CN104749205B - 土体冻结过程水热力综合试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体冻结过程水热力综合试验系统，包括内部装有被测试土样的试模、通过制冷使被测试土样冻结的冷浴装置、对被测试土样进行冻胀变形测试的土体分层冻胀变形测试装置、模拟地下水对被测试土样内部进行补水的补水装置以及含水量检测装置和温度检测装置，试模内侧底部设置有透水层，该系统结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，能在室内模拟土体冻结过程。同时，本发明还公开了一种土体冻结过程水热力综合试验方法，包括步骤：一、土样获取；二、装模；三、封模；四、土样冻结试验及测试数据记录；五、测试数据整理，该方法步骤简单且实现方便、使用效果好，能对冻结过程中土体内部含水量、温度和竖向变形量进行测试。

Description

土体冻结过程水热力综合试验系统

技术领域

本发明属于冻土地区路基工程室内试验测试领域，尤其是涉及一种土体冻结过程水热力综合试验系统及试验方法。

背景技术

我国冻土区域分布广泛，其中多年冻土面积占国土面积的22.3％，在世界上占第三位，高海拔多年冻土面积则居世界之最。季节冻土更遍布大部分国土。在上述冻土地区修筑的公路均存在着不同的病害形式，如多年冻土地区的典型病害形式为不均匀变形和路基纵向裂缝，季节冻土地区的典型病害形式为冻胀和翻浆。虽然不同地区公路的病害形状多有不同，但大多数的病害都伴随有土体内部水分的迁移、土体内部温度的变化及土体的冻胀变形。在土体冻结过程中，土体内部温度会随之发生变化，温度的变化引起土体中的吸力、含水量等发生变化，并引起土体渗透特性、土水特性以及水-热-力耦合特性的改变。同时，土体内部会存在温度梯度，在温度梯度作用下，土体内部水分会发生迁移，且土体会产生变形。

目前，针对室内土体冻结过程的水热力综合试验的技术还比较少且不成熟，很难同步做到对土体内部含水量、温度以及土体竖向变形进行实时观测和记录，仅仅是局限于对单一因素或某两个因素进行观测，因此一体化性能很差，效率低且测试精度也不高。综上，急需开发一种可在冻结过程中实时记录观测土体内部含水量、温度变化规律，并可以测量土体竖向变形的综合试验系统，用来研究土体冻结过程水热力的综合作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种土体冻结过程水热力综合试验系统，其结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，能在室内模拟土体冻结过程，并能对冻结过程中土体内部含水量、温度和竖向变形量进行有效测试。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征在于：包括内部装有被测试土样的试模、通过制冷使被测试土样冻结的冷浴装置、冻结过程中对被测试土样进行冻胀变形测试的土体分层冻胀变形测试装置、模拟地下水由下至上对被测试土样内部进行补水的补水装置、对被测试土样内部含水量进行实时检测的含水量检测装置和对被测试土样内部温度进行实时检测的温度检测装置，所述试模为呈竖直向布设的圆柱形模具；所述试模的内侧底部设置有透水层，被测试土样位于所述透水层上方，所述补水装置通过补水管对被测试土样进行补水，且补水管的出水口位于所述透水层下方；

所述冷浴装置包括内部装有冷却液的制冷装置和由供冷却液流通管道盘绕形成的冷却盘管，被测试土样的顶部和底部均设置有所述冷却盘管；

所述土体分层冻胀变形测试装置包括多个分别对被测试土样内部不同深度处的冻胀变形量进行实时测试的冻胀变形测试装置，多个所述冻胀变形测试装置的结构均相同且其均为竖向位移测试装置；每个所述冻胀变形测试装置均包括一个由上至下插入至被测试土样内部需测试深度处的冻胀变形测试杆和套装在冻胀变形测试杆外侧的外套管，冻胀变形测试杆为对其所插入位置处的竖向变形量进行实时测试的测杆，所述冻胀变形测试杆为L形且其底部伸出至外套管外侧，所述冻胀变形测试杆和外套管均呈竖直向布设；

所述含水量检测装置包括多个分别对被测试土样内部不同深度处的含水量进行实时检测的水分传感器和对多个所述水分传感器所检测的含水量信息进行采集的含水量信息采集单元，多个所述水分传感器均与含水量信息采集单元电连接；

所述温度检测装置包括多个分别对被测试土样内部不同深度处的温度进行实时检测的温度传感器和对多个所述温度传感器所检测的温度信息进行采集的温度信息采集单元，多个所述温度传感器均与温度信息采集单元电连接；

多个所述水分传感器和多个所述温度传感器均埋设在被测试土样内部。

上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是：多个所述水分传感器由上至下布设在同一竖直面上，多个所述温度传感器由上至下布设在同一竖直面上，多个所述水分传感器与含水量信息采集单元之间均通过一根电连接线进行连接，且多个所述温度传感器与温度信息采集单元之间均通过一根所述电连接线进行连接；所述试模的侧壁上开有多个分别供多根所述电连接线穿出的出线孔。

上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是：所述土体分层冻胀变形测试装置还包括位于被测试土样上方的基准梁，所述基准梁呈水平布设；所述冻胀变形测试杆的上部外侧壁上设置有刻度，所述冻胀变形测试杆的上端伸出至外套管外侧且其上端的高度不低于基准梁的安装高度，所述基准梁为与冻胀变形测试杆上部所设置刻度相配合使用的竖向变形测试用基准梁。

上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是：多个所述冻胀变形测试装置均埋设于被测试土样中部；所述试模包括上下均开口的护筒、对护筒上部进行封堵的上封堵件和对护筒下部进行封堵的下封堵件，被测试土样装于护筒内，所述护筒为圆柱形筒体；所述透水层位于护筒的内侧底部，被测试土样位于所述透水层上方；所述下封堵件上开有供所述补水管穿入的下通孔，且所述上封堵件上开有供多个所述冻胀变形测试装置上部穿出的上通孔。

上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是：所述透水层包括一层呈水平布设的碎石垫层和平铺在碎石垫层上的透水网格，所述透水网格上开有多个透水孔，所述透水网格位于护筒的内侧底部且其直径不大于护筒的内径；所述碎石垫层位于透水网格与所述下封堵件之间；

所述下封堵件位于护筒下方，护筒底部支撑于所述下封堵件上；所述护筒的顶端高度高于被测试试样的顶端高度，所述上封堵件位于护筒的内侧上部；所述护筒的正上方设置有护环，所述护环为呈水平向布设的圆环，所述下封堵件为圆形，且护环的外径和所述下封堵件的直径均大于护筒的外径；所述护环与所述下封堵件之间通过多个立柱紧固连接为一体，多个所述立柱沿圆周方向布设，且护筒通过多个所述立柱紧固固定于护环与所述下封堵件之间。

上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是：所述冷却液流通管道为黄铜管且其通过橡胶软管与制冷装置连接；所述制冷装置和所述冷却盘管的数量均为两个，两个所述冷却盘管分别为位于被测试土样上下两侧的上盘管和下盘管，所述上盘管和下盘管均呈水平布设且二者分别与两个所述制冷装置连接；所述下封堵件包括位于护筒下方的下圆盘和位于下圆盘下方的下盖板，所述下圆盘与下盖板之间设置有供所述下盘管安装的下空腔；所述上封堵件包括位于被测试土样上方的活动圆盘和位于活动圆盘上方的活动盖板，所述活动圆盘为呈水平布设的圆盘，且活动盖板为呈水平布设的圆板，所述活动圆盘与活动盖板之间设置有供所述上盘管安装的上空腔。

上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是：所述补水装置包括补水瓶，所述补水瓶为马氏瓶；所述补水管的一端与补水瓶内部相通且其另一端伸入至试模的内侧底部。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的土体冻结过程水热力综合试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、土样获取：获取需进行水热力综合试验的土样；

步骤二、装模：先在试模的内侧底部布设所述透水层，再将步骤一中所获取的被测试土样分层装入试模内，且每层装入后均对所装入的被测试土样进行夯实；

土样分层装入过程中，将多个所述水分传感器、多个所述温度传感器和多个所述冻胀变形测试装置均埋入被测试土样内；

步骤三、封模：对试模上部进行封堵，此时试模的上下部均处于封堵状态；

步骤四、土样冻结试验及测试数据记录：开启所述冷浴装置和所述补水装置，对步骤二中装入试模内的被测试土样进行制冷和补水，使被测试土样冻结；被测试土样冻结过程中，分多次对多个所述水分传感器、多个所述温度传感器和多个所述冻胀变形测试装置的测试数据进行记录；

待被测试土样内的含水量稳定时，关闭所述冷浴装置和所述补水装置，土样冻结试验结束；

步骤五、测试数据整理：根据步骤四中所记录的多个所述水分传感器、多个所述温度传感器和多个所述冻胀变形测试装置的各次测试数据，绘制出被测试土样内不同深度处的含水量、温度和竖向变形量随时间的变化曲线。

上述方法，其特征是：步骤四中待被测试土样内的含水量稳定时，多个所述水分传感器所检测的含水量信息均在±0.1％范围内波动。

上述方法，其特征是：步骤一中进行土样获取时，先在室外采用取土器取出需进行水热力综合试验的土样，并对所取土样的初始含水率进行测试；之后，在室内采用烘干设备对所取土样进行烘干；步骤二中装模之前，先根据测试得出的所取土样的初始含水率，将烘干后的土样与水进行均匀拌合且经5h±0.5h闷料后，制成含水量分布均匀的土样。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的土体冻结过程水热力综合试验系统结构简单、设计合理且投入成本较低，加工制作及安装布设方便。

2、所采用的土体冻结过程水热力综合试验系统主要包括内部装有被测试土样的试模、通过制冷使被测试土样冻结的冷浴装置、冻结过程中对被测试土样进行冻胀变形测试的土体分层冻胀变形测试装置、模拟地下水由下至上对被测试土样内部进行补水的补水装置、对被测试土样内部含水量进行实时检测的含水量检测装置和对被测试土样内部温度进行实时检测的温度检测装置，上述各组成部分结构设计合理、使用操作简便且使用效果好。

3、所采用的土体冻结过程水热力综合试验系统使用操作简便、操作难度低且使用效果好、实用价值高，能在室内模拟土体冻结过程，能在室内有效模拟土体冻结过程，并能对冻结过程中土体内部含水量、温度和竖向变形量进行有效测试。能实时监测冻结过程中土体内部含水量和温度的变化规律，同时能测试得出冻结过程中土体在不同位置处的竖向变形量，了解土体在冻结过程中的变形规律。因而，所采用的土体冻结过程水热力综合试验系统，集土体内部含水量、温度和变形监测功能于一体，具有一体化性能好且测试精度高等优点。

4、所采用的冷浴装置结构简单、设计合理且控制简易，能简便对被测试土样的上下部进行制冷，实现室内土体冻结。

5、所采用的补水装置能有效模拟地下水上升情形，并能实现向被测试土柱进行均匀补水的目的。

6、所采用的含水量检测装置和温度检测装置，能同步对被测试土体内部多个不同高度处的含水量变化过程和温度变化过程分别进行实时、有效监测。

7、所采用的土体冻结过程水热力综合试验系统，能更好地与工程实际相结合，并且测试结果直观、准确、稳定，试验测试结果受外界测试环境因素的影响较小。

8、所采用的土体冻结过程水热力综合试验方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能简便、快速且有效实现土体冻结过程水热力综合试验过程，并对冻结过程中土体内部含水量、温度和竖向变形量进行有效测试，且测试精度高。

9、适用面广，能对饱和土和非饱和土分别进行测试，并且在开放条件和封闭条件下均能有效使用，能有效适用至室内土体冻结过程水热力综合作用的研究，能实时监测土体内部含水量和温度的变化规律以及土体在冻结过程中的变形规律。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所采用土体冻结过程水热力综合试验系统的结构示意图。

图2为本发明所采用下盖板的结构示意图。

图3为本发明所采用下圆盘的结构示意图。

图4为本发明所采用护筒的结构示意图。

图4-1为图4的俯视图。

图5为本发明所采用活动圆盘的结构示意图。

图6为本发明所采用支脚的结构示意图。

图7为本发明所采用活动盖板的结构示意图。

图8为本发明所采用透水网格的结构示意图。

图9为本发明所采用护环的结构示意图。

图10为本发明所采用外套管的结构示意图。

图11为本发明所采用冻胀变形测试杆的结构示意图。

图12为图11中A处的局部放大图。

图13为本发明所采用土体冻结过程水热力综合试验方法的流程框图。

附图标记说明:

1—限位螺母； 2—橡胶软管； 3—刻度；

4—制冷装置； 5—被测试土样； 6—立柱；

7—护筒； 8—温度信息采集单元； 9—温度传感器；

10—支脚； 11—下盖板； 12—下圆盘；

13—碎石垫层； 14—补水管； 15—冷却液流通管道；

16—补水瓶； 17—玻璃管； 18—瓶塞；

19—透水网格； 20—含水量信息采集单元； 21—出线孔；

22—水分传感器； 23—冻胀变形测试杆； 24—外套管；

25—基准梁； 26—活动盖板； 27—护环；

28—活动圆盘； 29-1—第一圆孔； 29-2—第二圆孔；

29-3—第三圆孔； 29-4—第四圆孔； 30—连接螺栓；

31—螺栓安装孔。

具体实施方式

如图1所示的一种土体冻结过程水热力综合试验系统，包括内部装有被测试土样5的试模、通过制冷使被测试土样5冻结的冷浴装置、冻结过程中对被测试土样5进行冻胀变形测试的土体分层冻胀变形测试装置、模拟地下水由下至上对被测试土样5内部进行补水的补水装置、对被测试土样5内部含水量进行实时检测的含水量检测装置和对被测试土样5内部温度进行实时检测的温度检测装置，所述试模为呈竖直向布设的圆柱形模具。所述试模的内侧底部设置有透水层，被测试土样5位于所述透水层上方，所述补水装置通过补水管14对被测试土样5进行补水，且补水管14 的出水口位于所述透水层下方。

所述冷浴装置包括内部装有冷却液的制冷装置4和由供冷却液流通管道15盘绕形成的冷却盘管，被测试土样5的顶部和底部均设置有所述冷却盘管。

所述土体分层冻胀变形测试装置包括多个分别对被测试土样5内部不同深度处的冻胀变形量进行实时测试的冻胀变形测试装置，多个所述冻胀变形测试装置的结构均相同且其均为竖向位移测试装置；每个所述冻胀变形测试装置均包括一个由上至下插入至被测试土样5内部需测试深度处的冻胀变形测试杆23和套装在冻胀变形测试杆23外侧的外套管24，冻胀变形测试杆23为对其所插入位置处的竖向变形量进行实时测试的测杆，所述冻胀变形测试杆23为L形且其底部伸出至外套管24外侧，所述冻胀变形测试杆23和外套管24均呈竖直向布设。

所述含水量检测装置包括多个分别对被测试土样5内部不同深度处的含水量进行实时检测的水分传感器22和对多个所述水分传感器22所检测的含水量信息进行采集的含水量信息采集单元20，多个所述水分传感器 22均与含水量信息采集单元20电连接。

所述温度检测装置包括多个分别对被测试土样5内部不同深度处的温度进行实时检测的温度传感器9和对多个所述温度传感器9所检测的温度信息进行采集的温度信息采集单元8，多个所述温度传感器9均与温度信息采集单元8电连接。

多个所述水分传感器22和多个所述温度传感器9均埋设在被测试土样5内部。

实际使用时，所述试模为上部开口的模具。

本实施例中，多个所述水分传感器22由上至下布设在同一竖直面上，多个所述温度传感器9由上至下布设在同一竖直面上，多个所述水分传感器22与含水量信息采集单元20之间均通过一根电连接线进行连接，且多个所述温度传感器9与温度信息采集单元8之间均通过一根所述电连接线进行连接；所述试模的侧壁上开有多个分别供多根所述电连接线穿出的出线孔21。

实际布设安装时，多个所述水分传感器22和多个所述温度传感器9 均呈水平布设，且水分传感器22和温度传感器9的数量相同，多个所述水分传感器22的布设高度分别与多个所述温度传感器9的布设高度相同。

本实施例中，多个所述温度传感器9均布设在被测试土样5左侧，且多个所述水分传感器22均布设在被测试土样5右侧。并且，多个所述水分传感器22和多个所述温度传感器9均布设在同一竖直面上。

本实施例中，所述水分传感器22和温度传感器9的数量均为9个。

实际使用时，可根据具体需要，对所述水分传感器22和温度传感器9 的数量进行相应调整。

本实施例中，多个所述水分传感器22呈均匀布设，且多个所述温度传感器9呈均匀布设。并且，多个所述水分传感器22中位于最上部的水分传感器22与被测试土样5顶面之间的间距以及位于最下部的水分传感器22与被测试土样5底面之间的间距，均小于上下相邻两个所述水分传感器22之间的间距。被测试土样5为圆柱形土样。

实际使用时，通过多个所述水分传感器22和多个所述温度传感器9 分别对被测试土样5内部不同高度处的含水量和温度分别进行实时检测，并按照预先设计的采样频率，且通过含水量信息采集单元20和温度信息采集单元8分别对多个所述水分传感器22和多个所述温度传感器9所检测信息进行采样。

本实施例中，所述土体分层冻胀变形测试装置还包括位于被测试土样 5上方的基准梁25，所述基准梁25呈水平布设。结合图10、图11和图 12，所述冻胀变形测试杆23的上部外侧壁上设置有刻度3，所述冻胀变形测试杆23的上端伸出至外套管24外侧且其上端的高度不低于基准梁25 的安装高度，所述基准梁25为与冻胀变形测试杆23上部所设置刻度3相配合使用的竖向变形测试用基准梁。

实际使用时，多个所述冻胀变形测试装置均埋设于被测试土样5中部。

本实施例中，所述冻胀变形测试装置的数量为四个。实际使用时，可根据具体需要，对所述冻胀变形测试装置的数量以及各冻胀变形测试装置的埋入深度进行相应调整，以实现对被测试土样5内部不同深度处也称不同高度处的竖向变形量进行量测。

本实施例中，所述冻胀变形测试杆23与外套管24之间涂刷有黄油。

实际使用时，通过外套管24对冻胀变形测试杆23进行保护，同时使得被测试土样5与冻胀变形测试杆23之间不存在任何摩擦，从而有效保证竖向变形量的测试精度。所述冻胀变形测试杆23为竖向位移测试杆。

本实施例中，所述补水装置包括补水瓶16，所述补水瓶16为马氏瓶；所述补水管14的一端与补水瓶16内部相通且其另一端伸入至试模的内侧底部。因而，所述补水瓶16利用马氏瓶原理制作而成。

并且，所述补水瓶16包括瓶体、布设在所述瓶体的上部瓶口进行密封的瓶塞18和由上至下插入至所述瓶体内的玻璃管17，所述玻璃管17 的上下端均开口且其下端开口的高度与所述透水层的底部高度相同；所述补水管14的另一端位于所述透水层下方。这样，实际操作过程中，将玻璃管17下口插到补水瓶16底部，补水瓶16内的静水压便等于玻璃管17出口液面的高度，使玻璃管17下端口高度与土柱试模的底部即所述透水层的底部平齐，就能控制所述补水装置的补水水位即补水液面的高度，以达到模拟地下水上升的目的。

因而，实际使用过程中，通过所述补水装置能模拟地下水对被测试土样5进行均匀补水且能维持补水水位。

本实施例中，所述制冷装置4包括内部装有冷却液的冷却液存储箱和对装于所述冷却液存储箱内的冷却液进行制冷的制冷器，并且所述制冷器布设于所述冷却液存储箱内。

实际连接时，所述冷却液流通管道15为黄铜管且其通过橡胶软管2 与制冷装置4连接。具体是：所述冷却液流通管道15的进液口和出液口分别与所述冷却液存储箱上所开的出液口与进液口连接。本实施例中，所述冷却盘管为环形且为所述冷却液的循环流动管道。实际使用时，能对所述制冷器的制冷温度进行设定，并通过控制器对所述制冷器的制冷温度进行调控。

结合图4、图4-1，所述试模包括上下均开口的护筒7、对护筒7上部进行封堵的上封堵件和对护筒7下部进行封堵的下封堵件，被测试土样5 装于护筒7内，所述护筒7为圆柱形筒体。所述透水层位于护筒7的内侧底部，被测试土样5位于所述透水层上方。所述下封堵件上开有供所述补水管14穿入的下通孔，且所述上封堵件上开有供多个所述冻胀变形测试装置上部穿出的上通孔。

本实施例中，所述上通孔为第一圆孔29-1，所述下通孔为第二圆孔 29-2。

因而，本实施例中，所采用的护筒7为上下均开口的圆柱筒。实际使用时，所述护筒7也可以采用仅上部开口底部设置有底板的圆柱筒。

本实施例中，所述护筒7为有机玻璃筒。

实际加工时，所述护筒7的外径为Φ450mm～Φ550mm、壁厚为15mm～ 20mm且其高度为900mm～1100mm。

本实施例中，所述护筒7的外径为Φ500mm、壁厚为17mm且其高度为 1000mm。实际使用时，可根据具体需要，对护筒7的外径、壁厚和高度进行相应调整。

本实施例中，如图8所示，所述透水层包括一层呈水平布设的碎石垫层13和平铺在碎石垫层13上的透水网格19，所述透水网格19上开有多个透水孔，所述透水网格19位于护筒7的内侧底部且其直径不大于护筒7 的内径。所述碎石垫层13位于透水网格19与所述下封堵件之间。

并且，所述碎石垫层13的层厚为2cm，且碎石垫层13所采用碎石的粒径不大于1cm。

本实施例中，所述透水网格19为不锈钢材质，且其上均匀开设多个透水孔，所述透水网格19为圆形且其直径略小于土柱试模的内径。

本实施例中，结合图9，所述下封堵件位于护筒7下方，护筒7底部支撑于所述下封堵件上；所述护筒7的顶端高度高于被测试试样5的顶端高度，所述上封堵件位于护筒7的内侧上部；所述护筒7的正上方设置有护环27，所述护环27为呈水平向布设的圆环，所述下封堵件为圆形，且护环27的外径和所述下封堵件的直径均大于护筒7的外径；所述护环27 与所述下封堵件之间通过多个立柱6紧固连接为一体，多个所述立柱6沿圆周方向布设，且护筒7通过多个所述立柱6紧固固定于护环27与所述下封堵件之间。

本实施例中，多个所述所述立柱6呈均匀布设，且多个所述所述立柱 6沿圆周方向布设。并且，所述立柱6的数量为六个。

实际使用时，可根据具体需要，对所述立柱6的数量以及各立柱6的布设位置进行相应调整。

本实施例中，所述制冷装置4和所述冷却盘管的数量均为两个，两个所述冷却盘管分别为位于被测试土样5上下两侧的上盘管和下盘管，所述上盘管和下盘管均呈水平布设且二者分别与两个所述制冷装置4连接。

实际加工时，所述下封堵件和护环27均开有6个供立柱6穿过的第三圆孔29-3。

本实施例中，所述基准梁25安装在两个所述立柱6上，所述基准梁 25的左右两端分别支撑在两个所述立柱6上端；所述基准梁25位于护环 27上方。相应地，所述基准梁25的两端分别开有一个供立柱6穿出的第五圆孔。

实际使用时，所述冻胀变形测试杆23上部设置有的刻度3与基准梁 25相配合，能简便、直观读出土体冻胀的竖向变形量。

结合图6，每个所述立柱6的底部均设置有支脚10。

本实施例中，每个所述立柱6上均设置有三个限位螺母1，三个限位螺母1与所处立柱6之间均以螺纹方式进行连接；三个所述限位螺母分别为对所述下封堵件进行限位的第一限位螺母、对护环27进行限位的第二限位螺母和对基准梁25进行限位的第三限位螺母，所述第一限位螺母位于所述下封堵件下方，所述第二限位螺母位于护环27上方，且所述第三限位螺母位于基准梁25下方。

如图2、图3所示，所述下封堵件包括位于护筒7下方的下圆盘12 和位于下圆盘12下方的下盖板11，所述下圆盘12与下盖板11之间设置有供所述下盘管安装的下空腔。如图5、图7所示，所述上封堵件包括位于被测试土样5上方的活动圆盘28和位于活动圆盘28上方的活动盖板 26，所述活动圆盘28为呈水平布设的圆盘，且活动盖板26为呈水平布设的圆板，所述活动圆盘28与活动盖板26之间设置有供所述上盘管安装的上空腔。相应地，所述下圆盘12与下盖板11上均开有6个所述第三圆孔 29-3。同时，所述活动盖板26和下盖板11均开有两个分别供橡胶软管2 穿过的第四圆孔29-4。

本实施例中，所述下盖板11为圆形平板，所述下空腔为下圆盘12底部所开的凹槽，所述上空腔为活动圆盘28上部所开的凹槽。

本实施例中，所述活动圆盘28与活动盖板26之间通过多个沿圆周方向布设的连接螺栓30连接为一体，且活动圆盘28和活动盖板26上均开有多个分别供所述连接螺栓30安装的螺栓安装孔31。

实际使用时，所述下圆盘12与下盖板11的位置固定不动，而活动圆盘28与活动盖板26能上下移动且二者采用活动安装方式。

如图13所示的一种土体冻结过程水热力综合试验方法，包括以下步骤：

步骤一、土样获取：获取需进行水热力综合试验的土样；

步骤二、装模：先在试模的内侧底部布设所述透水层，再将步骤一中所获取土样分层装入试模内，且每层装入后均对所装入土样进行夯实；土样分层装入试模后，获得被测试土样5；

土样分层装入过程中，将多个所述水分传感器22、多个所述温度传感器9和多个所述冻胀变形测试装置均埋入被测试土样5内；

步骤三、封模：对试模上部进行封堵，此时试模的上下部均处于封堵状态；

步骤四、土样冻结试验及测试数据记录：开启所述冷浴装置和所述补水装置，对步骤二中装入试模内的被测试土样5进行制冷和补水，使被测试土样5冻结；被测试土样5冻结过程中，分多次对多个所述水分传感器 22、多个所述温度传感器9和多个所述冻胀变形测试装置的测试数据进行记录；

待被测试土样5内的含水量稳定时，关闭所述冷浴装置和所述补水装置，土样冻结试验结束；

步骤五、测试数据整理：根据步骤四中所记录的多个所述水分传感器 22、多个所述温度传感器9和多个所述冻胀变形测试装置的各次测试数据，绘制出被测试土样5内不同深度处的含水量、温度和竖向变形量随时间的变化曲线。

本实施例中，通过所述冷浴装置仅对被测试土样5的上部进行单侧制冷，也就是说，仅采用所述上盘管对被测试土样5的上部进行制冷，而被测试土样5底部的温度与试验室的室内温度保持一致。

实际使用时，也可以通过所述上盘管和所述下盘管分别对被测试土样 5的上下部进行制冷。

步骤四中待被测试土样5内的含水量稳定时，多个所述水分传感器22 所检测的含水量信息均在±0.1％范围内波动。

本实施例中，步骤一中进行土样获取时，先在室外采用取土器取出需进行水热力综合试验的土样，并对所取土样的初始含水率进行测试；之后，在室内采用烘干设备对所取土样进行烘干；步骤二中装模之前，先根据测试得出的所取土样的初始含水率，将烘干后的土样与水进行均匀拌合且经 5h±0.5h闷料后，制成含水量分布均匀的土样。此时，所制作的土样便为装入试模内的土样。

本实施例中，步骤二中进行装模时，先在试模的内侧底部具体是所述下封堵件上平铺一层碎石垫层13，再将透水网格19水平铺在碎石垫层13 上面；随后，将所制作的土样分层装入试模内，相应形成由多层土体组成的土柱即被测试土样5；

装模过程中，将水分传感器22、温度传感器9、冻胀变形测试杆23 和外套管24预埋在被测试土样5内部相应的监测位置上，并且对每层土体均采用击实工具进行击实以达到相应的密实度。

本实施例中，所述护筒7的左右两侧侧壁上所开出线孔21的数量均为9个，且9个所述出线孔21位于最下部的出线孔21为底部出线孔。

对冻胀变形测试杆23和外套管24进行埋设前，先将外套管24套装于冻胀变形测试杆23外侧。待所述护筒7内土样装至所述底部出线孔所处位置处，将一个所述冻胀变形测试装置放置于护筒7的中心位置处；之后，继续向护筒7内装入土样，且每隔三个出线孔21，在护筒7的中心位置处布设一个所述冻胀变形测试装置。

并且，装模过程中，对水分传感器22和温度传感器9进行埋设时，待所装入土样装至9个所述出线孔21中任一个出线孔21所处位置处，均在护筒7的左右两侧分别放置一个水分传感器22和一个温度传感器9。

实际对所装入土样进行击实时，应先轻后重。

本实施例中，步骤二中装模完成后，对所述上封堵件和上盘管分别进行安装，以对试模上部进行封堵；然后，对基准梁25进行安装，并记录此时各冻胀变形测试杆23与基准梁25在垂直方向上的相对位置。

本实施例中，步骤四中被测试土样5冻结过程中，分多次通过多个所述水分传感器22、多个所述温度传感器9和多个所述冻胀变形测试装置进行定时检测，并对多个所述水分传感器22、多个所述温度传感器9和多个所述冻胀变形测试装置的测试数据进行记录，所记录的测试数据为被测试土样5内部不同高度处的含水量、温度和竖向变形量数据。

实际测试过程中，当多个所述水分传感器22所检测的含水量数据在±0.1％内变动并且所述补水装置的补水水位基本保持不变时，即含水量随时间变化的曲线趋于平稳时，认为试验结束。

试验结束后进行测试数据整理，分别绘制出被测试土样5内不同深度处的含水量、温度和竖向变形量随时间的变化曲线，掌握土体冻结过程中含水量、温度和冻胀变形的变化规律。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征在于：包括内部装有被测试土样(5)的试模、通过制冷使被测试土样(5)冻结的冷浴装置、冻结过程中对被测试土样(5)进行冻胀变形测试的土体分层冻胀变形测试装置、模拟地下水由下至上对被测试土样(5)内部进行补水的补水装置、对被测试土样(5)内部含水量进行实时检测的含水量检测装置和对被测试土样(5)内部温度进行实时检测的温度检测装置，所述试模为呈竖直向布设的圆柱形模具；所述试模的内侧底部设置有透水层，被测试土样(5)位于所述透水层上方，所述补水装置通过补水管(14)对被测试土样(5)进行补水，且补水管(14)的出水口位于所述透水层下方；

所述冷浴装置包括内部装有冷却液的制冷装置(4)和由供冷却液流通管道(15)盘绕形成的冷却盘管，被测试土样(5)的顶部和底部均设置有所述冷却盘管；

所述土体分层冻胀变形测试装置包括多个分别对被测试土样(5)内部不同深度处的冻胀变形量进行实时测试的冻胀变形测试装置，多个所述冻胀变形测试装置的结构均相同且其均为竖向位移测试装置；每个所述冻胀变形测试装置均包括一个由上至下插入至被测试土样(5)内部需测试深度处的冻胀变形测试杆(23)和套装在冻胀变形测试杆(23)外侧的外套管(24)，冻胀变形测试杆(23)为对其所插入位置处的竖向变形量进行实时测试的测杆，所述冻胀变形测试杆(23)为L形且其底部伸出至外套管(24)外侧，所述冻胀变形测试杆(23)和外套管(24)均呈竖直向布设；

所述含水量检测装置包括多个分别对被测试土样(5)内部不同深度处的含水量进行实时检测的水分传感器(22)和对多个所述水分传感器(22)所检测的含水量信息进行采集的含水量信息采集单元(20)，多个所述水分传感器(22)均与含水量信息采集单元(20)电连接；

所述温度检测装置包括多个分别对被测试土样(5)内部不同深度处的温度进行实时检测的温度传感器(9)和对多个所述温度传感器(9)所检测的温度信息进行采集的温度信息采集单元(8)，多个所述温度传感器(9)均与温度信息采集单元(8)电连接；

多个所述水分传感器(22)和多个所述温度传感器(9)均埋设在被测试土样(5)内部；多个所述水分传感器(22)由上至下布设在同一竖直面上，多个所述温度传感器(9)由上至下布设在同一竖直面上；多个所述水分传感器(22)和多个所述温度传感器(9)均呈水平布设，且水分传感器(22)和温度传感器(9)的数量相同，多个所述水分传感器(22)的布设高度分别与多个所述温度传感器(9)的布设高度相同；多个所述温度传感器(9)均布设在被测试土样(5)左侧，且多个所述水分传感器(22)均布设在被测试土样(5)右侧；多个所述水分传感器(22)和多个所述温度传感器(9)均布设在同一竖直面上；

多个所述冻胀变形测试装置均埋设于被测试土样(5)中部；所述试模包括上下均开口的护筒(7)、对护筒(7)上部进行封堵的上封堵件和对护筒(7)下部进行封堵的下封堵件，被测试土样(5)装于护筒(7)内，所述护筒(7)为圆柱形筒体；所述透水层位于护筒(7)的内侧底部，被测试土样(5)位于所述透水层上方；所述下封堵件上开有供所述补水管(14)穿入的下通孔，且所述上封堵件上开有供多个所述冻胀变形测试装置上部穿出的上通孔；

所述透水层包括一层呈水平布设的碎石垫层(13)和平铺在碎石垫层(13)上的透水网格(19)，所述透水网格(19)上开有多个透水孔，所述透水网格(19)位于护筒(7)的内侧底部且其直径不大于护筒(7)的内径；所述碎石垫层(13)位于透水网格(19)与所述下封堵件之间；

所述下封堵件位于护筒(7)下方，护筒(7)底部支撑于所述下封堵件上；所述护筒(7)的顶端高度高于被测试土样(5)的顶端高度，所述上封堵件位于护筒(7)的内侧上部；所述护筒(7)的正上方设置有护环(27)，所述护环(27)为呈水平向布设的圆环，所述下封堵件为圆形，且护环(27)的外径和所述下封堵件的直径均大于护筒(7)的外径；所述护环(27)与所述下封堵件之间通过多个立柱(6)紧固连接为一体，多个所述立柱(6)沿圆周方向布设，且护筒(7)通过多个所述立柱(6)紧固固定于护环(27)与所述下封堵件之间。

2.按照权利要求1所述的土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征在于：多个所述水分传感器(22)与含水量信息采集单元(20)之间均通过一根电连接线进行连接，且多个所述温度传感器(9)与温度信息采集单元(8)之间均通过另一根所述电连接线进行连接；所述试模的侧壁上开有多个分别供多根所述电连接线穿出的出线孔(21)。

3.按照权利要求1或2所述的土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征在于：所述土体分层冻胀变形测试装置还包括位于被测试土样(5)上方的基准梁(25)，所述基准梁(25)呈水平布设；所述冻胀变形测试杆(23)的上部外侧壁上设置有刻度(3)，所述冻胀变形测试杆(23)的上端伸出至外套管(24)外侧且其上端的高度不低于基准梁(25)的安装高度，所述基准梁(25)为与冻胀变形测试杆(23)上部所设置刻度(3)相配合使用的竖向变形测试用基准梁。

4.按照权利要求1所述的土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征在于：所述冷却液流通管道(15)为黄铜管且其通过橡胶软管(2)与制冷装置(4)连接；所述制冷装置(4)和所述冷却盘管的数量均为两个，两个所述冷却盘管分别为位于被测试土样(5)上下两侧的上盘管和下盘管，所述上盘管和下盘管均呈水平布设且二者分别与两个所述制冷装置(4)连接；所述下封堵件包括位于护筒(7)下方的下圆盘(12)和位于下圆盘(12)下方的下盖板(11)，所述下圆盘(12)与下盖板(11)之间设置有供所述下盘管安装的下空腔；所述上封堵件包括位于被测试土样(5)上方的活动圆盘(28)和位于活动圆盘(28)上方的活动盖板(26)，所述活动圆盘(28)为呈水平布设的圆盘，且活动盖板(26)为呈水平布设的圆板，所述活动圆盘(28)与活动盖板(26)之间设置有供所述上盘管安装的上空腔。

5.按照权利要求1或2所述的土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征在于：所述补水装置包括补水瓶(16)，所述补水瓶(16)为马氏瓶；所述补水管(14)的一端与补水瓶(16)内部相通且其另一端伸入至试模的内侧底部。