CN103471884B - 一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置 - Google Patents

一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置，该装置由温控系统、分层装样系统和保温箱三部分构成，其中温控系统除了能够提供冷能的冷浴及供冷液循环的管路外，还包括热敏电阻温度传感器和温度调控单元，分层装样系统由易导热的铝制底板、防粘滤纸、绝热的环氧树脂试样筒、环氧树脂顶盖和制样模具组成。利用温控系统和保温箱对分层装样系统的底板温度进行调控，从制样模具上端口进行分层装样，从而实现人工单向冻结分层制样。通过该装置可以保证在人工高含水(冰)量冻土试样制备过程中冰的自然形成过程及试样结构的一致性，从而为高含水(冰)量冻土力学特性的试验研究提供可靠的试样基础。

Description

一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置
技术领域
本发明涉及一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置，主要用于冻土力学测试中高含水(冰)量（土、水混合物在融化条件下处于流塑状态）冻土试样的人工制备使用。
背景技术     
由于寒区经济的发展和工程实践的指引，冻土学者在冻土力学性质方面已进行了大量深入的研究, 并从微细观方面对其力学性质变化机理进行了阐述，但这些工作主要集中于低含水(冰)量冻土，即冻土体中的总质量含水量小于或等于饱和值。相比较，对于总含水量超过饱和值的高含水(冰)量冻土却讨论很少，而在实体工程的建设中(如青藏铁路、青藏公路等)，有不少路段穿越了高含水(冰)量冻土区。人们在进行工程设计时发现，这些地区土体力学参数的选取即不能用低含水(冰)量冻土的研究成果，也不能用冰力学来解释; 如果温度接近于水的相变区，其力学性质就非常的不稳定，极易在外界温度和压力变化的影响下发生实质性的改变，所以高含水(冰)量冻土的力学性质即不同于冰的，又有别于常规低含水(冰)量冻土的。随着全球气候的转暖和高含水(冰)量冻土区基础工程建设的增多，不论在待建工程的设计还是已运营工程的稳定性评价中，都要考虑到高含水(冰)冻土的力学特性，那么高含水(冰)量冻土试样的人工制备技术就成为关键。
基于已有的国、内外研究，高含水(冰)量冻土的人工制备方法可归纳为三种：一、将压碎冰(粒径为0~16.0mm)和干土的均匀混合物以松散的状态装入模具，完成30分钟左右的抽气补水饱和后快速冻结；二、在低温（-7.0℃左右）实验室将压碎冰(占总质量含水量的85~90%，粒径0~5.0mm)、干土和0℃液态水的均匀混合物按需求比例装入模具，一次性压制成标样；三、将冰、水直接混合成的泥浆一次性倒入模具、摇匀，然后在-20.0℃以下进行24h以上的快速多向冻结。通过一、二两种方式可以保证试样具有较高的含水(冰)量，但是改变了冰在土体中的自然形成过程；而在第三种方式下，当试样的总含水量较低时，在冻结过程中水分迁移不明显，所得试样内部含水量分布比较均匀；但当含水量更大时，在快速多向冻结过程中，水分会向四周迁移，最终易造成试样中的绝大多数含水量分布在试样边缘部位，尤其在试样两端冰、土分离比较严重。显然，在高含水(冰)量冻土试样的人工制备方面还存在诸多问题，因此，研发一种可模拟性强，且适用于常温实验室制备高含水(冰)量冻土试样的人工制备装置及方法，对于研究高含水(冰)量冻土的力学特性问题具有非常重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有高含水(冰)量冻土的人工制备技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置。利用该装置，能在常温实验室实现高含水(冰)量（土、水混合物在融化条件下处于流塑状态）冻土的人工制备。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置，主要由冷浴、冷却液循环管路、方形冷却盘管、铝板、环氧树脂试样筒、试样、制样模具，保温箱、热敏电阻温度传感器和温度调控单元组成。提供冷能的冷浴与冷却液循环管路一端相连，冷却液循环管路另一端与方形冷却盘管相连，方形冷却盘管固定在铝板下表面的扣槽内，热敏电阻温度传感器等间距分布在铝板下表面，铝板上表面铺设一层滤纸，环氧树脂试样筒置于滤纸上，通过螺母将铝板和环氧树脂试样筒固定并位于保温箱的中心，环氧树脂试样筒中置有制样模具及与模具相箍的试样，环氧树脂试样筒顶部有匹配的环氧树脂顶盖，温度调控单元由温控器和数显式数据采集仪组成，其中温控器与热敏电阻温度传感器上的引线连接，数显式数据采集仪与温控器连接。
本发明的优点：
本发明由温控系统、分层装样系统和保温箱三部分构成，其中温控系统包括冷浴、冷液循环管路、冷却盘管、热敏电阻温度传感器和温度调控单元；分层装样系统包括铝制底板、滤纸、环氧树脂试样筒、环氧树脂顶盖和制样模具。温控系统自动调节分层装样系统的底板温度，保温箱为分层装样系统提供稳定的环境温度。
本发明通过温控系统和恒温箱控制环氧树脂试样筒底部温度，将呈流塑态的土、水均匀混合物由制样模具上端口分次加入，然后通过调节环氧树脂试样筒底部温度、每次加入土、水混合物的层厚及每加完一层后的恒温时间，实现具有层状或整体状构造的高含水(冰)量冻土试样的人工制备，从而为高含水(冰)量冻土力学特性的试验研究提供了试样保证。
附图说明
图1是本发明立体示意图。
图2是图1中环氧树脂试样筒与保温箱剖面示意图。
图3是图1中试样与装样模具立体示意图。
具体实施方式
本发明使用的热敏电阻温度传感器，由热敏电阻和针形的耐压钢套组成，其引线为两线制；其性能在《冰川冻土》2011第33卷第4期“高精度热敏电阻温度传感器的技术改进及使用特点”的研究文章中公开；其尺寸为：传感器外径3.0mm，长度15.0mm，引线长度1.0～3.0m; 其型号为：小型高精度热敏电阻温度传感器，由兰州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生产。
下面结合附图对本发明的技术方案再作进一步说明：
参见图1-3，一种适用于高含水(冰)量冻土的人工单向冻结分层制样装置，主要由冷浴1、冷却液循环管路2、方形冷却盘管3、铝板4、环氧树脂试样筒6、试样8、制样模具9，保温箱10、热敏电阻温度传感器11和温度调控单元12组成。提供冷能的冷浴1与冷却液循环管路2一端相连，冷却液循环管路2另一端与方形冷却盘管3 相连。冷却液循环管路2为具有抗冻性能的塑胶管，其外部配备塑胶绝热套管。方形冷却盘管3的面积基本接近于铝板4的下表面积，并被固定在铝板4下表面的扣槽内。方形冷却盘管3为铜制品，其口径为10mm；铝板4厚15mm，面积与环氧树脂试样筒6的底面相当。4个热敏电阻温度传感器11等间距分布在铝板4下表面。铝板4上表面铺设一层滤纸5，环氧树脂试样筒6置于滤纸5上，通过4个螺母将铝板4和环氧树脂试样筒6固定并放置于正方体保温箱10的中心。环氧树脂试样筒6底部的方形冷却盘管3和铝板4用可塑性高的绝热材料密封。保温箱10内部空间是环氧树脂试样筒6体积的2倍，其箱体由木板内夹绝热材料构成，实现箱体内的温度不受环境温度的影响。环氧树脂试样筒6中置有制样模具9与制样模具9相紧箍的试样8，环氧树脂试样筒6顶部有匹配的环氧树脂顶盖7。环氧树脂试样筒6、环氧树脂顶盖7和制样模具9选用具有一定抗变形能力和抗冻性能且绝热的环氧树脂材质。制样模具9呈对开两瓣模，其内径为61.8mm，高度为160.0mm。
温度调控单元12由温控器和数显式数据采集仪组成，其中温控器与热敏电阻温度传感器11上的引线连接，数显式数据采集仪与温控器连接。通过数显式数据采集仪可直接观察到环氧树脂试样筒底部温度的实时变化。
制备高含水(冰)量冻土的人工试样时，先在制样模具9的内外表面均匀地涂抹一层薄薄的凡士林，并将其插入环氧树脂试样筒6的空心圆柱中，然后分别盖上环氧树脂顶盖7和保温箱上盖；开启冷浴1和温度调控单元12，并在温控器上设定温度为-20.0℃。根据设定的温度，由温控器将信号传递给热敏电阻温度传感器11，再由热敏电阻温度传感器11间接反馈给冷浴1，最终实现环氧树脂试样筒底板上的温度控制。待环氧树脂试样筒6底端温度达到设定值并稳定2小时后，开启环氧树脂顶盖7，并在每个制样模具9内分别注入30ml 0℃的蒸馏水，待蒸馏水被完全冻结后，将配置好的温度为0.2～0.5℃的土、水均匀混合物分等层（分层厚度随流塑混合物在融化状态时土、水质量比的变化而变化，当土、水质量比小于等于0.5时，层厚为20.0mm；当土、水质量比居于0.5～1.0之间时，层厚为30.0mm；当土、水质量比大于1.0时，层厚为40.0mm）逐步装入制样模具9内，每装完一层后，要进行适当的冻结，在冻结过程中要伴随适当的搅拌，以防土颗粒剧烈下沉；当发现前一层土体上表面成粘稠状时，继续装入后一层土、水均匀混合物，依次类推，直至模具9中试样高度超过150.0mm为止；然后盖上环氧树脂顶盖7，进行10小时以上的恒温，待恒温过程完成以后，关闭冷浴，断开冷却液循环管路2和方形冷却盘管3的连接，将分层装样系统移出保温箱10，并用千斤顶从环氧树脂试样筒底部一次性顶出制样模具9和试样8，脱掉试样模具9将试样8装入限制侧向变形的铜制模具，并放入-20.0℃的恒温设施进行48小时以上的恒温，完成恒温后，对试样脱铜制模具，并削掉试验下端部的冰层，然后根据需要的尺寸切削试样，将切削好的试样放入恒温箱，完成人工高含水(冰)量冻土试样的制备。

Claims (1)

1.一种适用于高含水（冰）量冻土的人工单向冻结分层制样装置，主要由冷浴(1)、冷却液循环管路(2)、方形冷却盘管(3)、铝板(4)、环氧树脂试样筒(6)、试样(8)、制样模具(9)、保温箱(10)、热敏电阻温度传感器(11)和温度调控单元(12)组成，其特征在于：提供冷能的冷浴(1)与冷却液循环管路(2)一端相连，冷却液循环管路(2)另一端与方形冷却盘管(3) 相连，方形冷却盘管(3)固定在铝板(4)下表面的扣槽内，热敏电阻温度传感器(11)等间距分布在铝板(4)下表面上，铝板(4)上表面铺设一层滤纸(5)，环氧树脂试样筒(6)置于滤纸(5)上，通过螺母将铝板(4)和环氧树脂试样筒(6)固定并位于保温箱(10)的中心，环氧树脂试样筒(6)中置有制样模具(9)及与模具相箍的试样(8)，环氧树脂试样筒(6)顶部有匹配的环氧树脂顶盖(7)，温度调控单元(12)由温控器和数显式数据采集仪组成，其中温控器与热敏电阻温度传感器(11)上的引线连接，数显式数据采集仪与温控器连接。
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