CN104215566A - 可视化土体冻融过程试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可视化土体冻融过程试验装置，控温箱与外部压缩机相接，控温箱内，半圆柱体试样罐置于控温底板上，控温底板上刻有凹槽，凹槽上设密封圈与半圆柱体试样罐底面接触，控温底板上有孔，一孔通过导水管与马廖特瓶相连，另一孔与水头调节管相连，控温底板上放置滤纸和土样，土样顶部与控温顶板接触，控温顶板上有把手；位移传感器固定于支架上，并与控温顶板顶面接触；温度传感器通过试样罐壁面上探头孔插入土样中，位移传感器和温度传感器通过引线与数据采集仪相连；可调光源置于照相机两侧，照相机置于半圆柱体试样罐正面，并通过引线与电子计算机连接。本发明研究土体冻结过程中土的冻结速率、水分迁移速率、冰晶生长速度、分凝冰厚度、冻胀速度随时间的动态变化过程，直观的看到试验土柱中冻结锋面移动及冻结缘的发育过程，为揭示土的冻结与融化机理提供技术保证。

Description

可视化土体冻融过程试验装置

 

技术领域

本发明涉及一种室内对土体冻融过程研究的试验装置。利用此装置，既可以测得土在某一温度梯度作用下冻结时，各层土温、水分迁移量随时间的动态变化，也可以较为直观的看到试验土柱中水流运移的过程、冻结锋面移动的过程以及冻结缘的发育过程，为进一步阐明土的冻胀与融沉机制研究提供技术支撑。

 

背景技术

土的冻结与融化过程，是一种常见的自然界现象。当气温下降使表土层或土工构筑物中的温度低于土壤水冰点时，一方面地表土层中孔隙水冻结成冰，体积膨胀；另一方面则在负温梯度作用下，下部未冻土层中的水分源源不断向上部冻结区迁移、聚集而形成多晶体、透镜体、冰夹层等形式的冰侵入体，引起土体体积增大，导致地表不均匀上升，产生冻胀。反之，当气温升高，冻结后的土体融化，一方面伴随着土体中冰侵入体消融成水，其体积减小；另一方面在自重和外荷载作用下，融化的孔隙水排出，导致土体压缩，即融沉现象。土体在冻结与融化过程中产生的冻胀与融沉是寒区工程建设所面临的两大主要灾害，如何预报并提出行之有效的工程对策是寒区工程稳定性设计的前提，而合理措施的提出却离不开对土体冻结与融化过程的正确认识。

目前对土冻结与融化过程的试验研究方法一般有两类：室内模拟研究和现场实测。室内模拟研究由于试验边界条件可控、操作简便、费用低廉等优点，常成为研究工作者认识自然规律必不可少的研究方法。对土体冻结与融化过程的研究也一样，现在实验室虽然有较为成熟的测试技术，但这些测试技术一般只能测量土在冻结过程中各个剖面温度的变化、土在冻结过程中水分迁移量随时间的变化以及土的冻胀总量随时间的变化，对于土冻结过程中冰分凝的位置、冻结锋面的前进速度、冻结缘的厚度等进一步认识冻结过程的关键因素，只能通过测定试样不同层面的土温来确定，或者在低温状态下通过对试后试样的纵剖面制作复形膜，然后利用图像数字化技术对复形膜处理后统计每一层分凝冰厚度和位置，进行反演分析，获得试验期间每一层分凝冰形成的时间、位置和温度等资料。但是这样的研究方法，是在假定土体每个时间段分凝冻胀量等于该时间分凝冰层厚度的基础上进行的，对分凝冰形成的时间、位置和温度的确定是根据已知资料推算而得，其结果是否准确反映土的真实冻结过程还无法确定。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种可视化土体冻融过程试验装置，可监测分凝冰动态形成的过程。该装置可进行冻结过程染色示踪试验，在监测土柱各层面温度动态变化的同时，利用高分辨率照相机，对冻结过程中迁移水分的运动过程和分凝冰的形成动态进行监测并定时采集图像，最后，通过对所采集的图像进行格式转换、灰度变换、几何失真校正、去除反光、图像分割选取阈值等数字化处理，获取土的冻结速率、水分迁移速率、冰晶生长速度、分凝冰厚度、冻胀速度等参数。为进一步揭示土的冻结与融化机理提供必要的技术保证。

    本发明的目的是通过以下措施来实现：

一种可视化土体冻融过程试验装置，包括马廖特瓶、支架、位移传感器、把手、控温顶板、探头孔、温度传感器、密封圈、水位调节管、导水管、控温底板、滤纸、半圆柱体试样罐、土样、高分辨率照相机、控温箱、可调光源、数据采集仪、电子计算机、循环槽。控温箱内，半圆柱体试样罐置于控温底板之上，控温底板上刻有凹槽，凹槽上设密封圈与半圆柱体试样罐底面接触，控温底板上开有两个小孔，其中一孔通过导水管与马廖特瓶相连，另一孔与水头调节管相连，控温底板上依次放置滤纸和土样，土样顶部与控温顶板接触，控温顶板上开有循环槽，顶板上安装把手；位移传感器固定于支架之上，并与控温顶板顶面接触；温度传感器通过试样罐壁面上探头孔插入土样中，位移传感器和温度传感器通过引线与数据采集仪相连；可调光源置于高分辨率照相机两侧，高分辨率照相机置于半圆柱体试样罐正面，并通过引线与电子计算机连接。 

     本发明的优点和产生的有益效果是：

1、本发明充分利用厚有机玻璃强度高、导热性差的特点，使其既满足研究土体冻融过程试验时，土对管壁压力的要求，又可以减小控温箱内环境温度对研究土样温度的干扰；

2、在有机玻璃管壁开设小孔，将温度传感器植入土体后，用密封胶将小孔密封，这样，即可较为方便的获得温度数据，又减少了装样过程中布设温度探头后，对试样的扰动；

3、制作半圆形有机试样罐，可以方便观测，还可以减少物体表面弯曲对拍摄过程的影响。由于罐体平面部分可拆卸，不仅有利于在装样过程中布置温度探头，而且保证了试样的均匀性，并便于最后对试后试样在不同层面的含水量进行测定。

4、在土体冻融过程试验中，以亮蓝溶液作为示踪剂，可较为清晰的掌握土冻融过程中，水分的运动轨迹，为更为准确的揭示冻胀与融沉的机理提供理论依据。

5、高分辨率照相机与电子计算机相连接，并在计算机中安装一软件，运行本软件，使计算机来控制照相机的曝光频率，并将所获得高分辨率照片直接存入计算机，克服相机内存不足的局限性。

6、通过对原有冻融过程试验装置中压头的改进，使其能满足半圆形试验罐的要求，并通过对冷浴循环路径的改造，保证冷浴循环过程中，试样与上、下压头接触面温度的均匀性；

7、在控温箱内，安装无影的可调冷光源，一来保证光源不发热，即使发热，也不至影响恒温箱的温度；二来可避免周围物体（譬如数据线）的影子对拍照效果的影响；

8、可利用现有的制冷设备和控温装置，就可对土体实行冻融过程试验，从而实现对土冻融过程中，温度、吸排水量的自动测量；

9、可利用现有的可控制力值大小的任何材料试验机，就可给土体加载，从而实现高压力作用下对土体冻融过程的研究。

附图说明

图1 为本发明正视图。

图中：

1. 马廖特瓶 2. 支架 3. 位移传感器 4. 把手 5. 控温顶板6. 探头孔  

7. 温度传感器 8. 密封圈 9. 水位调节管 10. 导水管 11. 控温底板  

12. 滤纸 13. 半圆柱体试样罐 14. 土样 15. 高分辨率照相机 16. 控温箱  

17. 可调光源 18. 数据采集仪 19. 电子计算机  20. 循环槽

图2 为本发明俯视图。

图3 为图1中控温顶板正视图。

图4为图3中控温顶板后视图。

图5为图3侧断面示意图。

图6 为图1中控温底板正视图。

图7为图6中控温底板后视图。

图8为图6侧断面示意图。

图9 为本发明在粘土冻结试验开始时所拍的照片。

图10为本发明在粘土冻结试验7小时后所拍的照片。

图11为本发明在粘土冻结试验3天后所拍的照片。

图12为本发明在粘土冻结试验5天后所拍的照片。

 

具体实施方式

结合附图，本发明通过实测事例再做进一步的详述： 

如图1-8所示，一种可视化土体冻融过程试验装置，包括1. 马廖特瓶 2. 支架 3. 位移传感器 4. 把手 5. 控温顶板6. 探头孔  7. 温度传感器 8. 密封圈 9. 水位调节管 10. 导水管 11. 控温底板  12. 滤纸 13. 半圆柱体试样罐 14. 土样 15. 高分辨率照相机 16. 控温箱  17. 可调光源 18. 数据采集仪 19. 电子计算机  20. 循环槽。控温箱16与外部压缩机连接，通过压缩机对控温箱16内温度进行控制，使箱体温度达到试验所需要的环境温度并保持稳定；控温箱16内，半圆柱体试样罐13置于控温底板11之上，控温底板11上刻有凹槽，凹槽上设密封圈8与半圆柱体试样罐13底面接触，从而保证试验过程中罐体的密封性；控温底板11上开有两个小孔，其中一孔通过导水管10与马廖特瓶1相连，另一孔与水头调节管9相连，试验时，通过调节水头调节管9使马廖特瓶1中的气压、水压、外部大气压以及土样14底面压力达到平衡状态，从而实现对试验补水条件的控制；控温底板11上依次放置滤纸12和土样14，土样14顶部与控温顶板5接触，控温顶板5上开有循环槽20，顶板上安装把手4，从而可以方便的移动控温顶板5；控温顶板5和控温底板11均由上、下盖板组成(如图3所示)，盖板上刻有循环槽20，循环槽20与外部冷浴连接，从而实现对土样14端面温度的控制；控温顶板5、试样罐13和控温底板11通过支架2连为一体，位移传感器3固定于支架2之上，并与控温顶板5顶面接触；温度传感器7通过试样罐13壁面上探头孔6插入土样14中，试验时，温度传感器7和位移传感器3通过引线与数据采集仪18相连，从而可获得试验过程中土样14轴向温度及位移随时间的动态变化过程；可调光源17置于高分辨率照相机15两侧，通过调节可调光源17一方面可保证高分辨率照相机15采集图像的质量，另一方面也可增强不同试验之间的可比性；高分辨率照相机15置于半圆柱体试样罐13正面，镜头垂直于半圆柱体试样罐13壁面，高分辨率照相机15通过引线与电子计算机19连接，试验时，通过电子计算机19可对高分辨率照相机15采集图像的格式及采样间隔进行控制。

室内对含水量为20%的粘土进行开放系统条件下单向冻结试验，试验时间为120h。试验之前，调整控温箱体及控温顶、底板温度为1℃并恒温保持6h-8h，待土样内部温度分布均匀后保持控温箱及控温底板温度不变，迅速降低控温顶板温度至-15℃进行单向冻结试验。试验过程中所采集的冻结过程图片如图9-12所示。图9-12表明，随着单向冻结时间的延续，土体的冻结锋面逐渐下移，含冰区域逐渐扩大，土中水分的重分布现象比较明显，图9-12中可以看出土体在单向冻结过程中土体内部冰层的发育全过程。图9为试样初始状态；图10为对试样冷端施加负温后，土体冻结初期，冻结锋面快速下移，土体内部部分水分相变成冰；图11和图12为随着冻结持续时间的增加，土体冻结锋面的下移速度降低，土体内部更多的水分相变成冰，从而在土体内部产生明显的冰层，进而引起土体体积膨胀，产生冻胀。

本发明结合试验所获得的试样在不同层面温度的变化过程及土的总变形，通过对图像进行格式转换、灰度变换、几何失真校正、去除反光、图像分割选取阈值等数字化处理，就可获取土的冻结速率、水分迁移速率、冰晶生长速度、分凝冰厚度、冻胀速度等参数。

Claims (1)

1.一种可视化土体冻融过程试验装置，包括马廖特瓶(1)、支架(2)、位移传感器(3)、把手(4)、控温顶板(5)、探头孔(6)、温度传感器(7)、密封圈(8)、水位调节管(9) 、导水管(10)、控温底板(11)、滤纸(12)、半圆柱体试样罐(13)、土样(14)、高分辨率照相机(15)、控温箱(16)、可调光源(17)、数据采集仪(18)、 电子计算机(19)、循环槽(20)，其特征是半圆柱体试样罐(13)置于是控温箱(16)内控温底板(11)之上，控温底板(11)上刻有凹槽，凹槽上设密封圈（8）与半圆柱体试样罐(13)底面接触，控温底板(11)上开有两个小孔，一孔通过导水管(10)与马廖特瓶(1)相连，另一孔与水头调节管(9)相连，控温底板(11)上依次放置滤纸(12)和土样(14)，土样(14)顶部与控温顶板(5)接触，控温顶板(5)上开有循环槽（20），顶板上安装把手(4)；位移传感器(3)固定于支架(2)之上，并与控温顶板(5)顶面接触；温度传感器(7)通过试样罐壁面上探头孔(6)插入土样(14)中，位移传感器(3)和温度传感器(7)分别通过引线与数据采集仪(18)相连；可调光源(17)置于高分辨率照相机(15)两侧，高分辨率照相机(15)置于半圆柱体试样罐(13)正面，并通过引线与电子计算机(19)连接。