[发明专利]开放系统冻融土动静三轴测试仪

说明书

本发明公开了一种开放系统冻融土动静三轴测试仪，所述测试仪包括温控系统、补水系统、加载系统、围压系统和数采系统五大系统，其中：温控系统包括冷端端头、暖端端头、高低温恒温液浴循环装置、多孔传压介质、橡胶膜；补水系统包括补水槽、补水瓶和高进气值陶土板；加载系统包括激振器、反力架、试验台座、中央传力杆和配重；围压系统包括直线轴承、气压阀、外压力室和内压力室；数采系统包括位移传感器、环形液面标定室、体变测量室、差压传感器、压电式力传感器、温度传感器和湿度传感器。本发明的开放系统冻融土动静三轴测试仪可以实现《铁路工程土工试验规程》(TB10102‑2010)中涉及的常规冻土试验、动荷载作用时不同应力状态下试样单向冻融试验等。

技术领域

本发明属于冻土工程、路基工程和隧道工程土工试验技术领域，涉及一种用于研究开放系统中静动荷载作用下普通土、特殊土和路基填料单向冻融物理力学性质的试验仪器。

背景技术

我国在东北、华北、西北等地区分布广阔的季节冻土，占国土面积的54%，其中冻深达0.5m且能够引起工程问题的季节冻土占4.46×10⁶km²，冻深达1.5m且能够引起严重工程问题的深季节冻土占3.67×10⁶km²。东北地区属于典型的高寒深季节冻土区，季节性冻害问题频繁且相对严重。

进入21世纪，我国高速铁路、快速客运专线、重载铁路、高速公路、铁路隧道、公路隧道和城市地铁建设日益加快，其中大多数重大基础设施均分布在季节冻土区和深季节冻土区，面临着不同程度的冻融问题。对于铁路工程，路基填料的冻融问题是影响轨道不平顺的重要因素之一，其对铁路工程的阶段提速、行车安全和使用寿命均有重要影响。此外相关研究表明，在行车荷载作用下，冻土路基中水分迁移速率将显著增大，水分迁移量大幅增加，这将导致冻融问题更加严重。同时随着高速铁路行车速度的提高以及重载铁路轴重的增加，行车荷载较之从前显著提高，在路基中的影响深度可达6~8m，远超目前路基设计所考虑的行车振动影响深度—基床上部70cm范围，从而使得由列车荷载作用导致水分迁移速率增加的影响范围显著扩大，冻害问题不容乐观。对于公路工程，虽然其行车荷载形式和铁路工程不同，但所涉及的问题与之基本相似，宏观表现为路面开裂和不均匀沉降。对于隧道工程，冻融问题影响着隧道的行车安全和使用寿命，由冻融作用引起的衬砌结构大变形、裂缝乃至坍落并不鲜见。因此针对面临的季节性冻害问题，以室内试验模拟为手段，研究季节冻土区土体或路基填料的物理力学性质是必须且重要的。

近年来，关于土体或路基填料冻融问题的研究大多停留在封闭系统、侧向约束和静载作用的层面上，对于动载作用下的冻融问题和不同固结状态下更一般的冻融问题的研究还很鲜见，同时基于封闭系统进行的冻融问题研究存在一定局限性，开放系统下成套试验设施的开发能够弥补其不足，因此提出一种用于研究开放系统中静动荷载作用下不同固结状态试样冻融性质的试验仪器具有现实和长远意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种开放系统冻融土动静三轴测试仪，它可以真实模拟土体和路基填料的冻融过程，可以考虑侧向约束、围压、上部静载、上部动载、温度梯度、初始含水率和密实度等因素对试样单向冻融性质的影响，可以实时监测试样冻融过程中温度场、湿度场、系统补水量、冻胀力、体应变和轴向应变等物理力学技术指标的变化情况。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种开放系统冻融土动静三轴测试仪，包括温控系统、补水系统、加载系统、围压系统和数采系统五大系统，其中：

所述温控系统包括冷端端头、暖端端头、高低温恒温液浴循环装置、多孔传压介质、橡胶膜，高低温恒温液浴循环装置分别与冷端端头和暖端端头相连通，冷端端头和暖端端头分别位于试样的顶面和底面，橡胶膜包裹在试样外侧，多孔传压介质包裹在橡胶膜的外侧；

所述补水系统包括补水槽、补水瓶和高进气值陶土板，补水槽与补水瓶连通，高进气值陶土板位于补水槽内且与试样的底面连接；