[发明专利]一种空心冻土试验装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空心冻土试验装置及其使用方法，尤其涉及一种径向温度梯度边界条件下的冻土试验装置及其使用方法。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的特殊岩土层，对外界温度变化极为敏感。目前针对冻土的研究主要集中在均匀温度冻土，已经取得了强度随温度降低而增加的共识。天然冻土地区（多年冻土和季节冻土）路基工程、管线工程，人工冻土（竖井开挖、基坑围护、地铁联络通道、盾构对接及进出洞）工程中冻土温度场具有一定的非均匀性（温度梯度），沿用非均匀温度冻土实验方法和理论体系去预测、评估多年冻土地区与人工冻土工程中冻土帷幕（结构）的变形与稳定，具有重要的学术价值和工程意义。相关装置亟待建立。

目前已有大多冻土试验装置主要针对均匀温度实心冻土试样，缺少非均匀温度下空心冻土试样的相关试验装置。已有空心扭剪仪试验对象为空心试样，但是无法实现非均匀温度的控制。已有发明申请号为：201310010431.1的公开文献“温度梯度冻土单轴蠕变试验装置及其使用方法”和申请号为：201310313643.7的公开文献“一种二维温度梯度冻土试验装置及其使用方法”,分别可以实现实心冻土试样的竖向温度梯度控制和二维温度梯度控制，但均不是专门针对空心冻土试样，无法实现空心冻土试样的力学性质精确测试。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种空心冻土试验装置及其使用方法，可以实现空心冻土试样内、外不同温度的独立控制，可以实现径向温度梯度的快速及稳定的控制，为研究温度梯度空心冻土的力学性质提供进一步的技术保证。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种空心冻土试验装置，包括底座、压力室、空心冻土试样、内胶膜、外胶膜、内循环管道、外循环管道、控温制冷设备和围压控制设备，所述压力室罩设在底座上面，所述压力室顶部设有活塞孔；在所述压力室内，所述底座上设置有凹槽朝上的下部垫块，所述下部垫块上固定安装有空心环状帽形结构的试样下帽圈，且所述下部垫块的凸起部分位置与试样下帽圈的帽沿位置相对应固定；所述内胶膜为空心筒状结构，所述内胶膜竖直安装在试样下帽圈上，且所述内胶膜的底面四周与试样下帽圈的帽沿内圈边缘固定，所述空心冻土试样为空心筒状结构，所述空心冻土试样的内表面紧挨内胶膜的外表面放置在试样下帽圈的帽沿上，所述外胶膜为空心筒状结构，所述外胶膜的内表面紧挨空心冻土试样的外表面，且所述外胶膜的底面四周固定安装在试样下帽圈的帽沿外圈边缘，所述内胶膜和外胶膜上面设置有试样上帽圈，且所述内胶膜和外胶膜的顶部四周与试样上帽圈的帽沿内、外圈边缘分别固定，所述的试样上帽圈、空心冻土试样、试样下帽圈的内、外直径相同；在所述试样上帽圈上固定安装有凹槽朝下的上部垫块，且所述上部垫块的凸起部分位置与试样上帽圈的帽沿位置相对应，所述上部垫块的上表面设置有活塞，且所述活塞设置在活塞孔中；在所述空心冻土试样的内腔中设置有内循环管道，所述内循环管道的两个连接端口分别穿过下部垫块和底座再与冷却液循环通道连接，所述冷却液循环通道与控温制冷设备连接，所述围压控制设备通过内压通道与空心冻土试样的内腔连通，所述围压控制设备往内腔中通入制冷介质；在所述空心冻土试样的外围空腔中设置有外循环管道，所述外循环管道的两个连接端口分别穿过底座与冷却液循环通道连接，所述冷却液循环通道与控温制冷设备连接，所述围压控制设备通过外压通道与空心冻土试样外围空腔连通，所述围压控制设备往外围空腔中通入制冷介质。所述空心冻土试样的内腔和外围空腔通入的制冷介质中设置有温度传感器，所述温度传感器的信号输出端与数据采集仪的信号输入端连接。

更进一步的，所述内循环管道为倒U形结构；所述外循环管道为螺线管型倒U形结构，可增加外循环管道与制冷介质的接触面积。

更进一步的，所述内胶膜和外胶膜的顶部四周与试样上帽圈用橡皮筋扎紧，所述内胶膜和外胶膜的底部四周与试样下帽圈用橡皮筋扎紧。橡皮筋弹性较大，易于操作，且扎紧效果较好，可以实现空心冻土试样的内壁、外壁与制冷介质完全密封隔离。

一种空心冻土试验装置的使用方法，包括以下步骤：