CN108519405B

CN108519405B - 一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备

Info

Publication number: CN108519405B
Application number: CN201810409302.2A
Authority: CN
Inventors: 黄龙; 盛煜
Original assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Current assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2038-05-02
Also published as: CN108519405A

Abstract

本发明涉及一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，该设备包括连接在一起的上部承载系统、弹簧约束、压力系统、试验罐、制冷系统和下部承载系统。本发明可以较好地监测土体冻胀过程中冻胀变形量与冻胀力同步变化的情况，同时各零部件可拆卸组合，安装方便安全，操作简单，且体积小稳固性好、测量精度高。

Description

一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备

技术领域

本发明涉及室内土工试验设备，尤其涉及一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备。

背景技术

从80年代开始，随着各种监测手段的快速发展，冻土的试验研究技术也发生了巨大的改进。冻胀机理的研究在近些年一直为冻土学界研究的一个重点，也有许多各国的科学工作者进行大量的试验研究，并积累了大量的关于各种土壤的冻胀测试资料，同时也建立了许多土体冻胀与其各物理参数之间的关系（李萍等. 冻结缘和冻胀模型的研究现状与进展[J]. 冰川冻土, 2000, 22(1): 90-95.）。与此同时，为了满足试验的要求，许多科研机构和学者也自行研制了大量的相关试验设备和仪器。

于琳琳（不同人工冻结条件下土的冻胀试验研究[D], 哈尔滨工业大学, 2006）自行研制了冻胀-融沉试验仪，可观测不同人工冻结条件下土的冻胀规律。王建平等人（人工冻结土体冻胀融沉的模型试验[J], 中国矿业大学学报, 1999,28(4): 303-306）研制了冻土冻胀融沉的模型试验装置，可模拟人工冻土的一维和三维冻胀与融沉全过程。随着三轴试验设备、冻融试验设备等逐步实现微机控制，并可自动记录试验数据，大大地提高了研究土体冻胀相关的试验技术和试验效率（张世银,汪仁和.多功能冻土三轴试验机的研制与应用[J].试验技术与试验机,2007,47(1):67- 70.）。Zheng H（Zheng H, Kanie S. Theapplication of Mixed Hybrid FEM in the frost heave prediction verified by FEMand indoor frost heave experiments[J]. Cold Regions Science and Technology,2017, 142: 85-92.）、Yongtao Wang（Wang Y, Wang D, Ma W, et al. Laboratoryobservation and analysis of frost heave progression in clay from the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 131: 381-389.）、Hendry MT（Hendry M T, Onwude L U, Sego D C. A laboratory investigation of the frostheave susceptibility of fine-grained soil generated from the abrasion of adiorite aggregate[J]. Cold Regions Science and Technology, 2016, 123: 91-98.）、Wang T（Wang T, Yue Z, Ma C, et al. An experimental study on the frostheave properties of coarse grained soils[J]. Transportation Geotechnics,2014, 1(3): 137-144.）等人均采用过类似的试验装置进行了室内冻胀试验，试验过程中根据所做试验的需求都有进行过对原设备的改进，Ji Y（Ji Y, Zhou G, Zhao X, et al.On the frost heaving-induced pressure response and its dropping power-lawbehaviors of freezing soils under various restraints[J]. Cold Regions Scienceand Technology, 2017, 142: 25-33.）在其研究冻胀规律的试验中引进了弹性约束，这与本发明有了相似的设备和技术，但研究内容及目标各不相同。与此同时，也有学者设计了类似冻胀试验方面的装置，并申请了相关专利。李宏伟曾设计了一种测试一维土柱冻胀变形的试验装置（申请号201621451072.9），能在室内模拟土体的冻胀变形过程，并能对冻胀变形过程中土体内部温度、孔隙水压力、竖向冻胀量、竖向体积变形以及冻胀力进行有效测试。员康锋针对目前三轴土样在冻结环境下侧向变形测量存在的问题设计了一种三轴土样冻胀变形测量装置（申请号201620900937.9），可实现冻结环境下三轴土样不同高度侧向变形测试的目的，提高试验效率。除上述研究外，还有许多关于土体或其他介质的相关冻胀试验研究，研究方向各不一致，但在研究试验过程中力与变形关系的试验设备及其冻胀机理和技术等相关方面的报道比较少。

在现有的岩土冻胀试验技术设备中，尤其基于冻融循环试验机的冻胀试验，由于其试验箱中构造的限制，一些较大的试验设备无法安装，且现有的试验设备功能大致分为两类，一类是通过控制冻胀变形量来监测冻胀力的变化，一类是通过控制冻胀力来监测冻胀量的发展情况，但均不能较好地监测冻胀过程中冻胀量与冻胀力同步变化的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可同步监测力和变形且测量精度高的用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备。

为解决上述问题，本发明所述的一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，其特征在于：该设备包括连接在一起的上部承载系统、弹簧约束、压力系统、试验罐、制冷系统和下部承载系统；所述上部承载系统包括置于上部托盘上的承载柱和栓钉Ⅰ；所述承载柱的内部镂空为限位孔，其上端设有上部承载柱外螺纹，其下端设有与所述栓钉Ⅰ相匹配的栓孔Ⅰ；所述弹簧约束包括置于底部托盘中心的限位柱、套在所述限位柱上的弹簧限位环以及套接在所述弹簧限位环上的弹簧；所述限位柱的上端设有栓孔Ⅱ；所述底部托盘中心四周均布有数个螺孔Ⅰ，该螺孔Ⅰ对应设有与其相匹配的螺栓Ⅰ；所述压力系统包括连接在一起的压力传感器和中间承载柱；所述压力传感器上分别设有螺孔Ⅱ、螺孔Ⅲ，并连接有信号传输线；所述中间承载柱的顶部中心设有与所述螺孔Ⅱ相匹配的承载柱螺栓，其上部设有栓孔Ⅲ，其下部设有螺孔Ⅳ；所述中间承载柱底部中心设有挂环孔Ⅰ；所述螺孔Ⅳ内设有螺栓Ⅱ，该螺栓Ⅱ穿过所述挂环孔Ⅰ；所述试验罐包括设有上部固定板和下部固定板的有机玻璃罐以及与栓孔Ⅲ相匹配的栓钉Ⅱ；所述上部固定板与所述下部固定板通过螺栓Ⅲ、螺母连接在一起；所述上部固定板上对称设有一对栓孔Ⅳ；所述制冷系统置于所述有机玻璃罐内并通过所述螺栓Ⅱ与所述压力系统相连，该制冷系统包括设有冷却液出口、冷却液入口、补水端、出水端的上下两块制冷板；每块所述制冷板的中心设有与所述挂环孔Ⅰ相匹配的挂环；上制冷板中的所述挂环与所述螺栓Ⅱ相连；所述下部承载系统包括下部承载柱；所述下部承载柱的上端设有螺孔Ⅴ，其下端设有下部承载柱外螺纹，其上部中心设有与所述挂环相匹配的挂环孔Ⅱ；所述螺孔Ⅴ内设有螺栓Ⅳ，该螺栓Ⅳ与下制冷板中的所述挂环相连。

所述上部承载柱外螺纹与压冻融试验机上部预留孔相匹配。

所述栓孔Ⅰ与所述栓孔Ⅱ的直径相同。

所述栓钉Ⅰ同时穿过所述栓孔Ⅰ与所述栓孔Ⅱ将所述弹簧约束与所述上部承载系统连接在一起。

所述压力传感器通过所述螺栓Ⅰ、所述螺孔Ⅰ以及所述螺孔Ⅲ固定在所述底部托盘上。

所述压力传感器通过所述承载柱螺栓和所述螺孔Ⅱ与所述中间承载柱相连。

所述试验罐通过所述栓钉Ⅱ依次穿过所述栓孔Ⅲ、所述栓孔Ⅳ与所述压力系统相连。

所述下部承载柱外螺纹与压冻融试验机下部预留孔相匹配。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明根据试验需求，各零部件可拆卸、可组合，拆卸、安装方便安全，操作简单。

2、本发明在形状、构造及其组合上简单，体积小质量轻，且可同时监测冻胀过程中的力与变形量。

3、本发明稳固性好，引起的误差小，从而提高了测量精度。

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为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中上部承载系统示意图。

图3为本发明中弹簧约束示意图。

图4为本发明中压力系统示意图。

图5为本发明中试验罐示意图。

图6为本发明中制冷系统示意图。

图7为本发明中下部承载系统示意图。

图中：1—上部承载系统；11—上部承载柱外螺纹；12—限位孔；13—承载柱；14—栓钉Ⅰ；15—栓孔Ⅰ；16—上部托盘；2—弹簧约束；21—栓孔Ⅱ；22—限位柱；23—螺栓Ⅰ；24—螺孔Ⅰ；25—底部托盘；26—弹簧；27—弹簧限位环；3—压力系统；30—螺孔Ⅳ；31—信号传输线；32—压力传感器；33—螺孔Ⅱ；34—螺孔Ⅲ；35—承载柱螺栓；36—螺栓Ⅱ；37—栓孔Ⅲ；38—中间承载柱；39—挂环孔Ⅰ；4—试验罐；41—栓钉Ⅱ；42—螺栓Ⅲ；43—螺母；44—上部固定板；45—下部固定板；46—有机玻璃罐；47—栓孔Ⅳ；5—制冷系统；51—冷却液出口；52—冷却液入口；53—补水端；54—出水端；55—制冷板；56—挂环；6—下部承载系统；61—螺栓Ⅳ；62—螺孔Ⅴ；63—下部承载柱；64—下部承载柱外螺纹；65—挂环孔Ⅱ。

具体实施方式

如图1~7所示，一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，该设备包括连接在一起的上部承载系统1、弹簧约束2、压力系统3、试验罐4、制冷系统5和下部承载系统6。

上部承载系统1包括置于上部托盘16上的承载柱13和栓钉Ⅰ14；承载柱13的内部镂空为限位孔12，其上端设有上部承载柱外螺纹11，其下端设有与栓钉Ⅰ14相匹配的栓孔Ⅰ15。上部承载柱外螺纹11与压冻融试验机上部预留孔相匹配。所述构件均由高强度耐腐蚀耐磨的合金钢制作而成。

弹簧约束2包括置于底部托盘25中心的限位柱22、套在限位柱22上的弹簧限位环27以及套接在弹簧限位环27上的弹簧26；限位柱22的上端设有栓孔Ⅱ21；底部托盘25中心四周均布有数个螺孔Ⅰ24，该螺孔Ⅰ24对应设有与其相匹配的螺栓Ⅰ23。弹簧26由高强度不锈碳钢压制而成，弹簧限位环27由高强度环氧树脂制作，其他零件均由高强度耐腐蚀耐磨的合金钢制作而成。

栓孔Ⅰ15与栓孔Ⅱ21的直径相同。在安装设备的时候，栓钉Ⅰ14同时穿过栓孔Ⅰ15与栓孔Ⅱ21将弹簧约束2与上部承载系统1连接在一起，试验开始前拔出栓钉Ⅰ14。

压力系统3包括连接在一起的压力传感器32和中间承载柱38；压力传感器32上分别设有螺孔Ⅱ33、螺孔Ⅲ34，并连接有信号传输线31；中间承载柱38的顶部中心设有与螺孔Ⅱ33相匹配的承载柱螺栓35，其上部设有栓孔Ⅲ37，其下部设有螺孔Ⅳ30；中间承载柱38底部中心设有挂环孔Ⅰ39；螺孔Ⅳ30内设有螺栓Ⅱ36，该螺栓Ⅱ36穿过挂环孔Ⅰ39。所述构件由高强度合金钢制作而成。

压力传感器32通过螺栓Ⅰ23、螺孔Ⅰ24以及螺孔Ⅲ34固定在底部托盘25上。压力传感器32通过述承载柱螺栓35和螺孔Ⅱ33与中间承载柱38相连。

试验罐4包括设有上部固定板44和下部固定板45的有机玻璃罐46以及与栓孔Ⅲ37相匹配的栓钉Ⅱ41；上部固定板44与下部固定板45通过螺栓Ⅲ42、螺母43连接在一起；上部固定板44上对称设有一对栓孔Ⅳ47。试验罐4通过栓钉Ⅱ41依次穿过栓孔Ⅳ47、栓孔Ⅲ37与压力系统3相连。有机玻璃罐46的制作材料为高分子透明材料聚甲基丙烯酸甲酯（简称有机玻璃），其他零件均由高强度合金钢制作而成。

制冷系统5置于有机玻璃罐46内并通过螺栓Ⅱ36与压力系统3相连，该制冷系统5包括设有冷却液出口51、冷却液入口52、补水端53、出水端54的上下两块制冷板55；每块制冷板55的中心设有与挂环孔Ⅰ39相匹配的挂环56；上制冷板中的挂环56与螺栓Ⅱ36相连。整体的材料均为高强度合金钢。

下部承载系统6包括下部承载柱63；下部承载柱63的上端设有螺孔Ⅴ62，其下端设有下部承载柱外螺纹64，其上部中心设有与挂环56相匹配的挂环孔Ⅱ65；螺孔Ⅴ62内设有螺栓Ⅳ61，该螺栓Ⅳ61与下制冷板中的挂环56相连。下部承载柱外螺纹64与压冻融试验机下部预留孔相匹配。所述构件均为高强度合金钢制作而成。

压冻融试验机-30T由中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室和上海新三思计量仪器制造有限公司等多家单位联合研制。

使用时，首先将上部承载柱外螺纹11旋入有压冻融试验机上部预留孔中，同时将下部承载柱外螺纹64旋入有压冻融试验机下部预留孔中，上部承载系统1、下部承载系统6继而被固定在试验机箱中。其次将压力系统3与弹簧约束2通过螺栓Ⅰ23与螺孔Ⅲ34连接固定在底部托盘25上，同时将制冷系统5通过挂环56与挂环孔Ⅰ39以及挂环孔Ⅱ65相连接固定。然后将弹簧约束2和压力系统3以及制冷系统5三构件连接而成的部件通过栓钉Ⅰ14、栓孔Ⅰ15和栓孔Ⅱ21悬挂固定在上部承载系统1上。最后，将试验样品按要求装入有机玻璃罐46中，将有机玻璃罐46和试样固定在上部固定板44和下部固定板45上，然后将试验罐4整体和压力系统3中通过栓钉Ⅱ41、栓孔Ⅲ37连接固定起来。整套设备被连接固定在同一轴线上，上部结构连接稳定后，通过调整下部承载系统6的位置，最终将试样夹在有机玻璃罐46中。有机玻璃罐46壁外侧有预留孔，可用来插入温度传感器或其他监测探头等。试验中可同时借助其他位移传感器，安装固定在上部固定板44上进行弹簧压缩位移的监测，与试验机本身携带的位移传感器协同工作。

Claims

1.一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，其特征在于：该设备包括连接在一起的上部承载系统（1）、弹簧约束（2）、压力系统（3）、试验罐（4）、制冷系统（5）和下部承载系统（6）；所述上部承载系统（1）包括置于上部托盘（16）上的承载柱（13）和栓钉Ⅰ（14）；所述承载柱（13）的内部镂空为限位孔（12），其上端设有上部承载柱外螺纹（11），其下端设有与所述栓钉Ⅰ（14）相匹配的栓孔Ⅰ（15）；所述弹簧约束（2）包括置于底部托盘（25）中心的限位柱（22）、套在所述限位柱（22）上的弹簧限位环（27）以及套接在所述弹簧限位环（27）上的弹簧（26）；所述限位柱（22）的上端设有栓孔Ⅱ（21）；所述底部托盘（25）中心四周均布有数个螺孔Ⅰ（24），该螺孔Ⅰ（24）对应设有与其相匹配的螺栓Ⅰ（23）；所述压力系统（3）包括连接在一起的压力传感器（32）和中间承载柱（38）；所述压力传感器（32）上分别设有螺孔Ⅱ（33）、螺孔Ⅲ（34），并连接有信号传输线（31）；所述中间承载柱（38）的顶部中心设有与所述螺孔Ⅱ（33）相匹配的承载柱螺栓（35），其上部设有栓孔Ⅲ（37），其下部设有螺孔Ⅳ（30）；所述中间承载柱（38）底部中心设有挂环孔Ⅰ（39）；所述螺孔Ⅳ（30）内设有螺栓Ⅱ（36），该螺栓Ⅱ（36）穿过所述挂环孔Ⅰ（39）；所述试验罐（4）包括设有上部固定板（44）和下部固定板（45）的有机玻璃罐（46）以及与栓孔Ⅲ（37）相匹配的栓钉Ⅱ（41）；所述上部固定板（44）与所述下部固定板（45）通过螺栓Ⅲ（42）、螺母（43）连接在一起；所述上部固定板（44）上对称设有一对栓孔Ⅳ（47）；所述制冷系统（5）置于所述有机玻璃罐（46）内并通过所述螺栓Ⅱ（36）与所述压力系统（3）相连，该制冷系统（5）包括设有冷却液出口（51）、冷却液入口（52）、补水端（53）、出水端（54）的上下两块制冷板（55）；上制冷板的中心设有与所述挂环孔Ⅰ（39）相匹配的挂环（56）；上制冷板中的所述挂环（56）与所述螺栓Ⅱ（36）相连；所述下部承载系统（6）包括下部承载柱（63）；所述下部承载柱（63）的上端设有螺孔Ⅴ（62），其下端设有下部承载柱外螺纹（64），其上部中心设有与所述挂环（56）相匹配的挂环孔Ⅱ（65）；所述螺孔Ⅴ（62）内设有螺栓Ⅳ（61），该螺栓Ⅳ（61）与下制冷板中的所述挂环（56）相连；所述栓钉Ⅰ（14）同时穿过所述栓孔Ⅰ（15）与所述栓孔Ⅱ（21）将所述弹簧约束（2）与所述上部承载系统（1）连接在一起；所述压力传感器（32）通过所述螺栓Ⅰ（23）、所述螺孔Ⅰ（24）以及所述螺孔Ⅲ（34）固定在所述底部托盘（25）上；所述压力传感器（32）通过所述承载柱螺栓（35）和所述螺孔Ⅱ（33）与所述中间承载柱（38）相连；所述试验罐（4）通过所述栓钉Ⅱ（41）依次穿过所述栓孔Ⅲ（37）、所述栓孔Ⅳ与所述压力系统（3）相连。

2.如权利要求1所述的一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，其特征在于：所述上部承载柱外螺纹（11）与压冻融试验机上部预留孔相匹配。

3.如权利要求1所述的一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，其特征在于：所述栓孔Ⅰ（15）与所述栓孔Ⅱ（21）的直径相同。

4.如权利要求1所述的一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，其特征在于：所述下部承载柱外螺纹（64）与压冻融试验机下部预留孔相匹配。