CN107621476A - 一种综合性的土壤冻胀试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种综合性的土壤冻胀试验装置及方法，装置中筒体的下端安装在底板上，顶板设置在筒体的内腔并能沿筒体的轴向滑动，顶板和底板均为热交换板；保温层包覆在筒体的外表面；筒体内沿其轴向间隔设置多组温度传感器来测量土样沿轴向不同高度位置的温度；位移测量装置来测量顶板沿筒体轴向移动的距离。在做土壤冻胀试验时，通过顶板和底板为土样进行降温来模拟土壤的冻结；冻结过程中，通过位移测量装置测得的顶板的位移能够得出土样的冻胀量以及冻胀率，本发明适用于开展不同条件下细粒土和粗粒土的冻胀试验。该冻胀试验筒制作简单‑节约费用‑使用范围广泛，极大的提高了试验效率。
Description
技术领域
本发明涉及土壤试验技术领域，涉及一种能够开展不同条件下细粒土和粗粒土的冻胀试验装置及方法，具体是一种综合性的土壤冻胀试验装置及方法。
背景技术
冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩。根据冻结状态持续时间不同，可把冻土划分为三类，即瞬时冻土、季节性冻土和多年冻土。季节冻土广泛分布在世界各大洲和中国的大部分国土，我国季节性冻土占国土面积的53.5％。季节冻土的冻结状态通常保持在半月至数月之间。国内外已有的大量工程实践和研究结果表明，冻胀作用是季节冻土区各种工程产生冻害的重要原因，特别是对铁路、公路等线性工程，季节性冻土的冻胀引起工程的破坏会更加剧烈。一方面降低铁路、公路等工程的使用质量，减少其使用寿命。另一方面，冻胀引起的路基变形将严重影响铁路、公路的安全运营，带来巨大的经济损失，并对社会产生不良的影响。因此研究土壤的冻胀性能具有重要的意义。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明目的是提供一种综合性的土壤冻胀试验装置及方法，通过该装置能够进行不同条件下的细粒土和粗粒土的冻胀试验，利用该装置能够对不同的路基填料进行不同条件下的室内冻胀试验，能够解决现行《公路土工试验规程》(JTG E40-2007))中进行冻胀率试验的试验装置适用范围小等缺点。本发明具有制作简单、节约费用、使用范围广等特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种综合性的土壤冻胀试验装置，包括筒体、顶板、底板和保温层，筒体的下端安装在底板上，顶板设置在筒体的内腔并能沿筒体的轴向滑动，顶板和底板均为热交换板；保温层包覆在筒体的外表面，用于对筒体保温；筒体内沿其轴向间隔设置有多组温度传感器；
还包括用于测量顶板沿筒体轴向移动距离的位移测量装置。
筒体内腔对应的底板的部位伸入筒体内腔，且与筒体内壁紧密接触；筒体的顶部设有固定板，固定板上设置有用于固定筒体上部的环形凹槽；
还包括固定螺杆，固定螺杆穿过固定板和保温层并与底板螺纹连接；保温层上端与固定板相抵，下端与底板相抵，固定螺杆将固定板、保温层、底板和筒体固定连接为一个整体。
筒体沿其高度方向自顶部向下每间隔一定距离开设用于装入孔温度传感器的插入孔，插入孔贯穿筒体的筒璧。
还包括沿保温层周向设置用于支撑保温层的外围支挡，保温层包括由绝热保温材料形成的第一层保温层，以及在第一层保温层外围采用泡沫发酵剂包裹形成第二层保温层，第二层保温层填充于第一层保温层与外围支挡之间。
顶板的内部具有冷冻液的流通孔道，流通孔道的循环进出口I延伸至顶板的顶面；底板的内部设有冷冻液的流通孔道，底板下部设有四个进出口，其中两个是冷冻液的循环进出口II，另外两个分别为补水口以及补水排气口。
底板的底部设有若干个用于支撑底板的支座；顶板顶部安装有把手，筒体为有机玻璃筒，位移测量装置为百分表。
筒体内径为200mm，高度为200mm，壁厚为20mm；顶板为圆柱体结构，直径为198～199mm，高度为40～50mm。
一种综合性的土壤冻胀试验方法，包括如下步骤：
(1)将土样依次装入筒体中；
(2)将顶板装入筒体中，使顶板与土样之间，土样与底板之间紧密接触；
(3)对顶板和底板进行低温循环浴，并循环一定时间，以使土样温度内外一致；
(4)对土样进行自上而下的单向分级降温冻结，冻结过程中，通过多组温度传感器分别测量土样沿轴向不同高度位置的温度，通过位移测量装置测量顶板沿筒体轴向移动的距离，当该距离达到稳定状态则结束试验。
冻胀试验前，在筒体内侧涂抹一层润滑剂，润滑剂选用凡士林，并在筒体内腔对应的底板铺设一层塑料薄膜，将土样依次分4层均匀装入筒体中，装样总高度为12cm，土样的层与层之间拉毛；
土样装完后，再在土样的顶面放置一张塑料薄膜，然后将顶板装入筒体中，并轻击顶板数次，以确保顶板与土样顶面紧密接触。
步骤(3)中，顶板和底板进行低温循环浴时，低温循环浴温度为2℃；
步骤(4)中，土样进行自上而下的单向分级降温冻结过称为：初始温度为2℃，平均降温速率为0.5℃/h，终温为-18℃；在降温过程中，每隔2h记录一次顶板沿筒体轴向移动的距离以及土样的温度；
试验结束之后，对土样进分行层取样，测量冻胀后土样不同高度处的含水量。
本发明具有如下有益效果：
本发明的土壤冻胀试验装置的顶板和底板均为热交换板，在做土壤冻胀试验时能够通过顶板和底板为土样进行降温，以此来模拟土壤的冻结；在冻结过程中，通过在筒体外部包覆保温层，能够保证筒体内的土样在冻胀过程中不受外界环境温度的影响，确保试验结果的准确性，同时，还通过多组温度传感器分别测量土样沿轴向不同高度位置的温度，通过位移测量装置测量顶板沿筒体轴向移动的距离，通过测量的顶板沿筒体轴向移动的距离能够得出土样的冻胀量以及冻胀率；
本发明有效的解决了不同的路基填料在不同条件下冻胀实验问题，适用于细粒土、砂类土、碎石土的冻胀试验研究，具有更广阔的推广价值，克服了现行《公路土工试验规程》(JTG E40-2007))中进行冻胀率试验的试验装置适用范围小等缺点。本发明具有制作简单、节约费用、使用范围广等特点。
进一步的，在第一层保温层外围包裹第二层保温层，第二层保温层采用泡沫发酵剂且填充于第一层保温层与外围支挡之间，因此第二层保温层能够起到减震以及进一步保温的目的，通过第二层保温层的减震作用，降低外界对试验的干扰影响，确保试验的精确性和真实性，降低试验误差。
进一步的，在冻胀试验前，在筒体内侧涂抹一层润滑剂，通过润滑剂的润滑作用能够减小土样的冻胀阻力；而且，在冻胀试验结束后，便于土样从筒体中取出。
附图说明
图1为本发明冻胀试验装置的结构示意图。
图中，1-筒体，2-顶板，3-底板，4-固定板，5-固定螺杆，6-支座，7-位移支架，8-循环进出口I，9-循环进出口II，10-补水排气口，11-补水口，12-把手，13-第一层保温层，14-第二层保温层，15-外围支挡，16-百分表。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的土壤冻胀试验装置，包括内部的冻胀试验筒和外部的双层保温系统。其中冻胀试验筒包括带有加热功能、用于盛装土样的筒体1，导热性能良好的顶板2和底板3，顶板2和底板3均为热交换板，用于对筒体1内装入的土样进行冷浴，在顶板2内部开设有冷冻液的流通孔道，顶板2的顶部开设有冷冻液的循环进出口I8；底板3内部开设有冷冻液的流通孔道，底板3下部设有四个进出口，其中两个是冷冻液的循环进出口II 9，另外两个分别为补水口11以及补水排气口10，在筒体1的顶部设有固定板4，固定板4内侧设置环形凹槽用以固定筒体1的上部，固定螺杆5穿过固定板4和保温层并与底板3螺纹连接；保温层上端与固定板4相抵，下端与底板3相抵，固定螺杆5将固定板4、保温层、底板3和筒体1固定连接为一个整体，在底板3下部还设有用于支撑底板3的支座6，在固定板4上通过固定螺杆5还固定有位移支架7。双层保温系统包括在筒体侧向包裹绝热保温材料形成的第一层保温层13，在第一层保温层13外围采用发泡剂包裹形成第二层保温层14，第二层保温层14外周沿周向设置用于支撑双层保温系统的外围支挡15，第二层保温层14填充于第一层保温层13与外围支挡15之间。
筒体1为有机玻璃筒，内径为200mm，高度为200mm，壁厚为20mm；在筒体1边壁上，沿高度方向自顶部向下每隔20mm设置一个热敏电阻传感器插入孔，插入孔用于安装热敏电阻传感器。
顶板2直径为198～199mm，高度为40～50mm的圆柱体，由轻质高强且导热性能良好的合金材料制成，在顶板2上部正中部安装把手12，把手12方便在试验过程中放入或取出顶板2。为了保证冷冻液在顶板内部的循环制冷，在顶板2内部设置的冷冻液的流通孔道为单向流通孔道。
底板3由轻质高强且导热性能良好的合金材料制成，其直径为280mm，高度为40mm，与筒体1安装时，筒体1与底板3同轴设置。底板3内部设置的冷冻液的流通孔道为单向流通孔道，保证冷冻液的循环。
固定板4采用普通钢材制作，整体结构未圆环形，固定板4的内径为200mm，外径为280mm，厚度为7mm，固定板4与筒体1同轴设置。
固定螺杆5及支座6采用普通钢材制作，固定螺杆5和支座6的直径均为10mm。固定螺杆5具有足够的强度来保证固定板4、试验筒1和底板3之间不产生相对位移，支座6能够支撑整个冻胀试验筒和土样的总重量。
位移支架7是由宽度为30mm，厚度为3mm的钢板条加工而成，位移支架7具有足够的刚度来避免位移支架7发生变形。同时，位移支架7通过固定螺杆5固定在固定板4上部，保证支架7和冻胀试验筒连接成为一个整体，这样也可避免外界因素对冻胀变形量测的干扰，减小了试验误差。
百分表16安装在位移支架7上，百分表16的测试量程为50mm，测试精度为0.01mm，把手12上设置有水平的接触平台，百分表16竖直设置，其测头向下，在测量时，调整百分表16的位置，使百分表16的测头与把手12上的水平接触平台表面垂直。
第一层保温层13为在筒体1外侧面向包裹50mm厚的绝热保温材料，第二层保温层14包裹在第一层保温层13外部，填充于第一层保温层13和外围支挡15之间，采用聚氨脂类泡沫发酵剂通过人工发泡而成。
通过本发明的土壤冻胀试验装置进行冻胀试验的方法，包括如下步骤：
(1)测定试验用料的基本物理力学指标，如土壤的颗粒组分、液限ωp、塑限ωL、最佳含水量和最大干密度；
(2)冻胀试验前，先连接好试验装置。空载运行实验装置，检查无误后，在筒体1周围包裹一层厚5cm的绝热保温材料，形成第一保温层13，再在绝热保温材料的最外层采用人工发泡技术，包裹一层泡沫发酵剂，泡沫发酵剂填充在外围支挡15与第一保温层13之间，形成第二保温层14，第一保温层13与第二保温层14形成双层保温系统，双层保温系统保证土样在降温时同一水平面上的温度保持一致；
(3)在试验所用的基本土样中选取典型土样，将典型土样经过风干、碾压和过筛；再根据土样的基本物理性质(如颗粒组分、土粒比重、干密度、液限ωp、塑限ωL)分别选取不同的目标含水率和压实度，细粒土选择时，分别选取含水率为16％、19％、22％和25％细粒土；砂类土选择时，分别选取含水率为7％、9％、11％和13％的砂类土；碎石土选择时，分别选取含水率为3％、5％、7％和-9％的碎石土；然后人工配制不同含水率的土样，将配置好的土样充分拌和均匀后装入大塑料袋中，在室温条件下闷料养生24h以上，以使试验土样的状态均匀一致；
(4)试样采用击实法制备，制样时，先根据试样的尺寸、试样要求的干密度ρd以及土样的实际含水率w按照M＝(1+0.01w)ρdV计算所需湿土的总质量，本实施例中试样的直径为20cm，高度为12cm；然后在筒体1内表面涂抹一层凡士林，并在筒体1底部铺设一层塑料薄膜，将土样依次分4层均匀装入筒体1中，装样高度为12cm，通过控制每层的土样高度来保证土样密度的均匀性，土样的层与层之间需要拉毛，以保证层与层之间紧密结合便于水分迁移。另外，在制样过程中，需要在筒体1侧面的插入孔中插入温度传感器，温度传感器用于检测土样内部温度的变化；
(5)在土样的顶面再放置一张塑料薄膜，然后使顶板2滑落，并用橡皮锤轻击顶板2数次，以确保顶板2与试样顶面紧密接触；
(6)调整百分表16的位置，使百分表16的测头与把手12上的水平接触平台表面垂直并记录百分表16的初始读数；
(7)开启顶板2和底板3的低温循环浴开关，设定循环浴温度为2℃，在2℃下恒温循环8h，以使试样内部的温度保持一致；
(8)使试样自上而下进行单向分级降温冻结，模拟自然界中温度按正弦波变化的规律，并按试验要求的降温速率依次调节冷顶板2和底板3的温度，冻胀试验以冻胀量达到稳定状态为结束标志。降温过程为：从2℃依次降温至-2℃、-6℃、-10℃、-14℃和-18℃，制冷板平均降温速率为0.5℃/h。
(9)在整个试验过程中，每隔2h记录一次土体的冻胀量和温度传感器的温度数值；
(10)待试验结束之后，通过分层取样，测量冻后土样不同深度处的含水量。
(11)开展不同条件下路基填料的冻胀试验主要包括三个方面：①在相同的降温速率下，对不同初始含水量的土样观察其冻胀量随时间因子的变化规律；②在相同的温度梯度下，对不同初始含水量的土样分析其冻胀率的差异；③对初始含水率均匀的土样，研究冻后含水量沿试样高度方向的分布规律。
本发明适用于开展不同条件下细粒土和粗粒土的冻胀试验。该冻胀试验筒制作简单-节约费用-使用范围广泛，极大的提高了试验效率。
Claims (10)
1.一种综合性的土壤冻胀试验装置，其特征在于，包括筒体(1)、顶板(2)、底板(3)和保温层，筒体(1)的下端安装在底板(3)上，顶板(2)设置在筒体(1)的内腔并能沿筒体(1)的轴向滑动，顶板(2)和底板(3)均为热交换板；保温层包覆在筒体(1)的外表面；筒体(1)内沿其轴向间隔设置有多组温度传感器；
还包括用于测量顶板(2)沿筒体(1)轴向移动距离的位移测量装置。
2.根据权利要求1所述的一种综合性的土壤冻胀试验装置，其特征在于，筒体(1)内腔对应的底板(3)的部位伸入筒体(1)内腔，且与筒体(1)内壁紧密接触；筒体(1)的顶部设有固定板(4)，固定板(4)上设置有用于固定筒体(1)上部的环形凹槽；
还包括固定螺杆(5)，固定螺杆(5)穿过固定板(4)和保温层并与底板(3)螺纹连接；保温层上端与固定板(4)相抵，下端与底板(3)相抵，固定螺杆(5)将固定板(4)、保温层、底板(3)和筒体(1)固定连接为一个整体。
3.根据权利要求1所述的一种综合性的土壤冻胀试验装置，其特征在于，筒体(1)沿其高度方向自顶部向下每间隔一定距离开设用于装入孔温度传感器的插入孔，插入孔贯穿筒体(1)的筒璧。
4.根据权利要求1所述的一种综合性的土壤冻胀试验装置，其特征在于，还包括沿保温层周向设置用于支撑保温层的外围支挡(15)，保温层包括由绝热保温材料形成的第一层保温层(13)，以及在第一层保温层(13)外围采用泡沫发酵剂包裹形成第二层保温层(14)，第二层保温层(14)填充于第一层保温层(13)与外围支挡(15)之间。
5.根据权利要求1所述的一种综合性的土壤冻胀试验装置，其特征在于，顶板(2)的内部具有冷冻液的流通孔道，流通孔道的循环进出口I(8)延伸至顶板(2)的顶面；底板(3)的内部设有冷冻液的流通孔道，底板下部设有四个进出口，其中两个是冷冻液的循环进出口II(9)，另外两个分别为补水口(11)以及补水排气口(10)。
6.根据权利要求1所述的一种综合性的土壤冻胀试验装置，其特征在于，底板(3)的底部设有若干个用于支撑底板(3)的支座(6)；顶板(2)顶部安装有把手(12)，筒体(1)为有机玻璃筒，位移测量装置为百分表(16)。
7.根据权利要求1所述的一种综合性的土壤冻胀试验装置，其特征在于，筒体(1)内径为200mm，高度为200mm，壁厚为20mm；顶板(2)为圆柱体结构，直径为198～199mm，高度为40～50mm。
8.一种利用权利要求1-7任意一项所述的综合性的土壤冻胀试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将土样装入筒体(1)中；
(2)将顶板(2)装入筒体(1)中，使顶板(2)与土样之间，土样与底板(3)之间紧密接触；
(3)对顶板(2)和底板(3)进行低温循环浴，并循环一定时间，以使土样温度内外一致；
(4)对土样进行自上而下的单向分级降温冻结，冻结过程中，通过多组温度传感器分别测量土样沿轴向不同高度位置的温度，通过位移测量装置测量顶板(2)沿筒体(1)轴向移动的距离，当该距离达到稳定状态则结束试验。
9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，冻胀试验前，在筒体(1)内侧涂抹一层润滑剂，并在筒体(1)内腔对应的底板(3)铺设一层塑料薄膜，将土样依次分4层均匀装入筒体(1)中，装样总高度为12cm，土样的层与层之间拉毛；
土样装完后，再在土样的顶面放置一张塑料薄膜，然后将顶板(2)装入筒体(1)中，并轻击顶板(2)数次，以确保顶板(2)与土样顶面紧密接触。
10.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，步骤(3)中，顶板(2)和底板(3)进行低温循环浴时，低温循环浴温度为2℃；
步骤(4)中，土样进行自上而下的单向分级降温冻结过称为：初始温度为2℃，平均降温速率为0.5℃/h，终温为-18℃；在降温过程中，每隔2h记录一次顶板(2)沿筒体(1)轴向移动的距离以及土样的温度；
试验结束之后，对土样进分行层取样，测量冻胀后土样不同高度处的含水量。
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