CN108195877A - 可进行水盐补给的土体冻胀试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可进行水盐补给的土体冻胀试验装置,克服了目前无法充分模拟土体野外冻胀的问题，其包括试验箱体、环境温度控制系统、土体水盐温度监测系统、水盐补给系统、信息采集系统与计算机。试验箱体包括主箱体与土体试样筒，主箱体的内部水平地设置有隔板；土体试样筒包括上顶板、下底板与筒体；环境温度控制系统的2套制冷/热装置和上顶板与下底板内的上循环液管与下循环液管的两端导管连接，土体水盐温度监测系统的4个插入式水盐温度传感器插入筒体内土体样品中，4个插入式水盐温度传感器的信息终端与信息采集系统线连接；水盐补给系统的水盐导管的5个支管的出液口与下底板上的5个下水盐通孔管路连接，信息采集系统与计算机连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种属于冻土工程试验仪器技术领域试验装置，更确切地说，本发明涉及可进行水盐补给的土体冻胀试验装置。
背景技术
土体的冻胀是一个非常复杂的过程,它伴随物理、化学、力学的现象,最主要的包括水分、热量的传输、水分相变和盐分的积聚过程。我国是世界上第三冻土大国，多年冻土面积2.15×106km2，季节冻土面积5.14×106km2。
现有国内冻胀试验装置具有如下特征,首先是装置功能较单一,很多冻土试验装置只能测定一个或两个指标。其次是装置大多不能很好的模拟土体野外冻结过程,有的研究单位直接将土柱放入冰箱,土体从四周向中心冻结,与实际野外自上而下的降温过程不符。有的试验装置没有水盐补给装置,冻土区的冻胀土体很大一部分受到地下水的影响,在冻结过程中水分盐分通过毛细作用在土体内产生位移,从而增加了冻胀融沉的幅度,不考虑水分盐分补给的封闭系统试验并不能很好的反映冻胀过程中水分盐分在土体中补给和迁移过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的无法充分模拟土体野外冻胀的问题，提供了可进行水盐补给的土体冻胀试验装置。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的一种可进行水盐补给的土体冻胀试验装置包括试验箱体、环境温度控制系统、土体水盐温度监测系统、水盐补给系统、信息采集系统与计算机。
所述的试验箱体包括长方体形的主箱体与土体试样筒，主箱体的内部水平地设置有隔板；
所述的土体试样筒为圆柱形的壳体结构件，土体试样筒包括上顶板)、下底板与筒体；土体试样筒通过下底板固定在试验箱体中部的隔板上；
环境温度控制系统中的2套结构相同的制冷/热装置采用上导管与下导管和设置在上顶板与下底板内部的上循环液管与下循环液管的两端连接，2套结构相同的制冷/热装置安装在隔板下方的试验箱体的箱底上；土体水盐温度监测系统中的4个结构相同的插入式水盐温度传感器插入筒体内的土体样品中，4个结构相同的插入式水盐温度传感器的信息终端通过电线与信息采集系统连接；水盐补给系统中的水盐导管的5个支管端与下底板上的5个水盐通孔相连接，信息采集系统与计算机连接。
技术方案中所述的上顶板由上顶板上半部分与上顶板下半部分组成，上顶板上半部分与上顶板下半部分均为一端敞开的圆筒形壳体结构件，上顶板上半部分的顶盖上设置有安装环境温度控制系统中的上导管的两个结构相同的上顶板通孔；
所述的上顶板的上顶板下半部分的内腔布置有上循环液管，上循环液管的首尾端与从上顶板通孔插入的上导管的下端相连接；
所述的上顶板上半部分扣装在上顶板下半部分上成上顶板，上顶板为圆柱形壳体结构件，上顶板采用不锈钢材质制成。
技术方案中所述的下底板由下底板上半部分与下底板下半部分组成，下底板上半部分与下底板下半部分均为一端敞开的圆筒形壳体结构件，下底板上半部分的顶盖上设置有5个结构相同的水盐通孔，1个水盐通孔布置在下底板上半部分顶盖的中心处，另4个水盐通孔布置在相互正交于中心处的下底板上半部分顶盖的4条半径的一半处；
所述的下底板下半部分的内腔设置有下循环液管，下循环液管首尾两端和环境温度控制系统中的下导管连接，下底板下半部分的底板上设置有5个结构相同的下水盐通孔，下底板下半部分的底板上的5个结构相同的下水盐通孔与下底板上半部分的顶盖上的5个水盐通孔对正，5个结构相同的下水盐通孔与下循环液管不接触，下底板上半部分扣装在下底板下半部分上成下底板，下底板为圆柱形壳体结构件，下底板采用不锈钢材质制成。
技术方案中所述的筒体为圆筒式结构件，筒体的内径和上顶板与下底板的外径相等，壁厚为10mm～15mm，筒体的筒壁上沿竖直方向设置有4个筒体通孔，筒体通孔的直径为20～25mm，相邻2个筒体通孔的中心距离为80～90mm，用于盛装待测土体的筒体采用有机玻璃材质制成；下底板通过焊接方式固定在试验箱体中部的隔板上，筒体套装在下底板上，上顶板盖在筒体的顶端；土体试样筒的高为400～440mm。
技术方案中所述的水盐补给系统包括马氏瓶、电子控制装置、滴液器与支架；所述的放置有盐溶液的马氏瓶放置在位于试验箱体左侧的支架的顶端，支架高度高于试验箱体的主箱体中部的隔板，滴液器安装在马氏瓶的正下方，滴液器进液口与马氏瓶的出液口管路连接，电子控制装置安装在滴液器与马氏瓶之间的管路上，滴液器的输液口与水盐导管的总管端相连接，水盐导管的5个支管的出液口和下底板上的5个结构相同的下水盐通孔相连接，防止土体进入水盐导管内的纱网分别包裹在水盐导管的5个支管的出液口上。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置的环境温度控制系统可充分模拟自然环境冻胀条件，人为控制温度，循环液管布设在上顶板与下底板上，使试验土体受冷/热均匀，与自然条件相符合，提高试验精确度；
2.本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置的水盐补给系统可通过滴液器控制水盐进入土体的速率，马氏瓶中的盐溶液可换成各种不同浓度、不同种类的盐类，充分模拟不同地区的土体冻胀情况；
3.本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置的信息采集系统根据4个水盐温度传感器传来的数据，可监测土体中温度场变化，水分、盐分的变化，对于冻胀条件下土体中水盐迁移规律的研究具有重要意义。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置结构组成的示意图；
图2为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置中所采用的土体试样筒结构组成示意图；
图3-1为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置中所采用的土体试样筒的上顶板上半部分结构组成的轴测投影视图；
图3-2为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置中所采用的土体试样筒的上顶板下半部分结构组成的轴测投影视图；
图4-1为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置中所采用的土体试样筒的下底板上半部分结构组成的轴测投影视图；
图4-2为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置中所采用的土体试样筒的下底板下半部分结构组成的轴测投影视图；
图5为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置中所采用的土体试样筒下底板的俯视图；
图6为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置中所采用的插入式水盐温度传感器结构组成的示意图；
图7为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置中所采用的水盐导管结构组成的示意图；
图8为本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置中所采用的滴液器结构组成的示意图；
图中：1.试验箱体，2.土体试样筒，3.上顶板，4.下底板，5.筒体，6.筒体通孔，7.上导管，8.下导管，9.上循环液管，10.下循环液管，11.水盐通孔，12.插入式水盐温度传感器，13.隔板，14.制冷/热装置，15.马氏瓶，16.水盐导管，17.滴液器，18.支架，19.信息采集系统，20.计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，本发明所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置包括试验箱体1、环境温度控制系统、土体水盐温度监测系统、水盐补给系统、信息采集系统19和计算机20。
所述的试验箱体1包括主箱体与土体试样筒2，主箱体为长方体形的壳体结构件，内部空间用隔板13分为上下两个部分；
所述的土体试样筒2为圆柱形的壳体结构件，土体试样筒2包括上顶板3、下底板4与筒体5。
参阅图3-1与图3-2，所述的上顶板3由上顶板上半部分与上顶板下半部分组成，上顶板上半部分与上顶板下半部分均为一端敞开的圆筒形壳体结构件，上顶板上半部分的顶盖上设置有安装上导管7的两个结构相同的上顶板通孔，
所述的上顶板3的上顶板下半部分的内腔布置有上循环液管9，上循环液管9的首尾端与从上顶板通孔插入的上导管7的下端相连接。
所述的上顶板上半部分扣装在上顶板下半部分上成上顶板3，上顶板3为圆柱形壳体结构件，实施例中上顶板3的高为40mm，外径为200mm；上顶板3在试验箱体1内可自由移动，上顶板3采用不锈钢材质制成，通过制冷/热装置14将冷/热液体通过上导管7输送到上循环液管9中实现控温。
参阅图4，所述的下底板4由下底板上半部分与下底板下半部分组成，下底板上半部分与下底板下半部分均为一端敞开的圆筒形壳体结构件，下底板上半部分的顶盖上设置有5个水盐通孔11，其中1个水盐通孔11布置在下底板上半部分顶盖的中心处，另4个水盐通孔11布置在相互正交于中心处的下底板上半部分顶盖的4条半径的一半处，实施例中水盐通孔11直径为3mm；
下底板下半部分的内腔设置有下循环液管10，下循环液管10首尾两端和下导管8连接，下底板下半部分的底板上设置有5个结构相同的下水盐通孔，下底板下半部分的底板上的5个结构相同的下水盐通孔与下底板上半部分的顶盖上的5个结构相同的水盐通孔11对正，下底板下半部分底板上的5个结构相同的下水盐通孔与水盐导管16的(5个支管的)上端相连接，5个结构相同的下水盐通孔与下循环液管10不接触，方便盐水补给土体，下底板上半部分扣装在下顶板下半部分上成下底板4，下底板4为圆柱形壳体结构件，实施例中下底板4的高为40mm，外径为200mm；通过制冷/热装置14将冷/热液体通过下导管8输送到下循环液管10中实现控温；下底板4通过焊接方式固定在试验箱体1中部的隔板13上，下底板4采用不锈钢材质制成。
参阅图2，所述的筒体5为圆筒式结构件，筒体5的内径为200mm，壁厚为10mm～15mm，筒体5的高度为400mm～440mm；筒体5的筒壁上沿竖直方向设置有4个筒体通孔6，筒体通孔6的直径为20mm～25mm，相邻2个筒体通孔6的中心距离为80mm～90mm，筒体5采用有机玻璃材质制成，筒体5用于盛装待测土体；
所述的土体试样筒2的高为400mm～440mm；
所述的环境温度控制系统包括2套结构相同的制冷/热装置14、上导管7和下导管8；
所述的制冷/热装置14为市场通用式风冷热泵模块机组，比如美的G型风冷热泵模块机组等；
2套结构相同的制冷/热装置14放置在试验箱体1的隔板13下方的试验箱体1的箱底上，上导管7与下导管8分别和一套制冷/热装置14相连接，2套结构相同的制冷/热装置14分别采用上导管7、下导管8和土体试样筒2中的设置在上顶板3与下底板4内部的上循环液管9与下循环液管10的两端连接。
所述的制冷/热装置14通过控制终端与信息采集系统19用USB接口连接；
所述的土体水盐温度监测系统包括4个结构相同的插入式水盐温度传感器12；
所述的插入式水盐温度传感器12为市场通用式水盐温度传感器，比如Decagon5TM水盐温度传感器等，插入式水盐温度传感器12前端为不锈钢柱形体，中部为信息终端，信息终端通过电线与信息采集系统19连接；
4个结构相同的插入式水盐温度传感器12与信息采集系统19通过USB接口连接，插入式水盐温度传感器12使用时通过筒体通孔6插入待测土体中，通过信息采集系统19收集数据。
所述的水盐补给系统包括马氏瓶15、水盐导管16、电子控制装置、滴液器17与支架18；
所述的马氏瓶15为圆柱形瓶体，市场上制式产品；
所述的滴液器17为圆柱体塑料容器，上下有导管相连，其中上部导管与马氏瓶15连接，下部导管与水盐导管16连接，上部导管装有输液电子控制装置控制输液快慢，输液电子控制装置为市场上制式产品，比如快易输液宝等；
电子控制装置和信息采集系统19
所述的水盐导管16包括1根总管与5条支管，1根总管与5条支管相连通；
所述的支架18为不锈钢打造，支架顶部设有挂钩，支架高度高于试验箱体1的主箱体中部的隔板13；
所述的马氏瓶15放置在支架18上，支架18高度高于试验箱体1的主箱体中部的隔板13，滴液器17进液口与马氏瓶15相连，滴液器17输液口与水盐导管16的总管端相连接，水盐导管16另一(5个支管)端与下底板4上的5个结构相同的下水盐通孔相连接，详细位置见图5，5个结构相同的下水盐通孔分别与水盐导管16上的5根水盐支管相连接，5根水盐支管出液口分别用纱网包裹，防止土体进入水盐导管16内，马氏瓶15中放置盐溶液。
所述的信息采集系统19与计算机20连接，信息采集系统19与计算机20放置在试验箱体1的右侧。
所述的信息采集系统19为一长方体形结构件，其为市场通用式动态信号测试分析仪，比如拓普测控NUXI-1004/8动态信号测试分析仪等，动态信号测试分析仪内部含有集成信息收集处理单元，为市场上制式产品。
所述的可进行水盐补给的土体冻胀试验装置的工作原理：
在冻胀试验中，先将试验箱体1上部打开，将土体试样筒2中的筒体5放置在下底板4上，将土体样品装入筒体5中，将插入式水盐温度传感器12通过筒体通孔6插入土体样品中，然后将土体试样筒2中的上顶板3盖在筒体5上，然后将水盐导管16的5个支管端与水盐通孔11相连接，打开滴液器17，然后将试验箱体1上部关闭，启动信息采集系统19与计算机20，通过计算机20设定土体试样筒2中的上顶板3与下底板4的温度，完成试验。
以上所述仅为结合本次制作过程进行说明,并不限制本结构,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种变化和更改,比如多个本实体的组合、变换所用材料等。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可进行水盐补给的土体冻胀试验装置，其特征在于，所述的一种可进行水盐补给的土体冻胀试验装置包括试验箱体(1)、环境温度控制系统、土体水盐温度监测系统、水盐补给系统、信息采集系统(19)与计算机(20)；
所述的试验箱体(1)包括长方体形的主箱体与土体试样筒(2)，主箱体的内部水平地设置有隔板(13)；
所述的土体试样筒(2)为圆柱形的壳体结构件，土体试样筒(2)包括上顶板(3)、下底板(4)与筒体(5)；土体试样筒(2)通过下底板(4)固定在试验箱体(1)中部的隔板(13)上；
环境温度控制系统中的2套结构相同的制冷/热装置(14)采用上导管(7)与下导管(8)和设置在上顶板(3)与下底板(4)内部的上循环液管(9)与下循环液管(10)的两端连接，2套结构相同的制冷/热装置(14)安装在隔板(13)下方的试验箱体(1)的箱底上；土体水盐温度监测系统中的4个结构相同的插入式水盐温度传感器(12)插入筒体(5)内的土体样品中，4个结构相同的插入式水盐温度传感器(12)的信息终端通过电线与信息采集系统(19)连接；水盐补给系统中的水盐导管(16)的5个支管端与下底板(4)上的5个水盐通孔(11)相连接，信息采集系统(19)与计算机(20)连接。
2.按照权利要求1所述的一种可进行水盐补给的土体冻胀试验装置，其特征在于，所述的上顶板(3)由上顶板上半部分与上顶板下半部分组成，上顶板上半部分与上顶板下半部分均为一端敞开的圆筒形壳体结构件，上顶板上半部分的顶盖上设置有安装环境温度控制系统中的上导管(7)的两个结构相同的上顶板通孔；
所述的上顶板(3)的上顶板下半部分的内腔布置有上循环液管(9)，上循环液管(9)的首尾端与从上顶板通孔插入的上导管(7)的下端相连接；
所述的上顶板上半部分扣装在上顶板下半部分上成上顶板(3)，上顶板(3)为圆柱形壳体结构件，上顶板(3)采用不锈钢材质制成。
3.按照权利要求1所述的一种可进行水盐补给的土体冻胀试验装置，其特征在于，所述的下底板(4)由下底板上半部分与下底板下半部分组成，下底板上半部分与下底板下半部分均为一端敞开的圆筒形壳体结构件，下底板上半部分的顶盖上设置有5个结构相同的水盐通孔(11)，1个水盐通孔(11)布置在下底板上半部分顶盖的中心处，另4个水盐通孔(11)布置在相互正交于中心处的下底板上半部分顶盖的4条半径的一半处；
所述的下底板下半部分的内腔设置有下循环液管(10)，下循环液管(10)首尾两端和环境温度控制系统中的下导管(8)连接，下底板下半部分的底板上设置有5个结构相同的下水盐通孔，下底板下半部分的底板上的5个结构相同的下水盐通孔与下底板上半部分的顶盖上的5个结构相同的水盐通孔(11)对正，5个结构相同的下水盐通孔与下循环液管(10)不接触，下底板上半部分扣装在下底板下半部分上成下底板(4)，下底板(4)为圆柱形壳体结构件，下底板(4)采用不锈钢材质制成。
4.按照权利要求1所述的一种可进行水盐补给的土体冻胀试验装置，其特征在于，所述的筒体(5)为圆筒式结构件，筒体(5)的内径和上顶板(3)与下底板(4)的外径相等，壁厚为10mm～15mm，筒体(5)的筒壁上沿竖直方向设置有4个筒体通孔(6)，筒体通孔(6)的直径为20～25mm，相邻2个筒体通孔(6)的中心距离为80～90mm，用于盛装待测土体的筒体(5)采用有机玻璃材质制成；下底板(4)通过焊接方式固定在试验箱体(1)中部的隔板(13)上，筒体(5)套装在下底板(4)上，上顶板(3)盖在筒体(5)的顶端；土体试样筒(2)的高为400～440mm。
5.按照权利要求1所述的一种可进行水盐补给的土体冻胀试验装置，其特征在于，所述的水盐补给系统包括马氏瓶(15)、电子控制装置、滴液器(17)与支架(18)；
所述的放置有盐溶液的马氏瓶(15)放置在位于试验箱体(1)左侧的支架(18)的顶端，支架(18)高度高于试验箱体(1)的主箱体中部的隔板(13)，滴液器(17)安装在马氏瓶(15)的正下方，滴液器(17)进液口与马氏瓶(15)的出液口管路连接，电子控制装置安装在滴液器(17)与马氏瓶(15)之间的管路上，滴液器(17)的输液口与水盐导管(16)的总管端相连接，水盐导管(16)的5个支管的出液口和下底板(4)上的5个结构相同的下水盐通孔相连接，防止土体进入水盐导管(16)内的纱网分别包裹在水盐导管(16)的5个支管的出液口上。
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