CN112083025A - 一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置及其试验方法，涉及一种试验装置及试验方法。本发明解决了现有技术中没有对土体在施加恒定荷载下的冻胀、融沉特性试验相关设备及测试方法的相关研究的问题。本发明制冷系统安在底座上，试验舱安在制冷系统上，加热装置安在试验舱内，试样模具安在试验舱内，位移传感器安在试样模具上，加压装置安在试验舱的上端，补水装置安在试验舱的外侧壁上，控制系统、数据采集模块和水浴系统由上至下依次安装在试验舱和制冷系统的右侧。方法：制备试样；安装并连接试样模具；水浴系统与试样模具连接；设置试验参数；向试样补水；观察试样试验时间是否达到设定时长，若达到即可停止试验。本发明用于土体冻胀、融沉试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种土体冻胀、融沉试验装置及其试验方法，具体涉及一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置及其试验方法，属于测定冻土试验特性技术领域。
背景技术
地基土的冻胀破坏一直是寒区工程冻害的主要问题之一，而冻胀是一个极其复杂的物理过程，随着土体温度的降低及热交换过程的进行，当土体温度达到起始冻结温度时产生冻结，伴随着土中孔隙水和迁入水的结晶体、透镜体等形成的冰夹层侵入土体，引发土体冻胀。土体冻胀对工程建筑物结构安全和运行稳定产生较大危害，主要是因为土中水分原位冻结和冻结过程中未冻区水分不断向冻结锋面迁移、集聚并结晶形成冰透镜体，引起土体体积膨胀，导致地表出现冻胀变形，引发工程冻害破坏。在实际工程中，对于有防护结构边坡土体及浅基础建筑物地基土，土体在冻结过程中受到上覆结构的约束，对基础结构产生一定大小的冻胀反力，为了真实反映实际工程运行工况，需要对冻深范围内土体在荷载条件下的冻胀特性规律进行试验测试和研究。同时，边坡土体和地基土在融化过程中受到防护结构及浅基础建筑物的自重引发荷载作用。荷载作用下土体融沉及压缩变形增大，极易发生地基沉陷和边坡滑塌。为了防止上述工程事故的发生，需准确、客观测试和评估荷载作用下的融沉特性规律。
国内对于土体冻胀、融沉试验研究主要考虑冻结温度、土体密度、含水率、水分补给条件对冻胀、融沉的影响规律，而对于研究土体在施加恒定荷载下的冻胀、融沉特性试验相关设备及测试方法未见报道。
综上所述，现有技术中由于并没有对土体在施加恒定荷载下的冻胀、融沉特性试验相关设备及测试方法的相关研究，导致无法对科学研究提供便利的问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中由于并没有对土体在施加恒定荷载下的冻胀、融沉特性试验相关设备及测试方法的相关研究，导致无法对科学研究提供便利的问题。进而提供了一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置及其试验方法。
本发明的技术方案是一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置，它包括底座1、试验舱2、补水装置3、加热装置4、加压装置5、位移传感器6、控制系统7、数据采集模块8、试样模具9、水浴系统10和制冷系统11，
制冷系统11安装在底座1上，试验舱2安装在制冷系统11上，加热装置4安装在试验舱2内，且加热装置4位于试验舱2的上部，试样模具9安装在试验舱2内，位移传感器6安装在试样模具9上，加压装置5安装在试验舱2的上端，且加压装置5的加压杆穿过试验舱2的上端并与试样模具9的上端接触，补水装置3安装在试验舱2的外侧壁上，且补水装置3通过乳胶管与试样模具9的底板补水孔连接，控制系统7、数据采集模块8和水浴系统10由上至下依次安装在试验舱2和制冷系统11的右侧。
本发明还提供了一种使用伺服式土体冻胀、融沉试验装置的试验方法，它包括以下步骤：
步骤一：制备试样：
当试样9-4为原状土时，用切土器将原状土样截面尺寸削成适合于试样模具内腔尺寸，高度小于试样模具高度，将原状土样放置于模具内，安装好模具的顶板；
当试样9-4为重塑土时,根据试验需求的密度和含水率,采用分层击实法在模具内成型，安装好模具顶板9-1；
步骤二：将试样模具9连同试样9-4放置于试验舱2内，并将补水装置3的补水管与试样模具9中的底板补水孔9-3-3连接；水浴系统10的循环管分别与模具顶板9-1、底板循环液入口管9-3-1和底板循环液出口管9-3-2连接；
步骤三：按照试验要求设置水浴系统10、制冷系统1、加热装置5的温度和运行时间，加压装置的压力；
步骤四：在进行冻胀试验时通过补水装置3向试样9-4补水，且补水装置3的水位可调；
步骤五：开始试验，观察试样9-4试验时间是否达到设定时长，若达到即可停止试验。
本发明与现有技术相比具有以下改进效果：
本发明的大部分执行元件都集成都在试验装置内部，加热装置、加压装置、制冷系统通过控制系统进行控制，方便试验开展；位移传感器、压力传感器与数据采集模块连接，采集模块能够对试验过程中试样的位移、压力连续采集。试验舱空间大,能够同时对多个试样进行试验，从而提升试验效率；补水装置具有多支补水管，能够同时对多个试样进行不同高度补水；试验装置能够同时进行轴向施加荷载的冻胀、融化压缩试验和无轴向荷载的冻胀、融沉试验，在做对比试验时省时、高效。试验设备具有动态恒温控制系统，整个量程范围的温度精确控制，适用于-30～60℃范围的土体冻胀、融沉试验。试验设备适用于各种自然冻土和人工冻结的科学研究，模拟程度高，能够在冻土工程、水利工程、土木工程等科学研究中提供便利。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中试样模具的结构示意图。
图3是冻胀量-时间变化曲线。
图4是融沉量-时间变化曲线。
其中，1、底座；2、试验舱；3、补水装置；4、加热装置；5、加压装置；
6、位移传感器；7、控制系统；8、数据采集模块；9、试样模具；10、水浴系统；11、制冷系统。
9-1、模具顶板；9-1-1、顶板循环液入口管；9-1-2、顶板循环液出口管；
9-2、护筒；
9-3、模具底板；9-3-1、底板循环液入口；9-3-2、底板循环液出口管；9-3-3、底板补水孔；
9-4、试样模具。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置，它包括底座1、试验舱2、补水装置3、加热装置4、加压装置5、位移传感器6、控制系统7、数据采集模块8、试样模具9、水浴系统10和制冷系统11，制冷系统11安装在底座1上，试验舱2安装在制冷系统11上，加热装置4安装在试验舱2内，且加热装置4位于试验舱2的上部，试样模具9安装在试验舱2内，位移传感器6安装在试样模具9上，加压装置5安装在试验舱2的上端，且加压装置5的加压杆穿过试验舱2的上端并与试样模具9的上端接触，补水装置3安装在试验舱2的外侧壁上，且补水装置3通过乳胶管与试样模具9的底板补水孔连接，控制系统7、数据采集模块8和水浴系统10由上至下依次安装在试验舱2和制冷系统11的右侧。
本实施方式的水浴系统内部循环介质循环于试样模具的顶板和底板。可通过控制系统进行循环控制，能够实现正弦、线性规律温度变化的功能，水浴系统通过软管与试样模具相连，其循环介质通过试验要求的温度循环于模具的顶板和底板，从而实现不同的冻结方式、冻结温度。
本实施方式的制冷系统集成于试验装置下方，通过控制系统进行降温，用于在进行冻胀试验时，降低试验舱的温度。
本实施方式的控制系统集成于试验装置右侧，可实现对水浴系统循环、循环温度的控制；制冷系统、加热装置温度的控制；加压装置的压力控制。
本实施方式的位移传感器安装在试样模具上，用于测量在试验过程中试样的冻胀量和融沉量，位移传感器与数据采集模块连接。
本实施方式的数据采集模块于试验装置右侧，可实现对试验过程中冻胀力、冻胀量、融沉量的数据连续采集。
本实施方式的补水装置通过乳胶管与试样模具底板的补水孔相连，利用连通器原理，能够在进行冻胀试验时对试样进行补水。
本实施方式的加压装置为液压伺服控制系统，在模拟土体实际受力状态时，可对试样施加相应的荷载。加压装置内部设置有压力传感器并与数据采集模块连接。在冻胀试验的过程中对试样施加恒定荷载，通过压力传感器能够监测试样的冻胀力；在进行融化试验时的过程中对试样施加恒定荷载，融化压缩位移的采集通过位移传感器测得。
本实施方式的试验舱内部设置有加热装置，通过控制系统进行升温，用于试样进行融沉试验时升高试验舱内部的温度。
本发明实现了伺服恒定荷载作用及补水条件下单向或多向冻融土体的冻胀、融沉及融化压缩性能的测试。能够对试样进行冻胀、融沉、加载冻胀、融沉性能的测试。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的试样模具9包括模具顶板9-1、护筒9-2、模具底板9-3和试样9-4，护筒9-2安装在模具底板9-3上，试样9-4安装在护筒9-2内，模具顶板9-1盖装在试样9-4上。如此设置，便于制成试样并将试样固定。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的试样模具9还包括顶板循环液入口管9-1-1和顶板循环液出口管9-1-2，顶板循环液入口管9-1-1和顶板循环液出口管9-1-2竖直插装在模具顶板9-1上。如此设置，通过软管与试样模具相连，其循环介质通过试验要求的温度循环于模具的顶板和底板，从而实现不同的冻结方式、冻结温度。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的试样模具9还包括底板循环液入口管9-3-1、底板循环液出口管9-3-2和底板补水管9-3-3，底板循环液入口管9-3-1和底板循环液出口管9-3-2在水平方向上对称安装在模具底板9-3的两端，底板补水管9-3-3安装在模具底板9-3上并与试样9-4接触。如此设置，在进行冻胀试验时对试样进行补水。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式的底板补水管9-3-3为“L”形补水管，“L”形补水管的水平段平行于模具底板9-3的底端面，“L”形补水管的竖直段垂直于模具底板9-3的底端面并与试样9-4的底端面接触。如此设置，在进行冻胀试验时对试样进行补水。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式的模具底板9-3上开设凹槽，护筒9-2的下端内嵌到所述凹槽内。如此设置，便于护筒的牢固定位，安装方便。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的伺服式土体冻胀、融沉试验装置的试验方法，它包括以下步骤：
步骤一：制备试样：
当试样9-4为原状土时，用切土器将原状土样截面尺寸削成适合于试样模具内腔尺寸，高度小于试样模具高度，将原状土样放置于模具内，安装好模具的顶板；
当试样9-4为重塑土时,根据试验需求的密度和含水率,采用分层击实法在模具内成型，安装好模具顶板9-1；
步骤二：将试样模具9连同试样9-4放置于试验舱2内，并将补水装置3的补水管与试样模具9中的底板补水孔9-3-3连接；水浴系统10的循环管分别与模具顶板9-1、底板循环液入口管9-3-1和底板循环液出口管9-3-2连接；
步骤三：按照试验要求设置水浴系统10、制冷系统1、加热装置5的温度和运行时间，加压装置的压力；
步骤四：在进行冻胀试验时通过补水装置3向试样9-4补水，且补水装置3的水位可调；
步骤五：开始试验，观察试样9-4试验时间是否达到设定时长，若达到即可停止试验。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的步骤四中，若考虑无水源补充状态下，切断补水装置3的供水。如此设置，试验更加灵活适用于多种试验环境。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
实施例：下面结合图1至图4对本发明的实施举例作进一步的描述：
本发明试验装置组装：
首先，将制备好的土体试样9-4放入试样模具9内的模具底板9-3上，然后在试样9-4上放入模具顶板9-1，并稍加力使顶板与试样紧密接触。
其次，将试样模具9放入试验舱2内，将顶板循环液入口管9-1-1与顶板循环液出口管9-1-2采用软管与水浴系统10进行连接，然后将底板循环液入口管9-3-1与底板循环液出口管9-3-2采用软管与水浴系统10进行连接，而后将底板补水孔9-3-3采用软管与补水装置3相连接。
最后，待所有管路接好后，在模具顶板9-1上架设位移传感器6，使之与模具顶板9-1紧密接触，然后关闭试验舱2的舱门，准备加载下的冻融循环试验。
加载状态下冻融循环阶段：
首先，根据预定的荷载由加压装置5对试样9-4的加载速率施加压力；待压力达到目标值后开启温度控制系统7，调节试样模具9的模具顶板9-1和模具底板9-3的温度及试验舱2内的温度，使土体温度场达到均匀后再开始加载下的冻融试验。
其次，将试样模具9的模具顶板温度调至试验要求的冻结温度，使试样9-4从顶部自上而下单向冻结。同时开启补水装置3阀门对土体进行由下而上单向补水。土体在冻结过程中，试样模具的底板和试验舱2内温度始终保持恒定。通过位移传感器6监测土体冻胀变形量，待其达到稳定，冻结过程结束。
最后，土体冻结过程结束后，保持恒定压力不变，关闭补水装置3阀门停止对土体进行补水。同时将试样模具9的模具顶板温度调至试验要求的正温，同时试样模具9的模具底板与试验舱内的温度还应保持恒定正温，使土体完全融化。通过位移传感器6监测土体在荷载下的融化压缩变形量，待其达到稳定，融化过程结束。
对于数次冻融循环，反复以上过程。冻胀量与融沉量随时间变化曲线如下图3和图4所示。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置，其特征在于：它包括底座(1)、试验舱(2)、补水装置(3)、加热装置(4)、加压装置(5)、位移传感器(6)、控制系统(7)、数据采集模块(8)、试样模具(9)、水浴系统(10)和制冷系统(11)，
制冷系统(11)安装在底座(1)上，试验舱(2)安装在制冷系统(11)上，加热装置(4)安装在试验舱(2)内，且加热装置(4)位于试验舱(2)的上部，试样模具(9)安装在试验舱(2)内，位移传感器(6)安装在试样模具(9)上，加压装置(5)安装在试验舱(2)的上端，且加压装置(5)的加压杆穿过试验舱(2)的上端并与试样模具(9)的上端接触，补水装置(3)安装在试验舱(2)的外侧壁上，且补水装置(3)通过乳胶管与试样模具(9)的底板补水孔连接，控制系统(7)、数据采集模块(8)和水浴系统(10)由上至下依次安装在试验舱(2)和制冷系统(11)的右侧。
2.根据权利要求1所述的一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置，其特征在于：试样模具(9)包括模具顶板(9-1)、护筒(9-2)、模具底板(9-3)和试样(9-4)，护筒(9-2)安装在模具底板(9-3)上，试样(9-4)安装在护筒(9-2)内，模具顶板(9-1)盖装在试样(9-4)上。
3.根据权利要求2所述的一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置，其特征在于：试样模具(9)还包括顶板循环液入口管(9-1-1)和顶板循环液出口管(9-1-2)，顶板循环液入口管(9-1-1)和顶板循环液出口管(9-1-2)竖直插装在模具顶板(9-1)上。
4.根据权利要求3所述的一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置，其特征在于：试样模具(9)还包括底板循环液入口管(9-3-1)、底板循环液出口管(9-3-2)和底板补水管(9-3-3)，底板循环液入口管(9-3-1)和底板循环液出口管(9-3-2)在水平方向上对称安装在模具底板(9-3)的两端，底板补水管(9-3-3)安装在模具底板(9-3)上并与试样(9-4)接触。
5.根据权利要求4所述的一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置，其特征在于：底板补水管(9-3-3)为“L”形补水管，“L”形补水管的水平段平行于模具底板(9-3)的底端面，“L”形补水管的竖直段垂直于模具底板(9-3)的底端面并与试样(9-4)的底端面接触。
6.根据权利要求5所述的一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置，其特征在于：模具底板(9-3)上开设凹槽，护筒(9-2)的下端内嵌到所述凹槽内。
7.一种使用权利要求1至6中任意一项权利要求所述的伺服式土体冻胀、融沉试验装置的试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：制备试样：
当试样(9-4)为原状土时，用切土器将原状土样截面尺寸削成适合于试样模具内腔尺寸，高度小于试样模具高度，将原状土样放置于模具内，安装好模具的顶板；
当试样(9-4)为重塑土时,根据试验需求的密度和含水率,采用分层击实法在模具内成型，安装好模具顶板(9-1)；
步骤二：将试样模具(9)连同试样(9-4)放置于试验舱(2)内，并将补水装置(3)的补水管与试样模具(9)中的底板补水孔9-3-3连接；水浴系统(10)的循环管分别与模具顶板(9-1)、底板循环液入口管(9-3-1)和底板循环液出口管(9-3-2)连接；
步骤三：按照试验要求设置水浴系统(10)、制冷系统1、加热装置5的温度和运行时间，加压装置的压力；
步骤四：在进行冻胀试验时通过补水装置(3)向试样(9-4)补水，且补水装置(3)的水位可调；
步骤五：开始试验，观察试样(9-4)试验时间是否达到设定时长，若达到即可停止试验。
8.根据权利要求7所述的一种使用伺服式土体冻胀、融沉试验装置的试验方法，其特征在于：步骤四中，若考虑无水源补充状态下，切断补水装置(3)的供水。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202011084924.6A Pending CN112083025A (zh) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | 一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置及其试验方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN112083025A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113238026A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-08-10 | 中山大学 | 一种土体冻结融化的试验仪 |
| CN113933337A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-01-14 | 中国矿业大学 | 一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置及其使用方法 |
| CN115950734A (zh) * | 2023-02-09 | 2023-04-11 | 黑龙江省水利科学研究院 | 冻融循环条件下膨胀螺栓锚固力测试用的夹具及测试方法 |
| CN117110063A (zh) * | 2023-08-18 | 2023-11-24 | 兰州交通大学 | 一种两向应力可控的封闭环境持荷冻融土样气压加载系统 |
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| CN212391416U (zh) * | 2020-10-12 | 2021-01-22 | 黑龙江省水利科学研究院 | 一种伺服式土体冻胀、融沉试验装置 |
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2020
- 2020-10-12 CN CN202011084924.6A patent/CN112083025A/zh active Pending
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