CN113447640A - 一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法，包括装配系统、控温系统、补水系统、补气系统、冻胀力监测系统和光纤数据采集系统。装配系统包括四个上下分段螺栓连接的环向控温土样环和一个装配体支座。控温系统包括环向控温模块和单向控温模块，其中环向控温模块包括四个环向控温环，单向控温模块包括一个上导温盘和一个下导温盘，每个环向控温环和上、下导温盘各自利用两个导流接口与冷浴箱相连。本发明可实现非饱和土的水气热力耦合作用测试，环向控温缩短试验周期，冻胀力监测系统和光纤数据采集系统可对土样顶部的应力场以及土样全断面的变形场、水分场和温度场进行实时监测，测试结果精度较高，且结构精巧，设计合理。

Description

一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法，属于岩土工程中非饱和土水分迁移技术领域。

背景技术

随着交通运输工程的大力发展，公路和铁路等覆盖工程的大幅度修建明显改变了覆盖层下土体的水热交换条件，覆盖层的存在阻隔了天然土体与大气之间的水分交换，从而在温度梯度以及水势梯度的作用下导致覆盖层下水分聚集，形成覆盖效应。覆盖效应是指由于道面密闭导致道基上部水分不能排出而引起的道基浅层土体含水量增加，强度降低的现象。对于非饱和土，由固体土颗粒、液态水和气体组成，在温度和力学荷载的作用下，会产生热量传递、水-气迁移、冰-水相变、水-气相变和变形等过程，然而覆盖效应的形成内部机理即为典型的非饱和土的水气热力耦合过程。覆盖效应导致的工程病害频发如：机场跑道的开裂、输油站场混凝土面板的隆起、公路路面的翻浆开裂以及高铁路基面板的隆起等一系列病害。故研究冻结过程中非饱和土中水、气迁移过程对于这些具有上覆盖层的结构冻胀防治技术的提出具有重要的参考价值。现有的关于非饱和土水分迁移的室内试验装置主要涉及到非饱和土的水热耦合或者水热力的耦合，尚缺乏一套考虑非饱和土水气热力耦合作用的完整试验装置；已有的试验装置对于试验所设定的温度较为单一，温度控制与现场土体所处的实际外界温度环境具有较大差别；已有的试验装置对于试验土样在试验过程中的冻胀变形的监测较为少见。

鉴于此，设计一种耦合多物理场相互作用，温度控制系统合理、监测功能丰富、精度较高的非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法是十分必要的，这将提高室内模型试验对现场工程状况的模拟程度，对于岩土工程中非饱和土水分迁移技术领域的研究具有更高的参考价值。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术和方法的不足，提出一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法。

本发明的目的是这样实现的，一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法 ，包括装配系统、控温系统、补水系统、补气系统、冻胀力监测系统和光纤数据采集系统，所述装配系统与控温系统相连，控温系统包括单向控温模块和环向控温模块，补水系统与单向控温模块中的下导温盘相连，补气系统与环向控温模块相连，冻胀力监测系统与单向控温模块中的上导温盘相连，光纤数据采集系统与装配系统相连。

所述装配系统主要包括装配体支座和四层环向控温土样环，每层环向控温土样环包括控温环和土样环，由两个共轴的空心圆筒构成，内外两筒之间通过上下两个环型盖拼接成一个整体结构，两个空心圆筒与上下两个环型盖围成的空腔为控温环，内筒所围成的空心环为土样环，相邻两层环向控温土样环通过螺栓组件相互固定，顶层的环向控温土样环与冻胀力监测系统中的反力架通过螺栓组件相连接，底层的环向控温土样环通过螺栓组件固定在装配体支座上。

所述控温系统中的环向控温模块包括四个控温环、四个进液导流孔、四个出液导流孔、四个进液导流管、四个出液导流管以及四个环向控温冷浴箱，且每个控温环预留有一个进气孔。控温系统中的单向控温模块包括控制土样底部温度的下导温盘、下冷冻液流进端、下冷冻液流出端、控制下导温盘温度的冷浴箱、控制土样顶部温度的上导温盘、上冷冻液流进端、上冷冻液流出端、控制上导温盘温度的冷浴箱，上导温盘与土样顶部直接接触，下导温盘与土样底部通过多孔底板间接接触，下导温盘顶面与多孔底板之间预留有储水室，且下导温盘预留有入水孔用于为试验土样底部补水。

所述补水系统包括马氏瓶支架、马氏瓶、导水管，马氏瓶放置于马氏瓶支架上，马氏瓶与导水管一端相连，导水管另一端与下导温盘预留的入水孔相连。

所述补气系统包括气源瓶支撑台、气源瓶、缓冲通气孔、导气管，气源瓶放置在气源瓶支撑台上，气源瓶与缓冲通气孔一端相连，缓冲通气孔另一端通过四个导气管分别与每个控温环预留的进气孔相连接。

所述冻胀力监测系统包括连杆、测力计、反力架、反力杆，测力计与连杆相连并固定在反力架上，连杆的底端与反力杆的顶端相连，反力杆的底端与上导温盘相互接触。

所述光纤数据采集系统包括光纤传感元件、信号解调仪、数据处理终端，信号解调仪分别与光纤传感元件和数据处理终端相连接，光纤传感元件竖向等间距布设在土样环轴线处。

所述补水系统中的马氏瓶固定于可调节高度的马氏瓶支架上，马氏瓶中的水通过导水管和下导温盘的入水孔流入下导温盘顶面与多孔底板之间的储水室，进而通过多孔底板上均匀布设的孔洞对试验土样进行均匀补水。

所述补气系统中的气源瓶中盛装压缩空气，压缩空气先流入缓冲通气孔，再通过导气管流入每个控温环上的进气孔，进而对试验土样进行分段补气作用。

所述冻胀力监测系统中反力架的高度为可调节，测力计为应变控制式测力环，试验时反力架的高度满足使连杆的底端与反力杆的顶端接触。

所述光纤数据采集系统中光纤传感元件用于监测土样全断面的变形场、温度场、水分场的变化信号，信号解调仪用于对光纤传感元件监测得到的信号进行转换，数据处理终端用于收集和处理信号解调仪转换后的多物理场监测数据，所述光纤传感元件可使用全分布式光纤传感元件和准分布式光纤传感元件，信号解调仪根据光纤传感元件的类型选择。

所述环向控温土样环的内筒内径比多孔底板的直径稍大，保证多孔底板能恰好固定在装配体底部对应位置即可。

所述环向控温土样环的内筒和外筒以及反力架的材质为钢材。

一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验方法，其特征在于：主要包括以下试验步骤

S1、首先将下导温盘和多孔底板安装在装配体支座上，然后将底层的环向控温土样环通过螺栓组件固定在装配体支座上，将试验土样在土样环中分层填筑并压实，试验土样填筑过程中将光纤传感元件在土样环轴线处进行等间距竖向埋设，然后将剩余每层环向控温土样环通过螺栓组件依次安装，相邻两层控温环之间设置10 mm厚的绝热密封垫圈，安装下一层环向控温土样环之前应重复底层土样环中试验土样的填筑和光纤传感元件的布设操作，在各层环向控温土样环安装完成、土样填筑完成、光纤传感元件布设完成之后将上导温盘安装在顶层环向控温土样环上部，并进行冻胀力监测系统的安装，最后将控温系统、补水系统、补气系统和光纤数据采集系统对应连接；

S2、在试验开始之前通过设置测力计进行冻胀力监测系统的初始化设置，通过信号解调仪和数据处理终端的设置进行光纤数据采集系统的初始化设置；

S3、通过设置每层环向控温土样环对应的环向控温冷浴箱的温度控制每层控温环的温度，进而对试样土样进行环向分段控温，当试验土样达到真实环境的温度场后关闭环向控温模块；

S4、通过设置控制上导温盘温度的冷浴箱和控制下导温盘温度的冷浴箱的温度对上导温盘和下导温盘进行温度控制，进而实现对试验土样的上、下温度边界的控制，同时打开补水系统和补气系统，补水系统中的水首先进入下导温盘顶面与多孔底板之间的储水室，在下导温盘的温度作用下储水室中的水蒸发为水汽，水汽通过多孔底板的孔洞均匀进入试验土样的底部以实现补水作用，补气系统中气源瓶中的压缩空气首先进入缓冲通气孔，然后通过导气管进入每层控温环预留的进气孔，从而实现分段补气作用；

S5、通过读取冻胀力监测系统中测力计的数值获得试验土样冻胀力的变化情况，通过光纤数据采集系统中信号解调仪和数据处理终端进行试验土样全断面的应力场、变形场、温度场和水分场的实时监测；

S6、通过光纤数据采集系统中数据处理终端进行试验土样各物理场监测数据的处理和分析。

本发明具有以下有益效果：

本发明结构合理，方法先进科学，契合与于新兴信息技术，通过本发明，设置环向控温和单向控温相结合的控温系统使得对于土样温度场的控制更接近于工程实际，设置补水系统和补气系统对现场土体的真实水分场和空气场环境进行了模拟，设置冻胀力监测系统对试验过程中土样产生的冻胀力进行了监测，设置变形场监测系统对试验过程中土样全断面的应变进行了监测。本发明公开一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置能够实现非饱和土多物理场的相互耦合作用，对于土体的实际工作环境近似程度高，且监测采用了光纤传感元件进行变形场的监测，检测精度较高。本发明对于由水分迁移引起的非饱和土诸如覆盖效应和冻融循环等实际工程的研究具有较高的参考价值和指导意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为单层环向控温土样环正视图；

图3为单层环向控温土样环俯视图；

图中：1装配体支座、2下冷冻液流进端、 3下冷冻液流出端、4下导温盘、5控制下导温盘温度的冷浴箱、6进液导流孔、7绝热密封垫圈、8 螺栓组件、9光纤传感元件、10环向控温土样环、11控温环、12土样环、 13控制上导温盘温度的冷浴箱、14上导温盘、15上冷冻液流进端、16上冷冻液流出端、17反力杆、18连杆、19测力计、20反力架、21进气孔、22导气管、23信号解调仪、24缓冲通气孔、 25出液导流孔、26多孔底板、27入水孔、28马氏瓶、29导水管、30马氏瓶支架、31气源瓶支撑台、32气源瓶、33数据处理终端、34出液导流管、 35进液导流管、36环向控温冷浴箱。

具体实施方式

下面结合附图以及附图说明对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明公开一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法，包括装配系统、控温系统、补水系统、补气系统、冻胀力监测系统和光纤数据采集系统，所述装配系统与控温系统相连，控温系统包括单向控温模块和环向控温模块，补水系统和单向控温模块的下导温盘4相连，补气系统与环向控温模块相连，冻胀力监测系统与单向控温模块中的上导温盘14相连，光纤数据采集系统与装配系统相连；

所述装配系统主要包括装配体支座1和四层环向控温土样环10，每层环向控温土样环10包括控温环11和土样环12，由两个共轴的空心圆筒构成，内外两筒之间通过上下两个环型盖拼接成一个整体结构，两个空心圆筒与上下两个环型盖围成的空腔为控温环11，内筒所围成的空心环为土样环12，相邻两层环向控温土样环通过螺栓组件8相互固定，顶层环向控温土样环与冻胀力监测系统中的反力架20通过螺栓组件8相连接，底层环向控温土样环通过螺栓组件8固定在装配体支座1上。

所述控温系统中的环向控温模块包括四个控温环11、四个进液导流孔6、四个出液导流孔25、四个进液导流管35、四个出液导流管34以及四个环向控温冷浴箱36，且每个控温环11开有一个进气孔21。

所述控温系统中的单向控温模块包括控制土样底部温度的下导温盘4、下冷冻液流进端2、下冷冻液流出端3、控制下导温盘温度的冷浴箱5、控制土样顶部温度的上导温盘14、上冷冻液流进端15、上冷冻液流出端16、控制上导温盘温度的冷浴箱13，上导温盘14与试验土样上部直接接触，下导温盘4与试验土样下部通过多孔底板26间接接触，下导温盘4顶面与多孔底板26之间存在储水室（图中未标出），且下导温盘4存在入水孔27用于为试验土样底部补水，上导温盘14预留有引线孔（图中未标出）用于光纤传感元件的光缆布设。

所述补水系统包括马氏瓶支架30、马氏瓶28、导水管29，马氏瓶28放置在马氏瓶支架30上，导水管29一端与马氏瓶28相连，另一端与入水孔27相连。

所述补气系统包括气源瓶支撑台31、气源瓶32、缓冲通气孔24、导气管22，气源瓶32放置在气源瓶支撑台31上，气源瓶32与缓冲通气孔24一端相连，缓冲通气孔24另一端通过四个导气管22分别与每个控温环11预留的进气孔21相连接。

所述冻胀力监测系统包括连杆18、测力计19、反力架20、反力杆17，测力计19与连杆18相连并固定在反力架20上，连杆18的底端与反力杆17的顶端相连，反力杆17的底端与上导温盘14接触。

所述光纤数据采集系统包括光纤传感元件9、信号解调仪23、数据处理终端33，信号解调仪23分别与光纤传感元件9和数据处理终端33相连接，光纤传感元件9竖向等间距布设在土样环12的轴线处。

所述控温系统在试验时，通过设定每个环向控温冷浴箱36中冷冻液的温度对试验土样进行环向温度分段控制，上导温盘14热量从控制上导温盘温度的冷浴箱13传递给试验土样上部，下导温盘4将热量从控制下导温盘温度的冷浴箱5传递给下导温盘4顶面与多孔底板26之间存在储水室，储水室中的水在试验时蒸发为水汽，进而水汽通过多孔底板26的孔洞均匀进入试验土样的底部同时达到控温和补水作用。

所述补水系统中的马氏瓶28通过可调节高度的马氏瓶支架30固定，马氏瓶28中的水通过导水管29和入水孔27流入下导温盘4顶面与多孔底板26之间的储水室。

所述补气系统中放置在气源瓶支撑台31上的气源瓶32中盛装压缩空气，压缩空气先流入缓冲通气孔24，再通过导气管22流入每个控温环11上的进气孔21，进而对试验土样进行补气作用。

所述冻胀力监测系统中反力架20的高度为可调节，测力计19为应变控制式测力环，试验时反力架20的高度满足使连杆18下端与反力杆17上端接触。

所述光纤数据采集系统中光纤传感元件9用于监测试验土样全断面的变形场、温度场和水分场等物理场的数据变化信号，信号解调仪23用于对光纤传感元件9监测得到的数据信号进行转换，所述光纤传感元件9可使用全分布式光纤传感元件和准分布式光纤传感元件，信号解调仪23根据光纤传感元件9的类型选择。

所述环向控温土样环10的内筒内径比多孔底板26的直径稍大，保证多孔底板26能恰好固定在装配体底部对应位置即可。

所述环向控温土样环10的内筒和外筒以及反力架20的材质为钢材。

一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验方法，主要包括以下试验步骤：

S1、首先将下导温盘4和多孔底板26安装在装配体支座1上，然后将底层的环向控温土样环10通过螺栓组件8固定在装配体支座1上，将试验土样在土样环12中分层填筑并压实，试验土样填筑过程中将光纤传感元件9在土样环12轴线处进行等间距竖向埋设，然后将剩余每层环向控温土样环10通过螺栓组件8依次安装，相邻两层控温环11之间设置10 mm厚的绝热密封垫圈7，安装下一层环向控温土样环10之前应重复底层土样环12中试验土样的填筑和光纤传感元件9的布设操作，在各层环向控温土样环10安装完成、土样填筑完成、光纤传感元件9布设完成之后将上导温盘14安装在顶层环向控温土样环10上部，并进行冻胀力监测系统的安装，最后将控温系统、补水系统、补气系统和光纤数据采集系统对应连接；

S2、在试验开始之前通过设置测力计19进行冻胀力监测系统的初始化设置，通过信号解调仪23和数据处理终端33的设置进行光纤数据采集系统的初始化设置；

S3、通过设置每层环向控温土样环10对应的环向控温冷浴箱36的温度控制每层控温环11的温度，进而对试样土样进行环向分段控温，当试验土样达到真实环境的温度场后关闭环向控温模块；

S4、通过设置控制上导温盘温度的冷浴箱13和控制下导温盘温度的冷浴箱5的温度对上导温盘14和下导温盘4进行温度设置，进而实现对试验土样的上、下温度边界的控制，同时打开补水系统和补气系统，补水系统中的水首先进入下导温盘4顶面与多孔底板26之间的储水室，在下导温盘4的温度作用下储水室中的水蒸发为水汽，水汽通过多孔底板26的孔洞均匀进入试验土样的底部以实现补水作用，补气系统中气源瓶32中的压缩空气首先进入缓冲通气孔24，然后通过导气管22进入每层控温环11预留的进气孔21，从而实现分段补气作用；

S5、通过读取冻胀力监测系统中测力计19的数值获得试验土样冻胀力的变化情况，通过光纤数据采集系统中信号解调仪23和数据处理终端33进行试验土样全断面的应力场、变形场、温度场和水分场的实时监测；

S6、通过光纤数据采集系统中数据处理终端33进行试验土样各物理场监测数据的处理和分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，例如可根据不同的相似比选择不同的装配体高度，另外本发明并未指定探头的布设数量和类型，可根据不同的监测类型选定，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：包括装配系统、控温系统、补水系统、补气系统、冻胀力监测系统和光纤数据采集系统，所述装配系统与控温系统相连，补水系统和单向控温模块下部相连，补气系统与环向控温模块相连，冻胀力监测系统与单向控温系统上部相连，光纤数据采集系统与装配系统相连；

所述装配系统包括装配体支座（1）和四层环向控温土样环（10）；

所述补水系统包括马氏瓶支架（30）、马氏瓶（28）、导水管（29）；

所述补气系统包括气源瓶支撑台（31）、气源瓶（32）、缓冲通气孔（24）、导气管（22）；

所述冻胀力监测系统包括连杆（18）、测力计（19）、反力架（20）、反力杆（17）；

所述光纤数据采集系统包括光纤传感元件（9）、信号解调仪（23）、数据处理终端（33）。

2.根据权利要求1所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：所述环向控温土样环（10）包括控温环（11）和土样环（12），各层环向控温土样环（10）两两之间通过螺栓组件（8）拼装，顶层的环向控温土样环（10）通过螺栓组件（8）与反力架（20）连接，底层的环向控温土样环（10）通过螺栓组件（8）与装配体支座（1）连接。

3.根据权利要求1所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：所述控温系统分为环向控温模块和单向控温模块，环向控温模块包括四个控温环（11）、四个进液导流孔（6）、四个出液导流孔（25）、四个进液导流管（35）、四个出液导流管（34）以及四个环向控温冷浴箱（36），且每个控温环（11）开有一个进气孔（21），单向控温模块包括下导温盘（4）、上导温盘（14）、下冷冻液流进端（2）、下冷冻液流出端（3）、上冷冻液流进端（15）、上冷冻液流出端（16）、控制下导温盘温度的冷浴箱（5）以及控制上导温盘温度的冷浴箱（13），上导温盘（14）与试验土样上部直接接触，下导温盘（4）与试验土样下部通过多孔底板（26）间接接触，下导温盘（4）顶面与多孔底板（26）之间存在储水室，且下导温盘（4）留有入水孔（27）。

4.根据权利要求1所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：所述补水系统中的马氏瓶（28）通过可调节高度的马氏瓶支架（30）固定，马氏瓶（28）中的水通过导水管（29）和入水孔（27）流入下导温盘（4）顶面与多孔底板（26）之间的储水室，进而通过多孔底板（26）对试验土样进行均匀补水。

5.根据权利要求1所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：所述补气系统中的气源瓶（32）中盛装压缩空气，压缩空气先流入缓冲通气孔（24），再通过导气管（22）流入每个控温环上的进气孔（21），进而对试验土样进行补气作用。

6.根据权利要求1所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：所述冻胀力监测系统中反力架（20）的高度为可调节，测力计（19）为应变控制式测力环，试验时反力架（20）的高度满足使连杆（18）下端与反力杆（17）上端接触。

7.根据权利要求1所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于：所述光纤数据采集系统中光纤传感元件（9）用于监测土样全断面的变形场、水分场和温度场的变化，信号解调仪（23）用于对光纤传感元件（9）监测得到的信号进行转换，数据处理终端（33）与信号解调仪（23）相连，用于多物理场监测信号的处理。

8.一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验方法，基于权利要求1-7所述的一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置，其特征在于包括以下试验步骤：

S1、完成整个试验装置的安装，将装配系统、控温系统、补水系统、补气系统、冻胀力监测系统和光纤数据采集系统对应相连；

S2、进行冻胀力监测系统和光纤数据采集系统的初始化设置；

S3、通过控温系统中的环向控温模块控制土样的初始温度场，当土样达到真实环境下的温度场后关闭环向控温模块；

S4、通过控温系统中的单向控温模块设置土样的上、下温度边界，同时打开补水系统和补气系统；

S5、通过冻胀力监测系统和光纤数据采集系统进行土样的应力场、变形场、温度场和水分场的实时数据监测；

S6、通过光纤数据采集系统中的数据处理终端进行监测数据的处理和分析。

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