罐出口处的气流温度和流量；所述冷端气流控制组件能够控制所述冷端储温罐出口处的气流温度和流量。

进一步地，所述轴压机构包括液压传动部分、压力传输杆、支撑底座、底座外壳和多个稳定支撑杆；多个所述稳定支撑杆均支撑在所述液压传动部分和所述支撑底座之间，且位于所述压力仓的外周；所述压力传输杆的上端连接在所述液压传动部分上，下端连接在所述岩体样本护膜上；所述支撑底座的上端连接在所述岩体样本护膜上；所述支撑底座的上端外侧套设底座外壳。

进一步地，所述压力仓为圆筒状，其上下两端分别通过密封件与压力传输杆和支撑底座密封连接。

进一步地，所述压力仓采用保温材料加工而成。

进一步地，所述压力仓的上端设有与所述液体压力仓连通的泄压仓，所述泄压仓的顶部设有第一安全阀。

进一步地，所述液体压力仓的侧壁上设有进液口和排液口；所述进液口和排液口均通过液压管线与所述压力循环装置连通。

进一步地，所述气体温度控制中枢内限定出冷气腔和热气腔；所述冷气腔的出口和所述热气腔的出口分别通过第一气管线和第二气管线与所述冻融循环导温铜管的两端连通；所述冷气腔的入口通过第三气管线与所述冷端储温罐连通；所述热气腔的入口通过第四气管线与所述热端储温罐连通；所述冷气腔和热气腔的顶部均设有第二安全阀。

进一步地，所述冻融循环导温铜管呈螺旋状，且位于所述岩体样本护膜的外侧，所述冻融循环导温铜管的两端穿过所述压力仓的侧壁后与第一气管线和第二气管线连接。

进一步地，所述常温空气导入控制组件包括连接在所述空气交换器的出口处的空气流量控制器和空气温度传感器；所述热端气流控制组件包括连接在所述热端储温罐的入口处的热端气流流量控制器和热端气流温度传感器；所述冷端气流控制组件包括连接在所述冷端储温罐的入口处的冷端气流流量控制器和冷端气流温度传感器。

另一方面，本申请的实施例还提供了一种基于上述用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置的试验方法，包括以下步骤：S1、将装有岩体的岩体样本护膜放入压力仓中，并连接好该试验装置；S2、打开压力循环装置，使压力液体通入液体加压仓内；S3、开启空气交换器使常温空气进入涡流管内，然后开启常温空气导入控制组件、热端气流控制组件和冷端气流控制组件对该试验装置进行调试；S4、打开气体温度控制中枢，对冷热循环时间及循环温度进行设定；S5、空气交换器开始工作，流经涡流管的空气依次经过热端气流流量控制器、热端储温罐或依次经过冷端气流控制器、冷端储温罐的气流进入冻融循环导温铜管中对液体加压仓内的液体进行温度调节，冻融循环导温铜管流出并进入冷端储温罐或热端储温罐内的至少一部分气流的能量被第二相变材料或第一相变材料吸收并存储；然后，改变气流方向，完成冷热循环；S6、重复步骤S5直至完成整个试验过程；同时，控制压力循环装置对液体加压仓内的液体进行加压，直至压力值满足试验要求；然后，控制轴压机构持续对岩体样本护膜施加轴压，并记录整个冻融循环过程中的轴压值。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请实施例用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置通过设置涡流管，使得空气可以提供冷热源，同时排出的气体为空气，可以减少对环境的污染。

2、本申请实施例用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置通过在液体压力仓内设置冻融循环导温铜管，并将经涡流管处理后的冷空气或热空气间接通入冻融循环导温铜管内，对压力液体加热和降温，进而实现对岩体样本的循环加热和降温，相比现有技术中采用电力能源进行加热的方式，本申请实施例减少了能量的损耗。

3、本申请实施例通过在热端储温罐和冷端储温罐内设置相变材料，在作为输入端的储温罐向液体压力仓内提供能量时，作为输出端的储温罐中的相变材料吸收液体压力仓的排出的多余的热能或冷能进行存储，待下个循环中该储温罐作为输入端时相变材料再将存储的能量释放，避免了能量浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置的立体结构示意图；

图2为本申请实施例用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置中三轴加载装置的立体结构示意图(去掉压力仓)；

图3为本申请实施例用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置中三轴加载装置的剖视图；

图4为本申请实施例用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置中压力循环装置的结构示意图；

图5为本申请实施例用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置中空气冻融温度循环装置一个角度的立体结构示意图；

图6为本申请实施例用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置中空气冻融温度循环装置另一个角度的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1，本申请的实施例提供了一种用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置，包括三轴加载装置1、压力循环装置2和空气冻融温度循环装置3。

参照图2和图3，三轴加载装置1包括内部设有岩体样本护膜4的压力仓101和用于对岩体样本护膜4施加轴压的轴压机构。需要说明的是，岩体样本护膜4内装有岩体样本，且岩体样本护膜4为上下均开口的圆筒状。

轴压机构包括液压传动部分102、压力传输杆103、支撑底座104、底座外壳105和四个稳定支撑杆106。四个稳定支撑杆106均支撑在液压传动部分102和支撑底座104之间，且沿周向均布在压力仓101的外周。具体的，每个稳定支撑杆106的上端与液压传动部分102之间均通过连接套管107连接。

压力传输杆103的上端连接在液压传动部分102上，下端与岩体样本护膜4的上端密封连接，支撑底座104的上端与岩体样本护膜4的下端密封连接。液压传动部分102能够驱动压力传输杆103沿轴向运动并为岩体样本护膜4提供下压力。支撑底座104为上小下大的台阶轴，支撑底座104的上部小端外侧套设底座外壳105。底座外壳105能够保护支撑底座104的上部小端。

压力仓101为圆筒状，其上下两端分别通过密封环108与压力传输杆103和支撑底座104密封连接。为了能够增强保温效果，压力仓101采用保温材料加工而成。

岩体样本护膜4与压力仓101的内壁之间形成液体压力仓111，液体压力仓111的侧壁上设有进液口112和排液口113，进液口112和排液口113均通过液压管线5与压力循环装置2连通。液体压力仓11内设有冻融循环导温铜管114，冻融循环导温铜管114呈螺旋状，且位于岩体样本护膜4的外侧，冻融循环导温铜管114的第一端115和第二端116上下并排设置，且分别固定并穿过压力仓101的侧壁后与空气冻融温度循环装置3连接。

压力仓101的上端设有与液体压力仓111连通的泄压仓109，泄压仓109的顶部设有两个第一安全阀110，由此，当液体压力仓111内压力超过安全压力值时，第一安全阀110自动泄压，对整个试验装置进行保护。需要说明的是，除了冻融循环导温铜管114，三轴加载装置1中的其他零部件的结构均为现有的真三轴应力加载试验装置相同。

参照图4，压力循环装置2能够在试验开始前为液体压力仓111通入液体，并在试验完成后将液体压力仓111内的液体吸出。具体的，压力循环装置2由YWK-50-C压力控制器、压力开关及其相关的动力泵和液体存储罐构成，由于其为现有技术，其结构此处不再详述。

参照图5和图6，空气冻融温度循环装置3包括气体温度控制中枢301、空气交换器302、常温空气导入控制组件、涡流管303、热端储温罐304、热端气流控制组件、冷端储温罐305和冷端气流控制组件。

其中，常温空气导入控制组件包括连接在空气交换器302的出口处的空气流量控制器306和空气温度传感器307。热端气流控制组件包括连接在热端储温罐304的入口处的热端气流流量控制器308和热端气流温度传感器309。冷端气流控制组件包括连接在冷端储温罐305的入口处的冷端气流流量控制器310和冷端气流温度传感器311。由此，热端气流控制组件能够控制热端储温罐304出口处的气流温度和流量，冷端气流控制组件能够控制冷端储温罐305出口处的气流温度和流量。

空气交换器302的出口连通空气温度传感器307的入口，空气流量控制器307的出口连通空气流量控制器306的入口，空气流量控制器30的出口连通涡流管303的入口，涡流管303的两个出口分别连通热端气流流量控制器308的入口和冷端气流流量控制器310的入口。热端气流流量控制器308的出口连通热端气流温度传感器309的入口，热端气流温度传感器309的出口连通热端储温罐304的入口。热端储温罐304内设有第二相变介质。冷端气流流量控制器310的出口连通冷端气流温度传感器311，冷端气流温度传感器311的出口连通冷端储温罐305的入口。冷端储温罐305内设有第一相变介质。热端储温罐304和冷端储温罐305上均设有第三安全阀313。由此，当热端储温罐304或冷端储温罐305内的压力超过安全压力值时，第三安全阀313自动泄压，对整个试验装置进行保护。

气体温度控制中枢301内设有控制单元，控制单元能够对冷热循环时间及循环温度进行控制。另外，气体温度控制中枢301的外形为圆柱体，其内部限定出冷气腔和热气腔，冷气腔的出口和热气腔的出口分别通过第一气管线6和第二气管线7与冻融循环导温铜管114的两端连通，冷气腔的入口通过第三气管线8与冷端储温罐305连通，热气腔的入口通过第四气管9与热端储温罐304连通，冷气腔和热气腔的顶部均设有第二安全阀312。由此，当气体温度控制中枢301内的压力超过安全压力值时，第二安全阀312自动泄压，对整个试验装置进行保护。

另一方面，本申请的实施例还提供了一种基于上述用于岩土冻融循环中的三轴应力加载试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1、将装有岩体的岩体样本护膜4放入压力仓101中，并连接好该试验装置。

步骤2、打开压力循环装置2，使压力液体通入液体加压仓111内。

步骤3、开启空气交换器302使常温空气进入涡流管303内，然后开启常温空气导入控制组件、热端气流控制组件和冷端气流控制组件对该试验装置进行调试：

步骤3.1、打开空气交换器302，将常温空气送入涡流管303内部开始预工作。

步骤3.2、打开空气流量控制器306、空气温度传感器307、热端气流流量控制器308、冷端气流流量控制器310对气体的流速进行控制，然后打开热端气流温度传感器309、冷端气流流量控制器310，并通过热端气流温度传感器309和冷端气流温度传感器311的反馈对空气流量控制器306、空气温度传感器307中的气流进行控制。

步骤4、打开气体温度控制中枢301，对冷热循环时间及循环温度进行设定。

步骤5、待气体温度控制中枢301设置完毕后，空气交换器302开始工作，流经涡流管303的空气分为冷热两股，热气流经过热端气流流量控制器308和热端气流温度传感器309进入热端储温罐304内，冷气流经过冷端气流流量控制器310和热端气流温度传感器311进入冷端储温罐305内。当先进行升温试验时，热端储温罐304为输入端，其内的气流进入冻融循环导温铜管114中对液体加压仓内的液体进行加热，降温后的气流经冻融循环导温铜管114流出并进入冷端储温罐305内，由于此时冷端储温罐305内的气流能量并未被使用，气流温度低于其内的第一相变材料的相变温度，因此，气流中的多余能量被第一相变材料吸收并存储。然后，改变气流方向，进行降温试验，完成冷热循环，需要说明的是，降温试验与升温试验的原理相似，此处不再详述，需要强调的是，降温试验过程中第一相变材料存储的冷能被释放利用，热端储温罐304内的第二相变材料吸收并存储多余的热能。

步骤6、重复步骤S5直至完成整个试验过程；同时，控制压力循环装置2对液体加压仓内的液体进行加压，直至压力值满足试验要求；然后，控制轴压机构持续对岩体样本护膜4施加轴压，并记录整个冻融循环过程中的轴压值。

步骤7、通过气体温度控制中枢301中的第二安全阀312将多余气体排出，压力循环装置2与液压传动部分102将压力减弱，压力循环装置2将液体加压仓111内的液体吸出，然后取出岩体样本。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。