冻土空心圆柱仪压力室温度控制装置

1.一种冻土空心圆柱压力室温度控制装置，包括不锈钢压力室（1）、空心圆柱试样（2）、温度传感器（3）、上压头（4）、下压头（5）、转接头（6）、下底座（7）、隔热底板（8）、倒U形紫铜管（9）、承压传热介质（10）、双螺旋冷液循环槽（11）、保温层（12）、试验机传力杆（13）、冷浴（14）、数据采集系统（15）、支撑杆（16）、孔隙水压力传感器（17）、内腔注油孔（18）、外腔注油孔（19）、透水石（20）、密封圈（21）、试样内外乳胶膜（22）、透气排水孔（23）、连接塑料软管（24）、信号通道（25）、固定螺丝孔（26）、注水孔（27）、上冷板（28）、下冷板（29）、传感器插口（30）、密封槽（31）、嵌齿（32）、冷浴循环槽（33），其特征是空心圆柱试样（2）位于不锈钢压力室（1）的中心位置，不锈钢压力室（1）和空心圆柱试样（2）的内腔都充满着承压传热介质（10），在空心圆柱试样（2）的内、外壁上包裹着乳胶膜（22），使空心圆柱试样（2）内外壁与承压传热介质（10）隔离；空心圆柱试样（2）中心有一倒U形紫铜管（9）和一温度传感器（3），紧贴于空心圆柱试样（2）外壁上、中、下位置均匀布置上部温度传感器（3'）、中部温度传感器（3′′）和下部温度传感器（3′′′），带嵌齿（32）的上压头（4）和下压头（5）分别位于空心圆柱试样（2）的上、下两端，上压头（4）的嵌齿与空心圆柱试样（2）之间，以及下压头（5）的嵌齿与空心圆柱试样（2）之间有一圆形透水石（20）；每个透水石（20）上有小孔，所有的小孔都通过连接塑料软管（24）与 下底座（7）的 透气排水孔（23）和孔隙水压力传感器（17）相连，用于制备空心圆柱试样（2）；下压头（5）下方为下底座（7），下压头（5）与下底座（7）接触处设一密封槽（31），在下底座（7）上分别布置有内腔注油孔（18）、外腔注油孔（19）、透气排水孔（23）、孔隙水压力传感器（17）、注水孔（27）、信号通道（25）、传感器插口（30）、固定螺丝孔（26）；上部温度传感器（3′）和下部温度传感器（3′′′）用于测量不锈钢压力室（1）内承压传热介质（10）的温度，中部温度传感器（3′′）用于测量承压传热介质（10）温度，并将温度信号传递给冷浴（14），所有温度传感器都与下底座（7）上传感器插口（30）相连，并通过信号通道（25）与数据采集系统（15）连接；可调节温度的下冷板（29）位于下底座（7）之下，下冷板（29）上刻有冷浴循环槽（33），留有信号通道（25）和固定螺丝孔（26）；隔热底板（8）位于下冷板（29）的下方；上压头（4）上方是一转接头（6），上压头（4）与转接头（6）之间设有密封槽（31）；试验机传力杆（13）与转接头（6）直接接触，在试验机传力杆(13)上设一密封圈（21），一方面用于试验机传力杆（13）与上冷板（28）之间的密封，另一方面保证试验机传力杆（13）能上下自如运动；不锈钢压力室（1）外壁刻有双螺旋冷液循环槽（11），双螺旋冷液循环槽（11）与冷浴（14）相接，不锈钢压力室（1）外壁设有保温层（12），整个不锈钢压力室（1）通过两根支撑杆（16）与位于操作台下的液压千斤顶连接。

冻土空心圆柱仪压力室温度控制装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种冻土空心圆柱仪压力室温度控制装置，即冻土在复杂应力路径条件下进行室内力学参数测试的试验装置。利用此装置，可在空心圆柱仪动、静加载以及扭转加载过程中实现冻土空心圆柱体的降温与恒温过程，从而使试样达到力学测试所要求的温度精度条件，最终保证冻土力学参数测定的准确性。\n背景技术\n[0002] 土体性状受到应力路径的影响，理想状态下只有室内试验条件完全模拟真实加载过程，才能反应土体的真实响应，在动力条件下尤其如此。寒区工程建设中最常见的几种动力荷载，如地震荷载、交通荷载等都是涉及到多向应力和主应力轴旋转的复杂应力路径，这就要求了解冻土体在复杂应力条件下的响应规律，从而建立考虑多种复杂因素的更科学的冻土本构模型。通常，动三轴仪只能施加动偏应力，在试样45o斜面上模拟地震水平向剪切作用；而动扭剪仪，只能施加扭矩来模拟纯剪时的应力状态。地震荷载和交通荷载属于非比例循环加载，总的偏剪应力同时受到正应力偏差(竖向和水平正应力之差) 和剪应力两者的组合影响, 且建筑地基的冻土体中的主应力轴在时间上和空间上连续旋转, 对于冻土的变形和强度特性具有显著的影响。所以，应用空心圆柱试验系统可以实现独立施加内压、外压、轴向荷载和扭矩，可以独立变化三个主应力的大小和方向，从而实现主应力的旋转。\n[0003] 现有的冻土空心圆柱仪压力室采用内置紫铜管，利用冷浴在紫铜管内的循环来降低压力室的温度。由于这一方法没有考虑紫铜管的承压能力以及压力室上下端与周围环境的热交换，从而导致紫铜管在高压力作用下被压扁而无法工作，压力室内部温度均匀性很差（试样上下温差始终在±1oC以上），且受环境温度昼夜波动幅度较大。这些设计上的缺陷使现有的冻土空心圆柱仪无法开展复杂应力路径条件下冻土力学性质的试验研究。\n发明内容\n[0004] 鉴于上述，本发明的目的在于提供一种冻土空心圆柱仪压力室温度控制装置。该装置具有承压高、温度可自动调节、且控温精度较高的特点。利用该装置不仅可以对空心圆柱试样进行均匀冻结至试验所需低温状态，而且可以保证空心圆柱试样的温度在空间上的均匀性和时间的稳定性，从而满足冻土力学测试对温度精度的要求。为进一步开展主应力旋转等复杂应力路径条件下的冻土力学性质研究提供强有力的技术保证。\n[0005] 本发明的目的是通过以下措施来实现：\n[0006] 一种冻土空心圆柱仪压力室温度控制装置，包括不锈钢压力室、空心圆柱试样、温度传感器、上压头、下压头、塑料转接头、不锈钢下底座、隔热底板、倒U形紫铜管、承压传热介质、双螺旋冷液循环槽、保温层、试验机传力杆、冷浴、数据采集系统、压力室支撑杆、孔隙水压力传感器、内腔注油孔、外腔注油孔、 透水石、密封圈、试样内外乳胶膜、透气排水孔、连接塑料软管、信号通道、固定螺丝孔、注水孔、上冷板、下冷板、传感器插口、密封槽、嵌齿和冷浴循环槽。空心圆柱试样位于压力室中心底座上，压力室和空心圆柱试样的内腔都充满着承压传热介质，在空心圆柱试样的内、外壁上包裹着乳胶膜，使空心圆柱试样内外壁与承压传热介质隔离； 空心圆柱试样中心有一倒U形厚壁紫铜管和一温度传感器，其中紫铜管和一外部冷浴相连接，用于控制空心圆柱试样内腔承压传热介质的温度，温度传感器可以对该承压传热介质的温度进行测量并将温度信号传递给冷浴，控制冷浴循环温度；紧贴于空心圆柱试样外壁上、中、下位置均匀布置三个温度传感器，其中，上部温度传感器和下部温度传感器用于测量压力室内承压传热介质的温度，中部温度传感器用于测量承压传热介质温度并将温度信号传递给冷浴，控制冷浴循环温度。带嵌齿的上压头和下压头分别位于空心圆柱试样的上、下两端，两嵌齿之间有一圆形透水石；每个透水石下有一小孔，所有小孔都通过连接塑料软管与下底座的透气排水孔和孔隙水压力传感器相连，用于制备饱和空心圆柱试样；下压头下方为不锈钢底座，下压头与不锈钢底座接触处设一密封槽。在不锈钢底座上分别布置有内腔注油孔、外腔注油孔、透气排水孔、孔隙水压力传感器、注水孔、信号通道、传感器插孔、固定螺丝孔；不锈钢底座位于可调节控制温度的下冷板上，下冷板刻有冷浴循环槽，并留有信号通道和固定螺丝孔，隔热底板位于下冷板的下方，上压头上方是一高强度塑料转接头，上压头与转接头之间设有密封槽；试验机传力杆与转接头直接接触，在试验机传力杆上设一密封圈，在保证试验机传力杆与压力室紧密接触的前提下，还能上下运动自如；所有温度传感器都与下底座上传感器插口相接并通过信号通道与外部数据采集系统连接；下底座之下依次是下冷板、隔热底板；压力室外壁刻有双螺旋冷液循环槽与外界冷浴相接，压力室外壁设有保温层，整个压力室上部通过两根支撑杆与位于操作台下的液压千斤顶连接。\n[0007] 本发明的优点和产生的有益效果是：\n[0008] 1、双螺旋冷液循环通道位于不锈钢压力室外壁，其中一通道中液体顺时针循环，另一通道中液体逆时针循环，从而保证冷浴在其中较为顺畅循环的同时，也充分保证了压力室内各个点温度的均匀性，即消除了由于单向循环而造成的压力室内承压传热介质的温度梯度；一定壁厚的不锈钢压力室，密封性能好、保温效果好，该压力室不仅具有良好的传热性能和自动调节、控制温度的功能，而且满足承压能力的要求。\n[0009] 2、压力室上冷板和下冷板的设计不仅可以使压力室达到全面整体的降温效果，而且可以隔绝压力室内热量通过上压头和不锈钢底座与外界环境发生热交换。确保压力室温度达到我们所设计的目标温度，并保持恒定、均匀。\n[0010] 3、将上压头不锈钢转接头换为高强度塑料转接头，并将下冷板置于一高强度塑料垫板上，进一步阻止了试样本身和压力室承压传热介质与外界环境的热交换。\n[0011] 4、压力室内的四个铂电阻温度传感器，其中两个温度传感器（一个位于压力室内腔、一个位于压力室外腔中部）与冷浴相接，使其在监测内、外压力室温度的同时，将监测信号传递给冷浴控制器，自动调节冷浴温度，使内外压力室温度达到我们所设定的目标温度，而另外两只分别位于压力室外腔上下部的温度传感器实时监测整个压力室的温度变化。通过以上措施，即获得了压力室温度的动态变化过程，也使压力室温度达到设定目标温度并保持恒定。\n[0012] 5、利用现有的空心圆柱试验机加载原理，就可为试样进行加载。结合设计的压力室控温装置，可以实现复杂应力路径条件下冻土的力学性质试验及其试验过程中冻土试样温度的监测，为深入开展冻土的静动力学性质研究提供试验平台和强有力的技术支撑。\n[0013] 6、本发明结构简单、操作方便、适用性广，并不受加载方式的限制。\n附图说明\n[0014] 图1 为本发明结构示意图；\n[0015] 图2为图1的冻土空心圆柱仪上冷板示意图；\n[0016] 图3为图1的冻土空心圆柱仪下冷板示意图；\n[0017] 图 4 为图1的冻土空心圆柱仪不锈钢下底座示意图；\n[0018] 图5 为图1的冻土空心圆柱仪上下压头主视图\n[0019] 图6是图5的俯视图；\n[0020] 图7 压力室承压传热介质不同位置温度变化过程图。\n[0021] 图中：\n[0022] 1-不锈钢压力室 2-空心圆柱试样 3-温度传感器 3′-温度传感器3′′-温度传感器3′′′-温度传感器4-上压头 5-下压头 6-转接头 7-下底座 8-隔热底板 9-倒U形紫铜管 \n10-承压传热介质 11-双螺旋冷液循环槽 12-保温层 13-试验机传力杆 14-冷浴 15-数据采集系统 16-压力室支撑杆 17-孔隙水压力传感器 18-内腔注油孔 19-外腔注油孔 20-透水石 21-密封圈 22-试样内外乳胶膜 23-透气排水孔 24-塑料软管 25-数据信号通道\n26-固定螺丝孔 27-注水孔 28-上冷板 29-下冷板 30-传感器插口 31-密封槽 32-嵌齿 \n33-冷浴循环槽。\n具体实施方式\n[0023] 结合附图，本发明通过实测事例再做进一步的详述：\n[0024] 如图1-6所示，一种冻土空心圆柱仪压力室温度控制装置，包括不锈钢压力室1、空心圆柱试样2、温度传感器3、上压头4、下压头5、塑料转接头6、不锈钢下底座7、隔热底板8、倒U形紫铜管9、承压传热介质10、双螺旋冷液循环槽11、保温层12、试验机传力杆13、冷浴\n14、数据采集系统15、压力室支撑杆16、孔隙水压力传感器17、内腔注油孔 19、外腔注油孔 \n19、 透水石20、密封圈21、试样内外乳胶膜22、透气排水孔23、连接塑料软管24、信号通道\n25、固定螺丝孔26、注水孔27、上冷板28、下冷板29、传感器插口30、密封槽、嵌齿32和冷浴循环槽33。空心圆柱试样2位于4cm厚的不锈钢压力室1中心位置，压力室1和空心圆柱试样2的内腔都充满着承压传热介质10，此承压传热介质将压力传递给试样。在空心圆柱试样2的内、外壁上包裹着乳胶膜22，使空心圆柱试样2内外壁与承压传热介质10隔离；空心圆柱试样2中心有一倒U形厚壁紫铜管9和一温度传感器3，倒U形紫铜管9中有低温冷浴循环用于降低试样内腔承压传热介质10的温度，温度传感器3用于测量试样内腔介质的温度并将温度数据反馈给冷浴14，调节冷浴14温度以达到目标温度。带嵌齿32的上压头4和下压头5分别位于空心圆柱试样2的上、下两端，嵌齿32的作用是使空心圆柱试样2随着上下压头的扭转而扭转；由于考虑到试样补排水问题，上压头4和下压头5的两嵌齿之间有一圆形透水石20；\n每个透水石20下有一小孔，所有小孔都通过连接塑料软管24与下底座7的透气排水孔23和孔隙水压力传感器17相连，用于制备饱和空心圆柱试样2。下压头5下方为不锈钢底座7，下压头5与不锈钢底座7接触处设一密封槽31，避免承压传热介质10在高压力作用下渗入空心圆柱试样2。在不锈钢底座7上分别布置有内腔注油孔18、外腔注油孔19、透气排水孔23、孔隙水压力传感器17、注水孔27、信号通道25、传感器插孔30、固定螺丝孔26；下底座7位于可调节温度的下冷板29上，冷浴沿循环槽33的运动不仅可阻止试样温度通过底座与外界进行热交换，而且还可以使压力室1温度均匀，使试样温度在整个试验过程中保持空间的均匀性和时间的稳定性；隔热底板8位于下冷板29的下方，减小并阻止压力室1、下冷板29与外界操作台的热交换。上压头4上方是高强度塑料转接头6和上冷板28，上压头4与转接头6之间设有密封槽31，转接头6与试验机传力杆13直接接触；通过转接头6不仅隔绝空心圆柱试样2温度通过试验机传力杆13与外界的热交换，而且可以将试验机施加的压力和扭矩传递给试样空心圆柱土样2；试验机传力杆13上设一密封圈21，即保证传力杆与上冷板的紧密结合，阻止压力室1内腔的承压传热介质10在压力下渗出，又保证试验机传力杆13上下运动。紧贴于空心圆柱试样2外壁上、中、下位置均匀布置温度传感器3'、温度传感器3′′和温度传感器\n3′′′，其中，上部温度传感器3′和下部温度传感器3′′′用于测量压力室1内承压传热介质10的温度，中部温度传感器3′′用于测量承压传热介质10的温度并将温度信号传递给冷浴14调节冷浴循环的温度；所有温度传感器都与下底座7上传感器插口30相接并通过信号通道\n25与外部数据采集系统15连接；下底座7之下依次是下冷板29、隔热底板8；以上所有测试元件都置于4cm厚度的不锈钢压力室1内，压力室1外壁刻有双螺旋冷液循环槽11与外界冷浴\n14相接，冷浴在压力室外壁冷浴双循环槽11中运动，可以带走压力室内的热量，降低承压传热介质10的温度，从而降低压力室的环境温度并使空心圆柱试样2冻结。压力室1外壁设有\n6cm厚的保温层12，以此隔绝压力室1本身及压力室内部与外界环境的热交换；整个压力室1通过两根压力室支撑杆16与位于操作台下的液压千斤顶连接，从而控制压力室的升降。\n[0025] 本发明在压力室1内进行空心圆柱土样2试验。空心圆柱土样2为含水率为16%，干密度1.9g/cm3的青藏粉质粘土空心圆柱试样。试验过程中，将空心圆柱土样降温至-30oC，然后升温至-20 oC，在42小时内观察本压力室的降温能力和控温能力。试验结果如图7所示。图\n7表明，压力室温度在降温7小时后，温度达到恒定，每一测点随时间的波动范围小于±\n0.05oC。温度达到稳定以后空心圆柱试样外壁上、中、下以及内部温度探头的温度分别为-\n19.85 oC、-19.82 oC、-19.84oC、-19.95oC，温度梯度范围小于±0.1oC。由此证明本压力室满足冻土力学试验温度控制的精度要求。