本发明专利技术涉及一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，包括试验台，以及与试验台连接的加载系统，温度控制系统，补水系统和数据采集系统。试验台主体为试样筒，最大可承受15MPa内压，最大可容纳Φ500mm×1000mm试样。加载系统设于试验台上部，补水系统设于试验台底部，传感器埋设于土体内部，能实时获取土体内温度、水分和应力信息。温度控制系统由顶板，筒体、底部控温管，隔热层及高低温恒温槽组成，温控效果好。本系统可对大尺度试样按高压固结-有载冻结路径进行冻融试验，可直接了解冻融过程中水-热-力动态耦合作用，能更真实地模拟深部土体的冻融过程，为深部人工地层冻结技术领域的水-热-力耦合研究提供支持。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，利用该试验系统可对大尺度试样按高压固结-有载冻结路径进行多种模式冻融试验，并能自动实时获取和存储温度、水分和应力信息，特别适用于40(T800m厚表土层人工冻结地层
的深土冻融过程水-热-力耦合作用研究。
技术介绍
在人工地层冻结
，随着资源开采深度增加，我国中东部地区40(T800m厚表土层冻结技术所涉及的一些冻土力学基础问题日益受到关注，例如深土冻融过程的水-热-力耦合作用问题。深入了解该问题是冻结管断裂防治及冻结壁设计的重要基础。深部土体经历漫长地质沉积作用，处于超固结状态，在高地压下进行冻融过程，与浅表土迥异。只有按深部土体的赋存状态和受力条件研究冻融过程中水-热-力耦合作用规律，才能准确和深入地了解深土冻融过程的冻胀力演化机制。然而目前土体冻融试验装置无法满足深土冻融过程水-热-力耦合作用的试验需要。主要问题在于:(I)试验装置中的试样筒目前普遍采用有机玻璃筒，有机玻璃虽有较好的绝热性能，但在高内压下，其刚度和强度不足，侧向产生不可忽略的变形，对于深土冻胀应力测量，将产生较大误差；(2)目前主要采用测量冻融过程补水量变化的方法间接获得土体内水分，或试验结束后剖开试样测试土体内部的含水率。上述测试手段不能实时和直接地获得土体内部水分变化，无法了解冻融过程水-热-力的动态耦合作用；(3)常规冻融试验试样筒的内部空间为IOOmmX 100mm,限制了微型水分和应力传感器在土体内埋设，无法实时获得冻融过程土体内部的水分和应力的变化。因此有必要研制大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，以深入了解深部土体冻融过程水-热-力稱合作用机制，为开展400nT800m厚表土层人工冻结技术基础研究提供试验平台。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有土体冻融试验装置的缺点与不足，提供一种满足研究深部土体冻融过程水-热-力耦合作用的试验系统，利用该系统可对大尺度试样进行高压固结和有载冻结，能实时获取冻融过程土体内部温度、水分和应力的变化。本专利技术是由以下技术方案实现的:该大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，包括试验台，以及与试验台连接的加载系统，温度控制系统，补水系统和数据采集系统；所述试验台包括一个能够容纳大尺度试样的高强铸钢试样筒和底座，试样筒的两端设有法兰，并两端外围分别设有减小端部应力的加强肋板，试样筒内部有效空间尺寸为O500mmX 1000mm，最大可承受15MPa内压；所述试样筒底端由法兰连接有一个中心设有传感器引线孔的底座；所述加载系统设于试验台上部，补水系统设于试验台下部；所述温度控制系统，包括设于试样筒顶部的顶部控温腔，敷设于试样筒内壁的内反射隔热层，包覆于试样筒外部的保温层，均匀环绕在试样筒外壁的筒体控温管，设于试样筒下部的底部控温管以及高低温恒温槽；所述顶部控温腔及底部控温管分别由顶部冷媒循环管及底部冷媒循环管与高低温恒温槽连接，高低温恒温槽还与筒体控温管连接；所述数据采集系统，由荷重传感器、传感器组、数据采集仪和计算机组成，传感器组包括埋设于土体内部的温度传感器、水分传感器和土压计，传感器引线与数据采集仪连接，数据采集仪连接计算机。所述加载系统，包括伺服控制台、反力架及顺序设置的千斤顶，限位板和顶板装置，所述反力架由反力板和高强螺杆组成，高强螺杆沿试样筒周向均布，并与上法兰连接，为竖向加载提供反力；所述限位板与高强螺杆活动连接，并可由锁紧螺母固定；所述顶板装置包括顺序固定连接的下承压板、承压环、上承压板、传力钢板和传力柱，所述传力柱设于顶板装置的中心，所述上承压板和下承压板之间形成密封的顶部控温腔；所述千斤顶对应传力柱的中轴设置，并与限位板固定连接；所述伺服控制台与千斤顶连接，对土体加、卸载以及维持恒压。所述补水系统，包括补水腔、反滤层、补水管路和马氏瓶，所述补水管路包括补水管和排气调压管，所述补水腔位于试样筒内的下部，补水腔的顶面均布补水孔并设有反滤层，补水腔内设有支撑骨架，补水腔由补水管与马氏瓶连接，管体上设有流量调节阀。本专利技术的有益效果: (1)试样筒采用高强铸钢圆筒，并在结构设计上进行了优化，与有机玻璃筒相比强度和刚度大幅提高，在高内压作用下侧向变形小，可满足研究400nT800m厚表土层土体冻融过程的需要； (2)试样筒内部空间O500mmX1000mm，可容纳高径比广2的大尺度试样，满足现有规格传感器埋设的尺寸和间距要求，保证了试验精度； (3)该系统不但能实时和直接地获得土体内部温度、应力变化信息，而且可获得水分变化信息，为研究土体冻融过程水-热-力动态耦合作用提供了技术保障； (4)加载系统设置了限位板，使得土体固结和冻胀力测试在同一试验装置上就可实现； (5)试样筒外环绕控温管，同时筒内设置薄反辐射隔热层，增加试样筒的绝热性，有效降低环境温度导致的误差； (6)补水腔内设支撑骨架，满足了高压条件下补水装置的承载和稳定要求； (7)数据采集系统能自动采集和存储数据，可智能化控制，有效保证了在低温、高压等苛刻试验条件下数据获取的可靠性； (8)该试验系统能开展封闭系统和开放系统冻融试验，可实现同步冻结和异步冻结控制，因此可满足模拟不同地层条件和冻结工艺模式的需要。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。附图1为本专利技术的原理框图。附图2为本专利技术的试验系统结构示意图。图中，1.反力板，2.高强螺杆，3.千斤顶，4.限位板，5.荷重传感器，6.传力柱，7.上法兰，8.顶部冷媒循环管9.上承压板，10.承压环，11.下承压板，12.保温层，13.试样筒，14.传感器组，15.反滤层，16.补水腔，17.底部控温管，18.底部冷媒循环管，19.补水管，20.底座，21.传感器引线孔，22.支座，23.传感器引线，24.流量调节阀，25.排气调压管，26.土体，27.筒体控温管，28.反辐射隔热层，29.顶部控温腔，30.加强肋板，31.传力钢板，32.锁紧螺母，33.马氏瓶。具体实施例方式在附图中，该大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统，包括试验台，以及与试验台连接的加载系统，温度控制系统，补水系统和数据采集系统；所述试验台包括一个能够容纳大尺度土体试样的高强度铸钢圆管试样筒13，试样筒13的两端设有法兰，并两端外围分别设有减小端部应力的加强肋板30，试样筒13内部有效空间尺寸为O500mmX 1000mm，最大可承受15MPa内压；所述试样筒13的法兰及底座20的边缘对应设有螺孔，底座20由螺栓与下法兰连接；所述底座20为圆形厚钢板，中心设有传感器引线孔21，还设有底部冷媒循环管孔、排气调压管孔、补水管孔；所述底座20焊接在支座22上，以固定整个试验装置。所述加载系统，包括伺服控制台、反力架及顺序设置的千斤顶3，限位板4和顶板装置，所述反力架由反力板I和20根高强螺杆2组成，高强螺杆2沿试样筒13周向均布，并与上法兰7连接，为竖向加载提供反力；所述限位板4与高强螺杆2活动连接，并可由锁紧螺母32固定，所述限位板4为一圆形钢板，边缘对应高强螺杆2开孔，对土体26固结时，限位板4可沿高强螺杆2上下自由运动，对土体26进行冻结时，用锁紧螺母32将限本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种大尺度高压土体冻融过程水?热?力耦合作用试验系统，其特征是：包括试验台，以及与试验台连接的加载系统，温度控制系统，补水系统和数据采集系统；所述试验台包括一个能够容纳大尺度试样的高强铸钢试样筒（13）和底座（20），试样筒（13）的两端设有法兰，并两端外围分别设有减小端部应力的加强肋板（30），试样筒（13）内部有效空间尺寸为Φ500mm×1000mm，最大可承受15MPa内压；所述试样筒（13）底端由法兰连接有一个中心设有传感器引线孔（21）的底座（20）；所述加载系统设于试验台上部，补水系统设于试验台下部；?所述温度控制系统，包括设于试样筒（13）顶部的顶部控温腔（29），敷设于试样筒（13）内壁的内反射隔热层（28），包覆于试样筒（13）外部的保温层（12），均匀环绕在试样筒（13）外壁的筒体控温管（27），设于试样筒（13）下部的底部控温管（17）以及高低温恒温槽；所述顶部控温腔（29）及底部控温管（17）分别由顶部冷媒循环管（8）及底部冷媒循环管（18）与高低温恒温槽连接，高低温恒温槽还与筒体控温管（27）连接；所述数据采集系统，由荷重传感器（5）、传感器组（14）、数据采集仪和计算机组成，传感器组（14）包括埋设于土体（26）内部的温度传感器、水分传感器和土压计，传感器引线（23）与数据采集仪连接，数据采集仪连接计算机。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李海鹏，胡琛琛，宋雷，汪汝锋，张涛，任彦龙，杨志江，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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