CN101923085B - 多功能公路土基冻融循环试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能公路土基冻融循环试验装置，冻融循环试验时六个试样放置在恒温系统的六个顶板热交换器与六个底板热交换器之间，六个顶、底板热交换器分别与制冷循环机组并联，水分补给系统与六个路基土试样底部相连，测试系统的温度传感器、土壤水分传感器埋设在试样的六个路基土试样中、测试系统的位移传感器与温控系统的顶板换热器顶部接触，温度传感器、位移传感器、土壤水分传感器与数据采集系统的数据采集仪采集通道相连。结构简单，使用方便，更能完成现有装置不能实现的最不利状态下季冻区路基土回弹模量和CBR强度等工程设计参数平行试验测定，具有试验精度高、结果可靠、能直接为工程设计提供必要设计参数。

Description

多功能公路土基冻融循环试验装置

技术领域

本发明涉及一种用于季节性冻土区公路路基土试验的技术领域，更具体涉及一种多功能公路土基冻融循环试验装置，适应季冻区路基土试验的复杂温度、水分边界条件以及平行试验要求，从而实现最不利状态下季冻区路基土回弹模量和CBR强度等工程设计参数测定。

背景技术

我国季节冻土分布面积十分广泛，遍布纬度高于24°的地区，其分布面积为5.137×10⁶km²，占国土面积的53.5％。季冻区的公路、铁路等线形构筑物的路基或地基都随着冬夏冷暖交替，土体发生着冻结融化，这种现象我们称之为冻融循环。在冻融过程中土体的物理力学性质不断发生着变化，同时土体会伴随着冻胀融沉变形和冻结水分迁移，这系列冻融作用使得公路土基回弹模量劣化，造成路面结构底基层底部附加弯拉应力增加，在行车荷载作用下土基产生过大塑性变形，从而引起底基层过早疲劳破坏，公路路面使用寿命减少。文献资料研究表明：目前在季冻区冻害使得公路的使用寿命减小了50％，并且大大地增加了道路维修养护费用，浪费了大量的人力、物力和财力。

随着季冻区高速公路蓬勃发展，设计、科研、管理养护单位逐渐认识了冻融作用对路基路面破坏机理。《公路路基设计规范》和《公路沥青路面设计规范》都明确指出：公路路基路面设计路基回弹模量均取公路路基最不利状态下试验得到的土基回弹模量。

季冻区公路路基最不利状态是在经历若干次冻融循环后的春融期，此时路基湿度最大，土基回弹模量最小。为了研究冻融作用对季冻区路基路用性能的演化规律，为了获得准确的路基路面工程设计参数，对季冻区公路路基填料及原状地基土进行最不利状态的回弹模量、加州承载比CBR试验是必要。我国公路行业技术标准《公路土工试验规程》对路基填料回弹模量、CBR试验的试样尺寸、试验装置以及技术要领都进行了详细规定“土的回弹模量试验、承载比CBR试验由三个平行试样的平均值确定，每个平行试验结果与均值相差不应超过5％”，也就是说季冻区路基填料最不利状态下的回弹模量、CBR试验也必须得遵守公路行业技术标准《公路土工试验规程》之规定，以便试验参数能够直接被设计人员采用。

季冻区路基土在冬季冻结时地下水能够通过毛细作用和冻结作用向冻结端迁移，室内试验设备必须能模拟这一对路基性能影响巨大的物理过程，因此冻融循环试验机必须有专门设计水分补给系统，使得试验土样能够在水分开放系统下进行冻结和融化。

综上所述，在室内进行季冻区公路路基回弹模量、CBR试验必须同时满足以下几个方面的要求：①冻结过程中土样底部与底板间能发生水力联系，使得土样处于开放系统，模拟冻融过程中水分在土基中补给与迁移过程；②能够保证若干个土样顶板、底板温度相同且同步变化，以便保证反复冻融土样的初始状态和温度状态是相同的，满足《公路土工试验规程》对平行试样的要求；③试样尺寸必须和回弹模量、CBR测试装置直接对接。

笔者对国内从事冻土研究、冻土工程设计单位进行了调研，目前冻融试验装置情况如下：以中国科学院冻土工程重点实验室为代表的冻融试验设备仅能考虑开放系统下水分迁移，一次只能完成一个土样试验不能满足一组土样力学指标平行试验要求；吉林大学刘寒冰教授发明专利《冻融循环下路基材料力学参数测试试验机》介绍的试验装置主要功能是在动载荷下冻融进展过程中测试路基材料动力特性参数及冻胀量、路面弯沉值，但不能考虑地下水分补给，不能完成和现行规范回弹模量、CBR试验条件直接对接，同时也不能进行平行试验；国内还有其他高校或研究单位将土柱直接放入冰箱中进行冻融循环试验，这种方法不仅土柱冻结方式(温度梯度状态)和季冻区路基土冻结方式完全不同，而且不能模拟冻融过程中水分在土基中补给与迁移过程。

目前已有的试验装置尚不能满足季冻区最不利状态下力学指标测试要求，因此研制既能模拟冻融过程中水分在土基中补给与迁移过程，又能保证若干个土样顶板、底板温度相同且同步变化，以便保证反复冻融土样的初始状态和温度状态是相同的满足《公路土工试验规程》对平行试样的要求，同时试样尺寸必须和回弹模量、CBR测试装置直接对接的试验装置，测试最不利状态下季冻区路基土回弹模量和强度参数是十分亟待解决的。

发明内容

本发明的目的它克服了现有冻融循环试验装置的缺点和不足，是在于提供了一种多功能公路土基冻融循环试验装置，结构简单，使用方便，具有同时满足以下三方面功能要求的特点：①冻结过程中土样底部与底板间能发生水力联系，使得土样处于开放系统，模拟冻融过程中水分在土基中补给与迁移过程；②能够保证若干个土样顶板、底板温度相同且同步变化，以便保证反复冻融土样的初始状态和温度状态是相同的，满足《公路土工试验规程》对平行试样的要求；③试样尺寸必须和回弹模量、CBR测试装置直接对接。不仅能实现现有试验装置进行冻土水分迁移、温度场测试等理论研究功能和冻胀量、融沉量变形参数测试要求，更能完成现有装置不能实现的最不利状态下季冻区路基土回弹模量和CBR强度等工程设计参数测定，具有能进行平行试验，试验精度高、结果可靠、能直接为工程设计提供必要设计参数的优点。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

本发明提供的一种多功能公路土基冻融循环试验装置，包括水分补给系统、温控系统、测试系统和数据采集系统。利用三套独立的温控设备分别控制恒温箱体、土样顶端热交换器、土样底端热交换器来模拟季冻区路基不同季节的温度边界。恒温箱体温控系统由试验机箱体、箱体内保温材料、箱体温度控制器、离心风机、风道板、蒸发器、程序控制面板、散热板、压缩机、冷凝器组成，由压缩机抽吸蒸发器中的蒸气送往冷凝器，产生冷气传递至离心风机，经过风道板由散热板向内置保温材料的试验机箱体散热，使得内置保温材料的试验机箱体保持设定的恒温状态，温度控制器连接蒸发器和压缩机，通过温度控制器对试验机箱体进行温度控制。土样顶端热交换器温控系统由制冷循环机组、程序控制面板、耐压硅胶管、顶板热交换器、顶板冷却液通道、顶板冷却液循环管路组成，其连接关系是：用耐压硅胶管将顶板冷却液循环管路与制冷循环机组连接，通过顶板冷却液通道将顶板热交换器并联在顶板冷却液循环管路上，使得冷却液在制冷循环机组和六个顶板热交换器之间循环。土样底端热交换器温控系统由制冷循环机组、程序控制面板、耐压硅胶管、底板热交换器、底板冷却液通道、底板冷却液循环管路组成，其连接关系是：用耐压硅胶管将底板冷却液循环管路与制冷循环机组连接，通过底板冷却液通道将底板热交换器并联在底板冷却液循环管路上，使得冷却液在制冷循环机组和六个底板热交换器之间循环。六个相同的样品筒放置在试样支架中，样品筒内从下向上依次放置底板热交换器、路基土试样、顶板换热器，六个顶板换热器通过顶板冷却液通道与顶板冷却液循环管路并联，六个底板换热器通过底板冷却液通道与底板冷却液循环管路并联。两个循环制冷机组和箱体温度控制器均与程序控制面板相连，通过程序控制面板对恒温箱体和两个循环制冷机组进行可编程温度控制，从而模拟了冻融循环过程中路基土的温度边界条件，并且保证了6个路基土土样温度边界条件相同。

水分补给系统包括补水通道、马氏瓶、导水底座，其连接关系是：补水通道将马氏瓶中的蒸馏水与导水底座相连，连接方式是使用橡皮软管对接，导水底座用螺钉固定在底板换热器顶端；水分补给系统作用是：在试验过程中土样与马氏瓶中蒸馏水保持水力联系，以模拟路基土在冻融过程路堤本体以外环境的水分补给条件。

测试系统包括两部分，一部分是传感器元件，包括温度传感器、位移传感器、土壤水分传感器；另一部分是《土工试验规程》中指定土的回弹模量试验装置和承载比CBR试验装置。温度传感器分别以间距20mm沿土样高度方向埋设，土壤水分传感器均匀的分布于土样上中下部位，位移传感器与顶板换热器上部接触，并预留足够量程。传感器元件是用来监测和获取试验过程中土样不同位置的温度、含水率以及土样顶部的位移；冻融循环试验完成后将路基土试样与样品筒整体取出后放置在回弹模量试验装置和承载比CBR试验装置中对冻融循环后土样进行公路路基土回弹模量、承载比CBR参数测试。

数据采集系统包括数据采集仪和计算机，其连接关系为：将温度传感器、位移传感器、土壤水分传感器与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连，其作用是采集并存储试验数据。

样品支架用来支撑六个样品筒，六个样品筒内径与击实仪、CBR强度仪以及回弹模量强度仪的样品筒内径完全相同，路基土试样置于样品筒中，土样顶端和低端分别放置顶板换热器和底板换热器，六个顶板、底板热交换器与冷却液循环管路并联，其作用是：使六组土样的温度边界条件相同，从而能完成平行试验。

本发明提供的一种多功能公路土基冻融循环试验装置在路基土试样冻结过程中能实现补给水分、使六组土样的温度边界条件相同，从而能完成平行试验、样品筒尺寸规格和《公路土工试验规程》击实试验、承载比(CBR)试验、回弹模量试验样品筒尺寸完全相同在试验过程可以完全对接，解决了季冻区最不利季节土基回弹模量、CBR参数测试问题。

本发明的多功能土基冻融循环试验机能够完成如下试验：

1)冻融循环作用下公路路基土力学参数(CBR、回弹模量、压缩系数)测试

2)裂隙岩体、混凝土、无机混合料、路面基层材料冻融特性检测；

3)考虑水分迁移条件下土体冻融循环试验；

4)冻融过程中岩土体温度场、湿度场分布研究；

本发明的特点是：通过独立的大制冷量、高流量、高压力、低温度波动的制冷循环机组通过可编程温控元件控制六组土样顶端、底端热交换器，模拟季冻区路基土顶部、底板温度随季节交替变化，同时六组土样的温度边界条件完全相同，能达到平行试验之要求；六组独立控制的水分补给装置分别向各组试样进行水分补给以季冻区路基土模拟冻融过程中环境的水分补给，通过对多组平行试验进行路基土回弹模量、CBR力学参数试验，能够有效地降低试验系统误差，提供的试验结果更科学可靠，为季冻区公路勘察设计提供的设计参数更加准确合理。

附图说明

图1为一种多功能公路土基冻融循环试验装置的方框示意框图；

图2是本发明的正面透视图；

图3一种多功能公路土基冻融循环试验装置侧面透视图；

图4是本发明图3的A向视图；

图5是本发明图2的B向视图；

图6是样品图放大图；

图7是一种多功能公路土基冻融循环试验装置试验效果图。该图是利用本发明将恒温箱体设置为+5℃，底板循环制冷机组设置为-15℃六个底板换热器温度监测值。从图中可以得出每个底板热交换器温度最大波动度为±0.05℃，六个底部热交换器彼此温度均匀度±0.085℃，温度变化幅度均在公路工程精度许可范围内。

图中部位及所对应的标记：试验机箱体1、箱体内保温材料2(聚氨酯PU发泡材料)、循环制冷机组3a(杭州雪中炭XT5405E，由加热元件、制冷元件、冷却液、温度控制元件组成)、循环制冷机组3a(杭州雪中炭XT5405E，由加热元件、制冷元件、冷却液、温度控制元件组成)、箱体温度控制器4(杭州雪中炭CD3192COM+)、离心风机5(杭州微光电子YWL92-2E-25B-220)、风道板6、蒸发器7(杭州来氏铝业EC5-30U25-6-760)、马氏瓶8(马卿特瓶：380ml，上海银洲)、程序控制面板9(杭州雪中炭5405E-11)、散热板10、耐压硅胶管11(Saint-Gobain STHT-W型)、试样支架12、导水底座12a(杭州雪中炭DZ5405)、顶板换热器13(杭州雪中炭5405E-16)、路基土试样14、底板换热器15(杭州雪中炭5405E-16，由)、压缩机16(Danfoss SC21CL)、冷凝器17(浙江高翔工贸FNH-1.2/4.0)、样品筒18、补水通道19、温度传感器20(深圳三达特DS18B20)、位移传感器21(深圳米朗KSP)、土壤水分传感器22(杭州汇尔仪器FDS-100)、底板冷却液通道23、底板冷却液循环管路24、顶板冷却液通道25、顶板冷却液循环管路26。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

根据图1、图2、图3、图4、图5、图6可知，本发明包括水分补给系统A、温控系统B、测试系统C和数据采集系统D。在冻融循环试验中试样E放置在恒温系统B中，水分补给系统A与试样E的六个路基土试样14底部相连，测试系统C的温度传感器20、土壤水分传感器22埋设在试样E的六个路基土试样14中、测试系统C的位移传感器21与温控系统B的顶板换热器13顶部接触，通过导线将测试系统C的温度传感器20、位移传感器21、土壤水分传感器22与数据采集系统D的数据采集仪采集通道相连，用串口数据线将数据采集仪串口与电脑串口相连。这些连接的作用是：温控系统B给试样E提供温度可以精确控制的温度边界条件，以模拟季节性冻土区路基土不同季节下的温度边界条件；水分补给系统A模拟路基土在冻融过程中路堤本体以外环境的水分补给；测试系统C可以监测试样E在试验过程中温度值、未冻水含水量、试样E顶部位移变化量；数据采集系统D采集并存储测试系统C监测的温度、未冻水含水量以及位移值。冻融循环(反复冻融循环)试验完成后将冻融循环后试样E取出后放置在测试系统C的路基土回弹模量测试装置(北京朝阳路达LD116杠杆压力仪)、承载比CBR测试装置(北京朝阳路达LD116路面材料强度试验仪)中按照中华人民共和国行业标准《公路土工试验规程》中土的回弹模量试验方法、土的承载比CBR试验方法进行测定。

水分补给系统A包括补水通道19、马氏瓶8、试样支架(12)、导水底座12a，其连接关系是：补水通道19中的马氏瓶8的蒸馏水与导水底座12a相连，导水底座12a用螺钉固定在底板换热器15顶端，马氏瓶8水位高度由刻度读出，可以精确至毫米；

恒温温控系统B由三套独立的温控系统构成，分别为恒温箱体温控系统、土样顶端热交换器温控系统、土样底端热交换器温控系统。恒温箱体温控系统由试验机箱体1、箱体内保温材料2、箱体温度控制器4、离心风机5、风道板6、蒸发器7、程序控制面板9、散热板10、压缩机16、冷凝器17组成，由压缩机16抽吸蒸发器7中的蒸气送往冷凝器17，产生冷气传递至离心风机5，经过风道板6由散热板10向内置保温材料2的试验机箱体1散热，使得内置保温材料2的试验机箱体1保持设定的恒温状态，温度控制器4连接蒸发器7和压缩机16，通过温度控制器4对试验机箱体1进行温度控制；土样顶端热交换器温控系统由制冷循环机组3a、程序控制面板9、耐压硅胶管11、顶板热交换器13、顶板冷却液通道25、顶板冷却液循环管路26组成，连接关系是：用耐压硅胶管11将顶板冷却液循环管路26与制冷循环机组3a连接，通过顶板冷却液通道25将顶板热交换器13并联在顶板冷却液循环管路26上，使得冷却液在制冷循环机组3a和六个顶板热交换器13之间循环。土样底端热交换器温控系统由制冷循环机组3b、程序控制面板9、耐压硅胶管11、底板热交换器15、底板冷却液通道23、底板冷却液循环管路24组成，连接关系是：用耐压硅胶管11将底板冷却液循环管路24与制冷循环机组3b连接，通过底板冷却液通道23将底板热交换器15并联在底板冷却液循环管路24上，使得冷却液在制冷循环机组3b和六个底板热交换器15之间循环。六个相同的样品筒18置于试样支架12中，样品筒18内从下向上依次放置底板热交换器15、路基土试样14、顶板换热器13，六个顶板换热器通过顶板冷却液通道25与顶板冷却液循环管路26并联，六个底板换热器通过底板冷却液通道23与底板冷却液循环管路24并联。循环制冷机组3a、循环制冷机组3b以及箱体温度控制器4均与程序控制面板9相连，其作用：通过程序控制面板9进行可编程控制制冷循环机组3a、制冷循环机组3b的温度控制元件和箱体温度控制器4，从而控制顶板热交换器13和底板热交换器15的温度以及试验机箱体1内的温度。试验机箱体1温度范围为-20℃～+40℃，温度波动度为±0.1℃，试验过程箱体始终保持正温，目的是使得试样土样底部补水装置温度状态为正温且相对稳定，使得路基底部地下水顺利补给；在冻结过程中顶板换热器13通过程序控制面板9编程控制为负温模拟路基顶面温度状况，底板换热器15保持正温以模拟路基底部温度边界；在融化过程中顶板换热器13通过程序控制面板9编程控制为正温模拟春融期路基顶面的温度边界条件，底板换热器15保持正温不变。循环制冷机组3a和循环制冷机组3b温度范围为-20℃～+40℃，温度波动度为±0.1℃，循环泵流量为20L/min，扬程为0.7m，6个顶板换热器温度波动度为±0.1℃，六个底板换热器温度波动度为±0.1℃。该装置中6组路基土试样的温度边界条件相同，可进行试样的平行试验。

测试系统C包括温度传感器20、位移传感器21、土壤水分传感器22以及路基土回弹模量测试装置(北京朝阳路达LD116杠杆压力仪)和承载比CBR测试装置(北京朝阳路达LD116路面材料强度试验仪)。连接关系为：冻融循环试验时温度传感器20以间距20mm沿路基土试样14高度方向埋设，土壤水分传感器22均匀的分布于路基土试样14上中下部位，位移传感器21与顶板换热器13上部接触。其作用是：温度传感器20实时监测路基土试样14在冻融过程中温度场变化，水分传感器22用来监测路基土试样14在冻融过程中未冻水体积含量，位移传感器21实时监测冻融过程中路基土试样14的变形量，建立变形量随时间的关系曲线，可以获得路基填料的冻胀率、融沉系数；冻融循环试验完成后将路基土试样14与样品筒18整体取出后放置在测试系统C的路基土回弹模量测试装置(北京朝阳路达LD116杠杆压力仪)、承载比CBR测试装置(北京朝阳路达LD116路面材料强度试验仪)中按照中华人民共和国行业标准《公路土工试验规程》中土的回弹模量试验方法、土的承载比CBR试验方法进行测定。其作用是，将冻融循环后土样按照《公路土工试验规程》进行公路路基回填模量、承载比CBR参数平行试验。

数据采集系统D包括数据采集仪(DATATAKER DT80G)和计算机，连接关系为：通过导线将温度传感器20、位移传感器21、土壤水分传感器22与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连，其作用是采集并存储试验数据。

图2、图3中提及的样品筒18内径为152mm，高170mm，尺寸规格和《公路土工试验规程》击实试验、CBR试验、回弹模量试验样品筒尺寸完全相同，样品筒18外侧用聚氨酯PU发泡材料保温绝热。在测试过程中样品筒18内路基土试样14经过冻融循环后可以直接放置在CBR试验装置、回弹模量试验装置上直接进行CBR试验和回弹模量试验。

综上所述，本发明通过水分补给系统A、温控系统B解决了六组路基土试样在冻融过程中温度边界条件相同，使得能够满足冻融循环平行试验要求；同时解决了冻融过程中土样底部与外界的水力联系，使得土样出于开放系统中，有效模拟了路基土的实际状态；样品筒18尺寸规格采用和《公路土工试验规程》击实试验、CBR试验、回弹模量试验样品筒尺寸完，实现了冻融后的试样直接在现有公路土基回填模量、CBR试验仪上进行试验，这样就可以得到季冻区最不利季节下土基回弹模量和CBR参数。

Claims (5)

1.一种多功能公路土基冻融循环试验装置，包括水分补给系统(A)、温控系统(B)、测试系统(C)和数据采集系统(D)，其特征在于：在冻融循环试验中试样(E)放置在温控系统(B)中，水分补给系统(A)与试样(E)的六个路基土试样(14)底部相连，测试系统(C)的温度传感器(20)、土壤水分传感器(22)埋设在试样(E)的六个路基土试样(14)中、测试系统(C)的位移传感器(21)与温控系统(B)的顶板换热器(13)顶部接触，通过导线将测试系统(C)的温度传感器(20)、位移传感器(21)、土壤水分传感器(22)与数据采集系统(D)的数据采集仪采集通道相连，用串口数据线将数据采集仪串口与电脑串口相连，温控系统(B)由三套独立的温控系统构成，分别为恒温箱体温控系统、土样顶端热交换器温控系统、土样底端热交换器温控系统，恒温箱体温控系统由试验机箱体(1)、箱体内保温材料(2)、箱体温度控制器(4)、离心风机(5)、风道板(6)、蒸发器(7)、程序控制面板(9)、散热板(10)、压缩机(16)、冷凝器(17)组成，温度控制器(4)连接蒸发器(7)和压缩机(16)，耐压硅胶管(11)将顶板冷却液循环管路(26)与第一制冷循环机组(3a)连接，通过顶板冷却液通道(25)将顶板热交换器(13)并联在顶板冷却液循环管路(26)上，耐压硅胶管(11)将底板冷却液循环管路(24)与第二制冷循环机组(3b)连接，通过底板冷却液通道(23)将底板热交换器(15)并联在底板冷却液循环管路(24)上，六个相同的样品筒(18)置于试样支架(12)中，样品筒(18)内从下向上依次放置底板热交换器(15)、路基土试样(14)、顶板换热器(13)，六个顶板换热器通过顶板冷却液通道(25)与顶板冷却液循环管路(26)并联，六个底板换热器通过底板冷却液通道(23)与底板冷却液循环管路(24)并联。

2.根据权利要求1所述一种多功能公路土基冻融循环试验装置，其特征在于：所述的水分补给系统(A)包括补水通道(19)、马氏瓶(8)、试样支架(12)、导水底座(12a)，补水通道(19)中的马氏瓶(8)的蒸馏水与导水底座(12a)相连，导水底座(12a)用螺钉固定在底板换热器15顶端。

3.根据权利要求1所述一种多功能公路土基冻融循环试验装置，其特征在于：所述的测试系统(C)包括温度传感器(20)、位移传感器(21)、土壤水分传感器(22)、路基土回弹模量测试装置，承载比CBR测试装置，温度传感器(20)以间距沿路基土试样(14)高度方向埋设，土壤水分传感器(22)分布于路基土试样(14)上中下部位，位移传感器(21)与顶板换热器(13)上部接触。

4.根据权利要求1所述一种多功能公路土基冻融循环试验装置，其特征在于：所述的第一制冷循环机组(3a)、第二制冷循环机组(3b)的温度控制元件及箱体温度控制器(4)与程序控制面板(9)相连。

5.根据权利要求1所述一种多功能公路土基冻融循环试验装置，其特征在于：所述的数据采集系统(D)包括数据采集仪和计算机，通过导线将温度传感器(20)、位移传感器(21)、土壤水分传感器(22)与数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连。

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