CN111896359A - 一种冻土试样饱和冻结一体化装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冻土试样饱和冻结一体化装置及其使用方法，该装置包括用于放置试样的试样单元装置、真空控制模块、饱水控制模块及低温冷浴冻结模块，所述试样单元装置通过管路分别与所述真空控制模块、饱水控制模块及低温冷浴冻结模块连接；该使用方法简单方便，适用性强；本发明减少了不同工序实施过程中对试样的扰动，提高了冻结重塑土试样的水分均匀性，提高了制样的精度，有利于增强试验结果的精确度及合理性；大大减少了试样保存过程中的冰晶升华，减小了升华引起的水分损失，增加了试样的可靠性和重复性。

Description

一种冻土试样饱和冻结一体化装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，具体地说是一种冻土试样饱和冻结一体化装置及其使用方法。

背景技术

在冻土力学试验中，制备冻结重塑土样被广泛应用于室内单元试验研究之中，例如冻土单轴压缩、三轴剪切试验。然而，实际中却普遍发现制备的试样表面在冻结过程中往往析出大量的冰晶附着在试样表面，这种附着在表面的冰晶在低温作用下进一步发生升华，很大程度上影响了制样精度和效果，具体表现：一方面导致了试样含水率的损失，导致试样初始含水率达不到要求，实际进行土样测试时效果已大打折扣；另一方面导致试样内部含水率分布不均匀，影响单元试验的精度。

为降低试样冻结过程中水分迁移导致的不均匀冻胀和含水率分布不均，中国科学院冻土工程国家重点实验室目前普遍采用的方法：将制备好的压实土试样脱模，用保鲜膜包起来防止水分散失，放入-30℃左右的低温环境下迅速冻结足够时间(一般24～48h)，随后放入试验设计的温度下恒温24小时待用。这里采用-30℃的低温环境下迅速原位冻结，可大大减小试样在冻结过程中的水分迁移。然而，这种方法虽然可大大减小试样表面析出冰晶，抑制水分损失；但本质上却使得试样在初始状态时，就经历了一个低温冻结过程，在研究冻融过程试验、或者高温冻土特性时，容易带来较大的误差。

到目前为止，还未见一种能够有效地抑制试样冻结过程中水分向表面迁移冻结、分凝冰晶以及升华失水的室内试验和制样控制方法。

因此，研发一种防水分升华的冻土制样装置和试样保存方法对提高室内冻结重塑土制样效果具有重要的现实意义和显著实用价值。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种冻土试样饱和冻结一体化装置及其使用方法，以提高冻结重塑土试样的水分均匀性，减小升华引起的水分损失，增强试验结果的精确度及合理性。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。

一种冻土试样饱和冻结一体化装置，包括用于放置试样的试样单元装置、真空控制模块、饱水控制模块及低温冷浴冻结模块，所述试样单元装置通过管路分别与所述真空控制模块、饱水控制模块及低温冷浴冻结模块连接。

优选地，所述试样单元装置包括：

模具，其用于放置试样，所述试样为圆柱形结构；

空心圆柱环，其设置在所述模具外侧；

底座，其固定在所述空心圆柱环的下端，其设置有进水管；

上压块，其设置在所述模具上方，其设置有出水管、循环流道、进液管及出液管，所述循环流道的两端口分别与进液管、出液管连接。

优选地，所述模具顶部和底部均设置有透水石，所述顶部、底部的透水石分别与所述出水管和进水管相连。

优选地，所述压块外侧设置固定环，所述固定环通过螺杆、螺母将所述上压块和底座固定在一起。

优选地，所述模具为对开结构，且为半圆筒状，以实现对试样的围裹；

所述模具和空心圆柱环均为有机玻璃材质，以便于观察制备的冻土试样内部形态。

优选地，所述真空控制模块包括真空泵、止气阀门和真空缸，所述真空泵与真空缸通过连接管连接，所述止气阀门设置在连接管上，所述真空缸与所述出水管的一端连接。

优选地，所述饱水控制模块包括储水缸、补水管和止水阀门，所述储水缸与所述进水管的一端连接，所述止水阀门设置在所述进水管上。

优选地，所述低温冷浴冻结模块包括冷浴装置、低温流体流量阀，所述冷浴装置分别与所述进液管、出液管的一端连接，所述进液管、出液管上均设置有低温流体流量阀。

上述冻土试样饱和冻结一体化装置的使用方法，包括以下步骤：

101、试样安装，将试样单元装置连接在一起，并通过管路将试样单元装置分别与真空控制模块、饱水控制模块及低温冷浴冻结模块连接起来；

102、真空抽气，试样单元装置安装完毕后，关闭止水阀门，开启真空泵、止气阀门，在负一个大气压下连续真空抽气；

103、试样饱和，待真空抽气时间达到要求时，保持抽气状态不变，打开止水阀门，使储水缸中的清水通过进水管慢慢注入试样中，直至试样的出水管中有清水冒出并逐渐进入到真空缸中；此时调整储水缸的高度，使得最终真空缸的水位逐渐上升到与储水缸的水位齐平；接着依次关闭止气阀门和真空泵，静止一段时间，使试样充分饱和；

104、试样冻结，待结束试样饱和操作后，启动冷浴装置，设置到目标负温，并调节低温流体流量阀，使得低温循环冷却介质通过循环流道再回到冷浴装置中，实现试样顶部源源不断的冷源供应，实现试样从上至下的逐渐单向冻结，直到观察到进水管的管口与试样、模具、底座连接处的管路中出现冻结冰晶时，关闭低温流体流量阀，停止冷浴循环，制得冻结试样。

上述所述使用方法制得冻结试样的防升华保存方法，包括以下步骤：

201、将冻结完成的试样通过脱模机顶托空心圆柱环，使得圆柱形试样连同模具整体脱离出空心圆柱环；

202、步骤201后，将脱模出的试样底部和模具的缝隙中涂抹高真空密封脂，并用锡箔纸将其包裹；

203、步骤202后，先将其放入事先装有碎冰块的密封塑料袋内，再置于设置到目标保存温度的恒温冷冻室中保存，以待后续试验测试。

本发明所获得的有益技术效果：

1)本发明解决了现有技术中所存在的问题，减少了不同工序实施过程中对试样的扰动，提高了冻结重塑土试样的水分均匀性，提高了制样的精度，有利于增强试验结果的精确度及合理性；

2)本发明可以同时对一批试样进行饱和冻结操作，大大提高制样效率；

3)本发明提供的冻土试样保存方法，大大减少了试样保存过程中的冰晶升华，减小了升华引起的水分损失，增加了试样的可靠性和重复性。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本公开一种实施例中冻土试样饱和冻结一体化装置的结构示意图；

图2是本公开一种实施例中试样单元装置的剖视图；

图3是本公开一种实施例中上压块中循环流道的示意图；

图4是本公开一种实施例中冻结试样防升华保存方法的示意图。

在以上附图中：100、试样单元装置；101、模具；102、空心圆柱环；103、上压块；104、出水管；105、进液管；106、出液管；107、底座；108、进水管；109、透水石；110、固定环；111、螺杆；112、螺母；113、密封圈；200、真空控制模块；201、真空泵；202、止气阀门；203、真空缸；204、连接管；300、饱水控制模块；301、储水缸；302、补水管；303、止水阀门；400、低温冷浴冻结模块；401、冷浴装置；402、低温流体流量阀；500、试样；501、高真空密封脂；502、锡箔纸；503、碎冰块；504、密封塑料袋；505、恒温冷冻室。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

实施例1

如附图1所示，一种冻土试样饱和冻结一体化装置，包括用于放置试样500的试样单元装置100、真空控制模块200、饱水控制模块300及低温冷浴冻结模块400，所述试样单元装置100通过管路分别与所述真空控制模块200、饱水控制模块300及低温冷浴冻结模块400连接。

如附图2所示，所述试样单元装置100包括模具101、空心圆柱环102、底座107及上压块103。

所述模具101用于放置试样500，所述试样500为圆柱形结构；所述模具101为对开结构，由一副对开模围裹而成，对开模为半圆筒状，以实现对试样500的围裹；所述空心圆柱环102设置在所述模具101外侧。

对于无黏性土试样，采用砂雨法落入模具101制样；对于黏性土试样，可采用常规的压样法或击样法进行制样。

进一步的，所述模具101和空心圆柱环102均为有机玻璃材质，以便于观察制备的冻土试样500内部形态。

进一步的，所述模具101整体平滑嵌固在所述空心圆柱环102中，所述模具101和空心圆柱环102之间涂有润滑油，以便于后期制样完毕后方便脱模。

所述底座107固定在所述空心圆柱环102的下端，所述底座107上设置有进水管108。

所述上压块103设置在所述模具101上方，如附图3所示，所述上压块103上设置有出水管104、循环流道、进液管105及出液管106，所述循环流道的两端口分别与进液管105、出液管106连接，低温液体通过进液管105进入，经循环流道循环，再经出液管106排出，由此实现对试样500顶部源源不断的冷源供应，实现试样500从上至下的逐渐单向冻结，可大大增加降温效率和均匀度。

所述模具101顶部和底部均设置有透水石109，所述顶部、底部的透水石109分别与所述出水管104和进水管108相连。

所述上压块103外侧设置固定环110，所述固定环110上设置有通孔，所述固定环110通过螺杆111、螺母112将所述上压块103和底座107固定在一起。

安装时，先将组装好的试样500安置底部透水石109和顶部透水石109，放置在底座107上，并通过上链接固定环110、螺杆111和螺帽与上压块103紧密固定在一起。

进一步的，所述上压块103、固定环110、空心圆柱环102、底座107的接触处均设置有密封圈113，提高装置的密封性。

进一步的，所述密封圈113为橡胶圈。

参见附图1，所述真空控制模块200包括真空泵201、止气阀门202和真空缸203，所述真空泵201与真空缸203通过连接管204连接，所述止气阀门202设置在连接管204上，所述真空缸203与所述出水管104的一端连接。

所述饱水控制模块300包括储水缸301、补水管302和止水阀门303，所述储水缸301与所述进水管108的一端连接，所述止水阀门303设置在所述进水管108上，所述储水缸301与所述补水管302的一端连接，实现对储水缸301的补水供应。

所述低温冷浴冻结模块400包括冷浴装置401、低温流体流量阀402，所述冷浴装置401分别与所述进液管105、出液管106的一端连接，所述进液管105、出液管106上均设置有低温流体流量阀402。

实施例2

基于上述实施例1，一种冻土试样饱和冻结一体化装置的使用方法，包括以下步骤：

101、试样安装，将试样单元装置100连接在一起，并通过管路将试样单元装置100分别与真空控制模块200、饱水控制模块300及低温冷浴冻结模块400连接起来；

102、真空抽气，试样单元装置100安装完毕后，关闭止水阀门303，开启真空泵201、止气阀门202，在负一个大气压(约-100kPa)下连续真空抽气约30min(砂粉质土约30min，黏质土约1h)；

103、试样饱和，待真空抽气时间达到要求时，保持抽气状态不变，打开止水阀门303，使储水缸301中的清水通过进水管108慢慢注入试样500中，直至试样500的出水管104中有清水冒出并逐渐进入到真空缸203中；此时调整储水缸301的高度，使得最终真空缸203的水位逐渐上升到与储水缸301的水位齐平；接着依次关闭止气阀门202和真空泵201，静止10h，使试样500充分饱和；

104、试样冻结，待结束试样500饱和操作后，启动冷浴装置401，设置到目标负温，并调节低温流体流量阀402，使得低温循环冷却介质通过循环流道再回到冷浴装置401中，其中冷却介质为酒精，实现试样500顶部源源不断的冷源供应，实现试样500从上至下的逐渐单向冻结，直到观察到进水管108的管口与试样500、模具101、底座107连接处的管路中出现冻结冰晶时，关闭低温流体流量阀402，停止冷浴循环，制得冻结试样。

如附图1所示，将3个试样单元装置100连接在一起，并通过管路与真空控制模块200、饱水控制模块300及低温冷浴冻结模块400连接起来，实现同时对3个试样500进行处理。

需要说明的是，上述冻土试样饱和冻结一体化装置在使用过程中不限于1个或3个试样单元装置100连接在一起，可以对任意数量的试样单元装置100连接在一起，制作冻结试样。

实施例3

基于上述实施例2，一种冻结试样的防升华保存方法，如附图4所示，包括以下步骤：

201、将冻结完成的试样500通过脱模机顶托空心圆柱环102，使得圆柱形试样500连同模具101整体脱离出空心圆柱环102；

202、步骤201后，将脱模出的试样500底部和模具101的缝隙中涂抹高真空密封脂501，并用锡箔纸502将其包裹；

203、步骤202后，先将其放入事先装有碎冰块503的密封塑料袋504内，再置于设置到目标保存温度的恒温冷冻室505中保存，以待后续试验测试。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种冻土试样饱和冻结一体化装置，其特征在于，包括用于放置试样(500)的试样单元装置(100)、真空控制模块(200)、饱水控制模块(300)及低温冷浴冻结模块(400)，所述试样单元装置(100)通过管路分别与所述真空控制模块(200)、饱水控制模块(300)及低温冷浴冻结模块(400)连接。

2.根据权利要求1所述的冻土试样饱和冻结一体化装置，其特征在于，所述试样单元装置(100)包括：

模具(101)，其用于放置试样(500)，所述试样(500)为圆柱形结构；

空心圆柱环(102)，其设置在所述模具(101)外侧；

底座(107)，其固定在所述空心圆柱环(102)的下端，其设置有进水管(108)；

上压块(103)，其设置在所述模具(101)上方，其设置有出水管(104)、循环流道、进液管(105)及出液管(106)，所述循环流道的两端口分别与进液管(105)、出液管(106)连接。

3.根据权利要求2所述的冻土试样饱和冻结一体化装置，其特征在于，所述模具(101)顶部和底部均设置有透水石(109)，所述顶部、底部的透水石(109)分别与所述出水管(104)和进水管(108)相连。

4.根据权利要求2所述的冻土试样饱和冻结一体化装置，其特征在于，所述上压块(103)外侧设置固定环(110)，所述固定环(110)通过螺杆(111)、螺母(112)将所述上压块(103)和底座(107)固定在一起。

5.根据权利要求2所述的冻土试样饱和冻结一体化装置，其特征在于，所述模具(101)为对开结构，且为半圆筒状，以实现对试样(500)的围裹；

所述模具(101)和空心圆柱环(102)均为有机玻璃材质，以便于观察制备的冻土试样(500)内部形态。

6.根据权利要求2所述的冻土试样饱和冻结一体化装置，其特征在于，所述真空控制模块(200)包括真空泵(201)、止气阀门(202)和真空缸(203)，所述真空泵(201)与真空缸(203)通过连接管(204)连接，所述止气阀门(202)设置在连接管(204)上，所述真空缸(203)与所述出水管(104)的一端连接。

7.根据权利要求2所述的冻土试样饱和冻结一体化装置，其特征在于，所述饱水控制模块(300)包括储水缸(301)、补水管(302)和止水阀门(303)，所述储水缸(301)与所述进水管(108)的一端连接，所述止水阀门(303)设置在所述进水管(108)上。

8.根据权利要求2所述的冻土试样饱和冻结一体化装置，其特征在于，所述低温冷浴冻结模块(400)包括冷浴装置(401)、低温流体流量阀(402)，所述冷浴装置(401)分别与所述进液管(105)、出液管(106)的一端连接，所述进液管(105)、出液管(106)上均设置有低温流体流量阀(402)。

9.根据权利要求1-8任一项所述冻土试样饱和冻结一体化装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、试样安装，将试样单元装置(100)连接在一起，并通过管路将试样单元装置(100)分别与真空控制模块(200)、饱水控制模块(300)及低温冷浴冻结模块(400)连接起来；

102、真空抽气，试样单元装置(100)安装完毕后，关闭止水阀门(303)，开启真空泵(201)、止气阀门(202)，在负一个大气压下连续真空抽气；

103、试样饱和，待真空抽气时间达到要求时，保持抽气状态不变，打开止水阀门(303)，使储水缸(301)中的清水通过进水管(108)慢慢注入试样(500)中，直至试样(500)的出水管(104)中有清水冒出并逐渐进入到真空缸(203)中；此时调整储水缸(301)的高度，使得最终真空缸(203)的水位逐渐上升到与储水缸(301)的水位齐平；接着依次关闭止气阀门(202)和真空泵(201)，静止一段时间，使试样(500)充分饱和；

104、试样冻结，待结束试样饱和操作后，启动冷浴装置(401)，设置到目标负温，并调节低温流体流量阀(402)，使得低温循环冷却介质通过循环流道再回到冷浴装置(401)中，实现试样(500)顶部源源不断的冷源供应，实现试样(500)从上至下的逐渐单向冻结，直到观察到进水管(108)的管口与试样(500)、模具(101)、底座(107)连接处的管路中出现冻结冰晶时，关闭低温流体流量阀(402)，停止冷浴循环，制得冻结试样。

10.根据权利要求9所述使用方法制得的冻结试样的防升华保存方法，其特征在于，包括以下步骤：

201、将冻结完成的试样(500)通过脱模机顶托空心圆柱环(102)，使得圆柱形试样(500)连同模具(101)整体脱离出空心圆柱环(102)；

202、步骤201后，将脱模出的试样(500)底部和模具(101)的缝隙中涂抹高真空密封脂(501)，并用锡箔纸(502)将其包裹；

203、步骤202后，先将其放入事先装有碎冰块(503)的密封塑料袋(504)内，再置于设置到目标保存温度的恒温冷冻室(505)中保存，以待后续试验测试。

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