CN109342486A - 超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置 - Google Patents

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黄英豪
蔡正银
张晨
朱洵
陈皓
郭万里
朱锐
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Abstract

本发明涉及超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，包括烘干排湿装置，所述烘干排湿装置包括烘干装置、热交换装置、排水装置和储水箱；所述烘干装置设置于渠道模型上方，用于加热渠道模型；烘干装置对应的模型箱内表面外侧设有热交换装置；所述排水装置包括排水孔和导水板；所述储水箱包括模型箱内部的内置储水箱和设置于模型箱外部的外置储水箱。本发明在可视化冻融模型箱的基础上，设计烘干排湿装置进行加热、排水，并通过水路控制装置进行排水、供水，可实现在不停机的情况下连续完成湿干冻融的循环过程。

Description

超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体涉及超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置。
背景技术
寒区膨胀土渠道的工程运行表明，滑坡仍然是主要破坏形式，其原因归根结底在于湿干冻融作用造成的渠基膨胀土裂隙性以及由此引起的土体力学特性的弱化。要深刻研究寒区膨胀土渠道的劣化破坏过程，需要借助大型土工离心模型试验。土工离心模型试验是拥有“应力全等型”的物理模拟技术，对于一定模型率的模型，通过离心加速度可达到模型与原型的应力相等，而在研究渗流、热扩散问题时具有“缩时效应”。
现有离心模拟实验装置大都模拟冻融循环，对干燥和湿润状态的实现是在离心机停机时自然风干和人工加水完成，造成应力水平和时间尺度的不连续。
发明内容
本发明的目的在于提供可在不停机的情况下连续完成湿干冻融的循环过程的超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，包括离心机、模型箱、计算机控制系统，所述模型箱内放置膨胀土渠道模型，所述系统还包括烘干排湿装置，所述烘干排湿装置包括烘干装置、热交换装置、排水装置和储水箱；
所述烘干装置设置于渠道模型上方，用于加热渠道模型；烘干装置对应的模型箱内表面外侧设有热交换装置；
所述排水装置包括排水孔和导水板；所述储水箱包括模型箱内部的内置储水箱和设置于模型箱外部的外置储水箱；模型箱上端内表面设置排水孔和内置储水箱，模型箱下端内表面设置导水板，导水板通过导水管道连接外置储水箱。
作为本发明的进一步改进，所述装置还包括可调节网架和导轨，所述可调节网架设置于烘干装置上方，导轨设置于模型箱内表面，可调节网架为三段结构，包括依次连接的调节段、水平段和垂直段，调节段、水平段和垂直段间的连接为可旋转连接，垂直段末端连接导轨，沿导轨移动。可以通过导轨调整角度从而实现渠道的不同坡比模拟。
作为本发明的进一步改进，所述外置储水箱为挂式储水箱，与模型箱外表面连接。
作为本发明的进一步改进，所述外置储水箱通过供水管路连接水路控制装置，所述水路控制装置包括电磁阀、水泵，所述电磁阀连接水泵，通过水泵控制供水管路通水或排水。进一步的，供水管路上设有虹吸装置，基于虹吸原理自动通水/排水。
作为本发明的进一步改进，所述烘干装置组成包括金属陶瓷发热片；所述金属陶瓷发热片为一个或多个串联。具体数量可以根据模型所需要的烘干速率进行设计。
作为本发明的进一步改进，所述模型箱外侧设有透明窗口，所述透明窗口外侧安装摄像装置和离心机光源，用于摄像。本发明中采用PIV系统进行摄像，为了保证摄取图像的清晰度高和试验前后采集图像特征的统一，配置光感均匀且亮度变化小的离心机光源，避免自动模式下图像色温不均一产生的影响。
作为本发明的进一步改进，所述渠道模型内设有孔隙水压力传感器、位移传感器以及连续温度传感器，用于实时监测模型内的饱和状态、渠道变形以及温度。
作为本发明的进一步改进，所述离心机上设有模块接口，连接计算机控制系统的控制模块；所述控制模块包括烘干装置的温度控制模块、摄像控制及图像采集模块和传感器数据采集模块。
本发明在可视化冻融模型箱的基础上，设计烘干排湿装置进行加热、排水，并通过水路控制装置进行排水、供水，可实现在不停机的情况下连续完成湿干冻融的循环过程。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图；
图2为水路控制装置结构示意图；
图3为烘干排湿装置结构示意图；
图中，1.模型箱；2.渠道模型；3.烘干装置；31.可调节网架；32.导轨；4.热交换装置；51.导水板；52.排水孔；61.外置储水箱；62.内置储水箱；7.供水管路；71.虹吸装置；72.水泵；73.电磁阀；74.水路控制装置；8.摄像装置；9.模块接口；91.温度控制模块；92.传感器数据采集模块；摄像控制及图像采集模块。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步阐述。
如图1~3所示，本发明的装置包括离心机、模型箱1、计算机控制系统，所述模型箱1内放置膨胀土渠道模型2，模型箱处设有烘干排湿装置，包括烘干装置3、热交换装置4、排水装置和储水箱；
所述烘干装置3设置于渠道模型2上方，其组成包括一个或多个串联的金属陶瓷发热片。用于加热渠道模型；烘干装置3对应的模型箱内表面外侧设有热交换装置4；如图3所示，还包括可调节网架31和导轨32，所述可调节网架31设置于烘干装置3上方，导轨32设置于模型箱1内表面，可调节网架31为三段结构，包括依次连接的调节段、水平段和垂直段，调节段、水平段和垂直段间的连接为可旋转连接，垂直段末端连接导轨32，沿导轨32移动；可调节网架31的垂直段末端沿导轨32移动，使得垂直段首端高度垂直变化，带动水平段和调节段移动，改变调节段倾斜角度，实现调坡。
所述排水装置包括排水孔52和导水板51；所述储水箱包括模型箱1内部的内置储水箱62和设置于模型箱1外部的外置储水箱61；模型箱1上端内表面设置排水孔52和内置储水箱62，模型箱1下端内表面设置导水板51，导水板51通过导水管道连接外置储水箱61。
所述外置储水箱61为挂式储水箱，与模型箱1外表面连接。
如图2所示，所述外置储水箱61通过供水管路7连接水路控制装置74，所述水路控制装置74包括虹吸装置71，水泵72和电磁阀73，电磁阀73连接水泵72，控制水泵72启停，通过水泵72控制供水管路7通水或排水；所述虹吸装置71设置于供水管路7上。水路控制装置结合烘干排水装置可实现超重力场下渠道内快速通水或排水，以及渠基内的水位调节。
如图1、2所示，所述模型箱1外侧设有透明窗口，所述透明窗口外侧安装摄像装置8和离心机光源，用于摄像。本发明中采用PIV系统摄像。
所述渠道模型内设置孔隙水压力传感器、位移传感器以及连续温度传感器，用于实时监测模型内的饱和状态、渠道变形以及温度。
所述离心机上设有模块接口9，连接计算机控制系统的控制模块；包括烘干装置的温度控制模块91、传感器数据采集模块92和摄像控制及图像采集模块93。传感器数据采集模块采集传感器数据，摄像控制及图像采集模块获取摄像数据。
本发明装置的一种湿干冻融循环过程的实现过程如下：
将模型箱放置于离心机吊篮中，开启离心机，使离心机达到设定的离心加速度。当离心机达到设定值时，开启电磁阀使储水箱进水，水流入模型土体内达到设定的水位深度，进行“湿”的环境模拟；“湿”的过程完成后，关闭电磁阀停止储水箱进水，打开模型箱排水孔阀门，使渠道内的水排出后，开启烘干装置，设定烘干温度，保持一段时间，以完成“干”的过程。之后，关闭烘干装置，开启半导体热交换装置的制冷模式，设定制冷温度，保持一段时间，以完成“冻”的过程。之后将半导体热交换装置切换为制热模式，设定温度，保持一段时间，之后关闭热交换装置。至此，一个完整周期的湿干冻融循环完成。在湿干冻融的过程中，可通过摄像装置实时摄像膨胀土渠道表面的裂隙发展情况，以便于试验结束后分析湿干冻融过程中渠道裂隙的生成和演化规律。后续的湿干冻融循环也是在不停机的状态下，重复上述的四个过程，直至完成需要的湿干冻融循环的次数。

Claims (10)

1.一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，包括离心机、模型箱、计算机控制系统，所述模型箱内放置膨胀土渠道模型，其特征在于，还包括烘干排湿装置，所述烘干排湿装置包括烘干装置、热交换装置、排水装置和储水箱；
所述烘干装置设置于渠道模型上方，用于加热渠道模型；烘干装置对应的模型箱内表面外侧设有热交换装置；
所述排水装置包括排水孔和导水板；所述储水箱包括模型箱内部的内置储水箱和设置于模型箱外部的外置储水箱；模型箱上端内表面设置排水孔和内置储水箱，模型箱下端内表面设置导水板，导水板通过导水管道连接外置储水箱。
2.根据权利要求1所述的一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，其特征在于，还包括可调节网架和导轨，所述可调节网架设置于烘干装置上方，导轨设置于模型箱内表面，可调节网架为三段结构，包括依次连接的调节段、水平段和垂直段，调节段、水平段和垂直段间的连接为可旋转连接，垂直段末端连接导轨，沿导轨移动。
3.根据权利要求1所述的一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，其特征在于，所述外置储水箱为挂式储水箱，与模型箱外表面连接。
4.根据权利要求1所述的一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，其特征在于，所述外置储水箱通过供水管路连接水路控制装置，所述水路控制装置包括电磁阀、水泵，所述电磁阀连接水泵，通过水泵控制供水管路通水或排水。
5.根据权利要求4所述的一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，其特征在于，所述水路控制装置还包括虹吸装置，所述虹吸装置设置于供水管路上。
6.根据权利要求1所述的一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，其特征在于，所述烘干装置组成包括金属陶瓷发热片；所述金属陶瓷发热片为一个或多个串联。
7.根据权利要求1所述的一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，其特征在于，所述模型箱外侧设有透明窗口，所述透明窗口外侧安装摄像装置，用于摄像。
8.根据权利要求1所述的一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，其特征在于，所述摄像装置为PIV摄像系统。
9.根据权利要求1所述的一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，其特征在于，所述渠道模型内设有孔隙水压力传感器、位移传感器以及连续温度传感器，用于实时监测模型内的饱和状态、渠道变形以及温度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种超重力场下模拟膨胀土渠道湿干冻融循环的试验装置，其特征在于，所述离心机上设有模块接口，连接计算机控制系统的控制模块；所述控制模块包括烘干装置的温度控制模块、摄像控制及图像采集模块和传感器数据采集模块。
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