MT T 593.6-2011人工凍土單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)

凍土沉降蠕變 凍土物理力學(xué)試驗(yàn)機(jī)

寒區(qū)工程凍土蠕變特性試驗(yàn)機(jī)

凍土單軸恒定荷載蠕變測(cè)試系統(tǒng)

一、產(chǎn)品概述

人工凍土單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)是專門用于研究人工凍結(jié)土在單軸壓縮荷載下，隨時(shí)間產(chǎn)生蠕變變形特性的專用設(shè)備。其核心功能是模擬寒區(qū)工程中凍土受到長(zhǎng)期恒定荷載時(shí)的變形規(guī)律，為寒區(qū)建筑、隧道、路基等工程的設(shè)計(jì)與安全評(píng)估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

二、工作原理

試驗(yàn)機(jī)通過溫控系統(tǒng)維持人工凍土試樣在設(shè)定的負(fù)溫環(huán)境（如 - 5℃、-10℃等），同時(shí)通過加載系統(tǒng)對(duì)試樣施加恒定的單軸軸向壓力（小于凍土瞬時(shí)強(qiáng)度），并通過測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的軸向變形量隨時(shí)間的變化，最終通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄并分析蠕變曲線（變形 - 時(shí)間曲線）。

關(guān)鍵原理：

凍土的蠕變特性受溫度、荷載大小、凍土含冰量、干密度等因素影響，試驗(yàn)機(jī)需精準(zhǔn)控制這些變量，單獨(dú)或耦合分析其對(duì)蠕變的影響；

長(zhǎng)期荷載下，凍土內(nèi)部冰晶體的塑性流動(dòng)、未凍水遷移等微觀行為會(huì)導(dǎo)致宏觀變形隨時(shí)間累積，試驗(yàn)機(jī)通過高精度測(cè)量捕捉這一過程。

三、設(shè)備組成結(jié)構(gòu)

設(shè)備由主機(jī)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)五部分組成，各部分協(xié)同實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定加載與變形監(jiān)測(cè)：

1. 主機(jī)系統(tǒng)

框架結(jié)構(gòu)：采用剛性機(jī)架，確保加載過程中無明顯變形，保證荷載傳遞的穩(wěn)定性；

試樣夾持裝置：用于固定圓柱形或長(zhǎng)方體凍土試樣，夾持面需平整，避免應(yīng)力集中。

2. 溫控系統(tǒng)

低溫恒溫箱：包裹試樣與加載區(qū)域，提供 - 30℃~0℃的可控低溫環(huán)境，溫度波動(dòng)范圍需控制在 ±0.5℃以內(nèi)（高精度機(jī)型可達(dá) ±0.1℃）；

制冷機(jī)組：采用壓縮機(jī)制冷或液氮輔助制冷，確保低溫環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定；

溫度傳感器：埋設(shè)在試樣內(nèi)部及恒溫箱內(nèi)，實(shí)時(shí)反饋溫度數(shù)據(jù)，通過 PID 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)制冷功率。

3. 加載系統(tǒng)

加載方式：多采用液壓伺服加載或機(jī)械砝碼加載（液壓伺服更適用于高精度、變荷載試驗(yàn)，砝碼加載適用于長(zhǎng)期恒定荷載）；

荷載控制：通過力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)荷載，反饋至控制系統(tǒng)，確保荷載波動(dòng)不超過設(shè)定值的 ±1%（長(zhǎng)期試驗(yàn)需更低波動(dòng)）；

加載范圍：根據(jù)凍土強(qiáng)度（通常人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度為 1~10MPa），最大加載力一般為 100kN~500kN，可滿足不同尺寸試樣的荷載需求。

4. 測(cè)量系統(tǒng)

變形測(cè)量裝置：采用高精度位移傳感器，測(cè)量范圍 0~50mm，分辨率可達(dá) 0.001mm，直接接觸試樣兩端或通過機(jī)架間接測(cè)量軸向變形；

輔助測(cè)量：部分設(shè)備可集成體積變形測(cè)量（如通過液體置換法）或孔隙水壓力傳感器（監(jiān)測(cè)凍土內(nèi)部未凍水壓力變化）。

5. 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

硬件：工業(yè)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡（采樣頻率可調(diào)節(jié)，長(zhǎng)期試驗(yàn)通常設(shè)為 1 次 / 小時(shí)～1 次 / 天）；

軟件：具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示（荷載 - 時(shí)間、變形 - 時(shí)間曲線）、自動(dòng)記錄、異常報(bào)警（如溫度超限、荷載波動(dòng)過大）、數(shù)據(jù)導(dǎo)出與分析功能，可生成蠕變曲線及參數(shù)計(jì)算報(bào)告（如蠕變應(yīng)變率、穩(wěn)態(tài)蠕變階段持續(xù)時(shí)間等）。

四、試驗(yàn)流程

1. 試樣制備：

按工程需求配制人工凍土（控制含水率、干密度、土顆粒級(jí)配等），在凍土模具中凍結(jié)至目標(biāo)溫度（如 - 10℃），形成標(biāo)準(zhǔn)試樣；

試樣兩端面打磨平整，保證垂直度（誤差≤0.1mm/m），避免加載時(shí)產(chǎn)生偏應(yīng)力。

2. 設(shè)備調(diào)試：

設(shè)定恒溫箱目標(biāo)溫度（如 - 5℃），待溫度穩(wěn)定后（通常需 2~4 小時(shí)），將試樣放入夾持裝置，確保軸向?qū)χ校?/span>

預(yù)加載（約 5% 最大荷載），檢查位移傳感器與試樣接觸是否良好，排除初始間隙。

3. 加載與監(jiān)測(cè)：

按試驗(yàn)方案施加恒定荷載（如凍土瞬時(shí)強(qiáng)度的 30%、50%、70%），記錄初始變形（瞬時(shí)彈性變形）；

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)變形隨時(shí)間的變化，持續(xù)數(shù)天至數(shù)月（根據(jù)工程服役周期設(shè)定），直至試樣發(fā)生破壞（加速蠕變階段結(jié)束）或達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間。

4. 數(shù)據(jù)處理：

繪制 “軸向應(yīng)變 - 時(shí)間” 蠕變曲線，劃分蠕變階段（瞬時(shí)變形→衰減蠕變→穩(wěn)定蠕變→加速蠕變）；

計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)：如穩(wěn)定蠕變階段的應(yīng)變率、蠕變極限（對(duì)應(yīng)某一應(yīng)變率的應(yīng)力值）、長(zhǎng)期強(qiáng)度（試樣在長(zhǎng)期荷載下不破壞的最大應(yīng)力）。

五、技術(shù)參數(shù)

最大加載力：100kN~500kN

荷載控制精度：±1% 設(shè)定值（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）

溫度控制范圍：-30℃~0℃

溫度控制精度：±0.5℃（高精度機(jī)型 ±0.1℃）

位移測(cè)量范圍：0~50mm

位移測(cè)量精度：0.001mm

試樣尺寸：圓柱形：φ50mm×100mm；長(zhǎng)方體：100mm×100mm×200mm

六、應(yīng)用領(lǐng)域

1、寒區(qū)土木工程：

鐵路 / 公路路基：研究?jī)鐾谅坊谲囕v長(zhǎng)期荷載下的沉降蠕變，預(yù)測(cè)路基穩(wěn)定性；

隧道工程：分析凍土隧道圍巖在支護(hù)荷載下的蠕變變形，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

樁基工程：評(píng)估凍土中樁基在豎向荷載下的長(zhǎng)期沉降，確保基礎(chǔ)安全。

2、凍土科學(xué)研究：

探究?jī)鐾梁?、溫度、荷載水平對(duì)蠕變特性的影響規(guī)律；

驗(yàn)證凍土蠕變本構(gòu)模型（如彈粘塑性模型、損傷模型）的適用性。

3、人工凍結(jié)工程：

地鐵、深基坑等人工凍結(jié)帷幕的蠕變特性研究，預(yù)測(cè)凍結(jié)帷幕的變形與承載能力，避免工程失穩(wěn)。

七、設(shè)備特點(diǎn)

高精度溫控：針對(duì)凍土對(duì)溫度的敏感性，確保低溫環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定，減少溫度波動(dòng)對(duì)蠕變的干擾；

長(zhǎng)期穩(wěn)定加載：加載系統(tǒng)需具備低漂移特性，保證數(shù)月甚至數(shù)年的恒定荷載輸出；

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)：支持無人值守試驗(yàn)，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并在異常時(shí)報(bào)警（如停電、荷載驟變）；

抗凍保護(hù)：設(shè)備關(guān)鍵部件（如液壓油、傳感器線纜）需具備抗低溫性能，避免低溫下失效。