CN102495195B

CN102495195B - 步入式多功能冻土路基模型试验箱

Info

Publication number: CN102495195B
Application number: CN 201110373555
Authority: CN
Inventors: 汪双杰; 陈建兵; 金龙; 刘志云; 董元宏; 彭惠
Original assignee: CCCC First Highway Consultants Co Ltd
Current assignee: CCCC First Highway Consultants Co Ltd; China Road and Bridge Corp
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: CN102495195A

Abstract

本发明涉及一种步入式多功能冻土路基模型试验箱。现有的冻土路基模型试验箱无法同时完成制冷、冻融、光照淋雨和加载试验，试验时必须使用多个试验箱分别试验，效率较低，精度不足，且无法实现先淋雨后冻融和先冻融后加载等较复杂的试验。本发明设置试验箱体、制冷装置、冻融装置、光照/淋雨装置和加载装置：试验箱体由库板、箱门及隔断装置组成；制冷装置由冷却塔、制冷机组、冷板、低温槽、进液总管及回液总管等组成；冻融装置由冷却塔、制冷机组、冻融冷板、低温槽、高温槽、进液总管及回液总管组成；光照淋雨装置由金卤灯阵和喷淋列管组成；加载装置由液压压力控制装置、液压传动机构、液压压头、液压支撑横梁和卸载装置组成。本发明能同时完成多项试验的试验条件的模拟，使试验效率大大提高，并实现一些较为复杂的试验。

Description

步入式多功能冻土路基模型试验箱

技术领域

本发明涉及一种步入式模型试验装置，尤其是一种步入式多功能冻土路基模型试验箱。

背景技术

冻土是指具有负温和含冰的土体和岩石，按生存时间主要分为多年冻土和季节冻土。我国多年冻土面积约占国土面积的22.4%，是世界第三冻土大国。冻土中由于冰以及未冻水的存在，其性质极复杂且对温度极为敏感。道路工程施工以及全球气候变暖，都会引起冻土的升温，给路基带来融沉病害，严重危害冻土道路的稳定性。因此，稳定性对冻土道路十分重要。试验研究是冻土道路稳定性研究的一种重要手段，一般主要包括野外现场试验和室内试验。野外现场试验虽然与实际条件最为接近，但是试验周期过长，耗力耗时，成本较高。因此，研究人员常在室内进行按一定尺度缩小的模型试验。室内模型试验的最大优势是可以大幅缩短试验周期，在较短时间内得到与实际接近的试验结果，所以成为一种冻土研究者常用的重要研究手段。

目前能进行冻土室内试验的模型试验装置较为少见。模拟道路土基或基层结构局部不均匀变形的试验箱（专利号：200720149107.8）仅能模拟道路土基或基层结构的冻胀、融沉和不均匀沉降等现象，而不能模拟冻土路基经受冻融循环作用下的温度分布和荷载作用下的应力分布。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的冻土模型试验箱（喻文兵，赖远明，张学富，肖建章. 多年冻土区道碴、通风管结构铁路路基室内试验研究. 岩土工程学报，2003, 25(4)：436-440）可进行冻土路基的冻融循环试验，但是无法模拟土冻结过程中的水分迁移，也无法进行加载试验。冻土力学模型试验装置（申请号：200910072103.8）能够实现单向和双向冻结条件，实现冻结过程中水分迁移的水分补给，提供模型试验加载破坏的荷载，监测冻土的温度场和应力场以及冻胀和融沉变形等。但是冻土的形成和发展以及冻土路基的温度和变形受到自然条件下空气温度、太阳辐射、降水、深部地温以及静动荷载等多种因素的影响。因此室内条件下模拟冻土和冻土路基时，需模拟气温变化、静动荷载、地热流、深部地温、太阳辐射和降水等实际条件，以及这些条件的相互组合。

发明内容

本发明的目的是提供一种能同时进行冻土加速形成试验、冻土冻融试验、光照/淋雨试验和加载试验的步入式多功能冻土路基模型试验箱。

本发明所采用的技术方案是：

一种步入式多功能冻土路基模型试验箱，其特征在于：

所述的步入式多功能冻土路基模型试验箱包括试验箱体、制冷装置、冻融装置、光照淋雨装置和加载装置；

所述的试验箱体由库板组成，箱体上设置箱门，箱体内设置隔断装置将箱体分为两部分；

所述的制冷装置中设置有并联连接的冷板，其上连接有进液总管和回液总管；

进液总管上设置有水泵和空压机；

进液总管和回液总管均与低温槽连接，低温槽上依次连接有制冷机组和冷却塔。

所述的冷板通过快换万向密封接头互相并联连接；

冷板与进液总管和回液总管通过快换万向密封接头连接。

所述的冻融装置中设置有并联连接的冻融冷板，其上连接有进液总管和回液总管；

进液总管上设置有水泵和空压机；

进液总管和回液总管均与低温槽和高温槽连接，低温槽上依次连接制冷机组和冷却塔。

所述的冻融冷板通过快换万向密封接头互相并联连接；

冷板与进液总管和回液总管通过快换万向密封接头连接。

所述的光照淋雨装置设置有位于试验箱体顶部内侧的金卤灯阵，通过灯架固定；

灯架下方设置有喷淋列管，喷淋列管连接有供水系统；

喷淋列管上焊接若干喷嘴。

所述的加载装置设置有支撑横梁，支撑横梁两侧设置卸载装置，支撑横梁中部下方设置液压压头；

液压压头依次连接液压传动机构和液压压力控制装置。

本发明具有以下优点：

本发明合理的集成了冻土加速形成试验、冻土冻融试验、光照/淋雨试验和加载试验的所有功能，模拟气温变化、静动荷载、地热流、深部地温、太阳辐射和降水等实际条件，模拟冻土路基经受冻融循环作用下的温度分布和荷载作用下的应力分布，模拟土冻结过程中的水分迁移，能同时完成多项试验的实验条件的模拟，使试验效率大大提高。

附图说明

图1是试验箱体和光照淋雨装置示意图。

图2是制冷装置示意图。

图3是冻融制冷装置示意图。

图4是加载装置示意图。

图中，1-库板，2-箱门，3-隔断装置，4-冷板，5-喷嘴，6-灯架，7-喷淋列管，8-金卤灯阵，9-制冷机组，10-低温槽，11-水泵，12-空压机，13-进液总管，14-回液总管，15-高温槽，16-冷却塔，17-冻融冷板，18-液压压力控制装置，19-液压传动机构，20-液压压头，21-液压支撑横梁，22-卸载装置，23-快换万向密封接头。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明所述的一种步入式多功能冻土路基模型试验箱，集成了冻土加速形成试验、冻土冻融试验、光照/淋雨试验和加载试验的所有功能，包括试验箱体、制冷装置、冻融装置、光照淋雨装置和加载装置。

试验箱体由库板1组成，箱体上设置箱门2，箱体内设置隔断装置3将箱体分为两部分，以便于进行相同条件下的对比试验。库板1均为保温库板，隔断装置3内为保温板材料，外部由不锈钢板包裹。箱体尺寸为6.0m（长）×5.0m（宽）×4.0m（高），库板厚度为15cm。

制冷装置中设置有并联连接的冷板4，冷板4长宽均为1.0m，其上连接有进液总管13和回液总管14；进液总管13上设置有水泵11和空压机12；进液总管13和回液总管14均与低温槽10连接，低温槽10上依次连接有制冷机组9和冷却塔16。冷板4通过快换万向密封接头23互相并联连接；冷板4与进液总管13和回液总管14通过快换万向密封接头23连接。低温槽10内装有载冷剂液体，如乙二醇水溶液。低温槽10、制冷机组9和冷却塔16均置于试验箱体外。

冻融装置中设置有并联连接的冻融冷板17，冻融冷板17长宽均为1.0m其上连接有进液总管13和回液总管14；进液总管13上设置有水泵11和空压机12；进液总管13和回液总管14均与低温槽10和高温槽15连接，低温槽10上依次连接制冷机组9和冷却塔16。冻融冷板17通过快换万向密封接头23互相并联连接；冷板4与进液总管13和回液总管14通过快换万向密封接头23连接。低温槽10和高温槽15内均装有载冷剂液体，如乙二醇水溶液。低温槽10、制冷机组9和冷却塔16均置于试验箱体外。

光照淋雨装置设置有位于试验箱体顶部内侧的金卤灯阵8，模拟太阳光照射，通过灯架6固定；灯架6下方设置有喷淋列管7，喷淋列管7连接有供水系统；喷淋列管7上焊接若干喷嘴5。

加载装置设置有支撑横梁21，支撑横梁21两侧设置卸载装置22，支撑横梁21中部下方设置液压压头20；液压压头20依次连接液压传动机构19和液压压力控制装置18。液压支撑横梁21置于待试验土体上，两侧的卸载装置22置于混凝土墙上。通过液压压力控制装置可分别实现动载荷施压和静载荷施压。

试验操作过程如下：

进行冻土加速形成试验时，通过快换万向密封接头23将冷板4拼装至不小于所需制冷面积，并置于所需位置。安装试验土体后，关闭箱门2。开启制冷装置，按试验要求控制冷板温度或热流密度，即可实现对土体的快速制冷，形成室内冻土。

进行冻土冻融试验时，通过快换万向密封接头23将冷板拼装至不小于所需制冷面积，并置于试验土体所需位置。制冷冻结时，低温槽10内温度可调的载冷剂液体在水泵11的作用下先后通过进液总管13、各冻融冷板17和回液总管14，通过这种循环可实现变温制冷。制热融化时，水泵11将高温槽15内温度可调的载冷剂液体抽入进液总管13内，流经冻融冷板17后流回回液总管14，再流回高温槽15，通过这样的循环实现变温制热。试验时，制冷冻结过程和制热融化过程可以随时切换，从而满足不同温度变化要求。

进行光照淋雨试验时，首先通过灯具开关将一定数量的金卤灯打开，对试验路面进行照射。光照强度的调节通过改变灯的使用数量来实现。当达到设定温度一段时间后，开启供水系统，通过喷嘴5对高温的路面降雨。喷嘴的间距和数量可按试验设计设置，且能够在降雨面上获得均匀的雨滴。同时喷嘴可在90°范围内调节喷淋角度，满足各种降雨试验条件的要求。这样就可以模拟试验路面在高温后突遇降雨时的受损状况。

进行加载试验时，将液压支撑横梁21搬入模型试验箱，置于铺设好的试验路面混凝土上。液压压头20通过液压支撑横梁21固定在中间的某位置。连接好液压传动机构19后，开启液压压力控制装置18，按试验要求施加动载荷施压或静载荷施压，且所加载压力的大小可任意调节。

Claims

1.一种步入式多功能冻土路基模型试验箱，其特征在于：

所述的试验箱体由库板（1）组成，箱体上设置箱门（2），箱体内设置隔断装置（3）将箱体分为两部分；

所述的制冷装置中设置有并联连接的冷板（4），其上连接有进液总管（13）和回液总管（14）；

进液总管（13）上设置有水泵（11）和空压机（12）；

进液总管（13）和回液总管（14）均与低温槽（10）连接，低温槽（10）上依次连接有制冷机组（9）和冷却塔（16）。

2.根据权利要求1所述的步入式多功能冻土路基模型试验箱，其特征在于：

所述的冷板（4）通过快换万向密封接头（23）互相并联连接；

冷板（4）与进液总管（13）和回液总管（14）通过快换万向密封接头（23）连接。

3.根据权利要求2所述的步入式多功能冻土路基模型试验箱，其特征在于：

所述的冻融装置中设置有并联连接的冻融冷板（17），其上连接有进液总管（13）和回液总管（14）；

进液总管（13）上设置有水泵（11）和空压机（12）；

进液总管（13）和回液总管（14）均与低温槽（10）和高温槽（15）连接，低温槽（10）上依次连接制冷机组（9）和冷却塔（16）。

4.根据权利要求3所述的步入式多功能冻土路基模型试验箱，其特征在于：

所述的冻融冷板（17）通过快换万向密封接头（23）互相并联连接；

5.根据权利要求4所述的步入式多功能冻土路基模型试验箱，其特征在于：

所述的光照淋雨装置设置有位于试验箱体顶部内侧的金卤灯阵（8），通过灯架（6）固定；

灯架（6）下方设置有喷淋列管（7），喷淋列管（7）连接有供水系统；

喷淋列管（7）上焊接若干喷嘴（5）。

6.根据权利要求5所述的步入式多功能冻土路基模型试验箱，其特征在于：

所述的加载装置设置有支撑横梁（21），支撑横梁（21）两侧设置卸载装置（22），支撑横梁（21）中部下方设置液压压头（20）；

液压压头（20）依次连接液压传动机构（19）和液压压力控制装置（18）。