CN106501489A - 粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，目的在于，适用于开放系统下，且适应范围广、自动化程度高、测试数据准确，所采用的技术方案为：包括工作台，工作台上设置有用于放置土样的有机试筒，有机试筒外设有保温层，有机试筒底部连接有补水装置，有机试筒底部设置透水石，有机试筒内预埋有若干个TDR探头，TDR探头连接至数据采集与控制系统，有机试筒的顶部和底部连接有冻融循环装置，所述工作台上设置有固定架，固定架上设置有滑动机构，滑动机构上设置压力头，压力头位于有机试筒顶部的上端，所述滑动机构上还设置有用于压实土样的击实装置。

Description

粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置

技术领域

本发明属于道路铺筑试验设备技术领域，具体涉及一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置。

背景技术

盐渍土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的总称。全世界盐渍土面积约为897.0万平方公里，约占世界陆地总面积的6.5％，占干旱区总面积的39％。中国盐渍土面积约有20多万平方公里，约占国土总面积的2.1％。盐渍土主要分布在我国内陆干旱、半干旱地区，滨海地区也有分布。随着我国“一带一路”的不断推进和高铁技术的走出国门，不可避免的需要在盐渍土地区铺筑公路路基和铁路路基。在盐渍土地区铺筑公路路基和铁路路基时，为了避免因长距离运土而提高工程造价，铺筑路基时需要把当地大量的盐渍土作为路基填料来使用。作为路基填料的盐渍土内部不免含有大量的易溶盐，比如硫酸钠、硫酸镁、碳酸钠和氯化钠等。其中，硫酸钠在水中的溶解度随温度变化很大。在北方的寒冷季节，自然环境温度变低，路基的温度也会随之变低；待到来年春天时，自然环境温度升高，路基的温度也会随之升高。在某些日温差很大的地方，也会产生类似的情况。由于盐渍土内部所含有的硫酸钠的溶解度随温度变化比较大：溶液温度为30℃时，硫酸钠在水中的溶解度约为40.8g；溶液温度为0℃时，硫酸钠在水中的溶解度仅约为4.9g。所以，在路基温度降低时，盐渍土含有的硫酸钠会因为溶解度降低而结合水分子析出，生成芒硝。当土体内部形成大量的芒硝时，便会造成路基填土体积膨胀即盐胀现象。当温度升高时，芒硝又会因为自身自由能变大而融解，化作硫酸钠重新溶解于水中。这种冻融作用会破坏土颗粒原有的接触粘结方式，使路基填土内部形成大量的孔隙而变得疏松。在上覆荷载作用下，路基便会发生不均匀变形，使路面产生凹凸变形甚至呈波浪状、局部鼓包、路面裂缝等现象，严重影响到交通运输安全。同时，随着大量地表水入渗，土中的盐分和一些很小的土颗粒会随着入渗的水进入地下水。这样会使原本密实的路基中产生许多的孔隙，降低其强度，出现许多的溶陷孔洞，发生溶陷现象，还会出现翻浆等病害，严重影响到交通运输安全。但是，在某些特定的情况下，盐渍土路基的盐胀率和溶陷率很小，并不会出现以上所述的道路病害，不会对交通运输安全造成任何的影响。比如，当路基填料盐渍土的易溶盐含量比较小或者所含易溶盐种类对道路灾害无贡献作用的时候；在路基内部设置有效隔断层的时候；盐渍土通过化学试剂改良后再作为路基填料；在路基的含水率不大且无明显变化的时候；在路基内部设置一定厚度保温层的时候等特定情况。所以，在盐渍土路基铺筑之前需要对盐渍土填料进行易溶盐含量测试，并测试其在某个特定工况下的盐胀率、溶陷率以及毛细水上升高度等参数。根据目前的盐渍土盐胀和溶陷机制，发现盐胀和溶陷的核心是水分和盐分在盐渍土路基内部的不断迁移，即盐分和水分不断地从非盐胀区域往盐胀区迁移，从而使路基盐胀的体积远远超过理论计算值。同时盐渍土的盐胀具有累积性和不可逆性，即每次路基内部的芒硝融化时，都会残留部分芒硝，日积月累，便会形成含盐量极大的盐分富集层。而当盐分富集层遭遇大量入渗的地下水时，便会发生剧烈的体积膨胀，会造成路基膨胀路面开裂。因此，我们需要通过利用复杂的试验装置研究盐分富集层形成的时间点即在几个冻融循环周期之后形成，以及盐分富集层对路基的影响，同时还需要测试开放系统下不同工况下盐渍土路基盐胀率和溶陷率。比如，为了隔断水盐在路基内部的迁移，工程上往往设置隔断层。但是目前工程上设置隔断层还靠的是一些经验，并没有形成系统的理论，也没有相应的试验设备来验证隔断层设置的合理性。因此，无论是工程上还是室内试验都需要一个能够验证隔断层设置的合理性的试验设备。同时，工程上有时也会通过在盐渍土路基上部设置一定厚度的保温材料，使保温层下面的盐渍土路基的温度基本稳定，所含盐的溶解度基本不变，从而不会发生盐胀。与隔断层设置情况类似，工程上需要一个大型的试验设备提供可靠的试验数据来验证保温层设置的合理性。而以往的盐渍土试验设备尺寸小，大都针对的是细颗粒盐渍土。即便针对的是粗颗粒盐渍土，以往的盐渍土试验设备也是一个封闭系统，忽略了毛细水和降雨对盐渍土路基盐胀和溶陷的贡献作用，忽略了水盐迁移机制对盐渍土盐胀和溶陷的影响，不适合测试自然环境条件下的粗颗粒盐渍土盐胀率和溶陷率，与实际情况差别较大，并且以往的试验仪器没有办法直接测试冻融循环后的溶陷变形以及毛细水对溶陷的影响。以往的盐渍土试验设备主要是小尺寸、在高低温试验箱中进行。试验主体装置采用固结仪，固结仪内装有经过击实的盐渍土土样，冻融循环通过高低温试验箱来控制。这种设备存在较多缺点：盐渍土土样较小；不能监测冻融循环过程中不同深度土样温度变化、含水率的变化；不能实现一维传温；不能测定冻融循环后土体强度变化规律；试验设备是一个封闭系统，忽略了地下水的毛细补给作用；无法进行冻融循环后的溶陷试验等。所以，利用以往的试验设备得到的试验结果对工程建设的参考价值有限。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种适应范围广、自动化程度高、测试数据准确的开放系统下的粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括工作台，工作台上设置有用于放置土样的有机试筒，有机试筒外设有加固箍和保温层，同时有机试筒顶部设置有钢环配合若干个钢杆来稳定自身，有机试筒底部设置透水石，有机试筒底部连接有补水装置，有机试筒内的土样内预埋有若干个TDR探头，TDR探头连接至数据采集与控制系统，有机试筒的顶部和底部连接有冻融循环装置，所述工作台上设置有固定架，固定架上设置有滑动机构，滑动机构上设置压力头，压力头位于有机试筒顶部的上端，所述滑动机构上还设置有用于压实土样的击实装置；

所述滑动机构包括设置在固定架上的滚珠丝杠，滚珠丝杠上设置有活动横梁，所述压力头设置在活动横梁底部，所述滚珠丝杠连接有电机驱动组件，电机驱动组件的控制端连接至数据采集与控制系统；所述击实装置包括设置在活动横梁底部的伸缩杆，伸缩杆连接有击实梁，击实梁上设置有能够竖直运动的击实锤。

所述电机驱动组件包括依次连接的伺服电机、传动齿轮机构、轴承组和转换齿轮机构，转换齿轮机构连接滚珠丝杠，转换齿轮机构上设置位移编码器，位移编码器连接至数据采集与控制系统，伺服电机上设置变速器，变速器和伺服电机的控制端通过伺服控制器连接至数据采集与控制系统。

所述滚珠丝杠上设置有用于对活动横梁限位的限位环。

所述击实锤通过导向杆和导向筒设置在击实梁上，击实梁上设置有竖直方向的履带和转动组件，所述履带上设置有钢齿，击实锤侧边设置有凸角，所述履带通过钢齿和凸角的配合抬升击实锤。

所述击实梁上底部设置有整平杆，整平杆底部设置有用于平整土样的整平片。

所述补水装置包括设置在可调支架上的平衡杯，平衡杯上端连接有马氏瓶，平衡杯下端连接有渗流瓶，平衡杯连接至有机试筒的透水石底部。

所述冻融循环装置包括分别设置在有机试筒的顶部和底部的制冷头，制冷头上设有进液孔和出液孔，进液孔和出液孔连接至低温恒温槽，所述制冷头包括相互密封扣合的上盖和下盖以及中间的一层橡胶垫，下盖设有若干个用于制冷液体流通的凹槽。

所述有机试筒底部的制冷头底部设置有调平螺母。

所述有机试筒的顶部设置有百分表。

所述压力头上设置有力-位移传感器，力-位移传感器连接至数据采集与控制系统。

与现有技术相比，本发明采用有机试筒作为试验试筒，体积较大，能够忽略粗颗粒土尺寸效应，与实际情况接近，同时实现一维传温；有机试筒内的土样内部预埋若干个TDR探头，通过探头动态监测土样内部温度、含水率和含盐量的变化；通过击实装置实现自动击实土样，节省了人力；利用补水装置连接有机试筒底部提供毛细水。从而通过本发明可以测试土样在冻融循环条件下的毛细水上升高度和速度，能够测试开放系统冻融循环条件下的盐渍土的盐胀率和在土样发生盐胀之后的溶陷率，能够测试在开放系统冻融循环条件下的盐渍土路基内部隔断层位置设置的合理性以及隔断层下盐分富集层形成的时间点和其对路基的影响，能够测试在开放系统冻融循环条件下的盐渍土路基内部保温层位置设置的合理性，还有用作冻土土样在冻融循环作用下的冻胀相关研究，测试开放系统冻融循环条件下的不同工况下盐渍土改良后的毛细水上升高度、盐胀率和溶陷率，能够测试开放系统冻融循环条件下的降雨量和上覆荷载对盐渍土盐胀和溶陷的影响机制，能够测试盐渍土路基在不同工况下的水盐迁移机制等。本发明将粗颗粒盐渍土毛细水上升试验、冻融循环试验和溶陷试验相互结合，能够进行在开放系统冻融循环条件下的不同工况下的粗颗粒盐渍土相关试验，装置体积较大，可以忽略粗粒土的尺寸效应，与实际工程情况接近，数据参考价值大，具有较大的实际应用意义，具有适应范围广、自动化程度高、测试数据准确等优点，能够应用于由于季节或昼夜温度变化导致盐渍土地区路基土样盐胀和溶陷的相关测试，还能够用于非盐渍土地区由于温度变化导致路基土样强度变化和冻胀率的相关测定。

进一步，通过电机驱动组件驱动滚珠丝杆转动，使活动横梁能够上下移动，带动压力头和击实装置移动，并通过数据采集与控制系统控制变速器和伺服电机，实现了自动化，方便精细化准确操作。

进一步，击实锤通过导向杆和导向筒进行控制方向，避免了击实锤的动作偏差，利用履带上的钢齿卡在击实锤的凸角底部，在履带转动时能够使击实锤抬升，钢齿随履带转动到顶部时钢齿脱离击实锤使击实锤自由下落进行击实，另外利用整平杆和整平片能够对有机试筒内部的填土进行整平。

进一步，在毛细水上升试验等试验过程中，土样处在蒸发吸水过程，则有机试筒中的地下水位下降，引起平衡杯水位下降，马氏瓶就通过补水管补水，使平衡杯和试筒的水位恢复到平衡水位，从马氏瓶上的刻度可以读出试筒土样吸收的变化水量。当土样处于入渗补给过程，有机试筒内部的地下水位升高，引起平衡杯水位升高，通过平衡杯的溢水管，使平衡杯和试筒的水位恢复到平衡水位，从渗流瓶读出试筒土样的渗出量，这样就能使有机试筒内部的地下水位保持在一定位置而得出地下水对路基的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为击实装置的结构示意图；

图3a为顶部制冷头下盖的结构示意图，图3b为顶部制冷头上盖的结构示意图；

图3c为底部制冷头下盖的结构示意图，图3d为底部制冷头上盖的结构示意图；

图4为补水装置的结构示意图；

其中，1上部横梁、2立柱、3滚珠丝杠、4电源控制器、5限位环、6透水石、7底部制冷头、8位移编码器、9工作台、10轴承组、11伺服电机、12橡胶管、13玻璃管、14可调支架、15转换齿轮机构、16底板、17齿轮传动机构、18变速器、19广口瓶、20平衡杯、21橡胶塞、22上低温恒温槽、23下低温恒温槽、24有机试筒、25活动横梁、26力-位移传感器、27压力头、28顶部制冷头、29百分表、30电源转换器、31 RS485USB转换器、32 TDR探头、33接线板、34伸缩杆、35导向杆、36导向筒、37击实锤、38转动组件、39履带、40整平杆、41导线、42渗流瓶、43溢出管。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

参见图1，本发明包括工作台9，工作台9上设置有用于装填土样的有机试筒24，有机试筒24的顶部设置有顶部制冷头28和百分表29，有机试筒24外设有保温层和加固箍，同时有机试筒顶部设置有钢环配合若干个钢杆来稳定自身，有机试筒24底部连接有补水装置，参见图4，补水装置包括设置在可调支架14上的平衡杯20，平衡杯20上端连接有马氏瓶，马氏瓶由一个广口瓶19、3根玻璃管13和一个橡胶塞组成，平衡杯20下端通过溢出管43连接有渗流瓶42，平衡杯20下端设置橡胶塞21，渗流瓶由两个玻璃管和一个玻璃瓶组成，平衡杯20连接至有机试筒24的透水石6底部。

有机试筒24底部设置透水石6，有机试筒24内预埋有若干个TDR探头32，TDR探头32通过导线41、接线板33、RS485USB转换器31连接至数据采集与控制系统，RS485USB转换器31连接至电源转换器30和电源控制器4，数据采集与控制系统连接计算机、显示器和打印机。

参见图3a～3d，有机试筒24的顶部和底部连接有冻融循环装置，冻融循环装置包括设置在有机试筒24顶部的顶部制冷头28和底部的底部制冷头7，两个制冷头上设有进液孔和出液孔，两个制冷头的进液孔和出液孔分别连接至上低温恒温槽22和下低温恒温槽23。其中，顶部制冷头28的进液孔和出液孔下缘与上盖下缘相齐，底部制冷头7的进液孔与下盖上缘相齐，且出液孔与上盖下缘相齐。制冷头包括相互密封扣合的上盖和下盖，上盖和下盖间设有一层橡胶垫，下盖设有若干个用于制冷液体流通的凹槽，底部制冷头7底部设置有调平螺母。

参见图1，工作台9上设置有固定架，固定架包括上部横梁1和立柱2，固定架上设置有滑动机构，滑动机构上设置压力头27，压力头27位于有机试筒24顶部的上端，滑动机构上还设置有用于压实土样的击实装置；滑动机构包括设置在固定架上的滚珠丝杠3，滚珠丝杠3上设置有活动横梁25，滚珠丝杠3上设置有用于对活动横梁25限位的限位环5，压力头27设置在活动横梁25底部，压力头27上设置有力-位移传感器26，力-位移传感器26连接至数据采集与控制系统，滚珠丝杠3连接有电机驱动组件，电机驱动组件的控制端连接至数据采集与控制系统；击实装置包括设置在活动横梁25底部的伸缩杆34，伸缩杆34连接有击实梁，击实梁上设置有能够竖直运动的击实锤37。电机驱动组件包括依次连接的伺服电机11、传动齿轮机构17、轴承组10和转换齿轮机构15，转换齿轮机构15连接滚珠丝杠3，转换齿轮机构15上设置位移编码器8，位移编码器8连接至数据采集与控制系统，伺服电机11上设置变速器18，变速器18和伺服电机11的控制端通过伺服控制器连接至数据采集与控制系统。

参见图2，击实锤37通过导向杆35和导向筒36设置在击实梁上，击实梁上设置有竖直向的履带39和转动组件38，履带39上设置有钢齿，击实锤37侧边设置有凸角，所述履带39通过钢齿和凸角的配合抬升击实锤37，所述击实梁上底部设置有整平杆40，整平杆40底部设置有用于平整土样的整平片。

本发明主要由补水装置、冻融循环装置、击实装置、加载装置和测量装置组成，在试验时，先把有机试筒24用加固箍加固起来，再把土样通过击实装置进行分层击实装进有机试筒24里，采用击实装置可以节省在击实过程中的人力，同时消除人工在击实过程中产生的误差。其中，有机试筒24底部由底部制冷头7封住，有机试筒24卡在底部制冷头上盖的上缘凹槽内，土样上部放置顶部制冷头28，然后有机试筒24周围包裹一层保温塑料。这样，冻融循环装置通过上低温恒温槽22和下低温恒温槽23不断循环冷冻液来控制上下制冷头的温度并实现土样的一维传温。补水装置通过橡胶管连接到有机试筒24底部，控制有机试筒24里面的水位并提供毛细水补给。加载装置中的活动横梁25上的压力头27可以对顶部制冷头28施加一定的荷载，从而可以借助测量装置中的力-位移传感器26、百分表、TDR探头32等测量仪器测定不同工况下的水盐迁移变化参数等数据。

加载装置和测量装置：

参见图1，在有机试筒24的下面是底部制冷头7，底部制冷头7下端有的四个调平螺母支承在工作台9上，工作台9内部是驱动装置，其中变速器18通过伺服控制系统与外面的数据采集与控制系统相连，变速器18右边连接的是伺服电机11，通过变速器18控制伺服电机11的转速，来调节压力头27加载时的速度。伺服电机11右边连接的是齿轮传动机构17，齿轮传动机构17右面连接的是轴承组10。轴承组10通过转换齿轮机构15来控制位移编码器8，从而控制活动横梁25的位置。活动横梁25上中间部位安装着压力头27和力-位移传感器26。力-位移传感器26又连接着数据采集与控制系统。这样，通过力-位移传感器26对数据采集与控制系统的信息反馈，从而可以更好的控制压力头27加载时的速度和力，获得一个稳定的机械荷载。

在有机试筒24里面每一层土样击实完毕之后，预埋TDR探头32，然后再装土击实。依次分层装土击实。其中，TDR探头32埋设后，导线41通过有机试筒24上预设的孔连接到接线板33后，通过RS485USB转换器31把信号传输给电脑。就这样可以测试土样在冻融循环作用下的温度、含水率和含盐量。在土样顶部安置顶部制冷头28，百分表29固定在有机试筒24顶部的钢环上，可以测试土样在冻融循环作用下的盐胀量，然后通过改变上下制冷头的温度和压力头27所施加荷载的大小，等待一段时间，便可以获取不同工工况下的各层土样的温度、含水率和盐胀量等水盐迁移参数。

击实装置：

参见图2，活动横梁25下面通过焊接的两个螺母固定着两个伸缩杆34。伸缩杆34底端通过焊接在击实装置上的两个螺母来固定击实装置，两个整平杆40分布在击实梁的两侧，击实锤37和驱动电机位于中部。击实梁中部加工一些上下通透的孔道，用来引导击实杆的移动。击实杆在击实梁的下面和上面都有一个限位锁紧孔。击实装置通过伸缩杆34固定在活动横梁25上。一方面可以通过调整活动横梁25的高度来控制击实位置，另一方面也可以通过调节伸缩杆34的长度来调节击实位置。尤其是活动横梁25受到限位环5的限制时，伸缩杆34的作用就显得尤为显著。伸缩杆34主要靠一个特殊的螺栓来调节长度，调节时，先调节螺母，把较粗的钢管脱离螺母，然后调节较细钢管的长度，待到合适位置再拧紧螺母，控制到一定的高度。有机试筒里面装一定高度的土样，启动整平杆40，把有机试筒内部的土整平，然后把整平杆40固定到一定高度，不要妨碍击实锤37进行击实。然后再启动击实锤37右边的转动组件38，履带39上的钢齿可以带动左边的击实锤37往上移动，等钢齿到达顶部以后就会脱离击实锤37，击实锤37自由下落，对土进行击实。根据锤重、土层厚度和落锤高度等参数计算出击实次数，待一个位置击实完毕后。击实锤可以通过击实梁上预留的活动槽进行移动换位置击实。

冻融循环装置：

参见图3a～3d，有机试筒24内部填满了土样，机试筒24的顶部和底部都用制冷头封住。制冷头通过橡胶管与低温恒温槽连接，保持一定的温度。制冷头由上下钢板和中间的一圈密封垫组成。制冷头上下钢板的平滑度要求0.9，中间放一个密封橡胶垫，保证密封性。制冷头底部钢板加工出多道凹槽，供循环液体在里面流通。顶部制冷头28的进液孔和出液孔从顶部钢板进入内部，端口紧贴着上制冷头顶部钢板下底面。底部制冷头7的进液孔和出液孔从底部钢板进入内部。其中，进液孔端口紧贴着底部制冷头7底部钢板的上顶面，出液孔端口紧贴着下部制冷头顶部钢板的下底面。顶部制冷头28的外径略小于有机试筒的内径，有机试筒的外径要略小于底部制冷头7顶部钢板凹槽的外径。顶部钢环的内径等于有机试筒的内径，且在其上面预设两个孔用来安置百分表。底部制冷头7底部布设8个带螺母的短钢杆，用来调平。有机试筒顶部还安置了一个钢环，钢环配置了4个钢杆，用来拉紧钢环来固定住有机试筒，钢杆上部与钢环用螺栓连接，有机试筒下部与底部制冷头7通过螺纹连接。底部制冷头7底板还安置了8个带螺纹的短钢杆，每个钢杆底部配有2个螺母，用来调平，同时在有机试筒周围布置保温层，使其不与外界温度直接交换。

补水装置：

参见图4，补水装置主要由可调支架14、马氏瓶、平衡杯20和渗流瓶42组成。可调支架14下面主要起到稳定作用。平衡杯20下面的铁架两端焊接有螺栓孔，通过螺栓与支撑的钢杆进行固定，来调节平衡杯20的垂直高度。平衡杯20上部连接着马氏瓶，马氏瓶由一个广口瓶19、3根玻璃管和一个橡胶塞组成。平衡杯20下面连接着渗流瓶42。渗流瓶由两个玻璃管和一个玻璃瓶组成。在毛细水上升等试验过程中，土样处在蒸发吸水过程，则有机试筒中的地下水位下降，引起平衡杯20水位下降，马氏瓶就通过补水管补水，使平衡杯和试筒的水位恢复到平衡水位，从马氏瓶刻度读出试筒土样的变化水量。当土样处于入渗补给过程，有机试筒的地下水位升高，引起平衡杯水位升高，通过平衡杯的溢出管43使平衡杯和有机试筒的水位恢复到平衡水位，从渗流瓶读出有机试筒土样的入渗量，这样就能使有机试筒内部的地下水位保持在一定位置。

下面结合具体试验来介绍试验装置的使用步骤：

(1)毛细水-盐胀-溶陷相关试验：

a.测试土样在冻融循环条件下的毛细水上升高度和速度；

b.测试开放系统冻融循环条件下的盐渍土的盐胀率；

c.测试开放系统冻融循环条件下的盐渍土在盐胀之后的溶陷率。

工况：土样为放置在有机试筒内部的一定高度、一定宽度的圆柱状盐渍土土样。土样含水率、含盐量、压实度、冻融循环的温度控制模式、隔断层的设置、补给溶液浓度和上覆荷载均可以根据试验目标进行调整。

步骤：在进行试验前，先把有机试筒和冻融循环装置组装起来。有机试筒24底部卡在底部制冷头7上钢板的凹槽内，通过往凹槽与有机试筒24之间涂抹凡士林来获得密封的效果；根据目标土样的含盐量和含水率配置盐渍土，然后闷料24h；待组装完毕后，把有机试筒移动到加载装置的工作台9上，调节底部制冷头7下面的螺母来调平，并使用加固箍对有机试筒24加固；然后通过击实装置对分层装进有机试筒内部的重配盐渍土进行分层击实，同时在击实过程中把若干个TDR探头32埋进土样中，击实次数根据压实度和击实厚度来确定；击实完毕以后，把补水装置跟有机试筒通过橡胶管连接起来，使补水装置中平衡杯20的水位和有机试筒里面的水位一致，并保持不变，补水系统的组装方式跟上面介绍的相同，然后观察毛细水上升的高度，并进行记录；

待毛细水上升稳定以后，把顶部制冷头28放到土样的顶部，待1h后，再观察记录毛细水上升高度，然后把制冷头通过橡胶管与低温恒温槽连接起来，在钢环上固定两只百分表29用来测量土样的变形量，顶部制冷头和底部制冷头通过其进液孔和出液孔与低温恒温槽相连，然后在有机试筒周围布设一层保温塑料，就这样，冻融循环装置、测量装置组装完毕然后可以拆卸自动击实装置，然后开启低温恒温槽，进行冻融循环作用下的盐渍土盐胀试验，通过低温恒温槽对温度的控制，水分和盐分会在土样内部不断地迁移，不断地有芒硝在土体内部析出，土样膨胀，每隔一段时间，观察毛细水上升高度和盐胀变形量，并改变低温恒温槽的控制温度。通过几个冻融循环周期，我们便可测得a，b试验中所需的毛细水的上升高度和盐渍土的盐胀率，同时，也可以测得在整个试验过程中土样所吸收的水分；

经过若干个冻融循环周期后，停止低温恒温槽，取下上制冷头，把加载板放在土样的顶部，然后通过压力头27在加载板上面施加一定的荷载，待土样变形稳定以后，然后在加载板的上面加水，注水时，保证水面始终高过土样，且不要外溢出有机试筒，同时施加一定的荷载，记录土样的变形量，待变形稳定以后，便测定了c试验所需的盐渍土的溶陷率。

(2)测试在开放系统冻融循环条件下的盐渍土路基内部隔断层位置设置的合理性以及隔断层下盐分富积层形成的时间点和其对路基的影响：

工况：土样为放置在有机试筒内部的一定高度、一定宽度的圆柱状盐渍土土样。土样含水率、含盐量、压实度、冻融循环的温度控制模式、隔断层的设置、补给溶液浓度和上覆荷载均可以根据试验目标进行调整。

步骤：在分层击实土样的时候，预先在土样中一定深度处埋设一层隔断层，然后继续击实土样，然后按照(1)中介绍的试验步骤来继续进行盐胀试验和溶陷试验，即可得到设有隔断层时盐渍土的盐胀率和溶陷率；同理，通过改变隔断层的埋设位置，便可以得到设置不同位置的隔断层情况下的土样的盐胀率和溶陷率，从而获得一个隔断层设置的最佳位置。

在(1)中的试验过程时，通过增加冻融循环周期的次数，能观察到隔断层下盐分富集层的产生，观察盐分富集层时需要在保温材料上开一个矩形的洞，待观察完毕，再用胶带把保温材料封住复原，保持原有的保温效果，当盐分富集层产生时，记录下冻融循环周期的次数，然后继续循环多个冻融循环周期，测量盐分富积层的厚度及土样的盐胀量，待循环完毕以后，取下顶部制冷头，换上加载板，往加载板上面注水，并时刻观察盐渍土土样的变形量，即盐分富集层遇大量的外来水时对路基盐胀的影响，待盐胀变形稳定以后，按照(1)中描述的溶陷试验步骤进行溶陷试验，便可得到盐分富集层对路基溶陷的影响。

(3)测试在开放系统冻融循环条件下的盐渍土路基内部保温层位置设置的合理性：

工况：土样为一定高度，一定宽度的盐渍土圆柱状土样。含水率、含盐量、压实度、冻融循环的温度控制模式、保温层的设置、补给溶液浓度和上覆荷载均可以根据试验目标进行调整。

试验步骤：通过在分层击实土样的时候，预先在土样中埋设一层保温材料，然后继续击实土样，然后按照(1)中介绍的试验步骤来继续进行盐胀试验和溶陷试验，即可得到设有保温层时盐渍土的盐胀率和溶陷率；同理，通过改变保温层的埋设位置，便可以得到设置不同位置的保温层情况下的土样的盐胀率和溶陷率，从而获得一个保温层设置的最佳位置。

(4)测试开放系统冻融循环条件下的改良盐渍土的毛细水上升高度、盐胀率和溶陷率：

工况：土样为一定高度，一定宽度的盐渍土圆柱状土样。含水率、含盐量、压实度、冻融循环的温度控制模式、补给溶液浓度和上覆荷载均可以根据试验目标进行调整。

步骤：在配置土样时，往土样里面加入想要测试的添加剂，然后拌匀，配置获得目标土样，再根据(1)中描述的试验步骤进行试验，可以测得改良盐渍土的毛细水上升高度、盐胀率和溶陷率，于是得到了添加剂对盐渍土的改良效果。

(5)测试开放系统冻融循环条件下的降雨量和上覆荷载对盐渍土盐胀和溶陷的影响作用：

工况：土样为一定高度，一定宽度的盐渍土圆柱状土样。含水率、含盐量、压实度、冻融循环的温度控制模式、隔断层的设置、补给溶液浓度和上覆荷载均可以根据试验目标进行调整。

步骤：在(1)中描述的注水步骤时，加水量是一定的，通过不断改变注水量，从而获得在一定的降雨量(地表水入渗)时盐渍土的溶陷率，得到降雨量对盐渍土溶陷的影响，通过与实际降雨量的对比，为自然条件下盐渍土路基溶陷提供可以借鉴的数据。

在(1)中描述的盐胀试验时根据试验目的，通过改变上覆荷载的大小，从而获得上覆荷载对盐渍土盐胀的影响，为路面厚度和路堤高度提供一定的借鉴数据。

(6)用作各类冻土土样在冻融循环作用下的冻胀研究：

工况：土样为一定高度，一定宽度的圆柱状土样，含水率、压实度、冻融循环的温度控制模式、上覆荷载均可以根据试验目标进行调整。

步骤：在(1)中描述的步骤中，将盐渍土分别替换成冻土土样，从而获得土在冻融循环条件下的冻胀率，而TDR探头可以测得冻胀过程中水的含量变化，为验证冻胀模型提供参考数据。

本发明具有以下功能：(1)试验试筒体积较大，与实际情况接近，可以忽略粗颗粒土尺寸效应，同时可以实现一维传温；(2)通过特定探头动态监测土样内部温度、含水率和含盐量的变化；(3)实现自动击实土样，节省了人力；(4)可以测试土样在冻融循环条件下的毛细水上升高度和速度；(5)可以测试开放系统冻融循环条件下的盐渍土的盐胀率；(6)可以测试开放系统冻融循环条件下的盐渍土在盐胀之后的溶陷率；(7)可以测试在开放系统冻融循环条件下的盐渍土路基内部隔断层位置设置的合理性以及隔断层下盐分富集层形成的时间点和其对路基的影响；(8)可以测试在开放系统冻融循环条件下的盐渍土路基内部保温层位置设置的合理性；(9)可以用作冻土土样在冻融循环作用下的冻胀相关研究；(10)可以测试开放系统冻融循环条件下的盐渍土改良后的毛细水上升高度、盐胀率和溶陷率；(11)可以测试开放系统冻融循环条件下的降雨量和上覆荷载对盐渍土盐胀和溶陷的影响机制等。

Claims (10)

1.一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，包括工作台(9)，工作台(9)上设置有用于装填土样的有机试筒(24)，有机试筒(24)外设有保温层，有机试筒(24)底部连接有补水装置，有机试筒(24)内部底部设置透水石(6)，有机试筒(24)内的击实后的土样中设置有若干个TDR探头(32)，TDR探头(32)连接至数据采集与控制系统，有机试筒(24)的顶部和底部连接有冻融循环装置，所述工作台(9)上设置有固定架，固定架上设置有滑动机构，滑动机构上设置压力头(27)，压力头(27)位于有机试筒(24)顶部的上端，所述滑动机构上还设置有用于击实土样的击实装置；

所述滑动机构包括设置在固定架上的滚珠丝杠(3)，滚珠丝杠(3)上设置有活动横梁(25)，所述压力头(27)设置在活动横梁(25)底部，所述滚珠丝杠(3)连接有电机驱动组件，电机驱动组件的控制端连接至数据采集与控制系统；所述击实装置包括设置在活动横梁(25)底部的伸缩杆(34)，伸缩杆(34)连接有击实梁，击实梁上设置有能够竖直运动的击实锤(37)。

2.根据权利要求1所述的一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，所述电机驱动组件包括依次连接的伺服电机(11)、传动齿轮机构(17)、轴承组(10)和转换齿轮机构(15)，转换齿轮机构(15)连接滚珠丝杠(3)，转换齿轮机构(15)上设置位移编码器(8)，位移编码器(8)连接至数据采集与控制系统，伺服电机(11)上设置变速器(18)，变速器(18)和伺服电机(11)的控制端通过伺服控制器连接至数据采集与控制系统。

3.根据权利要求2所述的一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，所述滚珠丝杠(3)上设置有用于对活动横梁(25)限定上下位置的限位环(5)。

4.根据权利要求1所述的一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，所述击实锤(37)通过导向杆(35)和导向筒(36)设置在击实梁上，击实梁上设置有竖直方向的履带(39)和转动组件(38)，所述履带(39)上设置有钢齿，击实锤(37)侧边设置有凸角，所述履带(39)通过钢齿和凸角的配合抬升击实锤(37)。

5.根据权利要求4所述的一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，所述击实梁上底部设置有整平杆(40)，整平杆(40)底部设置有用于平整土样的整平片。

6.根据权利要求1所述的一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，所述补水装置包括设置在可调支架(14)上的平衡杯(20)，平衡杯(20)上端连接有马氏瓶，平衡杯(20)下端连接有渗流瓶(42)，平衡杯(20)连接至有机试筒(24)内部的透水石(6)底部。

7.根据权利要求1所述的一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，所述冻融循环装置包括分别设置在有机试筒(24)的顶部和底部的制冷头，制冷头上设有进液孔和出液孔，进液孔和出液孔连接至低温恒温槽，所述制冷头包括相互密封扣合的上盖和下盖，下盖设有若干个用于制冷液体流通的凹槽。

8.根据权利要求7所述的一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，所述有机试筒(24)底部的制冷头底部设置有调平螺母。

9.根据权利要求1所述的一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，所述有机试筒(24)的顶部设置有百分表(29)。

10.根据权利要求1所述的一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置，其特征在于，所述压力头(27)上设置有力-位移传感器(26)，力-位移传感器(26)连接至数据采集与控制系统。