[发明专利]一种土体冻胀试验舱、试验装置及试验方法

权利要求书

1.一种土体冻胀试验方法，使用土体冻胀试验装置进行，所述装置包括补水设备、加载系统、制冷控温设备和采集设备；还包含供气设备和土体冻胀试验舱；

所述加载系统包括底架、反力架、气缸、压力传感器一、位移传感器和压力位移采集仪；

所述供气设备包括气源和调压阀；

所述补水设备为马氏瓶、压力传感器二和阀门；

所述采集设备包括温度传感器、温度采集仪、阀组和差压传感器；

反力架安装在底架上，底架上安装有所述土体冻胀试验舱，

所述土体冻胀试验舱包含舱底座、舱顶盖和固定架；舱底座上安装有可调节高度的固定架，舱顶盖竖向可活动地安装在固定架上；所述试验舱还包括试验外舱、试验内舱和柔性隔热膜；所述试验外舱包括外舱室和可通有冷工质的外舱螺旋控温管，所述外舱螺旋控温管布置在外舱室内壁上；所述试验内舱包括内舱室和可通有冷工质的内舱螺旋控温管；所述内舱室为外凸型舱室，内舱螺旋控温管布置在内舱室的下内壁上；

内舱室布置在外舱室内且二者均密封安装在舱底座上，舱顶盖密封盖合在外舱室的上端面上，舱顶盖中部开有通孔，舱顶盖上开有气孔；上冷盘放置于内舱室内的土试件上表面上，下冷盘密封安装在舱底座上，下冷盘上布置有透水石，位于上冷盘和下冷盘之间的土试件及透水石周侧面上包覆有柔性隔热膜，上冷盘的上表面上连接有由舱底座伸入的冷工质进出导管，下冷盘底部布置有冷工质进出导管，上冷盘及柔性隔热膜上端部包覆有密闭隔热材料，所述柔性隔热膜包含固接的双层乳胶膜以及填充在层内的绝热涂料；气缸安装在反力架上，气缸的驱动杆上安装有压力传感器一，内舱室的外凸内腔段内设有加载杆，加载杆密封滑动设置于套筒内，压力传感器一与加载杆一端连接，加载杆另一端抵靠在上冷盘上，所述气孔内封装有气管，反力架和气缸的驱动杆之间安装有与二者连接的位移传感器，气缸和气管均由气源供气，供气气路上安装有调压阀，压力传感器一和位移传感器的各自信号输出端与压力位移采集仪的各自信号输入端连接；外舱螺旋控温管、内舱螺旋控温管、上冷盘、下冷盘均由制冷控温设备调节制冷，透水石底部安装有与马氏瓶连接的补水管，补水管上安装有阀门和压力传感器二，安装在土试件内的温度传感器的输出端与温度采集仪的信号输入端连接，内舱室内、内舱室和外舱室之间隔腔内均填充有低导热导压液体，舱底座上设有分别与内舱室和差压传感器以及内舱室和外舱室之间的隔腔和差压传感器连接的导液管；所述制冷控温设备分别为冷浴箱一、冷浴箱二和冷浴箱三；冷浴箱一通过管道与下冷盘连接并形成循环回路，冷浴箱二通过管道和冷工质进出导管连接形成循环回路，冷浴箱三通过管道分别与外舱螺旋控温管和内舱螺旋控温管连接形成循环回路，冷浴箱一、冷浴箱二和冷浴箱三循环液均为95％酒精，控温范围为-38℃-90℃；

其特征在于：所述方法包括：

步骤一：制备土试件

先将现场所取的土过2mm圆孔筛，烘干后按指定的含水率配土并焖料，准备一定规格的有机玻璃圆筒，在有机玻璃圆筒壁涂抹凡士林，在有机玻璃圆筒底部放入垫块，垫块上放置滤纸片，随后称取一定质量的配好的湿土装入模具并捣实，在土样上部放置垫块，在静压机下静压成型土试件，并在脱模机下脱出高径比为1：2的土试件；

步骤二：埋设热电偶

先将柔性隔热膜套至下冷盘，随后将土试件与透水石按规定放置舱底座上，使用细针从土试件的侧面以一定距离的间距由上至下扎出一定深度的小孔，并将热电偶分别插入小孔内，将热电偶的导线贴着土试件的侧面从第二快速接头引出；

步骤三：固定土试件

将柔性隔热膜向上延伸，将透水石与土试件包裹于上冷盘和下冷盘之间，再利用O形圈将柔性隔热膜与上冷盘和下冷盘固定；最后，在上冷盘的隔热乳胶膜外侧包裹密闭隔热材料，并将上冷盘上的两根冷工质进出导管分别与冷浴箱二相连；

步骤四：安装试验舱与连接管线

将内舱室、外舱室放置于预先放有密封圈的舱底座的圆环槽内，将内舱室的内舱螺旋控温管和外舱螺旋控温管分别与冷浴箱三的进出口相连，将连接上冷盘的冷工质进出导管通过管道与冷浴箱二的进出口相连，将连接透水石的补水管通过管道与马氏瓶相连，并将马氏瓶下的阀门保持关闭状态；将热电偶的导线接至温度采集仪；连接内舱室和外舱室之间的隔腔通过管道分别与三阀组连接，三阀组保持关闭状态，再将差压传感器连接至三阀组；

步骤五：添加航空煤油并安装试验舱顶盖

在内舱室及内舱室和外舱室之间的隔腔内添加航空煤油，确保试验过程中内舱室内的液位在腔颈范围内活动，盖上舱顶盖，并利用螺杆与螺母固定舱顶盖与舱底座，将加载杆与压力传感器一相接，并将压力传感器一和位移传感器一起与压力位移采集仪连接，通过调压阀和管道将气泵分别与气缸及气管连接；

步骤六：试验与数据采集分析

首先对土试件进行恒温操作，打开冷浴箱一、冷浴箱二与冷浴箱三，并设置温度为1℃，直至热电偶采集的土试件内部的温度达到恒定为止；其次，与土试件的恒温操作同步，对土试件进行预压操作，根据所需的应力状态，打开气泵并调整调压阀，对土试件施加轴压与围压，并打开三阀组中部平衡阀，待压力值稳定后缓慢打开两侧阀门，再关闭中部平衡阀，监测试验舱内腔与外舱室的压差值，直至土试件预压变形稳定为止；最后，对土试件进行单向冻结，调整冷浴箱二的温度为所需负温，开始对土试件进行自上而下的冻结，并打开马氏瓶下的阀门开始对土试件提供无压补水，并监测温度、竖向位移、补水量以及压差值的变化；

土体冻结过程中，差压传感器检测的压差值与体应变、轴向应变、径向应变以及土体冻胀率的各向异性系数的计算可如下关系式换算：

式中：ε_t、ε_轴向、ε_径向为土试件冻结过程中的体应变、轴向应变与径向应变；

Δp₁、Δp_t分别为预压完成时刻、开始冻结后t时刻，与预压开始前压差值的差值；

ρ为航空煤油的密度；

D、d分别为内舱室腔颈部分的内径与加载杆的直径；

ΔH₁、ΔH_t分别为土试件预压完成时刻、开始冻结后t时刻，较预压开始前发生的轴向位移，以竖直向上为正，竖直向下为负；

d₀、h₀为试验开始前土试件的直径与高度；

β为土体冻胀率的各向异性系数。