CN105910868B - 一种重塑土成土及冻结一体化试验设备 - Google Patents

Abstract

一种重塑土成土和冻结一体化试验设备，成土冻结桶的顶部设有密封盖，成土冻结桶的桶壁分为四层，由内而外分别为高分子复合层、弹性材料层、绝热材料层和外层，弹性材料层内环绕布置冷凝管，成土冻结桶的底部设有过滤层，过滤层的底部设有排水通道，成土冻结桶的内壁设有温度传感器；冷凝管的一端与制冷液循环设备的出口连通，冷凝管的另一端与制冷液循环设备的入口连通，温度传感器与用于控制冻结温度与冻结时间的控温设备连接；排水通道与真空水罐的内腔连通，真空水罐的内腔设有水位感应器和负压传感器，真空水罐的底部设有排水阀，真空水罐设有真空抽气管道，真空抽气管道与真空泵连接。本发明简化步骤、减少用时、精确度较高。

Description

一种重塑土成土及冻结一体化试验设备

技术领域

本发明涉及土木工程土工试验领域的一种重塑土成土和冻结一体化试验设备。

背景技术

人工冻结技术起源于19世纪90年代，最早运用于矿井加固。1886年瑞典首次在城市土木工程中运用人工冻结法，成功挖掘了一条24m的人行隧道。后美国、德国、日本均成功使用人工冻结法建造隧道。到上世纪60年代，液氮冻结法开始出现并用于地层加固。人工冻结法形成的冻土墙由于良好的强度、密封性和化学稳定使其成为目前最有效的隔绝处理技术。

现有地铁工程采用人工冻结法改变软黏土性质使工程便于施工并得到了一定的推广。施工后残留在隧道底的冻土将发生融化现象，尤其是列车开通后，其土的力学性状会发生显著变化，进而影响地铁运营安全。经过冻融以后土体性质有了明显的改变，通过对原状土和冻融土的物理、力学性能的试验研究，得知土冻结融化后其物理、力学性能发生了很大的改变：孔隙比、压缩系数、渗透性明显增大，单轴和三轴抗剪强度等明显降低。而在地铁等列车循环荷载作用下又会对土体造成扰动，对土体的动力性质造成一定的影响。

为了保证试验参数的准确性，就需要进行原位测试或者采集原状土进行试验分析，但由于土体本身的不均一性、多相性，加之取土对土体产生的扰动进一步导致原状土的取样困难。因此为了让试样保证整体性质均一和平行试样的有效性，对采取的土样进行的重塑土制样 是土体性状的重要技术手段。现行室内制样技术大致可分为两类击实法和固结法两类。其中固结法则可分为静载固结和真空固结。静载固结是对土体施加静载压力加速土体固结，主要是在软土地基中设置排水系统，在地基土上覆不透气的密封膜，通过对排水系统的抽气使地基土中形成真空负压，在密封膜内外压差的作用下达到排水固结的目的。真空固结制样过程较为繁琐，对制样设备要求较高，如果想得到含水量分布比较均匀的理想试样，必须逐步施加静载，且固结时间较长。

目前重塑土制取设备和冻结设备不断在改进，但还未有将两者融合的设备提出，导致试验步骤繁琐、用时长，影响工作、试验进度。

发明内容

为了克服已有重塑土制取和冻结方式的步骤繁琐、用时长、精确度较低的不足，本发明提供一种简化步骤、减少用时、精确度较高的重塑土成土和冻结一体化试验设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种重塑土成土和冻结一体化试验设备，包括一个成土冻结桶、一个制冷液循环设备、一个真空水罐和一个真空泵，所述成土冻结桶的顶部设有密封盖，所述成土冻结桶的桶壁分为四层，由内而外分别为高分子复合层、弹性材料层、绝热材料层和外层，所述弹性材料层内环绕布置冷凝管，所述成土冻结桶的底部设有过滤层，所述过滤层的底部设有排水通道，所述成土冻结桶的内壁设有温度传感器；

所述冷凝管的一端与所述制冷液循环设备的出口连通，所述冷凝管的另一端与所述制冷液循环设备的入口连通，所述温度传感器与用 于控制冻结温度与冻结时间的控温设备连接；

所述排水通道与真空水罐的内腔连通，所述真空水罐的内腔设有水位感应器和负压传感器，所述真空水罐的底部设有排水阀，所述真空水罐设有真空抽气管道，所述真空抽气管道与真空泵连接。

进一步，所述成土冻结桶为圆柱型钢桶，所述成土冻结桶开口处设有第一旋钮密封盖，所述第一旋钮密封盖上设有第一排气阀和第一真空度表；所述成土冻结桶内部为高分子复合制内桶，内桶底部设有过滤层，其中过滤层上覆盖100目土工织布。

再进一步，所述控温设备与制冷液循环设备为一整体，所述控温设备呈长方体盒装通过钢管支撑于制冷液循环设备上方。

更进一步，所述真空水罐为圆柱型钢桶，所述真空水罐开口处为设有第二旋钮密封盖，其中第二旋钮密封盖上设有第二排气阀和第二真空度表，所述密封盖上设有真空管道与真空泵相连接。

本发明的技术构思为：成土方面使用真空预压法固结土体，通过控制土样含水量、粘粒含量及液塑限指数等土性指标，获得与原状饱和软粘土性质相仿且均匀性良好的重塑饱和软粘土样。冻结方面采用压缩式冻结：蒸发器中低温低压的制冷液吸热成为低温低压的制冷气体，制冷气体被压缩机吸入转化为高温高压的制冷气体，气体通过冷凝器热量被交换转换成高压常温的制冷液，接着制冷液通过节流阀转化为低温低压的制冷液，低温低压制冷液再次进入蒸发器内形成循环；冷凝循环管中主要为水，通过热交换将制冷气体转化为液体，水再与大气进行热交换恢复常温完成循环；冷媒剂一般为盐溶液(氯化钠溶液)并实际参与冻结土体，充满冷媒剂的冷凝管环绕成土桶进行冻结。

本发明适合于制备冻融土动力特性试验动三轴等所需的重塑土， 对于实际工程中难以取得原状土作为土工试验的工程，使用该发明根据原状土的土性指标制得大量冻融重塑软粘土。运用该方法制备冻融重塑软粘土，减少土体扰动，提高试验精确度，适用于各类冻融土试验研究。

本发明的有益效果主要表现在：(1)、将重塑土制土与冻结设备相结合，制土完成后即可马上冻结土体，降低取土扰动，提高试验精确度；(2)、可自主选择冻融次数与设定冻融时间，计时完成会计算机会发出提醒(3)、简化试验步骤，仅需将泥浆倒入制土桶内，试验完成后即是冻融后重塑土；(4)、采用计算机智能控制，实时监控土体状况，设定真空负压、冻结温度以及冻结时间后，计算机自动运行设备，若运行出现问题则发出警报；(5)、成土冻结桶采用高分子复合材料内壳，具有一定弹性且抗低温能力好，能够较好适应负压以及低温环境；(6)、设备一体化，将控温与制冷液循环设备、成土冻结桶、真空水罐以及真空泵整合在一起，减少设备占地体积；(7)采用压缩式冻结，冷媒剂充满管中，制冷速度快，制冷设备使用寿命长。

附图说明

图1是成土冻结桶结构示意图。

图2是真空水罐结构示意图。

图3是控温与制冷液循环设备示意图。

图4是真空泵示意图。

图5是设备结构主视图。

图6是设备结构俯视图。

图7是设备外观主视图。

图8是设备外观俯视图。

图9是设备外观左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图9，一种重塑土成土和冻结一体化试验设备，包括一个成土冻结桶、一个制冷液循环设备、一个真空水罐和一个真空泵22，所述成土冻结桶的顶部设有密封盖4，所述成土冻结桶的桶壁分为四层，由内而外分别为高分子复合层6、弹性材料层7、绝热材料层8和外层15，所述弹性材料层7内环绕布置冷凝管9，所述成土冻结桶的底部设有过滤层10，所述过滤层10的底部设有排水通道11，所述成土冻结桶的内壁设有温度传感器23；

所述冷凝管9的一端与所述制冷液循环设备21的出口连通，所述冷凝管9的另一端与所述制冷液循环设备21的入口连通，所述温度传感器23与用于控制冻结温度与冻结时间的控温设备连接；

所述排水通道11与真空水罐的内腔连通，所述真空水罐的内腔设有水位感应器16和负压传感器24，所述真空水罐的底部设有排水阀14，所述真空水罐设有真空抽气管道13，所述真空抽气管道13与真空泵11连接。

进一步，所述成土冻结桶为圆柱型钢桶，所述成土冻结桶顶部开口处设有第一旋钮密封盖，所述第一旋钮密封盖上设有第一排气阀2、第一真空度表3；所述成土冻结桶内部为高分子复合制内桶，内桶底部设有过滤层10，其中过滤层10上覆盖100目土工织布。

再进一步，所述控温设备与制冷液循环设备为一整体，所述控温设备呈长方体盒装通过钢管支撑于制冷液循环设备上方。

更进一步，所述真空水罐为圆柱型钢桶，所述真空水罐开口处为设有第二旋钮密封盖104，其中第二旋钮密封盖上设有第二排气阀102，所述有第二旋钮密封盖104上设有真空管道与真空泵11相连接。

参见图1、图5，所述成土冻结桶开口处设有第一旋钮密封盖4，所述密封盖上设有第一提手1、第一排气阀2、第一真空度表3，所述密封盖底部设有磁性密封条5与绝热材料层层8；所述成土冻结桶外部为不锈钢外壳15，外壳与内桶之间嵌有绝热材料层8与弹性材料层7，其中冷凝管9铺设于弹性材料层中；所述成土冻结桶内部为高分子复合制内桶6，所述内桶桶壁内设有温度传感器23，内桶底部设有过滤层10，其中过滤层上覆盖100目土工织布；所述过滤层10底部为排水通道11；所述排水通道11与真空水罐相连接；

参见图2、图4，所述真空水罐开口处设有第二旋钮密封盖104，所述密封盖上设有第二提手101、第二排气阀102、第二真空度表103；所述真空水罐为不锈钢桶15，桶内内壁上设有水位感应器16、负压传感器24；所述真空水罐底部设有排水通道，所述排水通道上设有排水阀14；所述真空水罐一侧有真空抽气管道13与真空泵22链接。各个构件如下：1为第二提手；2为第二排气阀；3为第二真空表；4为第二旋钮密封盖；12为真空水罐空腔；13为抽气管道；14为为排水阀门；15为不锈钢外壳；16为水位传感器；24为压力传感器，22为真空泵。

参照图3，所述控温设备由智能计算机和显示器两部分组成，所述智能计算机与温度传感器、压力传感器、水位传感器相连接。控温与制冷液循环设备构件如下：17为转换按钮；18为显示器；19为电源开关；20为支撑钢管；21为制冷液循环设备。

本实施例中，所述成土桶外壳与真空水罐为不锈钢圆桶，其中成土桶顶部直径为450mm，高为600mm，真空水罐直径300mm，高400mm；所述不锈钢桶顶部设有直径为10mm的排气阀；所述成土桶冷凝管上设有温度传感器。所述真空水罐顶部设有一与大气连通的排气阀门；所述真空水罐侧身底部设有一直径50mm的排水阀门；所述真空水罐侧壁安装有压力传感器和水位传感器。通常采用的负压为0.8MPa。

所述智能计算机与温度传感器、负压传感器、水位传感器相连。上述真空水罐内压力传感器和水位传感器与智能计算机连接，所述压力传感器可感应真空水罐内部压力值，所述水位传感器可感应真空水罐内部水位，当达到警戒线时发出警报并需打开阀门放水。所述温度传感器可感应冷凝管温度并反馈给智能计算机，通过智能计算实时监控并调整冻结温度。所述智能计算机各项数据可在外部显示器显示，并通过按钮转换数据(负压值、冻结温度)；所述智能计算机可自动计时并设定冻结时间；所述智能显示控制系统可根据土样成土冻结桶工作指示灯的开启状况确定设备是否正常工作。

Claims (4)

1.一种重塑土成土和冻结一体化试验设备，其特征在于：包括一个成土冻结桶、一个制冷液循环设备、一个真空水罐和一个真空泵，所述成土冻结桶的顶部设有密封盖，所述成土冻结桶的桶壁分为四层，由内而外分别为高分子复合层、弹性材料层、绝热材料层和外层，所述弹性材料层内环绕布置冷凝管，所述成土冻结桶的底部设有过滤层，所述过滤层的底部设有排水通道，所述成土冻结桶的内壁设有温度传感器；

所述冷凝管的一端与所述制冷液循环设备的出口连通，所述冷凝管的另一端与所述制冷液循环设备的入口连通，所述温度传感器与用于控制冻结温度与冻结时间的控温设备连接；

所述排水通道与真空水罐的内腔连通，所述真空水罐的内腔设有水位感应器和负压传感器，所述真空水罐的底部设有排水阀，所述真空水罐设有真空抽气管道，所述真空抽气管道与真空泵连接。

2.如权利要求1所述的重塑土成土和冻结一体化试验设备，其特征在于：所述成土冻结桶为圆柱型钢桶，所述成土冻结桶开口处设有第一旋钮密封盖，所述第一旋钮密封盖上设有第一排气阀和第一真空度表；所述成土冻结桶内部为高分子复合制内桶，内桶底部设有过滤层，其中过滤层上覆盖100目土工织布。

3.如权利要求1或2所述的重塑土成土和冻结一体化试验设备，其特征在于：所述控温设备与制冷液循环设备为一整体，所述控温设备呈长方体盒装通过钢管支撑于制冷液循环设备上方。

4.如权利要求1或2所述的重塑土成土和冻结一体化试验设备，其特征在于：所述真空水罐为圆柱型钢桶，所述真空水罐开口处为设有第二旋钮密封盖，其中第二旋钮密封盖上设有第二排气阀和第二真空度表，所述密封盖上设有真空管道与真空泵相连接。