海洋资源开发已进入深海时代, 海洋工程和海底资源的开发主要依托于海床基础^[1]。开展深海海底沉积物的力学特性研究对于深海科学探索、资源与能源开采、海洋安全及国防建设、以及军事建设等具有重要的意义。目前, 一般认为海底大于300 m小于1 500 m深度称为深海区^[2], 深海环境具有高压(3~15 MPa)、低温(–1~4 ℃)的特性。在实验室条件下获取深海沉积物的力学特性是必不可少的研究手段之一^[3]。但是, 常规的土工三轴试验系统无法满足海底低温高压环境下沉积物力学特性的研究需要。因此, 有必要研发一种可模拟深海沉积物温压环境的三轴试验测试系统。

国外对温度压力可控三轴设备的研究起步较早, MITCHELL等^[4]为了研究饱和黏土的蠕变特性随温度变化的关系, 研发了一台温控三轴设备, 其通过控制压力室循环流体的温度来进一步控制试样温度, 控温范围为4.44~60 ℃, 控温精度为±0.28 ℃; 通过测量反压水体积变化量得到试样体变。DEMARS等^[5]为研究在温度循环作用下的土样体变, 研发了一台温控三轴仪, 其温度控制通过外部水浴控温设备与内部控温金属盘管来实现, 该装置测试过程中实时水温受环境温度影响较大, 控温精度为±2 ℃, 同时用反压水进出量来量测试样体积变化。KUNTIWATTANAKUL等^[6]研制了首台采用双压力室设计的温控三轴仪, 通过内压力室的加热棒来控制内压力室的液体温度, 内外压力室之间的空气隔层减少了内压力室的热量流失, 控温精度可达±0.1℃, 但仅可用于对试样加热控温; 通过测量孔隙水的进出体积来量测体变。SULTAN等^[7]为研究温度对黏土预固结压力引起的体变影响, 研发了一台基于英国GDS公司三轴仪的温控三轴设备, 该设备利用安装于压力室外部的加热线圈实现温度控制, 最高温度可达100 ℃, 最大压力达12 MPa; 通过测量压力室内水的进出量来测量试样的体积变化。英国赫瑞瓦特大学研制的含水合物沉积物合成与力学特性测试一体化三轴实验设备^[8], 控温方式为通过安装在压力室底座上的控温盘管与外部低温恒温箱相连进行控温; 该设备控温范围为–20~50 ℃, 最高围压达40 MPa。

中国对温压三轴设备的研制起步于20世纪80年代, 也取得了卓有成效的进展。后勤工程学院陈正汉等^[9]研发成功了国内首台温控三轴仪, 该设备通过将三轴压力室放置于大型恒温水浴箱中进行控温, 最高温度为100 ℃, 最大压力为5 MPa, 体变通过围压压力室内的液体体积变化计算得到。蔡国庆等^[10]研制了温控非饱和土三轴仪, 采用压力室空腔结构设计, 通过安装在压力室内壁的两个环形电热板来控温, 采用温度控制器来反馈调节压力室内的温度, 温度范围为20~100 ℃, 压力范围为0~1 MPa; 通过测量反压水体积变化来量测体变。刘干斌等^[11]在TAJ-20动静三轴试验系统基础上改造研发了一台温控动三轴仪, 通过在压力室外部安装两块加热板对压力室进行加热和同时对活塞杆和传力杆进行加热, 实现三轴压力室内外同时加热控温, 温度范围为10~100 ℃, 控温精度为±1 ℃, 最大压力为3 MPa; 体变通过反压水体积变化量来测定。杨德欢等^[12]为研究天然气水合物开采过程中地层的力学特性, 研制了一种含天然气水合物土水-力特性联合测试系统, 采用将压力室整体放入恒温水浴槽的方式进行控温; 系统最大加载压力为30 MPa, 精度为±0.03 MPa; 恒温水浴槽控温范围为–15~30 ℃, 水浴槽控温精度为±0.1 ℃, 通过控温水浴槽对压力室内液体进行控温达到对试样间接控温目的, 但对试样控温效率及控温精度未报道。

从上述已发展的温控三轴设备来看, 当前温控三轴的控温方式主要有4种: ①压力室内控温, 主要是在压力室内部安装换热盘管、加热棒、加热板等加热设备进行控温; ②压力室外控温, 主要采用在压力室外壁安装加热板或者加热线圈进行加热控温; ③将压力室放置于大型控温箱或者控温室内控温; ④内外联合控温, 主要通过内外同时加热的方式实现。第一种控温方式加热速度较快, 控温效率高。但是由于受压力室加热元件位置影响, 不能使压力室内液体均匀升温, 导致试样升温不均匀; 同时, 采用单压力室控温精度易受环境温度变化影响, 导致控温精度较差; 第二种控温方式由于加热元件距离试样较远, 传热距离较长, 故不能精确控制试样温度且不适用于低温控温要求; 第三种控温方式, 压力室放置在水浴槽或控温室内中优点是控温范围较广, 无需对三轴压力室进行改造, 可以使压力室内液体和试样均匀升降温; 缺点是建立的温控实验室和大容积控温箱成本较高; 同时热量需通过压力室壁和压力室内液体间接传递至试样, 一方面热阻效应导致温度调节延迟大; 另一方面, 水浴槽中液体与压力室内部流体和试样间的热交换效率低, 实际试样温度与水浴设定值偏差较大。这都导致对试样控温精度仍不够理想。第四种控温方式, 温控精度和均匀性效果较好, 但是需要对压力室、传力杆和活塞杆同时加热控温, 实际操作起来比较困难, 同时也不适合于低温控温要求。总之, 现有的温控三轴设备的主要不足在于: 一是在较宽温度区间长时间控温精度不够; 二是控温条件下试样的体变量测精度较低。

本文针对该问题, 在常规应力路径三轴试验系统基础上, 提出采用内外双压力室同步加压设计, 引入内外压力室双水浴循环控温和体变量测系统, 研制出一套可实现在较宽温度区间长时间稳定控温且能够精密量测体变的深海海底沉积物温压环境三轴试验系统。

1 试验系统的组成及特点

海底沉积物温压环境三轴试验系统由中国科学院武汉岩土力学研究所和江苏珂地科研仪器有限公司联合研发。该系统主要由高压三轴压力室、加载架、水浴循环控温箱、加压柱塞泵、PC上位机以及各种辅助设备和传感器等组成。试样尺寸可根据试验需要更换, 样品尺寸为Φ50 mm×H100 mm和Φ50 mm× H200 mm, 系统对围压、反压、轴向荷载和温度分别进行控制, 可实现最大15 MPa的围压、反压压力加载; 轴向荷载最大为50 kN, 精度为0.1 N; 温控范围为–10~80 ℃, 控温精度为±0.2 ℃。

1.1 试验系统组成

海底沉积物温压环境三轴试验系统的整体结构设计及硬件装置组成如图 1、图 2所示。

海底沉积物温压环境三轴试验系统采用整体结构模块化, 紧凑化的设计^[13], 主要由高压三轴模块、水浴循环控温模块、高压加载模块、实验控制和数据采集模块、辅助设备模块等组成。

(1) 高压三轴模块: 该模块主要由内外压力室(D1—D2)、加载架(B1: KD-50型)、内外水浴循环管路(P1—P2)、水下荷重传感器(C5)、内外温度传感器(T1—T2)、内外围压传感器(C2—C3)、反压传感器(C1)、孔压传感器(C4)、轴向位移传感器(C6)以及各个系统的管线组成。内外压力室(D1—D2)及底座材料为316 L不锈钢, 承受压力最大可达15 MPa。内外压力室内部底座上分别设置加压孔, 加压孔与内外围压加压柱塞泵通过高压软管相连接, 进行内外围压压力加载; 内压力室上部通过金属管与底座相连进行排水排气, 外压力室通过上部安装的排水阀门进行排水排气。三轴系统底座与试样下部底帽支柱之间的连接方式为径向嵌入式密封连接, 根据试验需求方便更换安装。高压三轴模块是海底沉积物温压环境三轴系统中最重要的组成部分。

(2) 水浴循环控温模块: 主要有恒温水浴箱(W)、温度控制调节面板、内外水浴循环管(P1—P2), 内外压力室温度传感器(T1—T2)组成。水浴循环控温系统主要通过水浴控温箱与内外压力室中的双水浴循环管连接来同步精确调节内外压力室温度, 进而控制试样温度。

(3) 高压加载模块: 主要有外围压跟踪泵(A3, 量程为70 MPa, 精度为0.01 MPa)、内围压泵、反压泵等组成(A1—A2, 量程为30 MPa, 精度为0.01 MPa)。内、外围压泵通过高压软管与压力室底座的内、外围压孔相连接进行内、外围压加载; 反压泵通过与穿过压力室底座的高压软管和试样顶帽连接实现反压加载。

(4) 实验控制和数据采集模块: 主要由上位机(Z)和可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC, 图 1中用L表示)以及相应的伺服驱动器和伺服电机组成。由上位机发送控制指令给PLC来分别反馈调控围压、反压、轴压加载系统, PLC控制伺服电机的方式是通过PLC发出50%的固定占空比脉冲信号, 伺服电机的位置和转速控制根据伺服驱动器接收到的脉冲数量以及频率来实现。试验过程中的通过传感器和数据采集表记录采集的所有围压、反压、孔压、轴向荷载、温度、试样体变等数据均实时保存在电脑中。

(5) 辅助设备模块: 辅助设备主要包括内外压力室加液储液罐、CO₂气瓶、空压机、抽真空机等, 为试验提供辅助支持。

1.2 高压加载模块的实现

高压加载模块主要包括内外围压、反压以及轴压的加载, 最高实现15 MPa的围压和反压压力加载, 满足深海沉积物的高压应力加载要求。内外围压以及反压加压使用高精度自动控制柱塞泵进行(A1— A2, 量程为30 MPa, 精度为0.01 MPa; A3, 量程为70 MPa, 精度为0.01 MPa); 轴压加载使用力加载架(B1)进行加压控制(KD-50型力控制加载架, 最大加载力值为50 kN, 水下荷重传感器量程为10 kN, 精度为±0.1 N, 可根据试验需求更换不同量程传感器)。围压、反压和轴压加载具体控制模式如下:

(1) 围压加载: 控制模式有恒压模式(围压自动调节保持恒定压力)、跟踪模式(根据设定差值, 围压根据孔压变化自动跟踪调节)、速率加载模式(围压泵输出压力随时间线性变化)、手动模式(支持围压泵手动控制吸液、排液); 围压柱塞泵(A2)通过实时监测内围压室的液体体积变化, 根据围压泵进出液体体积变化量和修正后的体变标定曲线可得到试样的体变数据。

(2) 反压加载: 控制模式有恒压模式(反压自动调节保持恒定压力)、速率加载模式(反压泵A1输出压力随时间线性变化)、手动模式(支持反压泵手动控制吸液、排液)。

(3) 外围压加载: 控制模式采用跟踪模式, 外围压泵(A3)根据内围压压力传感器数值实时调节泵速跟踪内围压, 使内外围压保持平衡状态。

(4) 轴向加载: 轴向加载主要由加载架B1进行, 控制模式有应力加载模式(电机运行以设定加载速率运行到目标力值, 并维持目标力值)、应变加载模式(电机运行以设定速度运行到目标位置)和手动模式(手动设置加载速率, 电机运行以设定速度向上或者向下运动, 手动停止)。

试验过程中, 以上4种加载类型的加载模式可自由切换。内外围压、反压柱塞泵(A1—A3)的开关均可通过上位机操作软件控制气动电磁阀来完成, 实现了高压加载系统的自动化控制。

1.3 高效控温模块的实现

设计的双压力室水浴循环控温模块系统效果图如图 3所示。

控温系统主要由水浴循环控温箱(型号THD-2030; 温度范围为–20~100 ℃, 精度为±0.05 ℃; 整机最大额定功率为2 500 W)、水浴循环进出管线、内外压力室水浴循环管路和内外压力室温度传感器(PT-100温度传感器, 测温范围为–50~200 ℃, 精度为0.15%)组成, 控温范围为–10~80 ℃, 控温精度为±0.2 ℃。外压力室控温盘管设置在外压力室内侧, 通过外压力室顶部接口与外部水浴控温箱连接对外压力室进行控温; 内压力室控温盘管采用可拆卸设计安装在压力室底座上, 控温盘管均匀分布在试样位置周围, 通过底座上的接口与外部水浴控温箱连接对内压力室及试样进行控温。通过需要给试样控温时, 首先打开水浴控温箱, 使其内部的防冻液控温度达到需要的样品温度, 同时给内外压力室加水(试验温度为0 ℃以下时采用乙二醇防冻液), 然后打开水浴循环对内外压力室同时升降温。水浴循环控温过程中, 可根据内外压力室温度传感器数值变化, 实时调整设置水浴控温箱的温度, 使内压力室达到设定温度后持续控温, 直至样品达到试验所需的设定温度为止。

水浴循环控温系统通过外置水浴控温箱、内外双水浴循环盘管控温设计和实时监测内外压力室温度变化的内外两个温度传感器来提升长时间试验的控温精度, 满足试验高低温控温需求。试验控温时, 内外压力室通过水浴循环同时进行升降温; 如图 3所示, 内压力室水浴循环管均匀分布在试样周围, 可以使试样均匀升降温; 外压力室水浴循环管均匀分布在压力室内, 可以对外压力室内均匀升降温。内外压力室均设置有温度传感器, 试验过程中可以同时监控内外压力室的温度波动并及时进行反馈调节。在外压力室达到设定温度持续保温时, 对内压力室有较好的保温效果, 减小内压力室由于室温变化而导致的温度波动, 可以长时间保持稳定的温度, 相较于传统控温方式有效提升了水浴循环控温系统的效率及控温精度。

1.4 体变量测模块的改进

本文研制三轴设备的体变测量模块是通过在有效围压恒定时, 围压泵监测内压力室内液体体积的相对变化量来确定试样体变。体变量测模块是基于WHEELER等^[14]的体变量测方案基础上改进而来。采用内外双压力室相互隔离的设计方案, 内外压力室分别外接一个柱塞泵, 内围压泵提供围压压力并通过进出液体体积来实现试样的体变量测, 体变量测系统标定具体见2.3节; 外围压泵设置对内压力室的压力追踪模式进行加压, 与内压力室实时保持压力平衡, 有效减小内压力室由于内外压差而导致的自身变形; 另一方面内外压力室同时控温, 保持内外无温差条件, 也减小了内压力室因内外温差而导致的自身变形, 通过上述方式可显著提高试验过程中试样体变量测的精度。

1.5 试验系统的主要特点和指标

海底沉积物温压环境三轴试验系统的主要特点和指标如下:

(1) 采用外置水浴控温箱和内外双水浴循环盘管控温设计来提升长时间试验的控温精度, 控温范围为–10~80 ℃, 控温精度为±0.2 ℃。内置水浴循环管置于内压力室试样周围, 保证试样的均匀升降温; 外置水浴循环管置于外压力室, 试验时内外同时控温, 一方面为内压力室保温, 提高控温稳定性和精度; 另一方面内压力室内外温差较小, 减小因内外温差导致的自身变形。

(2) 采用内外双压力室设计, 试验加压时内外压力保持实时同步, 保证了高压下的内压力室不变形, 满足深海沉积物的高压条件。最高围压加载为15 MPa, 精度为0.01 MPa。

(3) 体变量测通过内围压泵进出液体体积来计算得到。采用内外双压力室设计, 在温度变化和高压条件下内压力室变形量可忽略, 实现温压控制条件下的高精度体变量测, 体变量测精度为±0.1%试样体积。

2 试验系统性能测试与标定 2.1 高压压力室测试 2.1.1 内压力室建模及有限元分析

由于需要满足的深海沉积物原位应力状态模拟, 内压力室设计最大压力达15 MPa; 同时, 饱和沉积物样品在试验过程中的体变通过内围压泵进出水量的多少来确定, 故内压力室的形变量影响着试样体变量测的准确性, 有必要对内压力室进行建模并通过有限元分析来判断压力室在此过程中的变形量的大小。

使用建模软件建立简化后内压力室的等效三维模型如图 4所示。对建立好的模型进行静应力分析, 来模拟内压力室试验过程中的实际加压状态, 内压力室承受最大压力为15 MPa, 赋予内压力室相应的材料属性(316L钢)、壁厚(5 mm)、内径(124 mm)、内部高度(444 mm)、外部高度(488 mm)等参数, 设置内外压力室下部为固定几何体, 进行相应的压力室形变分析。内压力室形变分析如图 5。

从图 5可见, 在加压时, 内压力室最大形变在轴向力柱位置, 最大形变量为0.122 6 mm, 为内压力室壁厚的2.452%, 形变量不超过壁厚的2.5%。试验过程中内外压力室由两台泵同时打压, 内外压力处于实时平衡状态, 因此内压力室形变非常小, 对试验的影响极小, 可忽略。

2.1.2 双压力室内外压平衡测试

由于三轴压力室采用内外双压力室封闭型设计, 在内外压力室分别加满水后, 加压时内外压力不平衡会使水下荷重传感器读数有较大误差, 因此需要在加围压时使用两台柱塞泵同步为内外压力室加压, 让外压力室柱塞泵跟踪内压力室压力达到实时内外压平衡。对内外压同步加压测试如图 6所示。

由于外围压室体积较大, 外围压加压采用一台双缸柱塞泵(KDHSH-100恒速恒压泵, 图中用A3表示, 量程为70 MPa, 精度为0.01 MPa), 试验时开启围压跟踪模式, 通过PLC跟踪调控内围压力室传感器的数值来保持内外压平衡。由图 6可知, 两次内外围压加压曲线重合度较高, 最大相对误差仅为0.108%, 内外围压力平衡效果良好。

2.2 双压力室水浴温控系统测试

对水浴控温系统进行的升降温及保温性能测试。此处升降温测试, 围压液采用乙二醇防冻液进行, 常压下防冻液规格如表 1所示。

分别进行降温测试(目标温度为–5 ℃, 图 7)和升温测试(目标温度为50 ℃, 图 8)。

图 7为水浴循环控温系统降温性能测试曲线, 设定温度为–5 ℃、环境温度为10 ℃。水浴控温装置中的防冻液经过2 h达到–5.3 ℃, 在第60分钟时打开水浴循环开始对内外压力室同时降温。再经过4 h 40 min, 内压力室达到设定温度, 平均每10 min温度下降0.535 ℃, 持续保温4 h 40 min, 温度稳定维持在–5 ℃附近, 波动在±0.2 ℃以内。

图 8为水浴循环控温系统升温性能测试曲线, 设定温度为50 ℃, 环境温度为2 ℃。水浴控温装置中的防冻液经过2 h 20 min达到50 ℃。在第40分钟时打开水浴循环开始对内外压力室同时升温。再经过3 h 20 min, 内压力室达到预设温度, 平均每10 min温度上升2.4 ℃, 持续保温6 h, 温度稳定维持在50 ℃附近, 波动在±0.2 ℃以内。

图 7和图 8中单独内压力室控温对比测试曲线为单独使用内压力室控温盘管为内压力室控温的温度变化曲线。降温性能测试和升温性能测试时使用内压力室控温盘管单独控温, 由于受环境温度影响, 可以明显看出单独采用内压力室盘管长时间控温精度较差, 低温测试内压力室温度明显高于预设温度, 最大差值为0.7 ℃; 高温测试内压力室温度明显低于设定温度, 最大差值为1.7 ℃。这表明采用内外双水浴循环管路控温设计相较于单控温管路控温, 显著提升了长时间试验的控温稳定性和精度。

2.3 体变量测系统标定

三轴试验时试样的体变通过系统加围压时围压泵的进出液体体积来计算得到, 目前该设备仅适用于饱和试样。体变量测系统标定此处参考TANG等^[15]、颜荣涛等^[16]、周家作等^[17]的方法。假定水是不可压缩液体, 在进行三轴试验加围压时, 随着压力逐渐增大, 进入压力室的液体体积也逐渐增大, 此时围压液体积变化主要包括试样体积变化量与压力室、系统管路和橡胶膜变形引起的体积变化量, 因此要得到试样的体积变化量, 就需要对系统进行误差标定。体变标定使用与试样尺寸和体积完全相同的钢块(H100 mm, Φ50 mm的圆柱体)来替换试样进行, 钢块受压体积几乎不变, 测出不同围压下围压泵向内压力室注入液体体积变化量。标定时先给内压力室充一段时间的CO₂气体再注满除气水, 这样操作可以减少由于注水在压力室内残留的无法排除的气泡, 减小标定误差。

图 9为围压泵注入液体体积随围压变化曲线图, 图中分别做了4次体变标定, 两次常温标定(25 ℃), 一次低温3 ℃标定, 一次高温50 ℃标定。由于每次测试时内压力室残留气泡量有随机性, 因此4次标定测试体变大小并不相等, 但是4次标定曲线斜率一致, 在不同温度下, 从3 MPa打压到15 MPa, 围压泵注入液体体积的相对变化量一致。从图 9中4次标定曲线可以看出围压小于3 MPa时, 注入液体体积随围压迅速增大。当压力大于3 MPa时, 注入液体体积随围压成线性增长, 注入液体体积变化主要是由于压力室、系统管路以及橡胶膜等的变形引起的。因此三轴试验时试样体积变化就等于同一压力下围压泵注入液体体积变化量减去相应压力状态下钢块标定体积变化量。以3 MPa为0点, 对标定曲线进行修正, 试样体变量测只需要围压泵注入液体体积的相对变化量, 因此使用修正后的标定曲线来计算试验过程中试样体积变化量。

3 试验系统的初步应用 3.1 重塑砂质沉积物

采用渥太华砂来模拟制备海底表层砂质沉积物(粒径范围为0.07~2 mm, 比重G_s=2.65, 平均粒径D₅₀= 0.36 mm, 不均匀系数C_u=2.72, 曲率系数C_c=1.25), 参考WILLIAMS等^[18-19]对海底砂质沉积物的孔隙度取值范围, 饱和重塑砂样相对密实度取42.5%, 孔隙度为0.40。将渥太华砂洗净烘干, 其基本物性参数如表 2所示, 粒径级配曲线如图 10所示。由粒径级配曲线可知, 渥太华砂为级配不良的中粗砂。

3.2 试验方案

根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)^[20]在三轴设备上用砂雨法^[21]制备出圆柱形试样, 试样直径50 mm、高度100 mm。为使试样充分饱和, 在试样装好后先加20 kPa初始围压, 然后缓慢通入CO₂气体2 h, CO₂气体压力为5~10 kPa; 然后对试样依次进行水头饱和和反压饱和, 直至B值大于0.98为止, 即饱和试样制备完成。对分别饱和试样进行0.1、0.4、0.7、1.0 MPa有效围压下的排水固结; 接着通过水浴循环将试样分别控制到5 ℃、15 ℃、25 ℃、40 ℃的目标温度, 当达到目标温度时, 将试样在该温度下保持一段时间, 直到样品的排水稳定, 观察反压泵液体体积变化5 min内体积变化小于5 mm³时认为固结完成。最后进行三轴排水剪切试验, 参考徐佳琳等^[22]的关于海底含水合物沉积物的三轴压缩试验, 剪切速率为0.1%/min, 轴向应变达到20%时停止剪切。

3.3 试验系统重复性检验

为测试试验系统重复性, 采用过2 mm筛子洗净烘干的渥太华砂通CO₂气体、经过水头饱和和反压饱和制备饱和试样, 保持试验条件一致进行试验, 分别控制反压为0.1 MPa, 有效围压$ \left( {{{\sigma '}_c}} \right) $为0.2、0.9 MPa; 反压为14 MPa, 有效围压为0.5 MPa进行排水固结, 剪切速率为0.1%/min, 控制温度38 ℃进行三轴剪切试验, 分别重复测试两次。三轴剪切试验应力—应变曲线和应变—体变曲线结果如图 11和12所示。

由图 11可知由偏应力(q)和轴向应变$\left( {{\varepsilon _a}} \right)$得到的, 3组饱和度相同的砂样的应力—应变曲线重合度较高, 试验结果说明研制的试验系统具备良好的试验可重复性。图 12所示为3组试验的反压泵测试得到的体变与围压泵测试得到的体变对比图, 3次测试反压体变曲线与围压体变曲线重合度高, 体变量测精度为±0.1%试样体积, 进一步检验了本试验系统的体变量测系统可靠性。

3.4 试验结果与分析

图 13为饱和砂试样在不同有效围压(σ_c')下, 分别在5 ℃、15 ℃、25 ℃、40 ℃时, 固结排水剪切试验的偏应力(q)与轴向应变(ε_a)的关系; 图 14为试样体变(ε_v)与轴向应变(ε_a)的关系。

对图 13和图 14进行具体分析可知: (1)图 13中4组应力—应变曲线显示分别在0.1、0.4、0.7、1.0 MPa的有效围压下, 各个温度下的应力—应变曲线都存在峰值, 为应变软化型。整体规律都是随着轴向应变的增大, 在5~40 ℃范围内, 饱和砂样的峰值强度随着温度的降低而逐渐降低, 并且在此过程中应变软化现象逐渐减弱, 试验结果与沈实^[23]、费康等^[24]、HE等^[25]等的研究结论一致, 再次说明了试验测试的可靠性和有效性。(2)图 14中4组应变—体变曲线显示分别在0.1、0.4、0.7、1.0 MPa的有效围压下, 各个温度下的饱和砂试样随着轴向应变的增大, 试样在剪切初期出现轻微剪胀, 然后整体表现出剪缩趋势, 且随着温度降低剪切初期的剪胀趋势有所增强, 整体剪缩趋势逐渐减弱。

取图 13中应力—应变曲线上峰值偏应力对应的应变点为试样破坏点, 取峰值偏应力为试样的排水抗剪强度(q), 绘制不同温度下的应力摩尔圆以及强度包络线, 计算得出不同温度作用下饱和砂样的抗剪强度指标内摩擦角φ值和黏聚力c值; 如图 15所示为不同有效围压状态下的饱和砂样抗剪强度随温度变化关系, 可以看出饱和砂样抗剪强度随温度变化关系为近似正比例线性关系; 如图 16所示, 为拟合后的各个温度下的黏聚力c值和内摩擦角φ值随温度变化关系, 饱和砂样的c、φ值随温度降低而减小。

以上试验结果表明, 在试验温度范围内, 温度对渥太华砂的抗剪强度以及相应体变有显著影响。在5~40 ℃, 饱和砂样固结过程中由于温度升高导致孔隙水排出, 饱和Ottawa砂更加致密, 从而提高了抗剪强度, 这也与NG等^[26]的研究结论相一致。从图 14应变—体变曲线中可以看出, 剪切初期砂样出现轻微剪胀; 随着轴向应变持续增大, 砂样致密程度逐渐增大, 在达到20%剪切应变时, 体变趋势整体表现为剪缩性。

4 结论

(1) 本文基于常规温控三轴仪基础上研制了一套海底沉积物温压环境三轴试验系统。该系统主要包括高压三轴模块、水浴循环控温模块、高压加载模块等。通过采用内外双重水浴循环设计, 实现了对试样的长时间均匀精确控温; 采用双压力室内外压力平衡设计, 实现了深海高压应力加载以及在控温条件下对试样体变的精确量测。

(2) 海底沉积物温压环境三轴试验系统可以进行高压及较宽温度区间环境下的三轴试验。通过对系统进行耐压及同步加压性能、控温性能、体变量测系统标定以及可重复性测试等一系列测试与标定, 试验系统耐压及同步加压性能良好; 温控系统性能满足要求, 控温范围为–10~80 ℃, 控温精度为±0.2 ℃; 三轴系统围压、反压加载最高可达15 MPa, 精度为0.01 MPa; 体变量测精度为±0.1%试样体积。该系统具有性能稳定、测试精度和自动化程度高等特点。

(3) 经对试验系统的初步测试应用, 研究了不同温度对饱和砂土抗剪强度以及体变的影响。结果表明: 在5~40 ℃, 随温度的降低, Ottawa砂的抗剪强度减小, 剪缩性减弱; 饱和砂样的c、φ值均随温度降低而减小。试验测试结果进一步检验了本研制系统的功能可靠性。