冻土空心圆柱仪的研发与应用.docx

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冻土空心圆柱仪的研发与应用

本文作者首先对责编老师、外审老师以及主编老师在审理本文时的辛勤付出表示诚挚的感谢。

在此我们对外审老师的所提的问题和所给的意见进行了认真的思考与回答，并在文中进行了相应的修改，同时对文中存在的语序、语病、用词不当和表达不清楚的地方也进行了相应的修改，均用红色的字体标出。

下面是对外审老师的所提的问题和所给的意见的回答。

编委意见

1、土体正应力与剪应力耦合的试验可用空心圆柱仪来实现的考虑是正确的。

这在混凝土材料的σ—τ相关曲线试验中已有成功应用。

2、存在冻土的国家不止中国，俄罗斯等许多国家都存在冻土问题，国外冻土σ—τ相关曲线是怎么研究的，应有论述。

答：

现阶段国内外关于冻土强度理论及本构模型的建立大都是通过拟合单轴、三轴压缩和等比加载等简单应力状态及应力路径下的试验结果得到的，比如动三轴仪只能在试样45°斜面上模拟地震水平向剪切作用；压缩强度试验仪只能通过施加轴向荷载来获取冻土的单向压缩强度，都无法开展实际工程中涉及主应力旋转和多向应力等复杂应力状态下土体的力学性质研究[2-5]。

具体见前言部分第一段。

3、土体空心圆柱壁厚取值尚应论证，以避免扰动影响。

答：

空心圆柱尺寸的选取是借鉴了未冻土空心圆柱试样的尺寸，Sayao和Vaid[13]指出合适的试样尺寸将会在很大程度上减缓应力分布的不均匀性和加载方式不同造成端部效应，并且认为试样的壁厚、内外径之比、高径比满足下列条件时试样内的应力状态比较均匀。

1）壁厚：

δ=

=20～26mm

2）内外半径比：

0.65≤

≤0.82

3）高度：

1.8≤

≤2.2

此外，我们利用自主研发的空心圆柱制样装置制备重塑试样时，整个过程中人为干涉的因素很少，对土样扰动影响很低

4、建议给出空心圆柱仪的加工图，以便把握。

同时论文只论述创新之处即可，至于其他功能性的常识，可一带而过，适应压缩至6页以内。

答：

首先，冻土空心圆柱仪与普通的空心圆柱仪相比最大的不同在于加载能力的提高、传感器的量程扩大、具备控温能力，其他方面例如控制器，数据的采集系统等与普通的空心圆柱仪类似，因此便不再赘述，本文主要介绍了冻土空心圆柱仪的控温能力、控温原理和控温结果，加载方式，传感器的量程和精度，最后用两组试验证明的仪器的工作能力。

至于冻土空心圆柱仪的加工图，笔者已经将主要的降温原理图给出，可以说明具体的降温过程，其他方面的加工细节图为厂商所有，就不便放入文中。

其次，应审稿专家的意见，笔者已将文章的主体部分压缩至6页。

参考文献

[1]SAYAOA,VAIDYP.AcriticalassessmentofstressNon-uniformitiesinhollowcylindertestspecimens[J].SoilsandFoundations,1991,31

（1）:

60-72.

[2]HaynesFD,KaraliusJ.A.KarafutJ.StrainrateeffectonthestrengthoffrozenSilt[R].USAColdRegionsResearchandEngineeringLaboratory,ResearchReport350.1975:

27.

[3]PARAMESWARANVR,JONESSJ.Triaxialtestingoffrozensand[J].JournalofGlaciology,1981,27（95）:

147–155.

[4]GREGORYDR,GERMAINEJT,LADDCC.Triaxialtestingoffrozensand:

equipmentandexampleresults[J].JournalofColdRegions

Engineering,2003,17（3）:

90-118.

[5]崔托维奇HA.冻土力学[M].张长庆,朱元林,译.北京:

科学出版社,1985.

第一审稿人专家审稿意见：

本文介绍了冻土空心圆柱仪的研发和应用，该仪器的研发有很大创新，但论文存在以下问题：

1．该仪器与常规空心圆柱仪的重要区别在降温的实现和控制，论文介绍了内、外压力用硅油降温，试样部分用工业酒精作为冷媒进行冷浴。

但这两种降温，冷却方法的效果如何，文中没有给出具体的实验数据予以说明，这是论文的一大缺陷，建议详细介绍冷却降温步骤，降温效果，特别是长时间的温度控制情况。

答：

根据审稿老师提出“建议详细介绍降温步骤，降温效果，特别是长时间的温度控制情况”的意见，本文进行了如下修改：

（1）增加了降温原理详图，如图2所示，说明了降温具体的过程，详细内容见1.4小节

（2）给出了在-10℃，-15℃和-20℃仪器的降温过程曲线，并且均恒温超过15小时，具体如图3，图4和图5，结果显示试样的温度梯度小于±0.5°C，满足现阶段试验的要求.详细见4.1节。

2．位移传感器和力传感器都有很高的温敏性，本仪器传感器的温敏性如何也应介绍，如果这个问题不解决，即便可以控制试样温度，测得的实验数据也是不准确的。

答：

FHCA的轴向、扭转位移传感器和力传感器均安装在压力室的顶部上端，内外围压、反压位移传感器与力的传感器也都安装在相应控制面板的后侧，远离压力室的主体部分，位移与力的传感器处于常温的环境中，温度的波动很小，对试验结果的影响可以忽略。

3．论文给出的复杂应力路径试验不具代表性，特别是试验2，主应力轴循环旋转试验，本仪器的轴向单调加载频率可达20Hz，扭剪加载频率可达10Hz，轴向、径向双向耦合加载频率2Hz，和围压的耦合频率也是2Hz，但试验2只给出1Hz的试验结果，对本仪器的动荷载加载频率没有说服力。

答：

文章中之所以设计1Hz的试验方案，目的是为了验证仪器的动态加载能力，针对审稿专家提出的意见，笔者又重新布置了一组在-10℃条件下轴力、扭矩、内外围压四者耦合，频率为2Hz的动态试验，具体试验结果如图8，9，10，11，12，13所示，试验结果表明该仪器的加载性能稳定，可以进行主应力轴旋转的动态试验，对本仪器的动荷载加载频率具有一定的说服力。

4．论文第三部分3.2部分试样尺寸的确定上与一般空心圆柱试样一样，不具先进性和代表性，这部分应该结合冻土的特点进行阐述。

答：

关于冻土空心试样尺寸的选取问题，本文借鉴了很多未冻土空心圆柱试样的尺寸，一方面是由于冻土中没有任何参考资料，而未冻土在此方向的研究比较成熟，也取得了相应的进展，比如研究了不同规格试样的端部效应、尺寸效应等，具有一定的参考价值。

另一方面是在现阶段很多冻土实心试样试验中，所采用试样尺寸都是基于未冻土试样尺寸的选取标准。

譬如，冻土实心试样尺寸一般为D×H=61.8mm×125mm，而大部分未冻土试样的尺寸也是D×H=61.8mm×125mm，同样也参考了未冻土试样的尺寸。

综合考虑试验的可操作性以及目前相关设备的使用经验，最终选取的空心圆柱试样尺寸与一般空心圆柱试样一样。

第二审稿人专家审稿意见：

1.冻土空心圆柱仪的特色是温度可控，因此在1.4节中最好补充仪器照片，特别是关键的温控部分，能有详图指示冷却液进出内外压力室的循环过程。

答：

应审稿老师的意见，文章中添加了控温部分的循环原理示意图，具体如图2所示。

控温的原理是设置好压力室中的目标温度后开启冷浴，冷浴内部液体的温度开始降低，液体在压力泵和抽吸泵的联合作用下流入压力室内双螺线形盘绕的紫铜管1和U形的紫铜管2（如图2所示），其中一根双螺旋管中的冷液顺时针循环，另一根逆时针循环。

冷液的循环流动开始对内外压力腔的硅油进行降温，与此同时，内、外压力室内用于反馈的温度探头测量硅油的温度并反馈给冷浴，冷浴将反馈的温度数值与设置的目标温度进行对比，自动调节冷浴的降温速率，当温度探头反馈的温度接近预设的目标温度值时，冷浴通过调节冷浴内部液体的温度，使得被降温的硅油的温度始终保持在设定的目标温度值并保持不变，上部和下部的温度传感器监测相应位置温度的波动。

2.在第4节中，“复杂应力路径加载性能”其实并不是该仪器的特色，作为冻土试样，仪器的温度控制能力特别重要，也是研发重点。

建议作者单独写一节关于在试验过程中温度传感器测试情况，包括内腔、外腔以及试样温度的变化情况。

注意，温度传感器的测试值不等于试样温度值。

答：

（1）根据审稿老师提出的“单独写一节在实验过程中温度传感器的测试情况”，笔者扩充了1.4节用于具体描写仪器降温系统，并在4.1节验证了仪器的降温能力。

（2）关于审稿老师提出的“温度传感器的测试值不等于试样的温度值”,作者认为，一般情况下是不一样的。

但是，我们研究发现，当试样浸于一定温度的液体中足够长时间后，试样内部温度将与液体温度达到一致。

为此，在冻土试验中，为了不破坏试样的整体性，我们常常通过测定试样温度与液体温度达到一致时所需要的最短时间，然后估算我们试验时所需的恒温时间。

本文就是通过以上方式确定试样温度的。

3.建议增加一个不同温度下试样响应的对比。

答：

试验二与试验一的设定温度不同，试验一是在-15℃情况下，试验二是在-10℃条件下，关于试样在不同温度下具体力学性质的变化规律会在随后的文章中体现，本文只是对仪器工作能力的一个初步验证。

4.图2中图例错误。

答：

谢谢审稿老师的指正，笔者已经进行了修改。

冻土空心圆柱仪的研发与应用

郭妍1,2，王大雁1，马巍1，穆彦虎1

（1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049）

摘要：

为了研究复杂应力路径条件下冻土的力学特性，中国科学院冻土工程国家重点实验室与美国GCTS公司合作研发了新型冻土力学试验设备——冻土空心圆柱仪（FHCA-300）。

该设备具有加载方式灵活多样、变载能力强、工作性能稳定、传感器灵敏度高、温度可调可控、数据采集速度快等优点，通过独立施加内围压、外围压、轴向荷载和扭矩来改变三个主应力的大小和方向，从而更为真实的模拟冻土在地震荷载、交通荷载等多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径下的应力-应变行为。

本文详细介绍了该仪器各部分的组成（主要包括压力室及伺服主机系统、液压伺服加载系统、数字控制系统以及温度控制系统）、传感器和动荷载频率的选取过程以及目前可实现的具体试验类型。

最后利用该设备进行了控温能力以及复杂应力路径实现能力的验证，初步试验结果表明仪器具备良好的工作性能。

关键词：

复杂应力路径；动荷载；力学性质；温度；冻土空心圆柱仪

中图分类号：

文献标识码：

文章编号

DevelopmentandapplicationofFrozenHollowCylinderApparatus

GUOYan1,2,WANGDayan1,MAWei1,MUYanhu1

（1.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilsEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,LanzhouGansu730000,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China）

Abstract:

Inordertoresearchmechanicalpropertiesoffrozensoilundercomplexstresspath,anovelfrozensoiltestingsystem—FrozenHollowCylinderApparatus-300（FHCA-300）wasdevelopedbyStateKeyLaboratoryofFrozenSoilsEngineeringandtheGCTScompanyinAmerica.Thisapparatusischaracterizedbyflexibleloadingability,variableloadcapacity,stableworkperformance,highsensitivitysensors,highprecisiontemperaturecontrollingsystemandthehighfrequencysignaldataacquisitionsystem.Byindependentlycontrollinginner,outerconfinepressure,axialloadandtorque,thedeviceisabletochangethemagnitudeanddirectionofthreeprincipalstressestoaccuratelysimulatethestress-strainbehavioroffrozensoilundercomplexstresspath.Thesestresspathsincludetheprincipalstressrotationandmultriaxialstressinducedbytrafficorseismic.ThispaperwillintroducethecomponentsofFHCA-300,theselectionprocessofsensors,thefrequencyofdynamicloadandtheconcreteexperimentaltypesaswell.Finally,atemperaturecontrolcapabilityandcomplexstresspathsachievingabilityweretestedtoverifythereliabilityofinstrument.Preliminarytestresultsshowthatthisapparatushasagoodperformance.

Keywords:

complexstresspath;dynamicload;mechanicalproperties;temperaturecontrol;FHCA-300

—————————

收稿日期：

2015-10-13

基金项目：

冻土工程国家重点实验室基金（SKLFSE-2T-17）；

国家自然科学基金项目（41401077）；

国家重点基础研究发展计划（973项目）

（2012CB026106）。

作者简介：

郭妍（1991–），女，研究生，硕士；

王大雁（1971–），女，研究员，博士生导师。

通讯作者：

王大雁E-mail:

dywang@

土体的力学性质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[1]。

对于寒区工程而言，构建筑物在几种熟知的动力荷载，如交通和地震荷载的作用下，冻土地基土体所受应力路径复杂，不仅体现在主应力轴在时间上和空间上连续旋转，而且主应力差的大小也发生连续变化，这对于冻土的变形和强度具有显著的影响[2]。

随着中国经济的深入发展，寒区的交通运输工程建设发展迅速，规模日益扩大，等级日益提高。

青藏铁路、青藏公路、哈大高铁、哈齐高铁等一系列重大冻土线性工程的设计与运行均涉及冻土在交通荷载作用下的动力特性研究。

而作为我国冻土主要的分布地区，青藏高原又是地球表面构造活动最频繁的大陆高原，自2003年以来，7～8级以上的大地震已经发生多次，特别是昆仑山口西、玉树等地的大地震对地面建筑物及其地基基础造成了不同程度的破坏，对人民的生命财产安全造成了巨大的损失[3]。

地震荷载下冻土的动力特性响应是寒区建设工程抗震设计的重要依据之一，因此开展冻土在动力荷载及复杂应力路径条件下力学性质研究具有重要的意义。

冻土力学是一门试验科学，试验手段与试验仪器的研发是冻土力学向前发展的基石[4]。

目前，受仪器设备及试验手段限制，现有的冻土强度理论及本构模型的建立大都是通过拟合单轴、三轴压缩和等比加载等简单应力状态及应力路径下的试验结果得到的[5-8]。

而考虑实际工程中多向应力及主应力轴旋转效应下的冻土力学特性研究仍属空白。

传统的冻土动力试验中，动三轴仪只能施加动态的偏应力，在试样45°斜面上模拟地震水平向剪切作用[9-11]，交通荷载和地震荷载均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）和剪应力两者交替变化的影响[12-13]。

显然，上述动三轴仪所能开展的简单应力路径的动力试验并不能真实地模拟交通和地震荷载下土体中复杂的应力变化过程[14]。

因此，为了较为准确获取冻土在复杂应力路径条件下下的力学性质和变形行为，迫切需要研发一套新型的冻土力学实验设备，该设备能够实现多向应力和主应力轴旋转等各种复杂应力路径，获得相应的力学和变形参数，为建立更为准确可靠的冻土本构模型提供试验依据。

空心圆柱仪是目前可以实现包括主应力轴旋转在内的多种复杂应力条件的最先进的土工试验设备[1]。

但是由于国内外现有的空心圆柱仪都是针对未冻土的研究，没有考虑对试样的降温和控温要求，并且加载范围小、传感器量程不足，无法开展土体在负温条件下的力学性质研究。

冻土是由土颗粒、冰、水和空气组成的四相混合体，结构具有明显的各向异性特征，且其强度和变形随着温度的变化会发生明显的改变。

为此，中国科学院冻土工程国家重点实验室与美国GCTS公司联合研制了用于研究冻土在复杂应力路径条件下力学特性的试验系统：

冻土空心圆柱仪（FHCA-300）。

本文主要介绍了FHCA-300的组成，设备参数的选取以及目前可操作的试验类型，并对该仪器的工作能力及可靠性进行了初步验证。

从目前结果来看，该试验系统具备良好且稳定的工作性能，能够开展复杂应力状态和应力路径条件下冻土的力学性能试验。

1FHCA-300试验系统的组成及主要性能

图1是冻土空心圆柱仪FHCA-300主要结构以及各部分之间的相互联系的示意图。

从图中可以看出，FHCA-300由压力室及伺服主机系统、液压伺服加载系统、数字控制系统以及温度控制系统4部分组成。

图1冻土空心圆柱仪结构示意图

1.1压力室及伺服主机系统

压力室及伺服主机系统是冻土空心圆柱仪的核心部分，其设计目的是为加载系统和温度控制系统的正常工作提供基础。

压力室顶部有轴力/扭矩载荷传感器和位移传感器，负责轴力、扭矩、轴向应变和扭剪应变的测量。

传感器的上端是轴力扭矩双驱动装置，负责轴力和扭矩的施加。

压力室内部设有降温设施、上压头、下压头、温度传感器和土样。

试验中要保证压头与土样刚性连接以确保加载稳定。

1.2液压伺服加载系统

冻土和未冻土相比，具有负温和强度较高的特点。

如果采用气动伺服控制或者水压伺服控制会存在控制精度低或加载能力不足，以及水在负温下发生冻结无法

提供围压等一系列问题。

液压加载方式相对比较平稳，反应快，易于实现快速启动、制动和频繁换向，而且系统地过载保护功能更加容易实现[15]。

因此FHCA-300采取液压伺服控制的加载系统。

整个液压伺服加载系统的动力由液压泵提供，然后通过5个伺服阀单独控制的作动器（包括轴力、扭矩、内围压、外围压和反压作动器）将载荷传到土样表面，使土样达到设定的应力状态和应力路径。

FHCA-300配备的液压伺服加载系统与试验系统相连接，可通过数字控制系统进行控制和反馈。

1.3数字控制系统

数字控制系统由GCTS专用的数字控制器和一体化的计算机辅助试验系统（CATS软件）组成。

FHCA-300的控制器类型是SCON-2000，内置函数编辑器、数据采集、数字信号的输出/输入。

最大特点在于其通用的信号调节模板可以连接任何形式的传感器。

CATS软件中除了静力加载、动力加载、饱和、固结等集成模块外，还包含一个通用试验模块。

通用试验模块允许试验人员建立预想的测试程序，包括饱和、固结、三轴、直剪、共振柱/扭剪、真三轴、循环加载等单个试验以及多个连续的试验程序。

1.4温度控制系统

温度控制系统是冻土空心圆柱仪能进行冻土试验的关键，其目的是确保土样内部温度的均匀性。

整个温度控制系统由三部分构成：

冷浴循环系统、温度监测与反馈系统和保温系统。

冷浴循环部分由两台冷浴和均匀分布在压力室内壁的双循环紫铜管以及空心圆柱土样内腔的倒U型紫铜管组成。

分别用于控制空心圆柱土样外腔和内腔传热承压介质的温度，并最终达到控制土样温度的目的。

冷浴中使用的冷媒是工业酒精，降温能力为-40°C～+20°C，温度控制精度为±0.1°C。

为了减少了单向循环所造成压力室内传热介质的温度梯度，我们进行了如下设计：

将其中一根双螺旋紫铜管内的冷液顺时针循环，另一根逆时针循环，具体如图2所示。

温度监测与反馈系统由四个温度传感器和相应的温度控制、监测和显示元件组成。

其中一个温度探头位于空心圆柱土样内腔的中心处，用来监测和反馈测量的土样内腔承压传热介质的温度；另外三个温度探头沿试样外壁布置，分别位于上中下三个位置，其中位于土样中部附近的温度探头用来监测并反馈土样外腔承压传热介质的温度。

与此同时，冷浴将内外腔温度探头反馈的温度数值与设置的目标温度进行对比，自动调节冷浴的降温速率，当温度探头反馈的温度接近预设的目标温度值时，冷浴通过调节冷浴内部液体的温度，使得被降温的硅油的温度始终保持在设定的目标温度值并保持不变。

其他两个位于试样顶端附近和底端附近的温度探头用来实时监测试样外腔硅油的温度。

保温部分即在压力室外表面严密包裹的泡沫保温材料，以及底座下部配置的隔热底板组成，用来减少压力室与外部环境的热交换。

值得指出的是该温度控制系统同时与内、外围压储油罐相连，可在试验前对储油罐中的硅油进行预冷，减少围压加载试验中因为温度过高的硅油进入压力室中造成试样环境温度升高，导致试样力学性质发生变化的影响。

图2温度控制原理示意图

2FHCA-300的技术参数

2.1传感器种类和量程、精度

测量对象决定着传感器型号的选择[16]。

FHCA-300的传感器类型包括荷载传感器、位移传感器和温度传感器三大类。

为了使仪器具有广泛的适用性，该设备选取了不同类型和量程的荷载、位移传感器和温度传感器。

荷载传感器包括三个不同量程轴力和扭矩传感器，用来测量试验过程中作动器施加的轴力和扭矩。

考虑到冻土的强度等级较高，因此选取的内、外围压传感器的量程都较大。

压力传感器与位移传感器均安装在压力室的外部，使其不受压力室内部温度变化的影响。

压力室中的温度传感器采用Pt-100传感器，精度为±0.1°C，用于温度的量测和反馈。

FHCA-300配置的主要传感器的技术指标如表1所示。

表1FHCA-300主要传感器的性能指标

类型

名称

量程

精度

内外压力室温度传感器

–40°C～＋80°C

±0.1°C

压力传感器

轴向压力传感器

–100kN～＋100kN

全量程0.1%

扭矩传感器

–1000N·m～＋1000N·m

全量程0.1%

内外围压、反压压力传感器

–2MPa～＋22MPa

全量程0.25%

孔压压力传感器

–0.1MPa～＋2.1MPa

全量程0.25%

位移传感器

轴向位移传感器

–50.8mm～＋50.8mm

0.001m