[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

摘要

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。

主权项

1.一种模拟高压水冻结成冰过程的三轴力学试验装置，其特征在于：它包括主体加载系统、冻结系统及试样测试系统；所述主体加载系统包括法兰盘（22）、承压外壳（11）、轴压活塞（1）、试样底座（15）、进液加载管（9）、排气管（3）和保温层（2）；所述法兰盘（22）、承压外壳（11）与轴压活塞（1）构成加载主体；法兰盘（22）呈阶梯状，扣合在承压外壳（11）底部，通过内六角螺栓（17）与承压外壳（11）连接，二者外侧设有保温层（2）；轴压活塞（1）穿过承压外壳（11）顶部中心孔伸入加载主体内部；所述的试样底座（15）设在法兰盘（22）上，二者通过密封圈密封；所述进液加载管（9）、排气管（3）均穿过保温层（2）与法兰盘（22）上的钻孔相连，连通承压外壳（11）内部围压加载空间；所述冻结系统包括周向冻结液循环通道（13）、周向冻结液进液管（8）、周向冻结液出液管（4）、底座冻结液循环通道（18）、底座冻结液进液管（16）、底座冻结液出液管（19）和可溶外壳（7）；所述的周向冻结液循环通道（13）设在承压外壳（11）的外壁内，其上端与周向冻结液出液管（4）相连，下端与周向冻结液进液管（8）相连；所述的底座冻结液循环通道（18）设在试样底座（15）下端；所述底座冻结液进液管（16）、底座冻结液出液管（19）分别设在法兰盘（22）内，连通底座冻结液循环通道（18）；所述可溶外壳（7）置于试样底座（15）上方，与轴压活塞（1）在同一轴线上，其内表面与乳胶膜（6）的外表面紧密贴合；可溶外壳（7）初始为固态，在试验过程中逐渐被液压溶剂（14）缓慢溶解，在试样（5）完全变成固态后失去侧限功效；所述试样测试系统包括试样（5）、压头（12）、乳胶膜（6）、轴向光纤传感器串（20）和环向光纤传感器串（21），所述压头（12）位于轴压活塞（1）下端，试样（5）位于压头（12）和试样底座（15）之间，所述乳胶膜（6）包裹在试样（5）外侧并且上下两端由密封圈密封于压头（12）和试样底座（15）外侧，所述的乳胶膜（6）用于在可溶外壳（7）被溶解后隔离试样（5）与液压溶剂（14），保证试样（5）与液压溶剂（14）不接触；所述的轴向光纤传感器串（20）和环向光纤传感器串（21）分别预设在试样（5）中轴线和中部环线位置，并穿过试样底座（15）、法兰盘（22）引出。