单向冻结冻融循环三轴仪的研制及其应用.pdf

第32卷第2期
长
科学院院报
Vol 32 No
2015年2月
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
Feb. 2 I 5
DO:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.026
2015,32(02):128-132
单向冻结冻融循环三轴仪的研制及其应用
胡波2,龚壁卫,童军,刘军
(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉430010;
2.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室,广西桂林541004)
摘要:季节性冻土冻结时地下水通过毛细作用向冻结锋面迁移,在海拔较高或昼夜温差较大的地区,这种冻结过
程可能在很短时间经历若干个循环过程。针对以上工况研制单向冻结冻融循环三轴仪,该装置能实现补水条件下
的单向冻结试验,同时测试冻融循环条件下三轴强度试验。在此基础上,进行粉质黏土的单向冻结试验。试验表
明,试样各断面的CT数随着冻结时间的增加不断降低,同时证明冻结锋面在冻结过程中不断由低温断面向高温断
面拓展,再现了单向冻结过程中冻结锋面迁移过程。
关键词:季节性冻土;单向冻结;冻融循环;三轴仪;CT扫描
中图分类号:TU445
文献标志码:A
文章编号:1001-5485(2015)02-0128-05
冻结方式按照冻结方向可以分为单向冻结、双向冻
1研究背景
结与三向冻结3种方式。按照是否有外界水分补给
的情况,可以分为开放系统和封闭系统2种环境。
天然地基在冻结过程中,土孔隙中不仅有水分
季节性冻土区的地基土在冬季冻结时地下水通
的原位冻结与体积膨胀,而且未冻区水分被抽吸集过毛细作用向冻结锋面迁移。在海拔较高或昼夜温
聚至冻结边缘区的冰透镜体一側,且冻结成冰透境差较大的地区,这种冻结过程可能在很短时间经历若
体,使土颗粒分开,并被冰所充填。若在冻结过程干个循环过程,室内三轴试验设备要模拟这一物理过
中,来自未冻区补给的水分很充分,大量的水分迁移程,必须进行有专门的补水装置和特殊设计的温控系
聚集,使出现严重的冻胀现象。
统,以实现开放补水条件下的单向冻结和融化。
室内冻结模拟往往通过人工冻结的方式实现
对于冻融循环问题,国内部分单位也进行了研
常采用的低温试验设备按人工降温方式可分为局部究,并提出了几种新装置。常小晓等提出了一种
恒温和环境恒温2大类。环境恒温是指通过对试验低温高压三轴蠕变试验仪(中国专利号
系统所处环境进行降温,使整个试验系统(包括试“Z1200420085815.6”),其利用三向冻结方式实现
验对象)达到试验要求温度的方法,常见的有在低低温下的三轴蠕变试验和强度试验,但无法实現大
温室内进行的冻土力学特性试验。局部恒温是指利气降温条件下地基土的单向冻结过程模拟。付伟
用某种制冷方式仅在试验对象附近区域创造一个恒等提出了一种多功能公路土基冻融循环试验装
温环境,常见有土的冻胀、融沉试验设备、冻土的三置(中国专利号“ZL201020254199.8”),该装置能实
轴试验机等。按土样冻融过程的顺序可以将试验分现多个土样的单向冻结及冻融循环,但是该装置不
为预冻融试验和正冻融试验2类。预冻融试验方式能进行相应的力学强度测试,需要在冻结及冻融循
是传统冻土力学研究常采用的试验方式,试验将冻环后取出试样再进行力学强度测试。顾同欣等
融过程与加载过程分为2个互不相关联的环节,试提出了一种室内冻土冻融循环过程试验装置(中国
验土样在制备完成后被迅速放入低温箱内进行冻专利号“ZL2012200085.8”),可以用于研究土体
结,等试样完全冻结后再迅速取出放人加载设备进的冻融过程,获得不同温度梯度、不同土性下冻结时
行力学性能测试。正冻融试验是指土样冻融过程是补水量冻胀融沉量等参数,但也无法实现冻融条件
在荷载条件下进行的,这种试验模式能够比较接近下强度特性研究
地描述天然土层的实际冻融过程。人工冻土的
针对现有技术的上述不足,所要解决的技术问
收稿日期:2013-11-11;修回日期:2014-01-06
基金项目:国家自然科学基金项目(51008035,51108042);广西岩土力学与工程重点实验室资助课题(12-KF-01)
作者简介:胡波(1980-),男,湖北仙桃人,高级工程师、博土,主要从事特殊土、非饱和土与环境岩土工程等方面的研究工作,(电话)027
82927141(电子信箱) woshihubol35@sina.cmn
第2期
胡波等単向冻结冻融循环三轴仪的研制及其应用
题在于提供一种单向冻结冻融循环三轴仪,可以实控系统中的外压力室水装退系
现低温补水条件下的单向冻结冻融循环试验,冋时制冷机相连,采用冷冻
测试冻融循环条件下三轴强度试验。
液提供试验的环境温
压」」测试及数据
采集系统
度;试样帽下盒及底座
力室
上盒均设有冷冻液循
稳定气压源」主机
2系统的研制
环槽,并通过管路分别
图2单向冻结冻融
循环三轴仪示意图
本文研制的三轴仪(中国专利号“ZL与温控系统中的试样Fg,2 Schematic diagram of
201320128.0”)所进行的试验是在局部恒温、单帽制冷机和试样底座 ateral freezing triaxial
向冻结、开放系统条件下的正冻融试验,为实现单向制冷机相连,分别控制 pparatus for freeze-thaw
冻结条件下的冻融循环试验和三轴强度试验。设计试样顶部及底部的温
中同时满足以下要求:①三轴压力室应保证试验过度;内压力室通过管路与稳定气压源相连,通过压缩
程中的试样处于较低的环境温度;②在试样的上部空气施加围压;压力室上部设有荷载传力轴,穿过压
及下部分别设置不同的温度控制单元,实现冻结温力室上盖作用在试样帽上盒;压力室底座通过管路
度梯度差;③三轴压力室内部的围压介质应有利于与补水装置相连;主机提供动力实现试样剪切,试样
保证试样底部与顶部的温度梯度;④冻结过程中应帽制冷机、试样底座制冷机、外压力室制冷机上分别
保持试样底部与补水装置的水力联系,使得土样处设有与测试及数据采集系统相连的温度传感器,主
于开放状态,模拟冻结过程中水分的迁移与补给。
机上设置的位移传感器、荷载传感器与测试及数据
据此,在常规三轴仪的基础上改装,图1为研制采集系统相连。
的单向冻结冻融循环三轴仪压力室,其他部分与常
本试验装置的特点是:相对于常规三轴仪,试样
规三轴仪相同。该单向冻结冻融循环三轴仪可以实帽和底座均设计为上下盒2个部分,2盒之间设置
现三向冻结和单向冻结,也可以实现封闭条件和补冷冻液循环槽,并同时与外部制冷机相连,通过可编
水条件下的冻融试验。该压力室的主要改进包括3程自动化控制的温控制冷机实现三轴试样顶部与底
个方面:①采用双压力室的结构,外压力室外侧设置部的温度梯度;冻结过程中因保持试样底部与补水
隔热材料;②研制了带有冷冻液循环槽的试样帽和装置的水力联系,使得土样处于开放状态,可模拟冻
试样底座;③采用3台制冷设备分别控制试样顶部
结过程中水分的迁移与补给。本试验装置可以完成
试样底部以及外压力室的温度。
如下试验:①开放条件下的单向冻结试验;②开放条
荷载传力轴
轴向力
6试样幅制冷机