冻融和加载同步试验装置及试验方法与流程

1.本发明涉及室内岩石力学试验技术领域，特别涉及一种冻融和加载同步试验装置及试验方法。


背景技术：

2.外界环境温度总是随着昼夜交替和四季轮回发生周期性的升高和降低，导致地壳表层温度也发生周期性的升高和降低。由于温度的升高和降低，引起赋存于地表岩土工程，如人工边坡、水库大坝、铁路和公路隧道等中的孔隙和裂隙水不断的经历冻结和融化过程，这个过程称为冻融。冻融会直接导致岩土体的性能劣化，缩短其疲劳寿命，导致岩土工程的服务期大大缩短。同时，由于构造应力、自重应力、地震、人为开挖和爆破等影响，导致岩土工程始终处于复杂单调加载、卸载或循环加卸载应力环境。实际工况下，冻融和应力加卸载对岩土工程的影响是同步的，这是一个耦合作用的过程。
3.目前对冻融和应力加卸载对岩土工程的影响的研究，将冻融和应力加卸载影响过程完全独立开研究的。在室内研究过程中，一般是通过先开展冻融试验，然后再对经过冻融处理的试样进行加载试验。目前，室内开展冻融试验一般是采用冻融试验箱开展岩石冻融试验模拟冻融影响过程。目前针对岩土材料冻融试验存在的问题，1)发明专利名称：一种非饱和路基土冻融循环模型试验系统，申请号：202010753774.7，公开了一种非饱和路基土冻融循环模型试验系统，然而该装置是针对土力学的试验装置，并不适用于岩石力学性能试验；2)发明专利名称：一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置，申请号：202011330989.4，公开了一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置，然而该装置通过控制水流的流速和温度并不能实现冻结过程；3)发明专利名称：一种可用于冻融循环试验的持续加载装置，申请号：202110451084.0，然而该装置是通过旋转螺丝压力杆来实现荷载的增减，该装置只能施加恒定荷载，并没有实现在冻融过程中施加动态复杂荷载，并且对模具箱本身的强度要求过高；4)发明专利名称：一种冻土冻融循环过程模拟的装置，申请号：202110704879.8，尽管该发明技术解决了现有技术无法同时进行多种模拟实验的问题，然而该装置是针对土力学冻融试验的，且该装置没有实现冻融-荷载同步试验；5)发明专利名称：冻融试验系统，申请号：201910364907.9，该试验系统提供了一种冻融试验系统采用多个半导体制冷装置能够对冻土试验时的温度进行精准控制，但是没有解决冻融过程中与荷载过程的耦合影响；6)发明专利名称：一种可考虑水流影响的冻融循环实验装置，申请号：201710188807.6，该装置能够在冻融循环实验中，在材料水浴融化过程中，考虑水流作用的影响，但是该装置忽略了荷载的影响，与实际工况差别较大。
4.综上所述，现有技术不能实现岩石在冻融过程中施加荷载，或在施加荷载过程中不能实现冻融过程。然而，在真实环境下，冻融和加载影响会产生耦合效应，岩土体中始终存在着应力，冻融是在应力作用过程中对岩土结构产生的叠加影响。因此，亟待发明一种能够实现冻融和加载同步开展的装置，研究真实工况下荷载和冻融对岩石材料的耦合影响效应，弥补现有岩石试验冻融和加载过程完全独立开展的不足。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能够对岩石材料冻融和加载同步进行的冻融和加载的试验装置及试验方法。
6.本发明提供的这种岩石式样同步冻融和加载试验装置，包括装有岩石式样的冻融箱、液氮盛器、螺旋中空电阻，所述冻融箱的上有用于与压力试验机上加压头和下加压头对接的上对接头和下对接头，该上对接头和下对接头能通过压力试验机作用于岩石式样，所述液氮盛器连有液氮导管，将液氮导入冻融箱，用于冷冻岩石式样，所述螺旋中空电阻绕套在岩石式样上通过连通电源加热岩石式样。
7.所述液氮盛器连接有一根液氮导管，该液氮导管由一阀门控制。
8.所述冻融箱连有排气管。
9.所述排气管尾端有一个密封帽，用于密封排气管。
10.所述冻融箱上对接头和下对接头均对应有密封圈密封。
11.所述螺旋中空电阻连通的电源包括交流接触器、数显智能温度调节仪、高温热电偶传感器，交流接触器电源输出端与螺旋中空电阻连接，数显智能温度调节仪与交流接触器的电源输入端连接，高温热电偶传感器与数显智能温度调节仪连接，用于监控和调节螺旋中空电阻发热温度。
12.用本发明上述装置进行试验的方法，包括如下步骤：
13.步骤一，对岩石试样进行饱水试验；
14.步骤二，将本发明装置装设于岩石力学压力试验机上，装设过程中应将下对接头11和上对接头12分别与岩石压力试验机的上下压头对齐；
15.步骤三，将步骤一饱水处理过的标准岩石试样套进螺旋中空电阻2内部，然后将内部装有标准岩石试样的螺旋中空电阻装设于冻融箱的下对接头11和上对接头12之间，将标准岩石试样的轴向与下对接头11和上对接头12的轴线以及岩石压力试验机的上下压头的轴线对齐；
16.步骤四，打开气压阀34，打开密封帽33，利用液氮将螺旋中空电阻中的空气排除，然后盖上密封帽对冻融箱1进行密封，开始对饱水岩石试样进行冻结；
17.步骤五，待饱水岩石试样冻结试验根据岩石力学试验到达预定试验目标后，关闭气压阀，排出螺旋中空电阻内部的液氮；
18.步骤六，接通加热电路，对经过冻结试验的标准圆柱试样进行加热试验，加热温度通过数显智能温度调节仪22直接设置；
19.步骤七，在对标准圆柱试样进行冻结和加热试验的过程中可同时打开岩石压力试验机，根据预定试验方案设置加载方式和加载路径，对冻融试验中的岩石试样进行同步加载试验；
20.步骤八，待冻融-加载试验结束后，对试验数据进行处理分析，研究冻融-加载对岩石试样的耦合影响效应。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.通过设置冷冻控制系统和加热控制系统，同时配合岩石加载试验系统，即可实现冻融-加载耦合同步试验，能够实现不同温度梯度变化、不同冻融次数和不同冻融时长等复杂环境下，岩石试样在动态复杂应力下的试验，也可独立开展常规冻融试验，是一种比现有
技术开展冻融试验更能反应真实工况的试验装置。
附图说明
23.图1是本发明装置的结构示意图。
24.附图标记：
25.冻融箱1、下对接头11、上对接头12、下密封圈13、上密封圈14；
26.螺旋中空电阻2，交流接触器21，数显智能温度调节仪22，高温热电偶温度传感器23；
27.液氮盛器3，液氮导管31、排气管32、密封帽33、气压阀34；
28.岩石试样4。
具体实施方案
29.下面结合附图对本发明提供的一种冻融-加载同步试验装置及试验方案进行详细说明。
30.从图1可以看出本发明装置的详细结构，本发明主要由冻融箱1、螺旋中空电阻2及其可控电源、液氮盛器3及其导管和气压阀组成。其中：
31.冻融箱1上有下对接头11、上对接头12，该上下对接头分别由下密封圈13和上密封圈14密封。岩石式样4在冻融箱1中，岩石式样4应对准下对接头11和上对接头12，加载试验装置在对岩石式样4施压时将通过下对接头11和上对接头12将压力传递到岩石式样4上，因此下对接头11和上对接头12也要分别对准加载试验装置的下压头和上压头。
32.螺旋中空电阻2呈螺旋状套在岩石式样4上，对岩石式样4进行加热。螺旋中空电阻2通过导线连接与可控电源连接，可控电源主要由交流接触器21，数显智能温度调节仪22，高温热电偶温度传感器23组成。数显智能温度调节仪22与交流接触器21的电源输入端连接，用于调节输入电压，高温热电偶温度传感器23连接到数显智能温度调节仪22，交流接触器21的电源输出端螺旋中空电阻2连接，控制螺旋中空电阻2的输入电源。
33.液氮盛器3连有一根液氮导管31将液氮输入到冻融箱1中对岩石式样4进行冷冻，该液氮导管由气压阀34控制，冻融箱1上还有一根排气管32，必要时可以及时排除冻融箱1内的冷凝汽，排气管32的尾部有密封帽33。
34.本发明具体实验方法包括如下步骤：
35.步骤一，据国际岩石力学试验规范建议，采用的岩石试样尺寸为步骤一，据国际岩石力学试验规范建议，采用的岩石试样尺寸为的标准圆柱试样，根根据试验方案对标准圆柱岩石试样进行饱水试验，根据国际岩石力学试验规范建议饱水时间为48h；
36.步骤二，将本发明装置装设于岩石力学压力试验机上，装设过程中应将下对接头11和上对接头12分别与岩石压力试验机的上下压头对齐；
37.步骤三，将提前饱水处理过的标准岩石试样套进螺旋中空电阻2内部，然后将内部装有标准岩石试样的螺旋中空电阻装设于冻融箱内部的上下压头之间，应将标准岩石试样的轴向与下对接头11和上对接头12的轴线以及岩石压力试验机的上下压头的轴线对齐；
38.步骤四，打开气压阀34，打开密封帽33，利用液氮将螺旋中空电阻中的空气排除，然后盖上密封帽对冻融箱1进行密封，开始对饱水岩石试样进行冻结，冻结次数、时间和温
度可根据岩石力学试验方案具体调整；
39.步骤五，待饱水岩石试样冻结试验根据岩石力学试验方案开展到预定试验目标后，关闭气压阀，排出螺旋中空电阻内部的液氮；
40.步骤六，接通加热电路，对经过冻结试验的标准圆柱试样进行加热试验，加热次数、时间和温度同样可更具岩石力学试验方案具体调整，加热温度可通过数显智能温度调节仪22直接设置；
41.步骤七，在对标准圆柱试样进行冻结和加热试验的过程中可同时打开岩石压力试验机，根据预定试验方案设置加载方式和加载路径，对冻融试验中的圆柱试样进行同步加载试验；
42.步骤八，待冻融-加载试验结束后，整理试验器材和用品，清理试验现场卫生，并对试验数据进行处理分析，研究冻融-加载对岩石试样的耦合影响效应。