CN104267172A - 一种多功能一体化式土体冻融试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能一体化式土体冻融试验系统，包括模型承载系统、控温系统、补水系统、大气环境模拟系统和数据采集系统五部分。通过冷浴分别控制模型箱内上、下控温板的温度，箱体顶部设置风扇和可旋转洒水喷头，实现对大气降雨和野外风的模拟。箱体底部设有补水系统，土样测试断面设置温度、体积未冻水含量、土水势、热通量、变形等传感器，对冻融过程中的土样的温度、体积未冻水含量、土水势、热通量、变形量等物理力学要素进行有效测试，大大提高了可测量的精度和范围。克服了现有冻融试验系统因小尺寸引起的尺度效应的缺点和不足。本发明结构简单、易于操作、测量准确，对工作环境条件要求低、工作稳定。

Description

一种多功能一体化式土体冻融试验系统

技术领域

本发明涉及一种试验测试系统，具体是指一种多功能一体化式土体冻融试验系统。可有效测量开放及封闭系统条件下土体冻融过程中的温度、体积未冻水含量、土水势、热通量及变形等物理力学要素的变化情况，为研究土体在冻融过程中的水热变化过程及冻融变形规律提供了有效的途径。

背景技术

冻融试验是通过人工制冷和制热技术对指定的试样进行冻结和融化过程模拟并测定其物理化学及力学性质的过程。冻融试验技术在材料科学、寒区工程和医药等领域有着广泛应用，例如混凝土材料耐久性、土体冻融过程的物理力学性质研究、新药品包装与储存稳定性等诸多方面。

冻融试验是研究土体在冻融过程中水-热-力特性变化的主要手段。目前国内冻胀、融沉试验一般采用圆柱状试样，直径有6.18cm~20cm不等，对应的高度为10cm~20cm之间（徐湘田，赖远明，刘峰，常小晓，董元宏. 冻土中几类力学试验方法的探讨[J]. 冰川冻土，2011，33(5): 1132-1138；Yuanming Lai, Wansheng Pei, Mingyi Zhang, Jiazuo Zhou. Study on theory model of hydro-thermal–mechanical interaction process in saturated freezing silty soil [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 78: 805–819），将圆柱状试样放置在装有温度传感器的有机玻璃桶内，并一同置于恒温箱中，对试样上端和下端进行控温，对试样内部的温度变化及外部整体变形进行监测，这些试验模型的特点为土样尺寸小，易于操作，只能研究温度梯度、外部载荷、初始含水量及土体类型等宏观因素对土体冻融特征的影响，无法监测土体在冻融过程中内部微观要素的变化过程，如：体积未冻水含量、土水势等的动态变化；加之野外的实际条件面临的是水分迁移路线长、温度场分布范围广、冻胀生长空间大等特点。因此，目前这样的模型试验由于土样尺寸小、试验系统功能有限，并且容易受到环境的干扰，对内部水分迁移、温度变化及变形量的准确测量存在很大的难度。

面对小试样测量要素单一（试样内部的温度和外部整体变形）、测量难度大等问题，为了综合考虑诸多影响冻融试验效果的因素，更加真实地模拟野外环境条件，充分发挥室内试验成本低、效率高的优势，对多要素（试样内部的温度、体积未冻水含量、土水势变化及外部变形等）进行有效测试，设计合理有效的室内多功能一体化式大尺寸土体试样的冻融试验装置，完成土体试样在冻融过程中的物理力学性质的有效测试是非常有必要的。

 

发明内容

为更加真实地模拟冻土的野外实际状态，本发明的目的旨在提供一种多功能一体化式土体冻融试验系统。可以监测土体在冻融过程中内部微观要素的变化。

本发明所采用的技术方案是：

一种多功能一体化式土体冻融试验系统，是由模型箱体、脚轮、光滑绝热板、传感器引线口、冷浴液导管进出口、土样平台、下控温板、上控温板、固定横梁、侧壁支柱、顶盖、扣件、冷浴液接口、导液管、1#冷浴、2#冷浴、冷浴液、位移传感器、其他传感器、水位控制器、水位测试导管、导水管、导水管接口、硬板、补水槽、风扇、可旋转洒水喷头、固定框架、数据采集仪及计算机组成。模型箱体和顶盖通过扣件为一封闭整体，底部置有脚轮，模型箱体侧壁由不锈钢夹保温材料构成，内壁敷有光滑绝热板，模型箱体每个侧壁拐角设侧壁支柱，用于支撑和固定上控温板和下控温板，上控温板下方依序置有固定横梁和硬板，固定横梁与固定框架用于固定模型箱内壁，固定横梁上装有风扇和可旋转洒水喷头；下控温板位于模型箱体的底部，其上部设置补水槽，补水槽上布设透水膜为土样平台，土样居于硬板与土样平台之间；位移传感器下部稳固于固定横梁上，其头部探针通过硬板与土样顶面接触，其他传感器通过模型箱左右两侧壁设有的两个传感器引线口埋设在测试土样的截面处，其引线与数据采集仪相连，数据采集仪再与计算机相连；模型箱体外的水位控制器和水位测试导管通过导水管与补水槽两侧的导水管接口相连，模型箱前侧壁上、下部设冷浴液导管进出口与上控温板、下控温板的冷浴液接口对应；1#冷浴和2#冷浴内分别盛有冷浴液，2#冷浴通过导液管及冷浴液接口与上控温板连接，1#冷浴通过导液管及冷浴液接口与下控温板连接。

上述的其它传感器为温度传感器、体积未冻水含量传感器、土水势传感器、热通量传感器和变形传感器。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、本发明采用大容积、大尺寸的模型箱，箱体内可布置传感器的测点多，有效克服了现有模型试验由于土样尺寸小、试验系统功能有限的不足。通过冷浴分别控制模型箱内上、下控温板的温度，箱体顶部设置风扇和可旋转洒水喷头，使上下两个独立冷浴和补水系统实现冻融试验控温与补水的同步进行，并且利用大尺寸土样内的多种传感器对试样内部的温度、体积未冻水含量、土水势、热通量及土样变形等进行有效测试。从而实现了土样冻融过程中多种物理力学参数的同时测量，实现了野外大气环境中风和降雨过程的模拟，为大尺寸土样室内试验开辟了一条新途径。

2、本发明既能通过底部补水系统实现开放环境的冻融试验，又能通过关闭补水系统实现封闭环境的冻融试验，并可由自动补水控制器调节水分补给量，模拟多种试验条件，实现对季节冻土的有效模拟；也可通过设置下控温板为负温，关闭补水系统，通过在下部土层中设置人造冰层来达到模拟多年冻土的目的。

3、本发明可根据不同行业规范和标准设计试验冻融过程，多样化自由增减测试元件（如各类传感器等），兼容性好，二次开发程度高，可实现差异化试验设计。

4、本发明结构简单、易于操作、对工作环境条件要求低、工作稳定，同时通过计算机实现对整个试验装置的一体化管理与控制。具有试验功能强、测试要素多、数据测试准确、易于操作和控制等优点。

附图说明

    图1是本发明结构示意图。

图2是模型箱的俯视图。

图3是模型箱的侧视图。

图4是模型箱内土样上部0.75m位置处体积未冻水含量随温度变化曲线。

图5为模型箱内土样上部0.75m位置处土水势随温度变化曲线。

图6为模型箱内土样整体冻胀变形随时间变化曲线。

    具体实施方式

下面结合附图，对本发明再做进一步的说明：

如图1~3所示，一种多功能一体化式土体冻融试验系统，是由整体式模型箱1、脚轮2、光滑Stp绝热板3、传感器引线口4、冷浴液导管进出口5、土样平台6、下控温板7、上控温板8、固定横梁9、侧壁支柱10、顶盖11、扣件12、冷浴液接口13、导液管14、1#冷浴15、2#冷浴16、冷浴液17、位移传感器18、其他传感器19、水位控制器20、水位测试导管21、导水管22、导水管接口23、硬板24、补水槽25、风扇26、可旋转洒水喷头27、固定框架28、数据采集仪29及计算机30组成。模型箱体1和顶盖11通过扣件12形成一封闭整体（可为长方体或圆柱体），其底部设360度活动脚轮2。模型箱1侧壁由不锈钢夹PVC保温材料构成，保温材料厚度不小于0.1m，内壁敷有光滑绝热板3，模型箱体1每个侧壁拐角设侧壁支柱10，用于支撑和固定上控温板8和下控温板7，上控温板8下方依序置有固定横梁9和硬板24，固定横梁9与固定框架28固定于模型箱内壁，固定框架28上装有风扇26和可旋转洒水喷头27，下控温板7位于模型箱体1的底部，其上部设置补水槽25，补水槽25上布设透水膜为土样平台6，保证土样的稳定性及底部补水畅通，土样居于硬板24与土样平台6之间；位移传感器18下部稳固于固定横梁9上，其头部探针通过硬板24与土样顶面接触，其他传感器19包括温度传感器、体积未冻水含量传感器、土水势传感器、热通量传感器。通过模型箱1左右两侧壁设有的两个传感器引线口4分布均匀地埋设在测试土样的截面处，其引线穿过传感器引线口4分别与电源和数据采集仪29相连，数据采集仪再与计算机30相连,实现对温度、体积未冻水含量、土水势、热通量数据采集。模型箱体1外的水位控制器20和水位测试导管21通过导水管22与补水槽两侧的导水管接口23相连，实现水位控制和测试。模型箱1前侧壁上、下部设冷浴液导管进出口5，与上控温板8、下控温板7的冷浴液接口13对应。

实施过程中，首先在模型箱1底部布置好下控温板7，依次向上布设补水槽25及土样平台6。紧接着是在土样平台6上开始装样，装样过程中按照目前规范要求采用分层压密的方式进行。土样可为不同土质、不同粒径、不同含水量的一种或几种的组合，并在土样顶面通过固定横梁9和硬板24设置位移传感器18，同时在测试土样中均匀埋设其它传感器19，连好引线。然后布置装有风扇26和可旋转洒水喷头27的固定框架28，再将上控温板8就位，并用防水保温材料密封周围缝隙，同时将冷浴液导管进出口5和传感器引线口4也进行保温密封，最后关闭模型箱顶盖11并用扣件12扣死使模型箱1形成为一个封闭整体，最大程度实现保温效果，降低周围环境温度对试验过程的影响程度。1#冷浴15和2#冷浴16内分别盛有冷浴液17，1#冷浴15通过导液管14及冷浴液接口13与下控温板7连接，2#冷浴16通过导液管14及冷浴液接口13与上控温板8连接，实现了将冷浴液注入上、下控温板进行控温的效果，冷浴液可为酒精、或煤油等低凝固点的液体。导液管外壁设置PVC保温材料，进行隔热保温，保温材料厚度≥5 cm，导热系数≤0.025 W/（m·℃）。根据试验设计要求可选择打开风扇26模拟野外风以及打开可旋转洒水喷头27模拟降雨过程，并可由自动补水控制器20调节水分补给量，通过水位测试导管21实现水位调整过程可视化。试验开始后将各类传感器与数据采集仪29相连，数据采集仪29与计算机30相连，设置好采集频率后可实现数据自动化采集，通过计算机实现对整个试验装置的一体化管理与控制。

测试实例

利用本发明对尺寸为0.95m×0.95m×0.80m（长、宽、高）的大尺寸土样进行了冻结试验。试验土样材料选取青藏粉质粘土，粒径d≤2 mm，初始体积含水量37-38%。

首先将土样恒温，使其内部温度均匀分布后，通过冷浴控制模型箱内上控温板8的温度为-10.0℃，下控温板7的温度+1.5℃，对土样进行冻结试验。数据采集时间间隔为每10分钟一次，试验主要对土样的温度、体积未冻水含量、土水势、冻胀变形等要素进行了测试。

考虑到土样顶部按负温控制，导致土样上部各要素的变化相对显著，因此选择土样上部0.75m位置埋设温度传感器、体积未冻水含量传感器、土水势传感器，将温度、体积未冻水含量、土水势作为研究对象。图4是模型箱内土样上部0.75m位置处体积未冻水含量随温度变化曲线。从该图4可以看出：在整个试验过程中，土样在正温条件下因未冻结，体积未冻水含量基本保持不变，而到了负温状态时，测试点土样开始冻结，体积未冻水含量迅速降低；图5为模型箱内土样上部0.75m位置处土水势随温度变化曲线。该曲线的变化趋势与体积未冻水含量变化趋势具有一致性，这也表明土样的土水势与其体积未冻水含量密切相关，具体表现为随着温度降低至水的冻结温度后，处于饱和状态的土样中液态水开始冻结，未冻水含量开始减小，土中未冻水由于受到土壤毛管产生的毛管力和土粒表面的吸附力所引起的土水势（负值）开始减小，这与试验结果是相吻合的。

图6为模型箱内土样整体冻胀变形随时间变化曲线。从图6中可以看出土样在正温时由于土中液态水未冻结，因此不存在冻胀现象；而在土样开始冻结时，一方面随着土中液态水向固态冰的转变引起土样整体的体积增大，另一方面由于水分向冻结锋面的迁移导致分凝冰的出现，二者综合作用致使土样冻胀量呈逐渐增大趋势。

通过以上分析，我们发现该试验系统能够简单、准确地测试土样在环境温度变化过程中温度、体积未冻水含量、土水势、冻胀变形等关键要素的变化特征，且本试验系统具有控温、补水等多项功能，这足以表明本试验系统不仅能够有效地完成土体的冻融试验，而且具有很高的准确性和实用性。

Claims (2)

1.一种多功能一体化式土体冻融试验系统，是由模型箱体（1）、脚轮（2）、光滑绝热板（3）、传感器引线口（4）、冷浴液导管进出口（5）、土样平台（6）、下控温板（7）、上控温板（8）、固定横梁（9）、侧壁支柱（10）、顶盖（11）、扣件（12）、冷浴液接口（13）、导液管（14）、1#冷浴（15）、2#冷浴（16）、冷浴液（17）、位移传感器（18）、其他传感器（19）、水位控制器（20）、水位测试导管（21）、导水管（22）、导水管接口（23）、硬板（24）、补水槽（25）、风扇（26）、可旋转洒水喷头（27）、固定框架（28）、数据采集仪（29）及计算机（30）组成，模型箱体（1）和顶盖（11）通过扣件（12）为一封闭整体，底部置有脚轮（2），其特征是模型箱体（1）侧壁由不锈钢夹保温材料构成，内壁敷有光滑绝热板（3），模型箱体（1）每个侧壁拐角设侧壁支柱（10），用于支撑和固定上控温板（8）和下控温板（7），上控温板（8）下方依序置有固定横梁（9）和硬板（24），固定横梁（9）与固定框架（28）用于固定模型箱内壁，固定横梁（9）上装有风扇（26）和可旋转洒水喷头（27）；下控温板（7）位于模型箱体（1）的底部，其上部设置补水槽（25），补水槽（25）上布设透水膜为土样平台（6），土样居于硬板（24）与土样平台（6）之间；位移传感器（18）下部稳固于固定横梁（9）上，其头部探针通过硬板（24）与土样顶面接触，其他传感器（19）通过模型箱（1）左右两侧壁设有的两个传感器引线口（4）埋设在测试土样的截面处，其引线与数据采集仪（29）相连，数据采集仪再与计算机（30）相连；模型箱体（1）外的水位控制器（20）和水位测试导管（21）通过导水管（22）与补水槽（25）两侧的导水管接口（23）相连，模型箱（1）前侧壁上、下部设冷浴液导管进出口（5）与上控温板（8）、下控温板（7）的冷浴液接口（13）对应；1#冷浴（15）和2#冷浴（16）内分别盛有冷浴液（17），2#冷浴（16）通过导液管（14）及冷浴液接口（13）与上控温板（8），连接、1#冷浴（15）通过导液管（14）及冷浴液接口（13）与下控温板（7）连接。

2.根据权利要求1所述一种多功能一体化式土体冻融试验系统，其特征是上述的其它传感器（19）为温度传感器、体积未冻水含量传感器、土水势传感器、热通量传感器和变形传感器。