一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置

本发明属于岩土工程中冻胀力研究，尤其是涉及一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置。

背景技术：

1、当外界温度低0℃时，正常未冻土体会由于孔隙水的原位冻结变成冻土并可能产生冻胀。土体冻胀会对地表及地表构、建筑物产生不良影响，影响构、建筑物的正常使用。我国地域辽阔，多年冻土和季节性冻土分布广泛，冻土面积高达国土总面积的70％。目前公路铁路等路网交通、管道廊道等基础设施的覆盖率极大提升。在这些地区，由于道面等地表覆盖层密闭形成覆盖效应，导致其下方土体内水分向大气的蒸发受阻，水汽在冷凝或凝华作用下在覆盖层下聚集，加之环境温度的周期性变化，使得道路路基和地基中的水分发生周期性的冻结、迁移、融化，继而引发道路路基出现周期性的冻胀融沉现象。而路基的冻胀融沉正是削弱路基承载力和降低路面平整度的罪魁祸首，严重影响了道路的行车安全，制约了道路的服务能力，同时也缩短了道路的使用寿命。如果冻土区的这些设施发生冻胀融沉等病害，不仅会造成严重的经济损失，还会对人民的生命财产安全造成威胁。

2、冻土冻胀是一个包括温度、水分、应力等多物理场耦合作用的过程，并且受到土体的应力状态、温度状况、补水条件等外界因素影响。按照传统理论，粗粒土中黏粒含量非常少，持水特性较差，在工程实践中通常被认为冻胀不敏感。然而近几年的寒区工程案例表明：在旱寒地区，由于地表硬化密封，水分蒸发受阻，加之温度梯度作用，粗粒土中也会发生水分迁移，导致土体发生冻胀，进而对寒区中各种构造物造成破坏。因此，研究冻胀产生的机理、正冻土体水-热-力耦合作用机制，进而预测和控制冻胀对解决冻土区土体冻胀问题具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，以模拟冻土区土体冻胀，进而对冻土区土体冻胀问题进行预测和试验。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，包括上导温盘和下导温盘，且上导温盘和下导温盘之间设置试样，且上导温盘的外围安装至覆盖效应组件的上端内圈，下导温盘的外围安装至覆盖效应组件的下端内圈，上导温盘下端抵接至试样的顶部，且试样的底部抵接至导温盘的上端，试样位于覆盖效应组件内，上导温盘的上端连接至加载组件的执行端，下导温板安装至底座上，且上导温盘连接至一号温控循环机，下导温盘连接至二号温控循环机，一号温控循环机和二号温控循环机分别用于调节试样的测试温度，加载组件用于向试样施加荷载，覆盖效应组件用于试样外围的保温及保压。

4、进一步的，所述覆盖效应组件包括外套筒，外套筒安装至底座上，外筒桶内部、底座上方设有压力室，试样位于压力室内，加载组件的执行端穿过外套筒后抵接至上导温板的上端，压力室通过管路连通至注压设备，注压设备是液压泵，注压设备能够向压力室内注入介质压，且压力室内设置压力传感器，压力传感器用于检测压力室内的压力并信号传输至围压控制器。

5、进一步的，所述外套筒外围包裹保温棉。

6、进一步的，所述压力室内设置热交换件，且热交换交连接至三号温控循环机，三号温控循环机通过热交换件调节压力室温度。

7、进一步的，所述热交换件是控温环，且控温环沿试样外围呈螺旋状排布。

8、进一步的，所述试样与下导温盘之间设置储水槽，且储水槽内安装透水板，试样下端抵接至透水板上端，储水槽通过导管与外部水箱连接。

9、进一步的，所述外部水箱是带刻度的马氏瓶，导管上设置液体流量计。

10、进一步的，所述透水板上布设多个透水孔，每个透水孔内安装一个透水石，透水石浸润至储水槽内水体内或透水石位于储水槽内水体上方，透水石上端抵接至试样下端。

11、进一步的，所述加载组件包括加载架，加载架安装至底座上端，加载架上安装直线驱动部件，直线驱动部件的活动端安装轴压加载杆，轴压加载杆的一端抵接至上导温盘的上端，且轴压加载杆上分别设置测力传感器和位移传感器，测力传感器用于检测轴压加载杆对上导温盘的施力数据，位移传感器用于检测轴压加载杆的位移数据。

12、进一步的，所述试样为圆柱结构，且试样的外围包裹橡胶膜，试样内分别埋设水分传感器、温度传感器、微型三维土压力盒和三维应变花，水分传感器用于检测试样内的相对湿度，温度传感器用于检测试样温度，微型三维土压力盒和三维应变花分别用于检测试样内部三维应力状态和三维应变状态。

13、相对于现有技术，本发明所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置具有以下有益效果：

14、本发明结构简单、操作方便，可对土样施加不同的应力状态条件、水分边界条件和温度边界条件，同时提出相应的试验方法，实现多种复杂条件下土体冻胀-融沉的测定与分析；

15、传统覆盖效应研究多集中于水分迁移和水-热耦合规律，对应力场的研究较少。因此本发明增加了加载模块、三维应变花和微型三维土压力盒，通过围压控制和轴压加载杆可提供复杂应力状态条件，并且可以避免温度应力影响，精确测量土体冻胀时的三维应力和三维应变，得到三维应力场，使得覆盖效应作用下三维应力场水-热-力耦合规律研究更加完备；

16、在控制温度边界条件时，采用将温度传感器布设在土样与冷源和热源接触面位置的方式，代替温控循环机自带的测温装置，最终使土样上下方温度达到指定温度，通过这种设计可避免传导介质温度损耗的问题，使得温度边界控制更加精准。

技术特征：

1.一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：包括上导温盘(1)和下导温盘(2)，且上导温盘(1)和下导温盘(2)之间设置试样(3)，且上导温盘(1)和下导温盘(2)均安装至覆盖效应组件(6)内，上导温盘(1)下端抵接至试样(3)的顶部，且试样(3)的底部抵接至下导温盘(2)的上端，上导温盘(1)的上端连接至加载组件(7)的执行端，下导温板安装至底座(8)上，且上导温盘(1)连接至一号温控循环机(4)，下导温盘(2)连接至二号温控循环机(5)，一号温控循环机(4)和二号温控循环机(5)分别用于调节试样(3)的测试温度，加载组件(7)用于向试样(3)施加荷载，覆盖效应组件(6)用于试样(3)外围的保温及保压。

2.根据权利要求1所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：覆盖效应组件(6)包括外套筒(61)，外套筒(61)安装至底座(8)上，外筒桶内部、底座(8)上方设有压力室，试样(3)位于压力室内，加载组件(7)的执行端穿过外套筒(61)后抵接至上导温板的上端，压力室通过管路连通至注压设备(63)，注压设备(63)是液压泵，注压设备(63)能够向压力室内注入介质压。

3.根据权利要求2所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：外套筒(61)外围包裹保温棉(62)。

4.根据权利要求2所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：压力室内设置热交换件(65)，且热交换交连接至三号温控循环机(9)，三号温控循环机(9)通过热交换件(65)调节压力室温度。

5.根据权利要求4所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：热交换件(65)是控温环，且控温环沿试样(3)外围呈螺旋状排布。

6.根据权利要求1所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：试样(3)与下导温盘(2)之间设置储水槽(66)，且储水槽(66)内安装透水板(67)，试样(3)下端抵接至透水板(67)上端，储水槽(66)通过导管与外部水箱连接。

7.根据权利要求6所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：外部水箱是带刻度的马氏瓶(10)，导管上设置液体流量计(11)。

8.根据权利要求6所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：透水板(67)上布设多个透水孔，每个透水孔内安装一个透水石(68)，透水石(68)浸润至储水槽(66)内水体内或透水石(68)位于储水槽(66)内水体上方，透水石(68)上端抵接至试样(3)下端。

9.根据权利要求1所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：加载组件(7)包括加载架(71)，加载架(71)安装至底座(8)上端，加载架(71)上安装直线驱动部件，直线驱动部件的活动端安装轴压加载杆(72)，轴压加载杆(72)的一端抵接至上导温盘(1)的上端，且轴压加载杆(72)上分别设置测力传感器和位移传感器，测力传感器用于检测轴压加载杆(72)对上导温盘(1)的施力数据，位移传感器用于检测轴压加载杆(72)的位移数据。

10.根据权利要求1所述的一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，其特征在于：试样(3)为圆柱结构，且试样(3)的外围包裹橡胶膜(31)，试样(3)内分别埋设水分传感器、温度传感器、微型三维土压力盒和三维应变花，水分传感器用于检测试样(3)内的相对湿度，温度传感器用于检测试样(3)温度，微型三维土压力盒和三维应变花分别用于检测试样(3)内部三维应力状态和三维应变状态。

技术总结本发明提供了一种覆盖效应作用下三维应力场水、热、力耦合试验装置，上导温盘和下导温盘分别安装至覆盖效应组件内，上导温盘下端抵接至试样的顶部，且试样的底部抵接至下导温盘的上端，试样位于覆盖效应组件内，上导温盘的上端连接至加载组件的执行端，下导温板安装至底座上，加载组件用于向试样施加荷载，覆盖效应组件用于试样外围的保温及保压。本发明所述的试验装置，可单独控制土样的应力状态、水汽迁移情况和温度分布情况，能够测得不同条件下土体由覆盖效应引起的三维冻胀力及三维应力状态、水分场和温度场的变化规律，测试结果准确可信，为研究土体覆盖效应作用下三维应力场水‑热‑力耦合规律研究提供便利。技术研发人员：蔡田明,李顺群,李有兵,井乐炜,方心畅,王首彬,王承琦,张帅伟,闫心怡受保护的技术使用者：天津城建大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25