CN112083028B - 一种考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置 - Google Patents

Abstract

一种考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置。其包括水浴循环接头、传热补水固结加载板、渗水通路、孔隙水压传感器、透水板、土样环、固结侧壁、温度传感器、排水管、位移传感器、位移传感器支架、加压杠杆连接头、传荷杆、单向轴承、补水控制阀门、补水管路、水浴循环回水管路、补水温度循环控制阀门、水浴循环供水管路、加载板温度控制器、补水温度控制器、循环水泵、加热水箱、补水温控循环回水管路和量筒；本发明效果：兼具传热融化、荷载传递、可控温度水分补充功能，以满足升温与降水耦合影响的冻土融化压缩过程的研究需要，从而为高降雨量地区冻土场地工程建设与病害预防提供参考。

Description

一种考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置

技术领域

本发明属于岩土工程试验技术领域，具体涉及一种考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置。

背景技术

冻土是一种结构非常复杂的多相体系，由矿物颗粒、冰、未冻水和气体组成，其性质与一般土有很大的差别。全球多年冻土面积约占全球陆地面积的25％，若包括季节冻土区，占比高达50％。我国的多年冻土面积约215万平方公里，占国土面积22.3％，因此不可避免面临在冻土层上修建建筑物、公路以及各种构造物的问题。由于冻土的特殊性，在环境改变条件下，其极易发生冻胀、融沉等病害，从而对道路、工业与民用建筑、水工建筑物的工程安全产生威胁。冻土在融化过程中，将因为自重作用而发生下沉现象，称为融沉。而近年来，由于人类的种种行为，使得自然环境变迁较快，全球气温呈上升趋势，越来越多的多年冻土处于逐渐消退的过程。此外，研究表明，降雨对冻土的融沉特性具有较大影响，使得高降雨量区冻土工程的建设及运营维护受到了更大的威胁。因此，需通过试验的手段测定相关参数，用科学的手段探寻考虑升温及雨水下渗耦合作用下的冻土融化变形规律，为实际工程提供参考依据。

冻土融化压缩试验是测定冻土在融化过程中的融沉系数和融化压缩系数的重要手段，而现有实验是通过先升温融化，再利用固结仪进行试验，分析数据得出上述两个系数。传统融化固结装置通过对融化后土试样施加轴向压力，主要用于测定土试样的融化变形、轴向变形与压力的关系，无法对融化时程进行精细化分析，也无法在冻土融化固结试验过程中模拟降雨等因素的影响。然而，冻土区的有关调查研究显示，在降雨入渗的影响下，冻土含水率发生变化，尤其是在高应力作用下冻土其本身的渗透性的变化，都会改变冻土的融化特性，使得修建在冻土区的建筑物、道路等在降雨后发生变形破坏。

目前尚无考虑不同降水量条件下的冻土融化固结试验装置，因此亟需对其进行研发，以得出不同地区不同冻土并且结合实际降雨影响带来的融沉规律，为高降水量地区的冻土工程建设提供理论依据。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置。

为了达到上述目的，本发明提供的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置包括水浴循环接头、传热补水固结加载板、渗水通路、孔隙水压传感器、透水板、土样环、固结侧壁、温度传感器、排水管、位移传感器、位移传感器支架、加压杠杆连接头、传荷杆、单向轴承、补水控制阀门、补水管路、水浴循环回水管路、补水温度循环控制阀门、水浴循环供水管路、加载板温度控制器、补水温度控制器、循环水泵、加热水箱、补水温控循环回水管路和量筒；其中，所述的固结侧壁的上端呈开口状，下端设有排水管，内壁上安装有上下端呈开口状的土样环；土样环的内中部放置冻土试样，冻土试样的上下端分别设有一块透水板；孔隙水压传感器贯穿设置在土样环和固结侧壁的侧壁上，内端与冻土试样相接触；传热补水固结加载板放置在土样环的上端口处，内部设有渗水通路，并且渗水通路通过补水管路与量筒的下端相连；补水控制阀门安装在补水管路上；位移传感器支架的下端可拆卸的方式固定在固结侧壁的顶部；传荷杆利用单向轴承设置在传热补水固结加载板的上侧，下端接触在传热补水固结加载板的顶面上，上端设有外接加压设备的加压杠杆连接头；位移传感器安装在位移传感器支架上，并且与加压杠杆连接头相接触；土样环和传热补水固结加载板上分别安装有温度传感器；水浴循环接头安装在传热补水固结加载板上；循环水泵的出水口连接在加热水箱上，进水口通过水浴循环回水管路与水浴循环接头相连，并且与加载板温度控制器电连接；加载板温度控制器与传热补水固结加载板上的温度传感器电连接；补水温度控制器与加热水箱的控制器电连接；加热水箱通过水浴循环供水管路分别与量筒及水浴循环接头相连；补水温控循环回水管路的一端位于加热水箱内，另一端位于量筒的顶部，用于控制给水量；补水温度循环控制阀门安装在水浴循环供水管路与量筒相接的分管上；孔隙水压传感器和土样环上的温度传感器均与采集系统电连接。

所述的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置还包括包覆在固结侧壁外表面上的保温外套。

所述的传热补水固结加载板采用烧结铜材料制成，集成加载、补水、温控三种功能。

所述的透水板和冻土试样的接触部位铺设有滤纸。

本发明具有的优点和积极效果是：将土样固结压缩、温度控制、降雨模拟功能有机结合，具有集成化的优势；可应用于研究温度与降雨入渗耦合作用对于冻土融化的影响；通过合理设计，加热水箱同时参与冻土融化温度控制与降雨过程的水分补充，节省水源；通过独特设计的连接管路与阀门设计，实现补水量与补水温度的双重控制。兼具传热融化、荷载传递、可控温度水分补充功能，以满足升温与降水耦合影响的冻土融化压缩过程的研究需要，从而为高降雨量地区冻土场地工程建设与病害预防提供参考。

附图说明

图1是本发明提供的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置整体结构平面示意图：

图2是本发明提供的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置中水分补充控制系统连接管路示意图：

具体实施方式

为进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1～图2所示，本发明提供的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置包括水浴循环接头1、传热补水固结加载板2、渗水通路3、孔隙水压传感器4、透水板5、土样环6、固结侧壁7、温度传感器9、排水管10、位移传感器11、位移传感器支架12、加压杠杆连接头13、传荷杆14、单向轴承15、补水控制阀门16、补水管路17、水浴循环回水管路18、补水温度循环控制阀门19、水浴循环供水管路20、加载板温度控制器21、补水温度控制器22、循环水泵23、加热水箱24、补水温控循环回水管路25和量筒26；其中，所述的固结侧壁7的上端呈开口状，下端设有排水管10，内壁上安装有上下端呈开口状的土样环6；土样环6的内中部放置冻土试样27，冻土试样27的上下端分别设有一块透水板5；孔隙水压传感器4贯穿设置在土样环6和固结侧壁7的侧壁上，内端与冻土试样27相接触；传热补水固结加载板2放置在土样环6的上端口处，内部设有渗水通路3，并且渗水通路3通过补水管路17与量筒26的下端相连；补水控制阀门16安装在补水管路17上；位移传感器支架12的下端以可拆卸的方式固定在固结侧壁7的顶部；传荷杆14利用单向轴承15设置在传热补水固结加载板2的上侧，下端接触在传热补水固结加载板2的顶面上，上端设有外接加压设备的加压杠杆连接头13；位移传感器11安装在位移传感器支架12上，并且与加压杠杆连接头13相接触；土样环6和传热补水固结加载板2上分别安装有温度传感器9；水浴循环接头1安装在传热补水固结加载板2上；循环水泵23的出水口连接在加热水箱24上，进水口通过水浴循环回水管路18与水浴循环接头1相连，并且与加载板温度控制器21电连接；加载板温度控制器21与传热补水固结加载板2上的温度传感器9电连接；补水温度控制器22与加热水箱24的控制器电连接；加热水箱24通过水浴循环供水管路20分别与量筒26及水浴循环接头1相连；补水温控循环回水管路25的一端位于加热水箱24内，另一端位于量筒26的顶部，用于控制给水量；补水温度循环控制阀门19安装在水浴循环供水管路20与量筒26相接的分管上；孔隙水压传感器4和土样环6上的温度传感器9均与采集系统电连接。

所述的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置还包括包覆在固结侧壁7外表面上的保温外套8。

所述的传热补水固结加载板2采用烧结铜材料制成，集成加载、补水、温控三种功能。

所述的透水板5和冻土试样27的接触部位铺设有滤纸。

现以进行降雨升温耦合影响下冻土融化固结试验为例，说明本发明提供的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置的具体使用过程，具体实施步骤如下：

(1)根据特定配合比制备冻土试样27，然后将冻土试样27放入土样环6内，冻土试样27的上下端分别设置一块透水板5，透水板5与冻土试样27之间铺设滤纸；

(2)将土样环6、固结侧壁7、保温外套8、透水板5及冻土试样27一起放入低温室进行冷冻；

(3)利用补水温度控制器22将加热水箱24内的循环水设置成适宜的温度，然后开启加热水箱24而对循环水进行加热；

(4)将补水温控循环回水管路25的一端按照预设降雨量伸入量筒26内；

(5)取出土样环6、固结侧壁7、保温外套8、透水板5及冻土试样27，在负温环境下，将传热补水固结加载板2放置在位于冻土试样27上侧的透水板5上，依次连接传荷杆14、加压杠杆连接头13、位移传感器11以及位移传感器支架12，连接孔隙水压力传感器4及与土样环6接触的温度传感器9至采集系统；

(6)将加压杠杆连接头13与加压杠杆连接，并设置初始压力为1kPa；

(7)在加载板温度控制器21上设定好冻土融化温度，开始融沉试验，打开补水温度循环控制阀门19，之后利用循环水泵23通过水浴循环回水管路18将加热水箱24内加热后的循环水引入水浴循环接头1，然后通过水浴循环供水管路20部分流入量筒26中，量筒26内超过补水温控循环回水管路25的循环水将通过补水温控循环回水管路25回流至加热水箱24内，其余循环水流回加热水箱24中，在此过程中，利用热传导的方式将循环水的热量通过水浴循环接头1传递给传热补水固结加载板2，同时利用传热补水固结加载板2上设置的温度传感器9以及加载板温度控制器21控制水浴循环的启动与停止，从而控制传热补水固结加载板2的温度；同时利用位移传感器11记录冻土融化沉降时程曲线；

(8)当需要分析降雨影响时，开始实验同时打开补水控制阀门16，使量筒26内的循环水通过补水管路17流入渗水通路3，然后通过位于冻土试样27上侧的透水板5流入冻土试样27，最后经过位于冻土试样27下侧的透水板5从排水管10排出，分析降雨入渗的影响，得到降雨入渗与升温共同作用下的冻土融化沉降时程曲线；

(9)利用孔隙水压传感器4检测冻土试样27中的水压力；当位移传感器11中记录的冻土试样27的变形量在两小时内小于0.05mm时，利用加载板温度控制器21停止循环水泵23的运行，完成融沉实验；

(10)利用加压杠杆连接头13连接的加压杠杆，逐级加荷进行固结压缩试验。加荷等级视实际工程需要确定，施加每级荷载后24h为稳定标准，并测量记录相应的压缩量，直至施加最后一级荷载压缩稳定为止，绘制压缩曲线；

(11)试验结束后，迅速拆卸本装置上各部件，取出冻土试样27，测定含水率；

(12)当改变降雨入渗量或冻土融化温度时，重复上述操作过程。

(13)当需进行改变降雨入渗温度试验时，关闭补水温度循环控制阀门19，向量筒26中加入某体积固定温度的水即可。

Claims (2)

1.一种考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置，其特征在于：所述的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置包括水浴循环接头(1)、传热补水固结加载板(2)、渗水通路(3)、孔隙水压传感器(4)、透水板(5)、土样环(6)、固结侧壁(7)、温度传感器(9)、排水管(10)、位移传感器(11)、位移传感器支架(12)、加压杠杆连接头(13)、传荷杆(14)、单向轴承(15)、补水控制阀门(16)、补水管路(17)、水浴循环回水管路(18)、补水温度循环控制阀门(19)、水浴循环供水管路(20)、加载板温度控制器(21)、补水温度控制器(22)、循环水泵(23)、加热水箱(24)、补水温控循环回水管路(25)和量筒(26)；其中，所述的固结侧壁(7)的上端呈开口状，下端设有排水管(10)，内壁上安装有上下端呈开口状的土样环(6)；土样环(6)的内中部放置冻土试样(27)，冻土试样(27)的上下端分别设有一块透水板(5)；孔隙水压传感器(4)贯穿设置在土样环(6)和固结侧壁(7)的侧壁上，内端与冻土试样(27)相接触；传热补水固结加载板(2)放置在土样环(6)的上端口处，内部设有渗水通路(3)，并且渗水通路(3)通过补水管路(17)与量筒(26)的下端相连；补水控制阀门(16)安装在补水管路(17)上；位移传感器支架(12)的下端可拆卸的方式固定在固结侧壁(7)的顶部；传荷杆(14)利用单向轴承(15)设置在传热补水固结加载板(2)的上侧，下端接触在传热补水固结加载板(2)的顶面上，上端设有外接加压设备的加压杠杆连接头(13)；位移传感器(11)安装在位移传感器支架(12)上，并且与加压杠杆连接头(13)相接触；土样环(6)和传热补水固结加载板(2)上分别安装有温度传感器(9)；水浴循环接头(1)安装在传热补水固结加载板(2)上；循环水泵(23)的出水口连接在加热水箱(24)上，进水口通过水浴循环回水管路(18)与水浴循环接头(1)相连，并且与加载板温度控制器(21)电连接；加载板温度控制器(21)与传热补水固结加载板(2)上的温度传感器(9)电连接；补水温度控制器(22)与加热水箱(24)的控制器电连接；加热水箱(24)通过水浴循环供水管路(20)分别与量筒(26)及水浴循环接头(1)相连；补水温控循环回水管路(25)的一端位于加热水箱(24)内，另一端位于量筒(26)的顶部，用于控制给水量；补水温度循环控制阀门(19)安装在水浴循环供水管路(20)与量筒(26)相接的分管上；孔隙水压传感器(4)和土样环(6)上的温度传感器(9)均与采集系统电连接；

所述的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置还包括包覆在固结侧壁(7)外表面上的保温外套(8)；

所述的传热补水固结加载板(2)采用烧结铜材料制成，集成加载、补水、温控三种功能。

2.根据权利要求1所述的考虑降雨过程的冻土融化固结试验装置，其特征在于：所述的透水板(5)和冻土试样(27)的接触部位铺设有滤纸。