CN108362727B - 可视化双向冻胀实验台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可视化双向冻胀实验台，包括模型箱、温控系统、补水系统、加载系统和测量系统，能够满足在不同挡墙或围护条件、不同温度条件、不同补水条件下的实验要求，实现对实验土体双向冻结过程中温度梯度变化和水分迁移的实时观测和分析、冻胀位移和应力的实时测定以及分凝冰生长过程的刻画。

Description

可视化双向冻胀实验台
技术领域
本发明涉及土木工程设备领域，更具体地，涉及一种可视化双向冻胀实验台。
背景技术
在寒冷地区，由于土或岩石中水的迁移作用，铺筑高级路面的道路或砂石路面及其附属构造物、隧道、挡土墙、人行道和坡面等容易遭受较大的破坏，这种现象称之为土壤冻胀现象。根据水的迁移方向，土壤冻胀分为水平冻胀和竖向冻胀，从现有技术来看，单向冻胀是现有研究的一个主要方向，既将水平冻胀和竖向冻胀分开进行研究，从而忽略了水平冻胀和竖向冻胀的相互影响。但事实上，水平冻胀与竖向冻胀结合的影响不容小觑，在此影响下，越来越多的路基构造物和基坑支护结构被破坏，因此，为了保持冻土支护体系的稳定，防止路基构造物和基坑支护可能因冻胀产生的安全事故的发生，有必要对双向冻胀的机理及土壤水分子迁移驱动力的影响因素进行系统研究。其中，可视化试验装置能够实时监控土壤水分凝结成冰过程的图像，广泛应用于土壤竖向冻胀的系统研究。因此，可视化试验装置也可以用于系统研究土壤双向冻胀，但目前的可视化试验装置大多是针对竖向冻胀设计，水平冻胀和竖向冻胀结合时，其影响因素与竖向冻胀有所不同，现有技术中的可视化试验装置无法满足双向冻胀系统研究的需要。
因此，需要提供一种土壤双向冻胀可视化实验台，进行室内冻胀土的模拟，以解决目前缺少对土壤双向冻胀系统研究的问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种可视化双向冻胀实验台。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种可视化双向冻胀实验台，包括模型箱、温控系统、补水系统、加载系统和测量系统；所述模型箱包括保温层、模型外壳、前冷浴板，所述保温层置于模型外壳外侧，所述前冷浴板置于模型箱内部，连接可控反力装置；所述温控系统，包括前冷浴板、后冷浴板、上冷浴板和下冷浴板，所述后冷浴板与模型外壳右侧结合固定，所述上冷浴板置于实验土体上部，所述下冷浴板与模型外壳下侧结合固定；所述补水系统，包括模型箱侧向的补水设备和底端的补水设备，所述模型箱侧向的补水设备包括侧向供水层、侧向透水石和侧向补水装置，所述侧向供水层与后冷浴板结合固定，所述模型箱底端的补水设备包括底端供水层、底端透水石和底端补水装置，所述底端供水层与下冷浴板结合固定；所述加载系统，包括顶板和可控反力装置，所述顶板与左侧模型外壳结合固定，所述可控反力装置一端与顶板连接，另一端与前冷浴板连接；所述测量系统，包括温度传感器、水分探头、位移计、压力计、张力计、压力盒和照相设备；
所述温控系统通过各冷浴板调节实验台温度；
所述前冷浴板通过转轴调节旋转位置；
所述可控反力装置调节应力的大小和方向；
所述补水系统分别由侧向和底部向实验台补水。
优选的，所述模型外壳为有机玻璃、PC塑料或透明ABS塑料。
优选的，所述前冷浴板材料为有机玻璃。
优选的，所述上冷浴板材料为有机玻璃。
优选的，所述前冷浴板和上冷浴板为冷端，所述后冷浴板和下冷浴板为暖端，所述冷端和暖端分别与不同冷浴设备连接。
优选的，所述照相设备包括照相机和紫外光源，所述张相机配置2430万像素镜头、紫外镜头和紫外滤光片。
本发明的有益效果如下：
本发明能够保证实验过程中冻土温度环境的稳定性，满足在不同挡墙或围护条件、不同温度条件、不同补水条件下的实验要求，模拟支护刚度对冻胀的影响，模拟墙体倾覆任意位移时对应的土体冻胀情况，实现对实验土体双向冻结过程中温度梯度变化和水分迁移的实时观测和分析、冻胀位移和应力的实时测定、冻结缘的位置、厚度及分凝冰生长过程的刻画。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明提供的一种可视化双向冻胀实验台的结构示意图。
图2示出前冷浴板的剖面图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本实施例提供了一种可视化双向冻胀实验台，该发明包括
模型箱包括保温层10、模型外壳9、前冷浴板1。
保温层10置于模型外壳9外侧，模型箱外覆盖保温层10可以保证实验过程中冻土温度环境的稳定；模型外壳为有机玻璃、PC塑料或透明ABS塑料，满足实验过程中对土体冻结过程和分凝冰形成的拍摄。前冷浴板1置于模型箱内部，连接可控反力装置5，通过转轴调节旋转位置，模拟墙体倾覆任意位移时对应的土体冻胀情况；前冷浴板1采用高强度高刚度的挡墙或围护结构，节省模型箱内空间；前冷浴板1材料为有机玻璃，并可通过更换材料改变支护刚度，模拟支护刚度对冻胀的影响。实验土体11根据不同的实验要求高度填放在模型外壳9左侧、前冷浴板1、后冷浴板14之间，模拟支挡结构。
温控系统，包括前冷浴板1、后冷浴板14、上冷浴板15和下冷浴板8。前冷浴板1为温控系统的冷端。后冷浴板14与模型外壳9右侧结合固定，为温控系统的暖端。上冷浴板15置于实验土体11上部，材料为有机玻璃，具有一定刚度，能承受上部传来的竖向力，为温控系统的冷端。下冷浴板8与模型外壳9下侧结合固定，为温控系统的暖端。各冷端和暖端分别与不同的冷浴设备连接，冷端和暖端温度控制范围均为-20℃至20℃，通过调节温控系统各端温度，可实现双向冻结。实验台通过上、下、左、右四个位置的冷浴板，实现试样土11的双向冻结过程，同时通过设定冷端和暖端冷浴循环系统的温度，实现不同的试验温度要求。
补水系统，包括模型箱侧向的补水设备和底端的补水设备。模型箱侧向的补水设备包括侧向供水层12、侧向透水石13和侧向补水装置16，侧向供水层16与后冷浴板14结合固定。模型箱底端的补水设备包括底端供水层7、底端透水石6和底端补水装置2，底端供水层7与下冷浴板8结合固定。实验台侧向和底端均有补水装置，通过调整补水装置，可实现底部和侧向补水，满足开放系统试样土冻胀试验的补水条件要求。
加载系统，包括顶板3和可控反力装置5。顶板3与模型外壳9左侧结合固定。可控反力装置5一端与顶板3连接，另一端与前冷浴板1连接。加载系统可以通过可控反力装置5给试样土11施加水平约束和竖向约束，实现有侧向约束或竖向约束条件下的试验要求，模拟在施加水平应力和竖向应力条件下实验土体11的冻胀情况。
测量系统，包括温度传感器、水分探头、数显式百分表位移计、压力计、张力计、压力盒和照相设备，测量系统采集温度、含水率、基质吸力、侧向和竖向土压力、侧壁位移和应力、顶部冻胀量和外界补水量。温度传感器间隔插入所述模型箱的实验土体11中。水分探头对应温度传感器插入模型箱的实验土体11中。实验台温度传感器和水分探头实时监测试样土11温度及含水率的变化，对实验土体11水平冻结过程中温度梯度及水分迁移变化进行实时测定和分析。数显式百分表位移计置于上冷浴板15和前冷浴板1之间。张力计靠近前冷浴板1间隔插入实验土体11中。所述压力计对应所述张力计间隔插入实验土体11中。前冷浴板1上布置等间距的压力盒17。实验台数显式百分表位移计、压力计、张力计和压力盒对实验土体11在冻结过程中竖向和水平向冻胀位移和应力进行实时测定。照相设备包括照相机和紫外光源，所述张相机配置2430万像素镜头、紫外镜头和紫外滤光片。实验台采用高清照相机对放在模型箱中的实验土体11进行时间延迟成像拍照，可以观察和记录冻结缘的位置、厚度及分凝冰的生长过程，实现冻结过程中冻结缘特征和分凝冰生长过程的刻画。温度传感器、水分探头、数显式百分表位移计、压力计、张力计、压力盒和照相设备将数据实时传输给电脑。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种可视化双向冻胀实验台，其特征在于，包括模型箱、温控系统、补水系统、加载系统和测量系统；所述模型箱包括保温层、模型外壳、前冷浴板，所述保温层置于模型外壳外侧，所述前冷浴板置于模型箱内部，连接可控反力装置；所述温控系统，包括前冷浴板、后冷浴板、上冷浴板和下冷浴板，所述后冷浴板与模型外壳右侧结合固定，所述上冷浴板置于实验土体上部，所述下冷浴板与模型外壳下侧结合固定；所述补水系统，包括模型箱侧向的补水设备和底端的补水设备，所述模型箱侧向的补水设备包括侧向供水层、侧向透水石和侧向补水装置，所述侧向供水层与后冷浴板结合固定，所述模型箱底端的补水设备包括底端供水层、底端透水石和底端补水装置，所述底端供水层与下冷浴板结合固定；所述加载系统，包括顶板和可控反力装置，所述顶板与左侧模型外壳结合固定，所述可控反力装置一端与顶板连接，另一端与前冷浴板连接；所述测量系统，包括温度传感器、水分探头、位移计、压力计、张力计、压力盒和照相设备；
所述温控系统通过各冷浴板调节实验台温度；
所述前冷浴板通过转轴调节旋转位置；
所述可控反力装置调节应力的大小和方向；
所述补水系统分别由侧向和底部向实验台补水。
2.根据权利要求1所述的一种可视化双向冻胀实验台，其特征在于，所述模型外壳为有机玻璃、PC塑料或透明ABS塑料。
3.根据权利要求1所述的一种可视化双向冻胀实验台，其特征在于，所述前冷浴板材料为有机玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种可视化双向冻胀实验台，其特征在于，所述上冷浴板材料为有机玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种可视化双向冻胀实验台，其特征在于，所述前冷浴板和上冷浴板为冷端，所述后冷浴板和下冷浴板为暖端，所述冷端和暖端分别与不同冷浴设备连接。
6.根据权利要求1所述的一种可视化双向冻胀实验台，其特征在于，所述照相设备包括照相机和紫外光源，所述照相机配置2430万像素镜头、紫外镜头和紫外滤光片。
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