[发明专利]一种模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验装置及方法

说明书

一种能模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验装置及方法，包括主体加载系统、冻结系统及试样测试系统；主体加载系统中法兰盘、轴压活塞与承压外壳构成加载主体，轴压、围压分别由三轴伺服试验机直接、通过油水分离器间接控制；冻结系统中，周向冻结液循环通道、底座冻结液循环通道与外部冷源连接用于降温冻结，试样外围设有可溶外壳保证成冰形状；试样测试系统中，试样内的光纤传感器串与光纤数据采集仪连接，测量温度和应变。本发明与三轴伺服试验机、油水分离器、外部冷源和光纤数据采集仪配合，能够使水在可溶外壳限制下有压冻结成冰，可溶外壳在冰样成形后被溶解，继而实现水有压冻结成冰后直接在原始应力状态下进行三轴力学试验。

技术领域

本发明涉及冰力学特性研究技术领域，具体涉及一种开模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验装置及方法。

背景技术

冰力学从20世纪初至今已经有了长足发展，冰的力学试验是不可或缺的研究手段。早期冰力学研究主要集中在冰与结构物相互作用、破冰机理等方面，研究对象主要为河冰或海冰，力学试验一般只考虑冰温、加载速率对试验结果的影响。

随着冰力学发展，其研究对象拓展至高原冻土、极地冰川等，这类冰在形成过程中受到不同程度的原始应力，因此冻结压力开始成为各国学者关注。

因为常规冰力学试验设备在开发阶段并未考虑到冻结压力的影响，无法完成冻结压力研究任务，需要改进原有技术手段进行相关研究。目前主要有两种实现方法：

方法一：对常规冰力学试验中的制样设备进行改造，在钢制模具上加装加压功能，然后按照常规冰力学试验流程开展研究，即先加压冻结再恒温养护最后将试样从模具中取出并置于伺服加载设备中进行力学性能测试。

方法二：改变制样手段，先在无压条件下制出单晶冰，然后再将单晶冰打碎过筛得到目标尺寸的冰晶粒，接着将冰晶粒和装入柔性膜中并用水充填晶粒间空隙做成类似土力学实验中饱和土样的冰试样，之后在三轴伺服设备中进行有压冻结，经恒温养护后进行力学性能测试(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，上述两种方法均存在显著缺陷，方法一虽然可以在有压冻结条件下对水进行冻结制样，但并没有脱离常规设备的研究思路，在力学性能测试时需要先拆模取样再将冰样封装后放入三轴压力室内进行试验，存在明显的先卸载再加载过程，该应力历史是否会对冰的力学测试结果造成影响有待研究；方法二虽然可以在三轴伺服设备中完成以避免制样过程中应力历史的影响，但该方法的前提是先获得固定尺寸的冰晶粒，无法研究冻结压力对水直接冻结所制冰样力学特性的影响。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对现有冰力学试验装置和测试方法的不足，提供一种能够实现在全过程应力可控条件下，进行水有压冻结成冰后直接进行三轴试验的装置及方法。

技术方案：本发明的能模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验装置，包括主体加载系统、冻结系统及试样测试系统；

所述主体加载系统包括法兰盘、承压外壳、轴压活塞、试样底座、进液加载管、排气管和保温层；所述法兰盘、承压外壳与轴压活塞构成加载主体；法兰盘呈阶梯状，扣合在承压外壳底部，通过内六角螺栓与承压外壳连接，二者外侧设有保温层；轴压活塞穿过承压外壳顶部中心孔伸入加载主体内部；所述的试样底座设在法兰盘上，二者通过密封圈密封；所述进液加载管、排气管均穿过保温层与法兰盘上的钻孔相连，连通承压外壳内部围压加载空间；