CN102435717B - 基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明是基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪，包括试验仪的主体、采集控制装置、补水装置、加载装置，其中补水装置与试验仪的主体的底部补水槽体相接，采集控制装置与试验仪主体中负责监测试样温度梯度变化的A温度传感器、位移传感器、液压传感器对应相接，采集控制装置与半导体制冷体内的B温度传感器相接，加载装置设在试验仪的主体中的压力室内。优点：可根据试验含水量自动对试验从下部进行自动补水和排水，可对补水量进行精确计量；对排水过程孔压实现监测。实现连续无级加载；实现无极连续自动加载以及锁定体积后冻胀力的测试，提高试验室冻胀融沉试验对自然条件的模拟真实度，试验效率提高的同时降低了试验的劳动强度。

Description

基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪

技术领域

本发明涉及的是一种基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪，特别是涉及冻胀融沉温度的调节及应力自动监测加载，实现冻胀力、有无荷载下冻胀融沉、水分迁移试验测试等功能的一体化。

背景技术

目前冻胀融沉试验仪的冻胀和融沉试验外部温度调节多采用空间环境箱体制冷或者多路水浴循环进行温度控制。环境制冷属于三维冻融，不符合一维冻融方式，水浴循环温度控制的冻胀融沉试验仪的冻胀和融沉试验温度调节模块设计多在试样下部，造成冻胀融沉都与实际土壤的冻胀或融沉方向相反（实际是由上到下，目前试验仪是由下到上的），不能真实模拟土层在气温变化后的冻融反应；而且水浴循环由于采用外部的水浴温度控制造成对实际土体受冷面温度控制的即时性、精确性存在不足，尤其不能实现冻胀融沉试验测试功能的一体化、自动化。目前的补水方式存在随意性，有通过定量滴定的方式进行补水，甚至是通过人眼观察手工补水，土工测试规范及煤炭部人工冻土试验标准中都没有对于补水进行准确说明，造成与实际自然环境的补水过程有较大差距，尤其补水量较难准确计量，影响了试验的可信度。为了模拟土体冻结过程中由于温度梯度而产生的水分迁移现象，本试验的补水系统采用了马氏瓶的工作原理，实现补水面的恒压稳流条件，并根据差压原理实现了补水量的自动跟踪采集。加载控制以及力的测试方面，目前对于冻胀融沉测试（有无荷载条件）和冻胀力的测量是分开进行的，且加载一般多是砝码加载，无法实现自动连续加载；融沉排水问题，本次融沉（有无荷栽）排水的设计采用补水的逆向过程，这里不仅考虑到排水量的实时监测，同时也考虑了排水过程中孔隙水压力的变化跟踪监测。控制采集方面，充分解决当前冻胀融沉系统各部分数据采集和各项控制集成智能度不高的现状。以上这些方法都是从试验仪器或条件的角度出发来搭建试验仪器的。

发明内容

本发明提出的是一种基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪，其目的旨在解决最大限度模拟自然条件下土壤真实冻胀融沉的试验模拟---冻胀融沉温度变化从土壤试验上部开始直到下部（与自然条件下的冻胀融沉一致）；解决根据试样含水率的变化实现自动补水和排水，补水量和排水孔压力的精确检测计量；针对加载和冻胀力及位移测量分散的问题，进行整合实现二者合一并实现连续无级加载；使用BC++ 进行软件编程，借助板卡实现对试验过程的智能化控制和数据的自动采集，实现功能的模块化的有效集成。

本发明的技术解决方案：其结构包括试验仪的主体、采集控制装置、补水装置、加载装置，其中补水装置与试验仪的主体的底部补水槽体相接，采集控制装置与试验仪主体中负责监测试样温度梯度变化的A类温度传感器、位移传感器、液压传感器以及补水装置中的水势差压传感器对应相接以实现各物理量的采集，采集控制装置与半导体制冷体内的B类温度传感器、液压体积控制器相接以实现对制冷体温度和加载压力的控制。加载装置由设在试验仪的主体中的压力室内液压囊与外部的液压体积控制器组成。

本发明的有益效果：能够最大限度模拟自然条件下土壤真实冻胀融沉的试验仪器---冻胀融沉温度变化从土壤试验上部开始直到下部（与自然条件下的冻胀融沉一致）；温度的控制方式采用半导体电制冷，并可以高温低温同时控制（半导体两面性）；根据试验含水量自动对试验从下部进行自动补水和排水，可对补水量进行精确计量；对排水过程孔压实现监测。针对加载和冻胀力测量的问题，进行整合实现二者合一并实现连续无级加载；加载设计在腔体内部，实现无极连续自动加载以及锁定体积后冻胀力的测试，完成冻融与冻胀力的实验功能集成使用BC++ 进行软件编程，借助板卡实现对试验过程的智能化控制和数据的自动采集。提高了试验室冻胀融沉试验对自然条件的模拟真实度，使得试验精度大大提高。通过BC++ 和 硬件板卡的软硬件集成使用，使得试验效率大大提高的同时降低了试验的劳动强度。

附图说明

图1是基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验的结构示意图。

图中的1是补水装置、2是补水槽体、3是A类温度传感器、4是位移传感器、5是液压传感器、6是B类温度传感器、7是压力室、8是保温空心底板、9是保温试样载桶、10是T型半导体制冷头、11是外罩、12是水势差压传感器、13是马氏瓶、14是补水管路、15是试样、16是液压体积控制器、17是加压管路。

具体实施方式

对照附图1，其结构是包括试验仪的主体、采集控制装置、补水装置、加载装置，其中补水装置1与试验仪的主体的底部补水槽体2相接，采集控制装置与试验仪主体中负责监测试样温度梯度变化的A温度传感器3、位移传感器4、压力传感器5对应相接，采集控制装置与半导体制冷体内的B温度传感器6相接，加载装置设在试验仪的主体中的压力室7内。

 试验仪的主体包括保温空心底板8、补水槽体2、保温土样载桶9、T型半导体制冷头10、压力室7和外罩11，其中补水槽体2与保温空心底板8以螺钉相衔接以形成试验主体的下部底座，土样承载桶下部内嵌于补水槽体，载桶外径与补水凹槽内径相吻合，土样承载桶与补水槽体之间有O型垫圈，土样承载桶上部嵌于上部的外罩11，土样承载桶9、外罩11与底座三者通过螺杆固定连成一体，由土样承载桶、外罩与底座三者间形成的空间内存放一个可作自由上下运动的T型半导体制冷头10，T型半导体制冷头上部与外罩形成一个封闭的压力室7， T型半导体制冷头10下部的土样承载桶内存放试样。

采集控制装置包括A温度传感器3、位移传感器4、压力控制器5，实施对温度、位移、压力物理量的采集，采集控制装置对T型半导体制冷头10的温度控制和加载在试样上的压力控制。

采集控制装置是运用BC++编程语言以及采集芯片板卡实现位移、荷载、温度数据采集和自动反馈控制。

补水装置包括水势差压传感器12、马氏瓶13，其中水势差压传感器12通过连通管与马氏瓶13相接。

实施例

保温底座设计为一部分中空的圆盘体，沿中空部分可填充PLC电加热恒温材料或者中空部分底面设有正交的两通道，采用恒温循环液体进行底座的温度控制，盒体中心有一垂直通道；考虑到底座的高承载要求及传热的效果，材料宜使用铝合金，具有相当的强度及局部刚度。

补水槽体与保温底座以螺钉相衔接，槽体中心设有垂直贯通段，直径与保温底座相同，补水槽体与保温底座衔接后，垂直贯通段相对应以实现补水槽体的补水通道畅通，在接口处垫有O型橡皮圈，以保证底座与补水槽体两者间密封性，与保温底座相似，材料宜用铝合金。

保温试样载桶分二层，以内径10cm，外径12cm，高23cm的环柱内套内径为8cm，外径为10cm的等高环柱，等高环柱外表面包裹保温材料，如酚醛泡沫等，内环柱需充分考虑到土样膨胀时的侧向压力，必须有足够的强度，同时尽可能选取导热系数较小的有机玻璃或胶木材料。既保证了强度也有利于保温。

制冷或加热导温头在导温头部铜制底板表面部分置入半导体致冷面，利用半导体的正负极方向可以实现电制冷和制热的集成一体化。另外制冷头上部设计为一中空多通道的铝盒，其上部开有垂直的两出口，作为循环散热进出口，实现了对冷热温度源使用的兼容。冻胀测定时：冷端温度低于-10℃，精度0.2℃。

压力室以环带状可竖向压缩伸长的橡胶囊，该橡胶囊内置于冷冻液循环盒之上，压力室在外罩内，以永磁同步电机推动传递压力并实现液压及体积的自动化控制。同时，可用此装置进行土体冻胀时冻胀力的测定。

外罩和四根不锈钢螺杆是将各部分构成整体的衔接套件，考虑到试验中冻胀力的存在以及保温的需要，这里材料设计为复合材料，采用不锈钢外壳与内层的有机玻璃组合，以保证隔热与强度性能要求。

当试样自上部冻胀后，温度梯度作用下试样就会从下部吸收水分，此处通过透水板来自动给上部的试样补水，所补水的来源是一个具有流量测量的马氏瓶，补水系统以马里奥特瓶（俗称“马氏瓶”）为基本原理，制成圆柱体型玻璃容器，内置压差计或流量传感器用于测定补水量，并实现数据采集、自动化控制；考虑到补水量要求不多，该装置暂不设加水口。

各测试元件要求：液压传感器（量程0MPa～2MPa,精度1%）；位移传感器（轴向量程0mm～50mm，精度1%）;温度传感器：量程 -40℃～+40℃，精度0.2℃。

基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验方法，包括如下工艺步骤：

一、冻胀融沉试验，具体步骤分

1）按照试验试样尺寸要求，直径8㎝、高度16㎝，对于原状土采用削样法削制成试样，重塑土按照密度和含水要求依据《土工试验方法标准》（GB_T50123-1999）所规定的方法进行制样；

2）检查各管路，保证补水畅通。放置保温试样载桶内嵌于补水槽体并保证两者之间有密封圈，调节补水装置的供水水位，使其水位刚好淹没透水板，并水位恒定在该位置；

3）安装试样，在保温试样载桶的内壁上涂抹凡士林，并把成型的试样放到载桶中，使试样可以自由的滑落；

4）安装集成制冷头与压力室的上部外罩，放置制冷头紧贴于试样的表面，旋紧螺杆使底座、保温载桶、外罩紧密连成一体；

5）当需要进行一定荷载下的冻胀量测试，则需要通过液压体积控制器设定液压向压力室施加压力，并通过位移监测变形直到当试样固结稳定后进行冻胀试验；

6）在保温载桶身上安插A类温度传感器，并安装调节好位移传感器；

7）启动电脑采集控制软件，设定顶底板试验温度，如上部-10℃，下部20℃，控制其波动度为±0.2℃，并开始采集进行试样的冻胀量测试；

8）冻胀量稳定，若为封闭系统冻胀试验，直至读数不变后1h为止，若为开敞系统冻胀试验，直至2小时内试样高度变化值≤0.02mm，由控制软件设定实现自动监测控制，冻胀阶段结束；

9）冻胀率计算                                                

式中：

——t时刻试样的冻胀率， %； 

           

——0～t时间内试样的轴向变形，mm；

           

——试验前试样高度，mm；

10）冻胀阶段结束后，调节温度以及位移测试元件进行融沉试验，融沉试验结束判断以沉降位移读数稳定不变后1h为止，融沉系数的计算公式为：

式中：

——t时刻试样的冻胀率， %； 

           

——0～t时间内试样的轴向变形，mm；

           

——试验前冻结试样高度，mm；

二、冻胀力试验，具体步骤分

1）按照试验试样尺寸要求，直径8㎝、高度16㎝。对于原状土采用削样法削制成试样，重塑土按照密度和含水要求依据《土工试验方法标准》（GB_T50123-1999）所规定的方法进行制样；

2）检查各管路，保证补水畅通。放置保温试样载桶内嵌于补水槽体并保证两者之间有密封圈，调节补水装置的供水水位，使其水位刚好淹没透水板，并水位恒定在该位置；

3）安装试样。在保温试样载桶的内壁上涂抹凡士林，并把成型的试样放到载桶中，使试样可以自由的滑落；

4）安装集成制冷头与压力室的上部外罩，放置制冷头紧贴于试样的表面，旋紧螺杆使底座、保温载桶、外罩紧密连成一体；

5）调节液压体积控制器，使得压力室充满并产生1KPa 的接触压力，然后锁定压力室的阀门，保证压力室体积不变；

6）在保温载桶身上安插A类温度传感器，并安装调节好位移传感器；

7）启动电脑采集控制软件，设定顶底板试验温度，如上部-10℃，下部20℃，控制其波动度为±0.2℃，并开始采集进行试样的冻胀力测试；

8）冻胀力稳定，由液压传感器记录液压随时间的变化曲线，当压力曲线趋于平缓并最终在一个小时内变化量小于0.5 KPa时认为冻胀力测试结束。

Claims (2)

1.基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪，其特征是包括试验仪的主体、采集控制装置、补水装置、加载装置，其中补水装置与试验仪的主体的底部补水槽体相接，采集控制装置与试验仪主体中负责监测试样温度梯度变化的A温度传感器、位移传感器、压力传感器对应相接，采集控制装置与半导体制冷体内的B温度传感器相接，加载装置设在试验仪的主体中的压力室内；所述的试验仪的主体包括保温空心底板、补水槽体、保温土样载桶、T型半导体制冷头、压力室和外罩，其中补水槽体与保温空心底板以螺钉相衔接以形成试验主体的下部底座，土样承载桶下部内嵌于补水槽体，载桶外径与补水凹槽内径相吻合，土样承载桶与补水槽体之间有O型垫圈，土样承载桶上部嵌于上部的外罩，土样承载桶、外罩与底座三者通过螺杆固定连成一体，由土样承载桶、外罩与底座三者间形成的空间内存放一个可作自由上下运动的T型半导体制冷头，T型半导体制冷头上部与外罩形成一个封闭的压力室， T型半导体制冷头下部的土样承载桶内存放试样；所述的采集控制装置包括A温度传感器、位移传感器、压力控制器，实施对温度、位移、压力物理量的采集，采集控制装置对T型半导体制冷头的温度控制和加载在试样上的压力控制；采集控制装置是运用BC++编程语言以及采集芯片板卡实现位移、荷载、温度数据采集和自动反馈控制；所述的补水装置包括水势差压传感器、马氏瓶，其中水势差压传感器通过连通管与马氏瓶相接。

2.如权利要求1所述的基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪的试验方法；其特征是包括如下工艺步骤：

一、冻胀融沉试验，具体步骤分

1）按照试验试样尺寸要求，直径8㎝、高度16㎝，对于原状土采用削样法削制成试样，重塑土按照密度和含水要求依据《土工试验方法标准》GB_T50123-1999所规定的方法进行制样；

2）检查各管路，保证补水畅通，放置保温试样载桶内嵌于补水槽体并保证两者之间有密封圈，调节补水装置的供水水位，使其水位刚好淹没透水板，并水位恒定在该位置；

3）安装试样，在保温试样载桶的内壁上涂抹凡士林，并把成型的试样放到载桶中，使试样可以自由的滑落；

4）安装集成制冷头与压力室的上部外罩，放置制冷头紧贴于试样的表面，旋紧螺杆使底座、保温载桶、外罩紧密连成一体；

5）当需要进行一定荷载下的冻胀量测试，则需要通过液压体积控制器设定液压向压力室施加压力，并通过位移监测变形直到当试样固结稳定后进行冻胀试验；

6）在保温载桶身上安插A类温度传感器，并安装调节好位移传感器；

7）启动电脑采集控制软件，设定顶底板试验温度，上部-10℃，下部20℃，控制其波动度为±0.2℃，并开始采集进行试样的冻胀量测试；

8）冻胀量稳定，若为封闭系统冻胀试验，直至读数不变后1h为止，若为开敞系统冻胀试验，直至2小时内试样高度变化值≤0.02mm，由控制软件设定实现自动监测控制，冻胀阶段结束；

9）冻胀率计算

ε _fh =Δh/h _o×100

式中：ε _fh ——t时刻试样的冻胀率，

           Δh——0～t时间内试样的轴向变形，

            h _o——试验前试样高度，

10）冻胀阶段结束后，调节温度以及位移测试元件进行融沉试验，融沉试验结束判断以沉降位移读数稳定不变后1h为止，融沉系数的计算公式为：

a ₀=Δh/h ₀×100

式中： a ₀——t时刻试样的冻胀率，  

           Δh——0～t时间内试样的轴向变形，

            h ₀——试验前冻结试样高度，

二、冻胀力试验，具体步骤分

1）按照试验试样尺寸要求，直径8㎝、高度16㎝，对于原状土采用削样法削制成试样，重塑土按照密度和含水要求依据《土工试验方法标准》GB_T50123-1999所规定的方法进行制样；

2）检查各管路，保证补水畅通；放置保温试样载桶内嵌于补水槽体并保证两者之间有密封圈，调节补水装置的供水水位，使其水位刚好淹没透水板，并水位恒定在该位置；

3）安装试样，在保温试样载桶的内壁上涂抹凡士林，并把成型的试样放到载桶中，使试样可以自由的滑落；

4）安装集成制冷头与压力室的上部外罩，放置制冷头紧贴于试样的表面，旋紧螺杆使底座、保温载桶、外罩紧密连成一体；

5）调节液压体积控制器，使得压力室充满并产生1KPa 的接触压力，然后锁定压力室的阀门，保证压力室体积不变；

6）在保温载桶身上安插A类温度传感器，并安装调节好位移传感器；

7）启动电脑采集控制软件，设定顶底板试验温度，上部-10℃，下部20℃，控制其波动度为±0.2℃，并开始采集进行试样的冻胀力测试；

8）冻胀力稳定，由液压传感器记录液压随时间的变化曲线，当压力曲线趋于平缓并最终在一个小时内变化量小于0.5 KPa时认为冻胀力测试结束。

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