[发明专利]考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及方法

说明书

考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及方法，包括压力室系统、温度控制系统、湿度控制系统、加载系统、计算机与数据采集系统。温度控制系统包括恒温室、两个“蚊香型”流道、一个柱状螺旋流道和三个恒温循环浴槽；恒温室围设在压力室系统和加载系统的外周；恒温室温度、试样底部的下“蚊香型”流道温度、试样中部的柱状螺旋流道温度和试样顶部的上“蚊香型”流道温度形成逐渐递减的温度梯度；湿度控制系统置于恒温室内，生成的湿度气体顺着逐渐递减的温度梯度方向在试样内流动。本发明能够真实反映高海拔、高寒地区高土石坝筑坝料的真实作用机制，提高了试验精度的同时增强了试验结果的可信度。

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，特别是一种考虑相对湿度和冻融耦合作用的粗粒料劣化试验装置及方法。

背景技术

粗粒料广泛应用于公路路基、铁路碎石道砟、垃圾填埋场垫层、核废料储存场垫层以及土石坝工程。对于土石坝工程，当水库蓄水或者气候环境发生变化时，粗粒料由于水的作用将会引起性能劣化，具体表现为强度降低和压缩量增大，严重者将影响坝体的安全运行。

在复杂的地形地质条件和恶劣的自然环境条件下，相较于常规混凝土坝型，土石坝因其在技术和经济方面不可替代的优势，在水利水电建设中得到了广泛的应用。高土石坝的主要筑坝材料一般为粗粒料，类型主要包括心墙堆石坝和面板堆石坝。以面板堆石坝为例，据统计，我国建在极端气温低于-30℃的面板堆石坝有40多座，有的最低气温低于-40℃，有的工程年最大温差超过80℃，高寒大温差条件下混凝土面板堆石坝的建设和运行经受着严峻的考验。

大量工程实践经验表明，如图7所示，面板坝的混凝土面板作为一个整体结构在施工及运行过程中，在各种外荷载、温度应力、干缩应力及运行期水压力等因素相互耦合作用下普遍发生裂缝。在高寒区持续低温、昼夜温差大的恶劣环境下，混凝土面板更容易产生不同程度的破坏，主要表现在：

1）处于水位变动区6中的混凝土面板3易发生冻融破损（如剥蚀、裂缝）、老化加速，混凝土耐久性降低。

2）表层冰面对面板间的分缝止水4的止水锚固结构产生剪切、拉拔作用，使止水破坏。

3）水通过受损的面板接缝处进入坝体内，靠近面板的垫层料2和堆石1受局部冻胀影响，不均匀变形引发上部混凝土面板开裂破损。处于水位变动区6中的垫层料为易冻胀区5。

4）堆石区粗粒料在冻融和湿度耦合作用下的长期变形（流变）促进了面板裂缝的扩展。作为面板堆石坝的主要防渗体，面板一旦出现贯穿性裂缝，将大大降低其防渗效果，对电站的安全运行造成重大隐患。

因此，加强高寒区筑坝粗粒料劣化问题的研究，对确保大坝安全建设与运行的意义十分重大。高寒区坝体粗粒料的实际冻融过程是：当坝体表面温度低于零度时，坝体表面由外向内不断冻结，在温度梯度的作用下面板下卧层中粗粒料的水汽不断向冻结锋面迁移并遇冷成冰，当温度升高时，积聚的冰层逐步融化形成液态水，又进一步提高了筑坝料的相对湿度。在长期往复的增湿和冻融两种劣化因素共同作用下，高寒区土石坝的安全运行面临严峻挑战。

室内试验中，通常采用三轴试验方法对筑坝料开展强度变形和劣化试验，现有技术的三轴试验装置及方法，均存在着弊端，主要表现在：

温控系统采用侧面环绕式整体控温方式，控温精度低，试验过程中易受环境温度影响。

温控调节装置采用电磁阀，导致温度波动幅度大、恒定耗时长，这是由于电磁阀的工作原理和温控室与环境温度之间的温差共同决定的。

由于采用整体式控温，仪器不能模拟真实的单向冻结方式，不符合实际工况的温度边界条件。

试样上下端温度相同，无温度梯度作用导致冻结作用下的水汽迁移过程无法完成，进而难以真实考虑相对湿度和冻融的耦合作用。

剪切过程中体变量测存在较大误差，环境温度与试验温度之间的温差带来的压力室液体介质的热胀冷缩效应难以消除。