CN110749653A - 一种在役轻质土超声检测的室内模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种轻质土超声检测的模拟试验方法及装置，装置包括试验箱体、冻融循环箱、温控装置、风力控装置、光控装置、降雨模拟装置和外设超声检测设备等。试验箱体放入冻融循环箱内，在装置内进行气泡混合轻质土的浇筑，模拟不同施工情况下对轻质气泡土表面的开裂程度的影响，并测定相应的超声声速，代入公式计算。本发明集室内快速模拟与超声检测一体，检测方法为无损检测，可检测试样在不同工况下的开裂程度，缩短试验周期，自动化程度高，为气泡混合轻质土路基的现场超声检测与质量评价提供依据。
Description
技术领域
本发明属于气泡混合轻质土检测技术领域，具体涉及一种在役轻质土超声检测的室内模拟方法及装置。
背景技术
轻质泡沫土用于路基的施工过程中，会由于受到天气因素的影响产生裂缝等工程问题。目前，对于混凝土在冻融循环，干湿循环等方面的室内试验进行的较多，各类相关的设备也大都齐全完善，但这些试验均是模拟在单一气候条件下对混凝土的影响，而且很少会考虑降雨，光照这两个因素的影响。另外，目前的试验仪器很难模拟在综合天气环境下对轻质泡沫土在施工时所产生的影响。
在当前的冻融循环试验中，冻融试验箱的设计各式各样，各有优缺点。主要缺点集中在以下几个方面：
1、通过水制冷的方式，使得设备在北方冬天低温下会造成故障，难以使用；
2、制冷加热不均匀，导致试样某一部位开裂程度更大，无法模拟现场真实工况。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种在役轻质土超声检测的室内模拟方法及装置，解决了现有的单一环境因素的室内模拟，将温度，风力，降雨，光照因素综合考虑，既可以分开进行一种或多种模拟，也可以综合模拟，同时也解决了试样与检测分开进行的缺点；另外本试验所提供的超声检测方法，也克服了对试样造成损伤的不足。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种在役轻质土超声检测的室内模拟装置，包括冻融循环箱、试验箱体、储水箱、控制台，所述试验箱是由一个底板和四个侧板构成的上方开口的方形结构，试验箱体内部用隔板均分为容纳试样的四个腔室；试验箱体放置于冻融循环箱内部，所述冻融循环箱四个侧壁中部位置各布置的一台电风扇，外部安装V式单层百叶风口，冻融循环箱右侧为控制台，内部安装有冷凝压缩机，所述冷凝压缩机与冻融循环箱侧壁内的冷凝管相连接，所述冻融循环箱左侧为储水箱，箱底安装有水泵，冻融循环箱下方设有加热装置，冻融循环箱上方设有箱盖，所述箱盖上设有喷嘴与水泵连接，箱盖内壁设有日光灯管，所述试验箱体外侧设有超声检测管。
作为本发明的一种改进，所述腔室内添加十字薄壁形加热冷却循环装置，所述循环装置由2mm厚的有机玻璃制成，上部进水管长度为h1=，中间十字薄壁腔为正方体，高度为h2 
，长度 ，腔室厚度为d1= 
，下部出水管有螺纹，与模具箱底部螺孔连接，长度为h3= 
，H为试样高度；各腔室相互连通，上下进出水口设有顶盖。
作为本发明的一种改进，所述喷嘴在箱盖顶部成等边三角形布置，角度可调范围0—30°，活动连接可更换，水量由控制台旋钮控制。
作为本发明的一种改进，所述箱盖内壁设有1-6根日光灯管，并排等距布置，亮度由控制台旋钮控制。
作为本发明的一种改进，所述试验箱体内设有横向与竖向插入塑料管，塑料管要伸出试验箱外。
作为本发明的一种改进，所述超声检测管包括横向超声检测管与纵向超声检测管。
作为本发明的一种改进，所述试验箱体内腔尺寸为100cm×100cm×80cm，冻融循环箱内腔尺寸为120cm×120cm×100cm，厚度10cm。
作为本发明的一种改进，所述试验箱体左右两侧侧面板各设置一手提环。
一种在役轻质土超声检测的室内模拟方法，将气泡混合轻质土在试验箱体内浇筑，能够模拟施工间歇期进行分层浇筑，脱模后进行光照，风力，冻融，降雨的模拟；
A.冻融循环模拟：
将轻质土浇筑，脱模后放置于试验箱体中；再进行冻融循环模拟时，持续通入T1℃的冷水和T2℃的热水，辅助加热底板，可以实现内外上下双向冻融循环的过程，同时通过改变水温控制冻融速率；
在制作试样时在试样内部提前埋设温度传感器，来检测试验内部温度的变化，以此控制通入水的时间，防止在通入冷水进行融化的过程中冷热循环腔内水结冰；传感器放置位置为试样 
高度处，距离试样边缘 
，D为试样横向厚度；当此处温度与水温度一样时，停止水的通入；
B.降雨模拟：
降雨模拟在浇筑间歇期时分层进行，左侧储水箱内部设置有水泵，外部前面设置有水压表，用于检测降雨时供水压力的情况，保证降雨强度稳定；水泵供水从喷嘴喷到试样上；
喷嘴直径与实际降雨情况按如下对应关系进行模拟：
1mm直径喷孔—小雨；
2mm直径喷孔—中雨；
4mm直径喷孔—大雨；
C.光照模拟
开启冻融循环箱盖内壁的日光灯管进行光照模拟，
在进行光照模拟时，一天中光照强度与时间的关系需根据下面的公式进行模拟：
D.风力模拟：
调节控制台上的旋钮来控制电风扇的风力，根据风力大小分别模拟无风，弱风，正常风，强风的情况，通过调节百叶出风口竖向的仰角和俯角来改变风向，每一侧的出风口由不同开关独立控制，进行实际风向的模拟。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种在役轻质土超声检测的室内模拟的装置及方法，能够同时或分开进行冻融循环模拟、降雨模拟、光照模拟、风力模拟试验，将温度，风力，降雨，光照因素综合考虑，模拟不同施工情况下对轻质气泡土表面的开裂程度的影响，并测定相应的超声声速，代入公式计算。本发明集室内快速模拟与超声检测一体，检测方法为无损检测，可检测试样在不同工况下的开裂程度，缩短试验周期，自动化程度高，为气泡混合轻质土路基的现场超声检测与质量评价提供依据。在进行冻融循环试验时，当试样体积较大时，可以通过试样内部的十字形冷热循环装置加速冻融循环的过程；在进行光照模拟时，利用日光灯平行铺设于冻融循环箱顶盖上的设计，可以使光照更加均匀，并且实现了光照强度的连续可调；同时冻融循环的过程更加可控；在降雨模拟时，水的循环利用也体现了节约环保的生态理念。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明所述的试验箱体结构示意图。
图3为本发明所述的加热底板结构示意图。
图4为本发明所述的腔室结构示意图。
图5为本发明所述的十字薄壁冷热循环装置示意图。
图6为本发明所述的百叶出风口示意图。
图7为光照时间曲线图。
附图标记列表：
1为冻融循环箱顶盖，2为喷嘴，3为日光灯管，4为风力控制旋钮，5为降雨控制旋钮，6为光照控制旋钮，7为温度显示屏，8为温度调节旋钮，9为控制台，10为制冷压缩机，11为底板，12为试验箱体，13（23）为竖向超声检测管，14为冻融循环箱，15为加热底板，16为储水箱，17（22）为手提环，18为水泵，19为水压表，20（21）为横向超声检测管，24为油温加热管进油口，25为油温加热管出油口，26为进水口，27为出水口，28为油温加热管，29为固定螺孔，30为进水管口，31为出水管口，32为冷热循环腔，33为百叶风口叶片，34为百叶风口边框。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图所示，本发明所述的一种在役轻质土超声检测的室内模拟方法及装置，基于构建在役轻质土超声检测的室内模拟系统，包括冻融循环模拟系统，降雨模拟系统，光照模拟系统，风力模拟系统。
所述装置包括一试验箱体12，所述试验箱体内腔尺寸为100cm×100cm×80cm，包括一个底板11，四个侧板，通过竖向固定装置将侧板紧密固定在底板上，通过横向固定装置将四个侧面板紧密固定连接，试验箱体12用隔板均分为容纳试样的四个腔室；试验箱体12放置于冻融循环箱14内部，左右两侧侧面板各设置一手提环17，用于将试验箱体提出；冻融循环箱14内腔尺寸为120cm×120cm×100cm，箱体厚度为10cm，内部安装有冷凝装置和加热装置；冻融循环箱右侧为控制台9，内部安装有制冷压缩机10，用于制冷，与冻融循环箱侧壁的冷凝管相连接，用于输送冷气；试验装置最左侧为储水箱16，用于降雨模拟时提供水源，箱底左侧安装有水泵18，可以为降雨模拟提供稳定大小的降雨量。
如当制备的试样尺寸为400*400*800时，相关计算和参数确定如下：
冻融循环模拟的装置模拟系统包括冻融循环箱14，十字薄壁形加热冷却循环腔，加热底板15组成。考虑到温度变化速率不宜过快，循环腔由2mm厚的有机玻璃制成。上部进水管长度为10cm，中间十字薄壁腔高度为60cm，长度为30cm，腔室厚度为1.5cm，下部出水管有螺纹，与模具箱底部螺孔连接，长度为12cm，其中螺纹部分为2cm。各腔室相互连通，上下进出水口设有顶盖。只有当试样横向厚度D≥20cm时，才在腔室内部添加十字薄壁形加热冷却循环腔，以解决在役轻质土多孔介质温度场分布均匀的问题；
冻融循环箱14箱体的保温隔热材料主要采用 10mm 厚聚氨硬质泡沫塑料，并在外侧包裹1mm厚度的不锈钢，防止材料被腐蚀。聚氨酯泡沫具有良好的性能。尤其密度小、比强度高、导热系数低、耐水、耐热，是一种优质的绝热、保温、保冷材料。箱体相邻的聚酯板采用内置的螺丝拼接，并在中间的空隙处充填发泡剂。加热底板使用高温恒温水浴，底板温度控制依赖于底板系统中铺设的加热管路，控制不同的循环油温度，油温采用电加热方式，可实现底板不同温度的控制。
降雨模拟的装置模拟系统包括：降雨系统（喷嘴2），自循环供水系统两部分组成，降雨喷嘴设置于箱体顶盖，成等边三角形布置，角度可调范围0—30°，边长为112cm，喷嘴2半径为5cm，中心点到顶盖边缘距离为20cm，可更换不同直径喷孔的喷嘴。
光照模拟的装置模拟系统采用n根功率为40W的日光灯管3，每根长度为60cm，并排等距布置，间距为10cm，由控制台旋钮控制，其光照强度连续可调，控制台显示器可实时显示光照强度的大小。
模拟光照面积为1m2，光照度分别为0lx（无光），弱光（1000lx），正常光（3000xl），强光（6000lx）的情况所需灯管数量n通过以下计算确定。
由相关的规范可知：功率为40w的日光灯光通量为Φ=2400lm，根据公式：
平均光照度（Eav）=光源总通量（N×Φ）×利用系数（CU）×维护系数（MF）/试验区域总面积（m2）；
此处取利用系数CU（室内）为0.4，维护系数MF为0.8，由此可以计算出最大照度模拟时所需日光灯管数目为7.8根，取8根。在光照强度连续可调的情况下可以实现以上各种照度的模拟。
风力模拟的装置为在冻融循环箱四个侧壁中部位置各布置的一台电风扇，外部安装V式单层百叶风口，规格为200mm×800mm，每台电风扇由单独的旋转开关独立控制。
在进行气泡混合轻质土浇筑时，在模具（试验箱体）四角竖向插入四根塑料管，在模具底部中间横向也各插入四根管塑料管，塑料管伸出模具外10cm，用于后期的超声检测。
将气泡混合轻质土在模具内浇筑，为模拟施工间歇期进行分层浇筑，脱模后进行光照，风力，温度（冻融），降雨的模拟。模拟方法包括以下过程：
A.冻融循环模拟：
在进行轻质土浇筑前，现将该装置立于模具之中，然后进行浇筑，脱模后放置于试验箱体中。在进行冻融循环模拟时，持续通入T1℃的冷水和T2℃的热水，可以加速冻融循环过程，辅助加热底板，可以实现内外上下双向冻融循环的过程，同时通过改变水温控制冻融速率。
为了防止在通入冷水进行融化的过程中冷热循环腔内水结冰，要控制通入水的时间，故在制作试样时要在试样内部提前埋设温度传感器，来检测试验内部温度的变化。传感器放置在距试样底部40cm高度，距离边缘15cm处，当此处温度降至（升至）与冷水（热水）温度一样时，停止水的通入。
B.降雨模拟：
在进行降雨模拟时，在浇筑间歇期时分层进行，同时当雨水进入试验箱体，可通过箱体顶部的导流管通过加压装置再次流入储水箱内，实现水的循环利用。左侧储水箱内部设置有水泵，外部前面设置有水压表，用于检测降雨时供水压力的情况，保证降雨强度稳定。
喷嘴直径与实际降雨情况按如下对应关系进行模拟：
1mm直径喷孔—小雨（弱降雨）
2mm直径喷孔—中雨（正常降雨）
4mm直径喷孔—大雨（强降雨）
降雨模拟的基本原理如下：
降雨装置雨滴的动能是模拟天然降雨侵蚀的最好参量。当降雨高度不变且雨滴大小均匀，即雨滴终点落地速度v为常数时，时间t内降雨对淋雨平台单位面积上试验土体作用的总动能为：
式中：E 为时间段t内单位面积上的降雨对淋雨平台作用的总动能(J/(m2·s))；m 为时间段t内单位面积上的降雨总质量(kg/m2)；v为雨滴终点落地速度(m/s)；为雨滴密度(kg/m3)；I 为降雨强度(mm/h)；t 为降雨持续间(s)；k 为常数。因此，在人工降雨模拟试验中，保证降雨高度不变，并使雨滴的大小及其分布基本不变，则只需通过调整装置的降雨强度就能控制相应的降雨动能，即降雨能量相似可通过相应的雨强来表达。
降雨强度是指单位时段内的降雨量，采用自制简易雨量计率定降雨强度，每场降雨结束后，用量筒测量每个雨量计的降雨量．为防止喷孔被杂质堵塞而影响降雨的均匀性，率定前先将供水压力调整到较大值，把积存在管网内的杂质冲出，
再在每1个取样点分别放置雨量计，确保雨滴经过漏斗进入相应雨量计的量筒中。率定时，在控水阀门不同开度下，分别测出各取样点上雨量计的降雨量Xi，再求出各取样点的平均降雨量 X,控水旋钮不同开度下降雨装置的平均降雨强度为:
式中： 
为试样淋雨平台上各取样点的平均降雨强度(mm/h)； 
为试样淋雨平台上各取样点的实测平均降雨量(mm)。
自循环原理为潜水泵将储水箱内的水通过进水管输送至导水管，再由导水管导入降雨喷嘴，降雨喷嘴中的雨水降到下方的试样上，然后通过回流导管加压后重新回到蓄水池，如此循环。
C.光照模拟
在进行光照模拟时，一天中光照强度与时间的关系需根据下面的公式进行模拟：
也即按照图7所示的曲线关系进行。
由相关的规范可知：功率为40w的日光灯光通量为Φ=2400lm，光照面积为1m2，要求模拟光照度分别为0lx（无光），弱光（1000lx），正常光（3000xl），强光（6000lx）。根据公式：
平均光照度（Eav）=光源总通量（N×Φ）×利用系数（CU）×维护系数（MF）/试验区域总面积（m2）；
此处取利用系数CU（室内）为0.4，维护系数MF为0.8，由此可以计算出最大照度模拟时所需日光灯管数目为7.8根，取8根。在光照强度连续可调的情况下可以实现各种照度的模拟。
D.风力模拟：
调节开关大小可分别模拟无风，弱风，正常风，强风的情况，通过调节百叶出风口竖向的仰角和俯角来改变风向，每一侧的出风口由不同开关独立控制，进行实际风向的模拟。风力等级按照下列风速对应关系进行模拟：
无风—v=0m/s—1档
弱风—v=1.6-3.3m/s—2档
正常风力—v=5.5-7.9m/s—3档
强风—v=10.8-13.8m/s—4档
模拟进行完后，可将试样切割成100*100*100的试样进行试验，进行指标测定时取多个试样的平均值。
本发明将试验箱体放入冻融循环箱内，并设置了温控装置、风控装置、光控装置、降雨模拟装置和外设超声检测设备等。在装置内进行气泡混合轻质土的浇筑，模拟不同施工情况下对轻质气泡土表面的开裂程度的影响，并测定相应的超声声速，代入公式计算。本发明集室内快速模拟与超声检测一体，检测方法为无损检测，可检测试样在不同工况下的开裂程度，缩短试验周期，自动化程度高，为气泡混合轻质土路基的现场超声检测与质量评价提供依据。
Claims (9)
1.一种在役轻质土超声检测的室内模拟装置，其特征在于：包括冻融循环箱、试验箱体、储水箱、控制台，所述试验箱是由一个底板和四个侧板构成的上方开口的方形结构，试验箱体内部用隔板均分为容纳试样的四个腔室；试验箱体放置于冻融循环箱内部，所述冻融循环箱四个侧壁中部位置各布置的一台电风扇，外部安装V式单层百叶风口，冻融循环箱右侧为控制台，内部安装有冷凝压缩机，所述冷凝压缩机与冻融循环箱侧壁内的冷凝管相连接，所述冻融循环箱左侧为储水箱，箱底安装有水泵，冻融循环箱下方设有加热装置，冻融循环箱上方设有箱盖，所述箱盖上设有喷嘴与水泵连接，箱盖内壁设有日光灯管，所述试验箱体外侧设有超声检测管。
2.根据权利要求1所述的一种在役轻质土超声检测的室内模拟装置，其特征在于：所述腔室内添加十字薄壁形加热冷却循环装置，所述循环装置由2mm厚的有机玻璃制成，上部进水管长度为h1=，中间十字薄壁腔为正方体，高度为h2 
，长度
，腔室厚度为d1= 
，下部出水管有螺纹，与模具箱底部螺孔连接，长度为h3= 
，H为试样高度；各腔室相互连通，上下进出水口设有顶盖。
3.根据权利要求1所述的一种在役轻质土超声检测的室内模拟装置，其特征在于：所述喷嘴在箱盖顶部成等边三角形布置，角度可调范围0—30°，活动连接可更换，水量由控制台旋钮控制。
4.根据权利要求1所述的一种在役轻质土超声检测的室内模拟装置，其特征在于：所述箱盖内壁设有1-6根日光灯管，并排等距布置，亮度由控制台旋钮控制。
5.根据权利要求1所述的一种在役轻质土超声检测的室内模拟装置，其特征在于：所述试验箱体内设有横向与竖向插入塑料管，塑料管要伸出试验箱外。
6.根据权利要求1所述的一种在役轻质土超声检测的室内模拟装置，其特征在于：所述超声检测管包括横向超声检测管与纵向超声检测管。
7.根据权利要求1所述的一种在役轻质土超声检测的室内模拟装置，其特征在于：所述试验箱体内腔尺寸为100cm×100cm×80cm，冻融循环箱内腔尺寸为120cm×120cm×100cm，厚度10cm。
8.根据权利要求1所述的一种在役轻质土超声检测的室内模拟装置，其特征在于：所述试验箱体左右两侧侧面板各设置一手提环。
9.一种在役轻质土超声检测的室内模拟方法，其特征在于：将气泡混合轻质土在试验箱体内浇筑，能够模拟施工间歇期进行分层浇筑，脱模后进行光照，风力，冻融，降雨的模拟；
A.冻融循环模拟：
将轻质土浇筑，脱模后放置于试验箱体中；再进行冻融循环模拟时，持续通入T1℃的冷水和T2℃的热水，辅助加热底板，可以实现内外上下双向冻融循环的过程，同时通过改变水温控制冻融速率；
在制作试样时在试样内部提前埋设温度传感器，来检测试验内部温度的变化，以此控制通入水的时间，防止在通入冷水进行融化的过程中冷热循环腔内水结冰；传感器放置位置为试样 高度处，距离试样边缘 ，D为试样横向厚度；当此处温度与水温度一样时，停止水的通入；
B.降雨模拟：
降雨模拟在浇筑间歇期时分层进行，左侧储水箱内部设置有水泵，外部前面设置有水压表，用于检测降雨时供水压力的情况，保证降雨强度稳定；水泵供水从喷嘴喷到试样上；
喷嘴直径与实际降雨情况按如下对应关系进行模拟：
1mm直径喷孔—小雨；
2mm直径喷孔—中雨；
4mm直径喷孔—大雨；
C.光照模拟
开启冻融循环箱盖内壁的日光灯管进行光照模拟，
在进行光照模拟时，一天中光照强度与时间的关系需根据下面的公式进行模拟：
D.风力模拟：
调节控制台上的旋钮来控制电风扇的风力，根据风力大小分别模拟无风，弱风，正常风，强风的情况，通过调节百叶出风口竖向的仰角和俯角来改变风向，每一侧的出风口由不同开关独立控制，进行实际风向的模拟。
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