CN107907562A - 恒压自循环冻胀试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恒压自循环冻胀试验系统，包括冻胀试验分系统和水压控制分系统，冻胀试验分系统包括试验箱体以及控制器模块，箱体内设置有用于盛装土样的试样盒；箱体内还设置有温度检测装置、制冷装置、位移检测装置以及压力装置；试验箱体内设置有底座，底座上设置有保水池，试样盒放置于保水池中，试样盒的底面为具有一定厚度的带孔垫板；水压控制分系统包括贮水池和主动输水装置，贮水池通过管道向保水池供水，主动输水装置用于向贮水池内输水；底座上开设排水口，保水池超过一定位置的水由排水口排出。本发明既可在实验室内模拟素土与盐渍土在低温环境下吸水冻胀变形试验，又能够保证试验过程中水压的恒定以及试验用水循环利用。
Description
技术领域
本发明属于土体试验技术领域，特别涉及一种恒压自循环冻胀试验系统。
背景技术
土体冻胀和盐胀是由土中水成冰和盐晶析出引起体积膨胀的现象。冻土和盐渍土地区的工程构筑物都会由于土体的冻胀和盐胀而遭受破坏。因此，深入开展土体冻胀和盐胀机理的研究势在必行。
土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)中的冻胀试验机类型因结构形式简单，而在土体冻胀量的测定方面被广泛采用，但该类型试验机也存在着明显的不足，即其供水系统为具有一定高度的封闭塑料管，试验过程中水压会随水位的改变而改变，势必会对试验结果产生影响，事实证明当塑料管中水位较高时，还容易导致水四处溢流；若其供水系统为自来水补给，因试验周期长必然导致水资源的浪费，且不能用于地下水为卤水情况的试验模拟，以至于无法开展盐渍土冻胀试验研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种恒压自循环冻胀试验系统，既可在实验室内模拟素土与盐渍土在低温环境下吸水冻胀变形试验，又能够保证试验过程中水压的恒定以及试验用水循环利用。
为解决上述技术问题，本发明所提供的恒压自循环冻胀试验系统包括冻胀试验分系统和水压控制分系统，所述冻胀试验分系统包括试验箱体以及控制器模块，所述试验箱体内设置有用于盛装土样的试样盒；所述试验箱体内还设置有温度检测装置、制冷装置、位移检测装置以及压力装置，所述位移检测装置用于检测土样的变形量，所述压力装置用于模拟土样上部荷载；所述温度检测装置、制冷装置、位移检测装置均与所述控制器模块连接；所述试验箱体内还设置有底座，所述底座上设置有保水池，所述试样盒放置于所述保水池中，所述试样盒的底面为具有一定厚度的带孔垫板；所述水压控制分系统包括贮水池和主动输水装置，所述贮水池通过管道向所述保水池供水，所述主动输水装置用于向所述贮水池内输水；所述底座上还开设有排水口，所述保水池超过一定位置的水由所述排水口排出。
在上述技术方案中，土样放置于试样盒中。通过主动输水装置向贮水池内输水，能够保持贮水池内的水量的稳定，因而通过调节贮水池的高度，能够将保水池中的水维持在一定量，而保水池中的水通过带孔垫板供土样吸收，即带孔垫板中的水量水压也是稳定的，因而能够保持向土样供水压力的稳定。由于底座设置有排水口，因而既能够进一步保持带孔垫板中的水位的稳定，也就是进一步保持向土样供水压力的稳定，又能够防止出现水四处溢流。在控制器模块的控制作用下，通过温度检测装置检测试验箱体内的试验温度，温度检测数据传输至控制器模块，并由控制器模块控制制冷装置将试验箱体内的温度控制在设定的范围或者数值或者按照设定进行温度变换，保证了试验温度的准确性和稳定性。通过位移检测装置能够实时、准确地检测土样在冻胀试验过程中的变形量，通过压力装置能够模拟土样上部荷载。上述技术方案操作简便，使得在实验室内即可模拟素土与盐渍土在低温环境下吸水冻胀变形试验，同时又能够保证试验过程中水压的恒定，因而能够提高试验的准确性。本发明除了可以完成地下水为淡水时的土体吸水冻胀试验外，还可以通过在贮水池中盛装盐溶液等来模拟特殊条件下(如盐渍土)的土样冻胀量测量，了解盐渍土等在冻胀作用下体积的变化规律、水盐迁移变化规律，为盐渍土冻胀性的研究提供了一种新的试验工具，具有很好的科研和实用价值，适用范围更加广泛。
作为改进，所述制冷装置包括轻制冷模块和重制冷模块，从而能够进行不同温度条件下的冻胀模拟试验。
作为改进，所述试样盒的顶面可上下活动，所述位移检测装置用于检测所述顶面的活动数据，从而能够准确检测土样在冻胀试验过程中竖直方向上的变形量，进一步提高试验的准确性，且这种检测方式更加简便易行。
作为改进，所述试样盒的顶面可上下活动，所述压力装置作用于所述试样盒顶面，从而能够准确模拟上部荷载，进一步提高试验的准确性，且这种模拟方式更加简便易行。
作为改进，所述压力装置的压力源为可更换的砝码，从而能够进行压力变化，进一步提高了本发明试验的准确性以及多功能性。
作为改进，所述试验箱体和/或试样盒为保温箱体和/或保温盒，有利于进一步提高试验温度的稳定性，从而提高试验准确性。
作为改进，所述水压控制分系统还包括沉降池以及供水池，两者被过滤装置分隔形成，所述排水口的排水通过管道流向所述沉降池，所述主动输水装置用于从所述供水池向所述贮水池输水。由于沉降池和供水池被过滤装置分隔形成，因而当供水池由于向贮水池输水而发生水位变化时，沉降池中的水能够经过滤装置过滤进入供水池。还由于排水口的排水流向沉降池，因而也就形成了一个贮水池-保水池-带孔垫板-沉降池-供水池-贮水池的水循环系统，因而本发明在整个试验过程中的水被循环利用，提高了水的利用率，不会造成水的浪费，具有节约资源的特点。由于沉降池中的水需经过过滤装置进入供水池中，因而也就保证了整个试验用水的洁净度，防止对各部件造成损害。
作为改进，所述过滤装置包括填充有过滤材料的过滤体，所述过滤体有两个侧面分别作为所述沉降池与供水池的一个侧面，且所述过滤体的这两个侧面上设置有开口，所述开口设置有滤网。通过滤网与过滤材料能够实现水的多重过滤，保证进入供水池中水的洁净度。
作为改进，所述沉降池一侧的滤网低于所述供水池一侧的滤网，这样可以使得水分完全通过过滤材料过滤后到达供水池，从而进一步提高过滤效果。
作为改进，所述贮水池设置有溢流口，所述溢流口位于所述沉降池上方，进一步保证了在试验过程中水不会被浪费。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的结构示意图。
图2是本发明具体实施方式中冻胀试验分系统的结构示意图。
图3是本发明具体实施方式中水压控制分系统的结构示意图。
具体实施方式
参考图1至图3，该恒压自循环冻胀试验系统包括包括冻胀试验分系统和水压控制分系统。冻胀试验分系统包括带有保温材料的试验箱体4，还包括控制器模块1，控制器模块1设置于试验箱体4外部并与试验箱体4安装在一起。控制器模块1上设置有按键以及显示装置2。
试验箱体4内设置有竖直设置的柱形透明试样盒11(方柱形或者圆柱形)，试样盒11外侧设置有保温材料9。试样盒11的顶面可以上下活动，试样盒11的底面为具有一定厚度的带孔垫板14。试样盒11内放置有土样，且土样上下各铺一层湿润的滤纸。试验箱体4内还设置有温度检测装置3、制冷装置、位移检测装置5以及压力装置6。其中，制冷装置包括轻制冷模块和重制冷模块，轻制冷模块可以采用常用制冷设备8，重制冷模块采用负温循环液制冷，包括负温循环液进出口7以及负温循环液管道，负温循环液管道可以围绕试样盒11设置或者设置于试样盒11顶面，通过重制冷模块可以将试验温度降得更低。温度检测装置3包括热敏电阻，并设置多个测温点16，进行轻致冷、重制冷以及试样盒11内部的温度检测，因而试样盒11上可以预留温度检测口。温度检测装置3以及制冷装置均与控制器模块1通过合适方式连接(例如线路连接或者无线通讯连接)，温度检测数据通过显示装置2进行显示，并可以通过控制器模块1的按键进行温度设定，从而控制轻制冷模块或者重制冷模块的运行。
位移检测装置5可以采用位移计等装置，用于检测试样盒4顶面的位移数据。位移检测装置5与控制器模块1通过合适方式连接(例如线路连接或者无线通讯连接)，位移检测数据通过显示装置2进行显示。压力装置6包括传压杆以及传压板，传压杆竖直设置，传压板水平设置并与传压杆的下端连接，同时传压板压在试样盒11顶面上。压力装置6的压力源为砝码13，砝码13可以直接与传压杆连接，也可以根据需要设置合适的支架，传压杆与支架连接，砝码13挂在支架上。无论砝码13直接与传压杆连接还是与支架连接，砝码13都是可更换的。
试验箱体4内还设置有底座15，底座15上设置有保水池，即底座15具有一个池状的部分用于盛水，或者底座15可以直接设置成中空的用来盛水，这样底座15本身可以作为保水池。试样盒11放置于保水池中。底座15上还开设有排水口10，排水口10可以设置于保水池一定高度处，从而当保水池中超过该高度的水由排水口10排出。或者排水口10设置于保水池外，这样只有当水溢出保水池后才由排水口10排出。若是排水口10设置于保水池外，则底座15上可以设置相应的通道或者阻挡装置，使得水溢出保水池能够流向排水口10。
水压控制分系统设置于试验箱体4外，包括透明玻璃板23制成的贮水池26和主动输水装置，贮水池26上设置有出水口28，而底座15上可以设置相应的底座进水口12，贮水池26中的水通过出水口28、管道和进水口12进入保水池，其中该处管道为图1和图2中的管道17中位于下方的一条。试验箱体4上设置有相应的供管道穿过的口。主动输水装置用于向贮水池26内输水，输水来源可以根据需要选择。
水压控制分系统还包括沉降池18以及供水池，两者被过滤装置分隔形成。在本实施方式中设置了一个上开口的透明水箱，水箱内设置有上述的过滤装置，过滤装置包括过滤体，过滤体为立方体，其内填充过滤材料22。过滤体的两个相对侧面分别与水箱的两个相对侧面连接或者一体等，这样就在过滤体的两侧形成了两个部分，称为沉降池18和供水池，且过滤体与沉降池18共用一个侧面，过滤体与供水池也共用一个侧面。这两个共用侧面上设有开口，开口设置有可拆卸滤网19。沉降池18一侧的滤网19低于供水池一侧的滤网19.当沉降池内水位不高于过滤体时，沉降池18与供水池中的水相互流动是必须通过滤网19以及过滤材料22。本实施方式中，贮水池26设置于过滤体上，贮水池26也有两个相对侧面分别与水箱的两个相对侧面连接或者一体，且与过滤体和贮水池26连接或一体的水箱侧面相同。这样当水箱内水位不高于贮水池26时，沉降池18与供水池中的水相互流动是必须通过滤网19以及过滤材料22。
在本实施方式中，主动输水装置包括可调节式吸水泵20，吸水泵20置于供水池中，其输水速度可以通过水流调节开关21进行调节，并通过管道25和贮水池26上设置的贮水池进水口24将供水池中的水输送至贮水池26，因而本实施方式中是将供水池中的水作为贮水池26的直接输水来源。
本实施方式中，贮水池26为底面积较大的长方体，可以尽可能降低水位波动，有效保证恒定水压。沉降池18设置有进水口29，底座15的排水口10通过管道与沉降池18的进水口29连接，其中该处管道为图1和图2中的管道17中位于上方的一条，试验箱体4上设置有相应的供管道穿过的口。
本实施方式中各管道与各个水口的连接处以及试验箱体4上的管道口以及其他部位根据需要设置有相应的密封装置。
该恒压自循环冻胀试验系统是这样工作的：将水压控制分系统(即贮水池26)设置在合适高度，可以使水通过管道由贮水池26流入保水池，并且在保水池中维持一定量(例如保水池水满而不溢出)。然后通过调节吸水泵20的水流调节开关21，可以确保贮水池26中的水量和水压稳定。由于贮水池26水量以及水压稳定，保水池水量水压稳定，保水池中的水通过带孔垫板14供土样吸收，即带孔垫板14中的水量水压也是稳定的，因而能够保持向土样供水压力的稳定。由于底座15设置有排水口10，因而既能够进一步保持带孔垫板14中的水位的稳定，也就是进一步保持向土样供水压力的稳定，又能够防止出现水四处溢流。通过控制器模块1的按键设置试验参数(包括温度、降温速度等)。在控制器模块1的控制作用下，通过温度检测装置3检测试验箱体4内的试验温度，温度检测数据传输至控制器模块1，并由控制器模块1控制制冷装置将试验箱体4内的温度控制在设定的范围或者数值或者按照设定进行降温。通过位移检测装置5实时检测土样在冻胀试验过程中竖直方向上的变形量，通过压力装置6模拟土样上部荷载，并可以通过更换砝码13来调节所模拟荷载的压力。
底座15排水口10排出的水流回沉降池18，随着供水池向贮水池26输水而水位下降，沉降池18中的水经过滤网19和过滤材料22过滤进入供水池，也可以根据需要另外向供水池加水。
水压控制分系统设置于试验箱体4外便于观察。
还可以在贮水池26上设置溢流口27，溢流口27位于沉降池18上方，当贮水池26中的水超过一定高度时便由溢流口27流至沉降池18，进一步保持贮水池26中水量水压稳定。
除了可以完成地下水为淡水时的土体吸水冻胀试验外，还可以通过在贮水池26中盛装盐溶液等来模拟特殊条件下(如盐渍土)的土样冻胀量测量(需要对水压控制分系统进行加盖或覆膜处理，减少水分蒸发对溶液浓度的影响)，了解盐渍土等在冻胀作用下体积的变化规律、水盐迁移变化规律，为盐渍土冻胀性的研究提供了一种新的试验工具，具有很好的科研和实用价值，适用范围更加广泛。
Claims (10)
1.恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：包括冻胀试验分系统和水压控制分系统，所述冻胀试验分系统包括试验箱体以及控制器模块，所述试验箱体内设置有用于盛装土样的试样盒；所述试验箱体内还设置有温度检测装置、制冷装置、位移检测装置以及压力装置，所述位移检测装置用于检测土样的变形量，所述压力装置用于模拟土样上部荷载；所述温度检测装置、制冷装置、位移检测装置均与所述控制器模块连接；
所述试验箱体内还设置有底座，所述底座上设置有保水池，所述试样盒放置于所述保水池中，所述试样盒的底面为具有一定厚度的带孔垫板；
所述水压控制分系统包括贮水池和主动输水装置，所述贮水池通过管道向所述保水池供水，所述主动输水装置用于向所述贮水池内输水；
所述底座上还开设有排水口，所述保水池超过一定位置的水由所述排水口排出。
2.根据权利要求1所述的恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：所述制冷装置包括轻制冷模块和重制冷模块。
3.根据权利要求1所述的恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：所述试样盒的顶面可上下活动，所述位移检测装置用于检测所述顶面的活动数据。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：
所述试样盒的顶面可上下活动，所述压力装置作用于所述试样盒顶面。
5.根据权利要求4所述的恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：所述压力装置的压力源为可更换的砝码。
6.根据权利要求1所述的恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：所述试验箱体和/或试样盒为保温箱体和/或保温盒。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：
所述水压控制分系统还包括沉降池以及供水池，两者被过滤装置分隔形成，所述排水口的排水通过管道流向所述沉降池，所述主动输水装置用于从所述供水池向所述贮水池输水。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：
所述过滤装置包括填充有过滤材料的过滤体，所述过滤体有两个侧面分别作为所述沉降池与供水池的一个侧面，且所述过滤体的这两个侧面上设置有开口，所述开口设置有滤网。
9.根据权利要求8所述的恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：所述沉降池一侧的滤网低于所述供水池一侧的滤网。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的恒压自循环冻胀试验系统，其特征在于：
所述贮水池设置有溢流口，所述溢流口位于所述沉降池上方。
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