1、本文作者首先對(duì)責(zé)編老師、外審老師以及主編老師在審理本文時(shí)的辛勤付出表示誠(chéng)摯的感謝。在此我們對(duì)外審老師的所提的問(wèn)題和所給的意見(jiàn)進(jìn)行了認(rèn)真的思考與回答，并在文中進(jìn)行了相應(yīng)的修改，同時(shí)對(duì)文中存在的語(yǔ)序、語(yǔ)病、用詞不當(dāng)和表達(dá)不清楚的地方也進(jìn)行了相應(yīng)的修改，均用紅色的字體標(biāo)出。下面是對(duì)外審老師的所提的問(wèn)題和所給的意見(jiàn)的回答。編委意見(jiàn)1、 土體正應(yīng)力與剪應(yīng)力耦合的試驗(yàn)可用空心圓柱儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的考慮是正確的。這在混凝土材料的 相關(guān)曲線試驗(yàn)中已有成功應(yīng)用。2、 存在凍土的國(guó)家不止中國(guó)，俄羅斯等許多國(guó)家都存在凍土問(wèn)題，國(guó)外凍土相關(guān)曲線是怎么研究的，應(yīng)有論述。答：現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外關(guān)于凍土強(qiáng)度理論及本構(gòu)模型的建立大都是通過(guò)

2、擬合單軸、三軸壓縮和等比加載等簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)結(jié)果得到的，比如動(dòng)三軸儀只能在試樣 45 °斜面上模擬地震水平向剪切作用；壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)儀只能通過(guò)施加軸向荷載來(lái)獲取凍土的單向壓縮強(qiáng)度，都無(wú)法開(kāi)展實(shí)際工程中涉及主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)和多向應(yīng)力等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下土體的力學(xué)性質(zhì)研究2-5 。具體見(jiàn)前言部分第一段。3、 土體空心圓柱壁厚取值尚應(yīng)論證，以避免擾動(dòng)影響。Sayao和 Vaid13 指出合適的試樣尺寸將會(huì)在很答：空心圓柱尺寸的選取是借鑒了未凍土空心圓柱試樣的尺寸，大程度上減緩應(yīng)力分布的不均勻性和加載方式不同造成端部效應(yīng)，并且認(rèn)為試樣的壁厚、內(nèi)外徑之比、高徑比滿足下列條件時(shí)試樣內(nèi)的應(yīng)力狀

3、態(tài)比較均勻。1）壁厚： = rori =20 26 mm2）內(nèi)外半徑比：0.65ri 0.82ro3）高度： 1.8H2.22ro此外，我們利用自主研發(fā)的空心圓柱制樣裝置制備重塑試樣時(shí)，整個(gè)過(guò)程中人為干涉的因素很少，對(duì)土樣擾動(dòng)影響很低4、建議給出空心圓柱儀的加工圖，以便把握。同時(shí)論文只論述創(chuàng)新之處即可，至于其他功能性的常識(shí)，可一帶而過(guò)，適應(yīng)壓縮至 6 頁(yè)以內(nèi)。答：首先，凍土空心圓柱儀與普通的空心圓柱儀相比最大的不同在于加載能力的提高、傳感器的量程擴(kuò)大、具備控溫能力，其他方面例如控制器，數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)等與普通的空心圓柱儀類似，因此便不再贅述，本文主要介紹了凍土空心圓柱儀的控溫能力、控溫原理和控溫

4、結(jié)果，加載方式，傳感器的量程和精度，最后用兩組試驗(yàn)證明的儀器的工作能力。至于凍土空心圓柱儀的加工圖，筆者已經(jīng)將主要的降溫原理圖給出，可以說(shuō)明具體的降溫過(guò)程，其他方面的加工細(xì)節(jié)圖為廠商所有，就不便放入文中。其次，應(yīng)審稿專家的意見(jiàn)，筆者已將文章的主體部分壓縮至參考文獻(xiàn)6頁(yè)。1 SAYAO A, VAID Y P. A critical assessment of stress Non-uniformities in hollow cylinder test specimensJ.Soils and Foundations,1991,31(1):60-72.2 Haynes F D , Karali

5、us J. A. Karafut J.Strain rate effect on the strength of frozen SiltR.USA Cold Regions Research and Engineering3 PARAMESWARAN V R, JONES S J.Triaxial testing of frozen sandJ.Journal of Glaciology,1981,27(95):147 155.4 GREGORY D R, GERMAINE J T, LADD C C.Triaxial testing of frozen sand: equipment and

6、 example resultsJ.Journal of Cold Regions Engineering,2003, 17(3):90-118.5 崔托維奇 H A. 凍土力學(xué) M. 張長(zhǎng)慶 ,朱元林 ,譯 .北京 :科學(xué)出版社 ,1985.第一審稿人專家審稿意見(jiàn)：本文介紹了凍土空心圓柱儀的研發(fā)和應(yīng)用，該儀器的研發(fā)有很大創(chuàng)新，但論文存在以下問(wèn)題：1該儀器與常規(guī)空心圓柱儀的重要區(qū)別在降溫的實(shí)現(xiàn)和控制，論文介紹了內(nèi)、外壓力用硅油降溫，試樣部分用工業(yè)酒精作為冷媒進(jìn)行冷浴。但這兩種降溫，冷卻方法的效果如何，文中沒(méi)有給出具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以說(shuō)明，這是論文的一大缺陷，建議詳細(xì)介紹冷卻降溫步驟，降溫效果，特

7、別是長(zhǎng)時(shí)間的溫度控制情況。答：根據(jù)審稿老師提出“建議詳細(xì)介紹降溫步驟，降溫效果，特別是長(zhǎng)時(shí)間的溫度控制情況”的意見(jiàn)，本文進(jìn)行了如下修改：（ 1）增加了降溫原理詳圖，如圖2 所示，說(shuō)明了降溫具體的過(guò)程，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)1.4 小節(jié)（ 2）給出了在 -10， -15和 -20儀器的降溫過(guò)程曲線，并且均恒溫超過(guò)15 小時(shí)，具體如圖3，圖 4 和圖 5，結(jié)果顯示試樣的溫度梯度小于±5°0C.，滿足現(xiàn)階段試驗(yàn)的要求 .詳細(xì)見(jiàn) 4.1 節(jié)。2位移傳感器和力傳感器都有很高的溫敏性，本儀器傳感器的溫敏性如何也應(yīng)介紹，如果這個(gè)問(wèn)題不解決，即便可以控制試樣溫度，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是不準(zhǔn)確的。答： FH

8、CA 的軸向、扭轉(zhuǎn)位移傳感器和力傳感器均安裝在壓力室的頂部上端，內(nèi)外圍壓、反壓位移傳感器與力的傳感器也都安裝在相應(yīng)控制面板的后側(cè)，遠(yuǎn)離壓力室的主體部分，位移與力的傳感器處于常溫的環(huán)境中，溫度的波動(dòng)很小，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略。3論文給出的復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)不具代表性，特別是試驗(yàn)2，主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，本儀器的軸向單調(diào)加載頻率可達(dá) 20Hz，扭剪加載頻率可達(dá)10Hz ， 軸向、徑向雙向耦合加載頻率2Hz，和圍壓的耦合頻率也是2Hz，但試驗(yàn)只給出 1Hz 的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)本儀器的動(dòng)荷載加載頻率沒(méi)有說(shuō)服力。答：文章中之所以設(shè)計(jì)1Hz 的試驗(yàn)方案，目的是為了驗(yàn)證儀器的動(dòng)態(tài)加載能力，針對(duì)審稿專家提出的意

9、見(jiàn)，筆者又重新布置了一組在-10條件下軸力、 扭矩、內(nèi)外圍壓四者耦合，頻率為 2Hz 的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)， 具體試驗(yàn)結(jié)果如圖9， 10， 11， 12， 13 所示，試驗(yàn)結(jié)果表明該儀器的加載性能穩(wěn)定，可以進(jìn)行主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，對(duì)本儀器的28，動(dòng)荷載加載頻率具有一定的說(shuō)服力。4論文第三部分3.2 部分試樣尺寸的確定上與一般空心圓柱試樣一樣，不具先進(jìn)性和代表性，這部分應(yīng)該結(jié)合凍土的特點(diǎn)進(jìn)行闡述。答：關(guān)于凍土空心試樣尺寸的選取問(wèn)題，本文借鑒了很多未凍土空心圓柱試樣的尺寸，一方面是由于凍土中沒(méi)有任何參考資料， 而未凍土在此方向的研究比較成熟，也取得了相應(yīng)的進(jìn)展，比如研究了不同規(guī)格試樣的端部效應(yīng)、尺寸效應(yīng)

10、等，具有一定的參考價(jià)值。另一方面是在現(xiàn)階段很多凍土實(shí)心試樣試驗(yàn)中，所采用試樣尺寸都是基于未凍土試樣尺寸的選取標(biāo)準(zhǔn)。譬如，凍土實(shí)心試樣尺寸一般為D× H=61.8mm × 125mm，而大部分未凍土試樣的尺寸也是 D× H=61.8mm × 125mm，同樣也參考了未凍土試樣的尺寸。綜合考慮試驗(yàn)的可操作性以及目前相關(guān)設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)，最終選取的空心圓柱試樣尺寸與一般空心圓柱試樣一樣。第二審稿人專家審稿意見(jiàn)：1. 凍土空心圓柱儀的特色是溫度可控，因此在 1.4 節(jié)中最好補(bǔ)充儀器照片，特別是關(guān)鍵的溫控部分，能有詳圖指示冷卻液進(jìn)出內(nèi)外壓力室的循環(huán)過(guò)程。答：應(yīng)審稿老

11、師的意見(jiàn)，文章中添加了控溫部分的循環(huán)原理示意圖，具體如圖2 所示?？販氐脑硎窃O(shè)置好壓力室中的目標(biāo)溫度后開(kāi)啟冷浴，冷浴內(nèi)部液體的溫度開(kāi)始降低，液體在壓力泵和抽吸泵的聯(lián)合作用下流入壓力室內(nèi)雙螺線形盤繞的紫銅管1 和 U 形的紫銅管2（如圖 2 所示），其中一根雙螺旋管中的冷液順時(shí)針循環(huán)，另一根逆時(shí)針循環(huán)。冷液的循環(huán)流動(dòng)開(kāi)始對(duì)內(nèi)外壓力腔的硅油進(jìn)行降溫，與此同時(shí)，內(nèi)、外壓力室內(nèi)用于反饋的溫度探頭測(cè)量硅油的溫度并反饋給冷浴，冷浴將反饋的溫度數(shù)值與設(shè)置的目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷浴的降溫速率，當(dāng)溫度探頭反饋的溫度接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度值時(shí)，冷浴通過(guò)調(diào)節(jié)冷浴內(nèi)部液體的溫度，使得被降溫的硅油的溫度始終保持在設(shè)

12、定的目標(biāo)溫度值并保持不變，上部和下部的溫度傳感器監(jiān)測(cè)相應(yīng)位置溫度的波動(dòng)。2. 在第 4 節(jié)中， “復(fù)雜應(yīng)力路徑加載性能 ”其實(shí)并不是該儀器的特色， 作為凍土試樣， 儀器的溫度控制能力特別重要，也是研發(fā)重點(diǎn)。建議作者單獨(dú)寫一節(jié)關(guān)于在試驗(yàn)過(guò)程中溫度傳感器測(cè)試情況，包括內(nèi)腔、外腔以及試樣溫度的變化情況。注意，溫度傳感器的測(cè)試值不等于試樣溫度值。答：（ 1）根據(jù)審稿老師提出的“單獨(dú)寫一節(jié)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度傳感器的測(cè)試情況” ，筆者擴(kuò)充了 1.4 節(jié)用于具體描寫儀器降溫系統(tǒng)，并在 4.1 節(jié)驗(yàn)證了儀器的降溫能力。（ 2）關(guān)于審稿老師提出的“溫度傳感器的測(cè)試值不等于試樣的溫度值” ,作者認(rèn)為，一般情況下是不

13、一樣的。但是，我們研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣浸于一定溫度的液體中足夠長(zhǎng)時(shí)間后，試樣內(nèi)部溫度將與液體溫度達(dá)到一致。為此，在凍土試驗(yàn)中，為了不破壞試樣的整體性，我們常常通過(guò)測(cè)定試樣溫度與液體溫度達(dá)到一致時(shí)所需要的最短時(shí)間，然后估算我們?cè)囼?yàn)時(shí)所需的恒溫時(shí)間。本文就是通過(guò)以上方式確定試樣溫度的。3. 建議增加一個(gè)不同溫度下試樣響應(yīng)的對(duì)比。答：試驗(yàn)二與試驗(yàn)一的設(shè)定溫度不同，試驗(yàn)一是在-15情況下，試驗(yàn)二是在-10條件下，關(guān)于試樣在不同溫度下具體力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律會(huì)在隨后的文章中體現(xiàn)，本文只是對(duì)儀器工作能力的一個(gè)初步驗(yàn)證。4. 圖 2 中圖例錯(cuò)誤。答：謝謝審稿老師的指正，筆者已經(jīng)進(jìn)行了修改。凍土空心圓柱儀的研發(fā)與應(yīng)

14、用郭妍1,2 ，王大雁1，馬巍 1，穆彥虎1(1.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000 ；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)摘要：為了研究復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下凍土的力學(xué)特性，中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)GCTS公司合作研發(fā)了新型凍土力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備凍土空心圓柱儀（FHCA-300）。該設(shè)備具有加載方式靈活多樣、變載能力強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定、傳感器靈敏度高、溫度可調(diào)可控、數(shù)據(jù)采集速度快等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)獨(dú)立施加內(nèi)圍壓、外圍壓、軸向荷載和扭矩來(lái)改變?nèi)齻€(gè)主應(yīng)力的大小和方向，從而更為真實(shí)的模擬凍土在地震荷載、交通荷載等多向應(yīng)力和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力路徑下的應(yīng)力

15、- 應(yīng)變行為。 本文詳細(xì)介紹了該儀器各部分的組成（主要包括壓力室及伺服主機(jī)系統(tǒng)、液壓伺服加載系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)）、傳感器和動(dòng)荷載頻率的選取過(guò)程以及目前可實(shí)現(xiàn)的具體試驗(yàn)類型。最后利用該設(shè)備進(jìn)行了控溫能力以及復(fù)雜應(yīng)力路徑實(shí)現(xiàn)能力的驗(yàn)證，初步試驗(yàn)結(jié)果表明儀器具備良好的工作性能。關(guān)鍵詞： 復(fù)雜應(yīng)力路徑；動(dòng)荷載；力學(xué)性質(zhì)；溫度；凍土空心圓柱儀中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)Development and application of Frozen Hollow Cylinder ApparatusGUO Yan1, 2 , WANG Dayan 1, MA Wei 1, MU Yanhu

16、 1(1. State Key Laboratory of Frozen Soils Engineering, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou Gansu 730000, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract: In order to research mechanical prope

17、rties of frozen soil under complex stress path, a novel frozen soil testing system Frozen Hollow Cylinder Apparatus-300(FHCA-300) was developed by State Key Laboratory of Frozen Soils Engineering and the GCTS company in America. This apparatus is characterized by flexible loading ability, variable l

18、oad capacity, stable work performance, high sensitivity sensors, high precision temperature controlling system and the high frequency signal data acquisition system. By independently controlling inner, outer confine pressure, axial load and torque, the device is able to change the magnitude and dire

19、ction of three principal stresses to accurately simulate the stress-strain behavior of frozen soil under complex stress path. These stress paths include the principal stress rotation and multriaxial stress induced by traffic or seismic. This paper will introduce the components of FHCA-300, the selec

20、tion process of sensors, the frequency of dynamic load and the concrete experimental types as well. Finally, a temperature control capability and complex stress paths achieving ability were tested to verify the reliability of instrument. Preliminary test results show that this apparatus has a good p

21、erformance.Key words: complex stress path; dynamic load; mechanical properties; temperature control; FHCA-300收稿日期 ：2015-10-13基金項(xiàng)目 ：凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（SKLFSE-2T-17 ）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401077）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973 項(xiàng)目 )(2012CB026106) 。作者簡(jiǎn)介 ：郭妍 (1991)，女，研究生，碩士；王大雁（ 1971），女，研究員，博士生導(dǎo)師。通訊作者： 王大雁E-mail: dywang土體的力學(xué)性質(zhì)受到應(yīng)力

22、路徑的影響，理想狀態(tài)下只有室內(nèi)試驗(yàn)條件完全模擬真實(shí)加載過(guò)程，才能反應(yīng)土體的真實(shí)響應(yīng)，在動(dòng)力條件下尤其如此 1。對(duì)于寒區(qū)工程而言，構(gòu)建筑物在幾種熟知的動(dòng)力荷載，如交通和地震荷載的作用下，凍土地基土體所受應(yīng)力路徑復(fù)雜，不僅體現(xiàn)在主應(yīng)力軸在時(shí)間上和空間上連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而且主應(yīng)力差的大小也發(fā)生連續(xù)變化，這對(duì)于凍土的變形和強(qiáng)度具有顯著的影響2 。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展，寒區(qū)的交通運(yùn)輸工程建設(shè)發(fā)展迅速，規(guī)模日益擴(kuò)大，等級(jí)日益提高。青藏鐵路、青藏公路、哈大高鐵、哈齊高鐵等一系列重大凍土線性工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行均涉及凍土在交通荷載作用下的動(dòng)力特性研究。而作為我國(guó)凍土主要的分布地區(qū)，青藏高原又是地球表面構(gòu)造活動(dòng)最頻繁的

23、大陸高原，自2003年以來(lái)， 78級(jí)以上的大地震已經(jīng)發(fā)生多次，特別是昆侖山口西、玉樹(shù)等地的大地震對(duì)地面建筑物及其地基基礎(chǔ)造成了不同程度的破壞，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的損失3 。地震荷載下凍土的動(dòng)力特性響應(yīng)是寒區(qū)建設(shè)工程抗震設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一，因此開(kāi)展凍土在動(dòng)力荷載及復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下力學(xué)性質(zhì)研究具有重要的意義。凍土力學(xué)是一門試驗(yàn)科學(xué)，試驗(yàn)手段與試驗(yàn)儀器的研發(fā)是凍土力學(xué)向前發(fā)展的基石 4 。目前，受儀器設(shè)備及試驗(yàn)手段限制，現(xiàn)有的凍土強(qiáng)度理論及本構(gòu)模型的建立大都是通過(guò)擬合單軸、三軸壓縮和等比加載等簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)結(jié)果得到的5-8 。而考慮實(shí)際工程中多向應(yīng)力及主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下

24、的凍土力學(xué)特性研究仍屬空白。傳統(tǒng)的凍土動(dòng)力試驗(yàn)中，動(dòng)三軸儀只能施加動(dòng)態(tài)的偏應(yīng)力，在試樣45°斜面上模擬地震水平向剪切作用9-11 ，交通荷載和地震荷載均屬于非比例循環(huán)加載，總的偏剪應(yīng)力同時(shí)受到正應(yīng)力偏差(豎向和水平正應(yīng)力之差 )和剪應(yīng)力兩者交替變化的影響12-13 。顯然， 上述動(dòng)三軸儀所能開(kāi)展的簡(jiǎn)單應(yīng)力路徑的動(dòng)力試驗(yàn)并不能真實(shí)地模擬交通和地震荷載下土體中復(fù)雜的應(yīng)力變化過(guò)程14 。因此， 為了較為準(zhǔn)確獲取凍土在復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下下的力學(xué)性質(zhì)和變形行為，迫切需要研發(fā)一套新型的凍土力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)多向應(yīng)力和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜應(yīng)力路徑，獲得相應(yīng)的力學(xué)和變形參數(shù)，為建立更為準(zhǔn)

25、確可靠的凍土本構(gòu)模型提供試驗(yàn)依據(jù)?？招膱A柱儀是目前可以實(shí)現(xiàn)包括主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)在內(nèi)的多種復(fù)雜應(yīng)力條件的最先進(jìn)的土工試驗(yàn)設(shè)備1。但是由于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的空心圓柱儀都是針對(duì)未凍土的研究，沒(méi)有考慮對(duì)試樣的降溫和控溫要求，并且加載范圍小、 傳感器量程不足，無(wú)法開(kāi)展土體在負(fù)溫條件下的力學(xué)性質(zhì)研究。凍土是由土顆粒、冰、水和空氣組成的四相混合體，結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性特征，且其強(qiáng)度和變形隨著溫度的變化會(huì)發(fā)生明顯的改變。為此，中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)GCTS公司聯(lián)合研制了用于研究?jī)鐾猎趶?fù)雜應(yīng)力路徑條件下力學(xué)特性的試驗(yàn)系統(tǒng)：凍土空心圓柱儀(FHCA-300) 。本文主要介紹了FHCA-300 的組成，設(shè)備

26、參數(shù)的選取以及目前可操作的試驗(yàn)類型，并對(duì)該儀器的工作能力及可靠性進(jìn)行了初步驗(yàn)證。從目前結(jié)果來(lái)看，該試驗(yàn)系統(tǒng)具備良好且穩(wěn)定的工作性能，能夠開(kāi)展復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑條件下凍土的力學(xué)性能試驗(yàn)。1FHCA-300 試驗(yàn)系統(tǒng)的組成及主要性能圖 1 是凍土空心圓柱儀FHCA-300 主要結(jié)構(gòu)以及各部分之間的相互聯(lián)系的示意圖。從圖中可以看出，由壓力室及伺服主機(jī)系統(tǒng)、液壓伺服加載系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)4 部分組成。FHCA-300圖 1 凍土空心圓柱儀結(jié)構(gòu)示意圖1.1壓力室及伺服主機(jī)系統(tǒng)壓力室及伺服主機(jī)系統(tǒng)是凍土空心圓柱儀的核心部分， 其設(shè)計(jì)目的是為加載系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)的正常工作提供基礎(chǔ)。壓力

27、室頂部有軸力 /扭矩載荷傳感器和位移傳感器，負(fù)責(zé)軸力、扭矩、軸向應(yīng)變和扭剪應(yīng)變的測(cè)量。傳感器的上端是軸力扭矩雙驅(qū)動(dòng)裝置，負(fù)責(zé)軸力和扭矩的施加。壓力室內(nèi)部設(shè)有降溫設(shè)施、上壓頭、下壓頭、溫度傳感器和土樣。試驗(yàn)中要保證壓頭與土樣剛性連接以確保加載穩(wěn)定。1.2液壓伺服加載系統(tǒng)凍土和未凍土相比，具有負(fù)溫和強(qiáng)度較高的特點(diǎn)。如果采用氣動(dòng)伺服控制或者水壓伺服控制會(huì)存在控制精度低或加載能力不足，以及水在負(fù)溫下發(fā)生凍結(jié)無(wú)法提供圍壓等一系列問(wèn)題。液壓加載方式相對(duì)比較平穩(wěn)，反應(yīng)快，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁換向，而且系統(tǒng)地過(guò)載保護(hù)功能更加容易實(shí)現(xiàn) 15 。因此 FHCA-300 采取液壓伺服控制的加載系統(tǒng)。整個(gè)液壓

28、伺服加載系統(tǒng)的動(dòng)力由液壓泵提供，然后通過(guò)5 個(gè)伺服閥單獨(dú)控制的作動(dòng)器（包括軸力、扭矩、內(nèi)圍壓、外圍壓和反壓作動(dòng)器）將載荷傳到土樣表面，使土樣達(dá)到設(shè)定的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑。FHCA-300 配備的液壓伺服加載系統(tǒng)與試驗(yàn)系統(tǒng)相連接，可通過(guò)數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和反饋。1.3數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)由GCTS 專用的數(shù)字控制器和一體化的計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)系統(tǒng)（CATS 軟件）組成。FHCA-300 的控制器類型是SCON-2000 ，內(nèi)置函數(shù)編輯器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)的輸出/輸入。最大特點(diǎn)在于其通用的信號(hào)調(diào)節(jié)模板可以連接任何形式的傳感器。CATS 軟件中除了靜力加載、動(dòng)力加載、飽和、固結(jié)等集成模塊外，還包

29、含一個(gè)通用試驗(yàn)?zāi)K。通用試驗(yàn)?zāi)K允許試驗(yàn)人員建立預(yù)想的測(cè)試程序，包括飽和、固結(jié)、三軸、直剪、共振柱/扭剪、真三軸、循環(huán)加載等單個(gè)試驗(yàn)以及多個(gè)連續(xù)的試驗(yàn)程序。1.4溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)是凍土空心圓柱儀能進(jìn)行凍土試驗(yàn)的關(guān)鍵，其目的是確保土樣內(nèi)部溫度的均勻性。整個(gè)溫度控制系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：冷浴循環(huán)系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)與反饋系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)。冷浴循環(huán)部分由兩臺(tái)冷浴和均勻分布在壓力室內(nèi)壁的雙循環(huán)紫銅管以及空心圓柱土樣內(nèi)腔的倒 U 型紫銅管組成。分別用于控制空心圓柱土樣外腔和內(nèi)腔傳熱承壓介質(zhì)的溫度，并最終達(dá)到控制土樣溫度的目的。冷浴中使用的冷媒是工業(yè)酒精，降溫能力為 -40 °C +20°

30、C，溫度控制精度為 ±0.1 °C。為了減少了單向循環(huán)所造成壓力室內(nèi)傳熱介質(zhì)的溫度梯度，我們進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：將其中一根雙螺旋紫銅管內(nèi)的冷液順時(shí)針循環(huán)，另一根逆時(shí)針循環(huán)，具體如圖2所示。溫度監(jiān)測(cè)與反饋系統(tǒng)由四個(gè)溫度傳感器和相應(yīng)的溫度控制、監(jiān)測(cè)和顯示元件組成。其中一個(gè)溫度探頭位于空心圓柱土樣內(nèi)腔的中心處， 用來(lái)監(jiān)測(cè)和反饋測(cè)量的土樣內(nèi)腔承壓傳熱介質(zhì)的溫度； 另外三個(gè)溫度探頭沿試樣外壁布置，分別位于上中下三個(gè)位置，其中位于土樣中部附近的溫度探頭用來(lái)監(jiān)測(cè)并反饋土樣外腔承壓傳熱介質(zhì)的溫度。與此同時(shí)，冷浴將內(nèi)外腔溫度探頭反饋的溫度數(shù)值與設(shè)置的目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷浴的降溫速率，當(dāng)溫

31、度探頭反饋的溫度接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度值時(shí)，冷浴通過(guò)調(diào)節(jié)冷浴內(nèi)部液體的溫度，使得被降溫的硅油的溫度始終保持在設(shè)定的目標(biāo)溫度值并保持不變。其他兩個(gè)位于試樣頂端附近和底端附近的溫度探頭用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣外腔硅油的溫度。保溫部分即在壓力室外表面嚴(yán)密包裹的泡沫保溫材料，以及底座下部配置的隔熱底板組成，用來(lái)減少壓力室與外部環(huán)境的熱交換。值得指出的是該溫度控制系統(tǒng)同時(shí)與內(nèi)、外圍壓儲(chǔ)油罐相連，可在試驗(yàn)前對(duì)儲(chǔ)油罐中的硅油進(jìn)行預(yù)冷，減少圍壓加載試驗(yàn)中因?yàn)闇囟冗^(guò)高的硅油進(jìn)入壓力室中造成試樣環(huán)境溫度升高，導(dǎo)致試樣力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的影響。圖2 溫度控制原理示意圖2 FHCA-300 的技術(shù)參數(shù)2.1傳感器種類和量程、精度測(cè)

32、量對(duì)象決定著傳感器型號(hào)的選擇 16 。 FHCA-300 的傳感器類型包括荷載傳感器、位移傳感器和溫度傳感器三大類。為了使儀器具有廣泛的適用性，該設(shè)備選取了不同類型和量程的荷載、位移傳感器和溫度傳感器。荷載傳感器包括三個(gè)不同量程軸力和扭矩傳感器，用來(lái)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中作動(dòng)器施加的軸力和扭矩。考慮到凍土的強(qiáng)度等級(jí)較高，因此選取的內(nèi)、外圍壓傳感器的量程都較大。壓力傳感器與位移傳感器均安裝在壓力室的外部，使其不受壓力室內(nèi)部溫度變化的影響。壓力室中的溫度傳感器采用Pt-100 傳感器，精度為±0.1 °C，用于溫度的量測(cè)和反饋。FHCA-300 配置的主要傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

33、表 1 FHCA-300主要傳感器的性能指標(biāo)類型名稱量程精度內(nèi)外壓力室溫度傳感器40 °C 80 °C±0.1 C°壓力傳感器軸向壓力傳感器100 kN 100 kN全量程 0.1 %扭矩傳感器1000 N·m 1000 N·m全量程 0.1 %內(nèi)外圍壓、反壓壓力傳感器2 MPa22 MPa全量程 0.25 %孔壓壓力傳感器0.1MPa 2.1MPa全量程 0.25 %軸向位移傳感器50.8 mm 50.8 mm0.001 mm位移傳感器扭轉(zhuǎn)位移傳感器114.3 mm 114.3 mm0.001 mm內(nèi)、外圍壓， 反壓位移傳感器127

34、.0 mm 127.0 mm全量程 0.1%2.2動(dòng)荷載的加載頻率FHCA-300的一個(gè)重要用途是研究交通、地震荷載下凍土試樣的變形和力學(xué)性質(zhì)，因此選擇合適的加載頻率尤為關(guān)鍵。考慮到研究?jī)?nèi)容的廣泛性，同時(shí)兼顧到儀器各方面的配置及能力的適應(yīng)性，最終，F(xiàn)HCA-300選取加載頻率為 0 20 Hz ，軸向單調(diào)加載時(shí)激振頻率可以達(dá)到最高值20 Hz ，扭剪單調(diào)加載頻率為10 Hz ，內(nèi)、外圍壓加載有效頻率為 2 Hz，軸向、扭剪耦合動(dòng)態(tài)加載頻率為10 Hz ，軸向、徑向雙向同步耦合動(dòng)態(tài)加載頻率為2 Hz，軸向、扭轉(zhuǎn)和圍壓耦合動(dòng)態(tài)加載頻率為2 Hz，可以滿足模擬地震、交通荷載頻率的要求。經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)

35、儀器在單獨(dú)和耦合動(dòng)態(tài)加載時(shí)的工作性能穩(wěn)定，同時(shí)計(jì)算機(jī)顯示的荷載或變形的曲線不會(huì)出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象，可以實(shí)時(shí)反映加載的真實(shí)情況。3 可實(shí)現(xiàn)空心試樣的試驗(yàn)類型在進(jìn)行空心圓柱試樣尺寸選擇時(shí)， 對(duì)國(guó)內(nèi)外諸多具有代表性的空心圓柱試樣尺寸進(jìn)行了調(diào)查研究。和 Vaid 17 指出合適的試樣尺寸將會(huì)在很大程度上減緩應(yīng)力分布的不均勻性和加載方式不同造成端部效應(yīng)，試樣的壁厚、內(nèi)外徑之比、高徑比滿足下列條件時(shí)試樣內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)比較均勻 。其中，Sayao并且認(rèn)為1）壁厚 ： = rori =20 26 mmri2）內(nèi)外半徑比： 0.650.823）高度 ： 1.8 H 2.22roSaada和 Townsend 18 建

36、議空心圓柱試樣滿足以下準(zhǔn)則時(shí)能夠使試樣內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布更加均勻：1）高度： H5.44 rori2）內(nèi)外半徑比值： n=ri0.65ro其中 ： ri 、 ro 分別代表空心圓柱試樣的內(nèi)外半徑， H代表試樣的高度。 關(guān)于未凍土在試樣尺寸方面的研究已經(jīng)逐漸趨于成熟 19 ，因此在參考以上建議的尺寸標(biāo)準(zhǔn)外，綜合考慮試驗(yàn)的可操作性以及目前相關(guān)設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)1314 ，最終選取FHCA-300 空心圓柱試樣尺寸為D o×Di×H=100 mm×60 mm ×200 mm 。針對(duì)空心試樣，凍土空心圓柱儀可以在不同溫度下實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)類型主要有：（1）三個(gè)主應(yīng)力大小可

37、以獨(dú)立控制的三軸靜、動(dòng)試驗(yàn)；（2）靜力和動(dòng)力純扭剪試驗(yàn)；（ 3）主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的靜力和動(dòng)力試驗(yàn)（可以同時(shí)施加軸力、扭矩、內(nèi)外圍壓，在靜力試驗(yàn)時(shí)控制加載速率；動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)控制軸力、扭矩、圍壓的幅值和頻率）。4 FHCA-300 控溫能力以及復(fù)雜應(yīng)力路徑實(shí)現(xiàn)能力的初步驗(yàn)證FHCA-300 主要是針對(duì)凍土力學(xué)性質(zhì)研究而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)儀器。主要目的是為了開(kāi)展主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的凍土力學(xué)性質(zhì)研究。因此對(duì)儀器分別進(jìn)行了控溫能力測(cè)試和復(fù)雜應(yīng)力路徑的實(shí)現(xiàn)能力測(cè)試。關(guān)于壓力和加載能力驗(yàn)證和常規(guī)空心圓柱儀普通的儀器一樣，因此在此便不再贅述。4.1 控溫能力驗(yàn)證20 。為了驗(yàn)證凍土溫度的改變會(huì)對(duì)凍土的內(nèi)部

38、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的影響，從而導(dǎo)致凍土的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生明顯的變化空心圓柱儀的控溫能力，設(shè)計(jì)了目標(biāo)溫度為-10 °C， -15 °C 和 -20 °C 的降溫試驗(yàn)。在試驗(yàn)之前，首先測(cè)試了試樣內(nèi)部溫度與傳熱介質(zhì)溫度達(dá)到一致所需的時(shí)間，主要的操作是將一個(gè)溫度探頭埋入試樣的內(nèi)部，另一個(gè)溫度探頭放置在傳熱介質(zhì)中后開(kāi)始降溫，最終兩個(gè)溫度探頭采集的數(shù)據(jù)結(jié)果表明：當(dāng)降溫達(dá)到穩(wěn)定后恒溫時(shí)間超過(guò)8 小時(shí)以上，試樣內(nèi)部的溫度與傳熱介質(zhì)的溫度達(dá)到一致。但是即使土樣內(nèi)部的溫度達(dá)到均勻，但是如果凍結(jié)速率較慢時(shí)，土樣在凍結(jié)的過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)凍脹和水分遷移的現(xiàn)象21 ，因此，為了盡量消除土樣中的水分遷移和

39、不均勻凍脹，首先將空心圓柱土樣快速凍結(jié)至-30 °C，然后再分別升溫至目標(biāo)溫度-10 °C，-15 °C 和 -20 °C，恒溫 15 h 左右后取溫度探頭測(cè)量的溫度值進(jìn)行分析。圖3、 4、 5 分別空心圓柱試樣在-10 °C， -15 °C 以及 -20 °C 的溫度測(cè)試結(jié)果。圖4和圖 5表明溫度在 7 小時(shí)后達(dá)到穩(wěn)定，并且在24 h 之后溫度的波動(dòng)范圍小于 ±0.1 °C。溫度穩(wěn)定后，目標(biāo)溫度為-10 °C 時(shí)空心圓柱土樣外壁上中下以及內(nèi)部溫度探頭的溫度平均值分別為-9.62 °C

40、，-10.05 °C，-9.90 °C，-10.04 °C，目標(biāo)溫度為 -15 °C 時(shí)溫度探頭的溫度平均值分別為-14.55 °C，-14.99 °C，-14.87 °C，-15.02 °C，目標(biāo)溫度為 -20 °C 時(shí)溫度探頭的溫度平均值分別為 -19.56 °C， -20.01 °C， -19.85 °C， -19.98 °C，可以看出，設(shè)置三個(gè)目標(biāo)溫度下四個(gè)溫度探頭測(cè)量的溫度波動(dòng)范圍均小于 ±0.5 °C，由此證明該溫度控制系統(tǒng)降溫能力和

41、長(zhǎng)時(shí)間的控溫能力較為良好。100)C(-10/度溫-20外腔上部溫度探頭外腔中部溫度探頭外腔下部溫度探頭內(nèi)腔溫度探頭050010001500時(shí)間 /min-30圖 3 目標(biāo)溫度 -10°C 時(shí)土樣不同位置溫度變化曲線30外腔上部溫度探頭外腔中部溫度探頭外腔下部溫度探頭15內(nèi)腔溫度探頭)C°(/0度500100015002000250030000溫時(shí)間 / min-15-30圖 4 目標(biāo)溫度 -15°C 時(shí)土樣不同位置溫度變化曲線)C°(302010外腔上部溫度探頭外腔中部溫度探頭外腔下部溫度探頭內(nèi)腔溫度探頭/ 0度0溫-10-20-30500100015

42、0020002500時(shí)間 / min圖 5 目標(biāo)溫度 -20°C 時(shí)土樣不同位置溫度變化曲線4.2復(fù)雜應(yīng)力路徑的實(shí)現(xiàn)能力試驗(yàn)通過(guò)空心圓柱試樣的不同加載試驗(yàn)，對(duì)凍土空心圓柱儀復(fù)雜應(yīng)力路徑的實(shí)現(xiàn)能力進(jìn)行了測(cè)試，下面選取兩組具有代表性的試驗(yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)1：主應(yīng)力軸靜態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)；試驗(yàn)2：主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。兩組試驗(yàn)中采用的土樣均為青藏粉質(zhì)黏土，試樣尺寸為內(nèi)徑60 mm，外徑 100 mm ，高 200 mm ，試樣干密度為1.9 g/cm3，含水率為 15.8%，如圖 6（ a）圖所示。4.2.1主應(yīng)力軸靜態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程中試樣的溫度設(shè)置為-15 °C，試驗(yàn)過(guò)程采用應(yīng)力控制，

43、且應(yīng)力的加載速率為30 kPa/ min ，主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的角度為 0.3 °/min ，試驗(yàn)的過(guò)程同樣利用FHCA-300專用操作模塊改變 p、b、q （ p1 ( rz) ，3r( z) / 2(2/ 42122brr )z，z，q ( 13 )2其中 1、 2、232 ( r r)/ 4zarctanzz132z22223 分別為試樣的大、中、小主應(yīng)力的大?。粃 、r 、分別為軸向、徑向、環(huán)向主應(yīng)力的大小）這四個(gè)應(yīng)力參數(shù)來(lái)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的應(yīng)力路徑。試驗(yàn)1設(shè)定的應(yīng)力路徑具體如下：保持b=0和p=4500 kPa的條件下，在 =0°時(shí)使切應(yīng)力q從 100 kPa增加到 151

44、0 kPa，保持 q=1510 kPa，同時(shí)使主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)至45°，最后保持 不變，增加切應(yīng)力q直至試樣破壞。試樣最終發(fā)生破壞后出現(xiàn)明顯的剪切痕跡，如圖6（ b）所示。從圖 7可以看出，實(shí)際應(yīng)力路徑圍繞設(shè)計(jì)的應(yīng)力路徑雖然有略微的波動(dòng)，但整體還是保持不變。因此通過(guò)試驗(yàn)1證明凍土空心圓柱儀可以實(shí)現(xiàn)凍土主應(yīng)力軸的靜態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。(a)試驗(yàn)前的試樣（ b）試驗(yàn)后的試樣圖 6 青藏粉質(zhì)黏土空心圓柱試樣60實(shí)際應(yīng)力路徑設(shè)計(jì)應(yīng)力路徑40)°(20001000200030004000q / kPa圖 7 主應(yīng)力軸靜態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)應(yīng)力路徑4.2.2主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)為了考察儀器在高頻下對(duì)輸入波形

45、的反應(yīng)能力，在 -10 °對(duì)空心圓柱土樣進(jìn)行了軸力、扭矩與內(nèi)外圍壓相位差為0°的耦合循環(huán)加載試驗(yàn)。軸力、扭矩與內(nèi)外圍壓的振動(dòng)頻率采用的頻率為2 Hz，波形選擇正弦波， 軸力的振幅為4 kN ，扭轉(zhuǎn)角的振幅為5°，內(nèi)外圍壓的振幅為2 MPa，所選的變載振幅均小于全量程的1/10。圖 8 和圖 9 給出了軸向力和軸向位移的振動(dòng)曲線，圖10 和圖 11 為內(nèi)外圍壓的振動(dòng)曲線，圖12 和圖 13 為轉(zhuǎn)角和扭矩的振動(dòng)曲線。從圖8-13可以看出，軸力、內(nèi)外圍壓、轉(zhuǎn)角、扭矩實(shí)際的振動(dòng)曲線與設(shè)計(jì)的曲線較為一致。因此，本文研制的儀器能夠?qū)崿F(xiàn)凍土主應(yīng)力軸的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。1612Nk/

46、W81234t / s圖 8 軸向力實(shí)際振動(dòng)曲線0.2mm/z0.0-0.21234t / s圖 9 軸向位移實(shí)際振動(dòng)曲線6aPk/P i41234t / s圖 10 內(nèi)圍壓實(shí)際振動(dòng)曲線6aPk/oP41234t / s圖 11 外圍壓實(shí)際振動(dòng)曲線35)o(30/251234t / s圖 12 轉(zhuǎn)角實(shí)際振動(dòng)曲線800600m?N/400TM20001234t / s圖 13 扭矩實(shí)際振動(dòng)曲線5結(jié)論中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)GCTS公司合作研發(fā)的凍土空心圓柱儀（ FHCA-300 ）具有四個(gè)獨(dú)立的加載參數(shù)（軸力、扭矩、內(nèi)圍壓和外圍壓），試驗(yàn)系統(tǒng)采用液壓伺服閉環(huán)

47、控制的加載方式，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)系統(tǒng)配合數(shù)字控制器對(duì)儀器進(jìn)行全自動(dòng)控制，具備完善的量測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該儀器能夠真實(shí)的模擬包括多向應(yīng)力和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力路徑的加載過(guò)程，為凍土在交通、地震等動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)行為的研究提供了更為先進(jìn)的技術(shù)支持，是目前開(kāi)展復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下凍土的力學(xué)特性和各向異性研究的較為理想的試驗(yàn)儀器。致謝： 本項(xiàng)儀器的研發(fā)過(guò)程得到吳青柏研究員、常小曉高級(jí)工程師、王貴榮高級(jí)工程師、鄧友生高級(jí)工程師、趙淑萍研究員、楊曙光工程師以及王永濤博士、關(guān)輝博士的大力幫助，謹(jǐn)此表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)1黃博 ,丁浩 ,陳云敏 ,等.GDS 空心圓柱儀動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)芰μ接慗. 巖土力學(xué) ,2010,31(1):314-320.2 ISHIHARAK. soil behavior in earthquake geotechnicsM.New York: Oxford University Press Inc., 19963崔穎輝 ,劉建坤 ,呂鵬 .凍土動(dòng)荷載直剪儀的研制J.巖土力學(xué) ,2013,34(增刊 2):486-490.4 張世銀 ,汪仁和 .多功能凍土三軸試驗(yàn)機(jī)的研制與應(yīng)用J. 試驗(yàn)技術(shù)與