CN113933337A - 一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置及其使用方法，通过凹凸卡槽在隔振底座上固定下制热板，在下制热板上方依照方位拼装补水导管、左制热板、右制冷板、前透视板以及后隔温板，在组合空间内装样后将上制冷板紧贴试样上表面。根据试验方案，选择压力传感器与上制冷板的接触及横梁上方堆载。整套系统置于恒温箱内，各温控板与外部恒温冷浴装置连接，通过调节上下左右温控板温度形成水平和竖直双向温度梯度。本发明待环境温度和试样内温度分布稳定后，即可进行冻土双向冻结冻胀试验，为冻土学试验研究的深化拓展提供依据，且操作简便，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种冻结冻胀试验装置及其使用方法，尤其是一种适用于土体边界主动约束且存在两个正交温度梯度的边界主动约束双向冻结冻胀试验系统及其使用方法。
背景技术
冻土是一种温度低于0℃且含有冰的多孔多相介质，属温度敏感性材料。冻土过量冻胀会对其周围构(建)筑物产生破坏，造成重大的经济损失和严重的社会影响。其中包括：墙体开裂、输油管线断裂、公(铁)路路基过量变形以及寒区输水渠道和基坑支护的结构性破坏等，这在城市精细化施工和其他高等级工程中是必须加以控制的。
目前，包含天然冻土和人工冻土在内的冻胀的研究多集中于一维冻结，相应的试验装置研发也基本围绕一维冻结进行。然而，在考虑冻土区的路基、管线、渠道、边坡和基坑等实际工程条件，人工冻结法在冻结管布置和冻土帷幕发展规律。不难发现，其中存在着大量的土体双向冻结问题，且冻害高发区和薄弱区也多集中于两界面交汇范围。以往研究中，将各结构简化为一维冻结，这在远离临空面处是合理的，但对于临空面附近土体而言，已不再是自上而下简单的一维冻结问题，而是较为复杂的双向耦合问题。这说明采用一维冻结理论设计的工程结构存在强度折减，在解释实际复杂的工程冻胀现象时存在明显局限性。因为，双向冻结条件下热质交换与一维冻结相比更为复杂，土体冻胀和发展机理、冻胀(力)分布及其与结构相互作用机制必然发生显著变化，若简单应用一维冻结冻胀理论进行结构设计，必然会给工程安全埋下隐患。现有的一维冻结研究成果还不能很好地反应和解决双向冻结冻胀问题，亟需开展相关的试验和理论研究。
发明内容
技术问题：发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种操作简便、成本低廉、能更加准确模拟土体双向冻结冻胀的试验系统及其使用方法。
技术方案：本发明的一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置，包括隔振底座、设在隔振底座上的试样装置和压力传感器支架，所述的试样装置包括由上制冷板、左制热板、下制热板、右制冷板、前透视板和后隔温板拼合构成的放置试样的冻胀盒，所述下制热板通过凹凸卡位固定在隔振底座的中部；所述左制热板下方和下制热板左侧形成的交角区设有补水导管；所述的压力传感器支架包括对称设在试样装置两侧的立柱，两侧立柱的上方设有横梁，所述横梁的两头设有调节横梁上下位移的液压螺母，横梁中部设有面向试样装置的压力传感器，通过液压螺母调节横梁在立柱上的位置，从而调节压力传感器与上制冷板的接触情况；
所述的上制冷板包含进液管、出液管、上制冷板外壁和上制冷板内板/膜；所述的上制冷板内板/膜位于上制冷板外壁之下，所述上制冷板外壁上端中部设有与压力传感器相对应的凹槽，上制冷板外壁内设有与上制冷板内板/膜连通的进液管和出液管；
所述的左制热板包含进液管、出液管、左制热板外壁和左制热板内板；所述的左制热板内板位于左制热板外壁内侧，进液管和出液管位于左制热板外壁上下侧，入口穿过左制热板外壁至左制热板内板；
所述的下制热板包含进液管、出液管、下制热板外壁、下制热板内板和手托板；所述的下制热板外壁呈箱体状，下端面设有与隔振底座相嵌合的凸台，上端面项靠在下制热板内板上，左右两侧对称设有手托板；
所述的右制冷板包含进液管、出液管、右制冷板外壁、右制冷板内板、记忆合金弹簧和隔温棉；所述的右制冷板外壁呈槽形，罩扣在右制冷板内板两侧，所形成的空间内间隔设有记忆合金弹簧，记忆合金弹簧之间充填有隔温棉，右制冷板外壁的外壁上下分别设有能自由伸缩的进液管和出液管。
所述上制冷板外壁、左制热板外壁、下制热板外壁、右制冷板外壁和后隔温板为低导热性树脂板材料，导热系数控制在0.05～0.2W/(m·K)范围内。
所述左制热板内板、下制热板内板、右制冷板内板为高导热性紫铜材质，导热系数控制在100W/(m·K)以上。
所述补水导管为1/4圆柱型多孔透水管，补水导管的半径为1/10倍试样边长，前后长度等于试样的边长。
由上制冷板、左制热板、下制热板和右制冷板围成的界面区域为高宽比在0.9～1.1范围内，以此形成水平和竖直两个独立方向的稳定一维温度场。
所述的隔温棉为高效隔温棉，其导热系数控制在0.05W/(m·K)以内。
所述的上制冷板内板/膜的材质根据是否为有压冻胀进行确定；
若为有压冻胀，则上制冷板内板为高导热性紫铜材质，导热能力与左制热板内板、下制热板内板和右制冷板内板的材质相同，导热系数控制在100W/(m·K)以上；
若为无压冻胀，则上制冷板内膜为导热石墨膜材质，导热能力与左制热板内板、下制热板内板、右制冷板内板的材质相同，导热系数控制在100W/(m·K)以上。
一种如上所述边界主动约束双向冻结冻胀试验装置的使用方法，包括以下步骤：
a、在隔振底座上依次安装下制热板、左制热板、右制冷板、前透视板、后隔温板和补水导管；
b、将试样置于由下制热板、左制热板、右制冷板、前透视板、后隔温板和补水导管组成的冻胀盒内；
c、若进行有压冻胀则将上制冷板内板固定在上制冷板外壁下方；若进行无压冻胀则将上制冷板内膜固定在上制冷板外壁下方，固定完毕后将上制冷板放于试样上方；
d、将上制冷板的进液管和出液管、左制热板的进液管和出液管、下制热板的进液管和出液管、右制冷板的进液管和出液管分别与外部四台相同且独立运行的温控制冷设备连接；
e、将试验系统置于恒温箱内部静置6h，待试样内部温度均匀稳定后，按进行有压冻胀或无压冻胀调节上制冷板、下制热板、左制热板和右制冷板的温度；
f、试验完毕后，由手托板将冻胀盒移出，拆除左制热板、右制冷板、前透视板、后隔温板和补水导管，对试样按现行土工试验规程进行含水率分布和冻胀测量相关操作。
步骤e中，所述按进行有压冻胀或无压冻胀调节如下：
若进行有压冻胀，则旋开液压螺母向下调节横梁在立柱上位置，保证压力传感器与上制冷板自由接触，按试验需求在横梁上方进行堆载加压；
若进行无压冻胀，则向上调节横梁在立柱上位置旋紧液压螺母固定，保证压力传感器与上制冷板脱离接触。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明打破一维冻结试验装置设计思路在研究双向冻结冻胀时的局限性，重点突出双向冻结的边界特性和冻胀特点，能够实现土体内部二维温度梯度的形成及双向冻结冻胀试验。以暖板交角区的补水导管代替传统暖端面补水，使二维开放(补水)冻结更准确；以右制冷板的线性增阻约束代替传统固定约束，可以更科学模拟支护结构的侧限约束状态；以上制冷板柔性内膜代替传统刚性内板，可以更准确进行不均匀冻胀试样的端面制冷，还能在边界补水、约束以及温控上具有区别于传统一维冻结的本质特征。与现有技术相比，具有结构简单，操作方便，模拟准确，功用齐全等突出特点。
附图说明
图1为本发明的边界主动约束双向冻结冻胀试验装置结构示意图。
图2为本发明的试样前后约束板示意图。
图3为本发明试样表面不均匀冻胀与上制冷板内膜变形协调示意图。
图4为本发明补水导管补水坐标路径方向与温度坐标梯度方向示意图。
图中：1、隔振底座；2、立柱；3、横梁；4、液压螺母，4-1、右下液压螺母；4-2、右上液压螺母；4-3、左下液压螺母；4-4、左上液压螺母；5、压力传感器；6、试样；7、上制冷板，7-1、进液管，7-2、出液管，7-3、上制冷板外壁，7-4、上制冷板内板/膜；8、左制热板，8-1、进液管，8-2、出液管，8-3、左制热板外壁，8-4、左制热板内板；9、下制热板，9-1、进液管，9-2、出液管，9-3、下制热板外壁，9-4、下制热板内板，9-5、手托板；10、右制冷板，10-1、进液管，10-2、出液管，10-3、右制冷板外壁，10-4、右制冷板内板，10-5、记忆合金弹簧，10-6、隔温棉，11-前透视板；12-后隔温板，13-补水导管，a、b、c为温度座标梯度方向；l、m、n为补水座标路径方向。
具体实施方式：
下面结合附图中的实施例对本发明作更进一步的描述：
本发明的边界主动约束双向冻结冻胀试验装置，主要由隔振底座1、设在隔振底座1上的试样装置和压力传感器支架构成，所述的试样装置包括由上制冷板7、左制热板8、下制热板9、右制冷板10、前透视板11和后隔温板12拼合构成的放置试样6的冻胀盒，所述下制热板9通过凹凸卡位固定在隔振底座1的中部；所述左制热板8下方和下制热板9左侧形成的交角区设有补水导管13；所述补水导管13为1/4圆柱型多孔透水管，补水导管的半径为1/10倍试样边长，前后长度等于试样的边长。所述的压力传感器支架包括对称设在试样装置两侧的立柱2，两侧立柱2的上方设有横梁3，所述横梁3的两头设有调节横梁上下位移的液压螺母4，横梁3中部设有面向试样装置的压力传感器5，通过液压螺母4调节横梁3在立柱2上的位置，从而调节压力传感器5与上制冷板7的接触情况；由上制冷板7、左制热板8、下制热板9和右制冷板10围成的界面区域为高宽比在0.9～1.1范围内，以此形成水平和竖直两个独立方向的稳定一维温度场。
所述的上制冷板7包含进液管7-1、出液管7-2、上制冷板外壁7-3和上制冷板内板/膜7-4；所述的上制冷板内板/膜7-4位于上制冷板外壁7-3之下，所述上制冷板外壁7-3上端中部设有与压力传感器5相对应的凹槽，上制冷板外壁7-3内设有与上制冷板内板/膜7-4连通的进液管7-1和出液管7-2；所述上制冷板外壁7-3、左制热板外壁8-3、下制热板外壁9-3、右制冷板外壁10-3和后隔温板12为低导热性树脂板材料，导热系数控制在0.05～0.2W/(m·K)范围内。
所述的左制热板8包含进液管8-1、出液管8-2、左制热板外壁8-3和左制热板内板8-4；所述的左制热板内板8-4位于左制热板外壁8-3内侧，进液管8-1和出液管8-2位于左制热板外壁8-3上下侧，入口穿过左制热板外壁8-3至左制热板内板8-4；所述左制热板内板8-4、下制热板内板9-4、右制冷板内板10-4为高导热性紫铜材质，导热系数控制在100W/(m·K)以上。
所述的下制热板9包含进液管9-1、出液管9-2、下制热板外壁9-3、下制热板内板9-4和手托板9-5；所述的下制热板外壁9-3呈箱体状，下端面设有与隔振底座1相嵌合的凸台，上端面项靠在下制热板内板9-4上，左右两侧对称设有手托板9-5；
所述的上制冷板内板/膜7-4的材质根据是否为有压冻胀进行确定；
若为有压冻胀，则上制冷板内板7-4为高导热性紫铜材质，导热能力与左制热板内板8-4、下制热板内板9-4和右制冷板内板10-4的材质相同，导热系数控制在100W/(m·K)以上；
若为无压冻胀，则上制冷板内膜7-4为导热石墨膜材质，导热能力与左制热板内板8-4、下制热板内板9-4、右制冷板内板10-4的材质相同，导热系数控制在100W/(m·K)以上。
所述的右制冷板10包含进液管10-1、出液管10-2、右制冷板外壁10-3、右制冷板内板10-4、记忆合金弹簧10-5和隔温棉10-6；所述的右制冷板外壁10-3呈槽形，罩扣在右制冷板内板10-4两侧，所形成的空间内间隔设有记忆合金弹簧10-5，记忆合金弹簧10-5之间充填有隔温棉10-6，所述的隔温棉10-6为高效隔温棉，其导热系数控制在0.05W/(m·K)以内。右制冷板外壁10-3的外壁上下分别设有能自由伸缩的进液管10-1和出液管10-2。
一种如上述边界主动约束双向冻结冻胀试验装置的使用方法，具体步骤如下：
a、在隔振底座1上依次安装下制热板9、左制热板8、右制冷板10、前透视板11、后隔温板12和补水导管13；
b、将试样6置于由下制热板9、左制热板8、右制冷板10、前透视板11、后隔温板12和补水导管13组成的冻胀盒内；
c、若进行有压冻胀则将上制冷板内板7-4固定在上制冷板外壁7-3下方；若进行无压冻胀则将上制冷板内膜7-4固定在上制冷板外壁7-3下方，固定完毕后将上制冷板(7)放于试样6上方；
d、将上制冷板7的进液管7-1和出液管7-2、左制热板8的进液管8-1和出液管8-2、下制热板8的进液管9-1和出液管9-2、右制冷板10的进液管10-1和出液管10-2分别与外部四台相同且独立运行的温控制冷设备连接；
e、将试验系统置于恒温箱内部静置6h，待试样6内部温度均匀稳定后，按进行有压冻胀或无压冻胀调节上制冷板7、下制热板9、左制热板8和右制冷板10的温度；
若进行有压冻胀，则旋开液压螺母4向下调节横梁3在立柱2上位置，保证压力传感器5与上制冷板7自由接触，按试验需求在横梁3上方进行堆载加压；
若进行无压冻胀，则向上调节横梁3在立柱2上位置旋紧液压螺母4固定，保证压力传感器5与上制冷板7脱离接触。
f、试验完毕后，由手托板9-5将冻胀盒移出，拆除左制热板8、右制冷板10、前透视板11、后隔温板12和补水导管13，对试样6按现行土工试验规程进行含水率分布和冻胀测量相关操作。
Claims (9)
1.一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置，其特征在于：它包括隔振底座(1)、设在隔振底座(1)上的试样装置和压力传感器支架，所述的试样装置包括由上制冷板(7)、左制热板(8)、下制热板(9)、右制冷板(10)、前透视板(11)和后隔温板(12)拼合构成的放置试样(6)的冻胀盒，所述下制热板(9)通过凹凸卡位固定在隔振底座(1)的中部；所述左制热板(8)下方和下制热板(9)左侧形成的交角区设有补水导管(13)；所述的压力传感器支架包括对称设在试样装置两侧的立柱(2)，两侧立柱(2)的上方设有横梁(3)，所述横梁(3)的两头设有调节横梁上下位移的液压螺母(4)，横梁(3)中部设有面向试样装置的压力传感器(5)，通过液压螺母(4)调节横梁(3)在立柱(2)上的位置，从而调节压力传感器(5)与上制冷板(7)的接触情况；
所述的上制冷板(7)包含进液管(7-1)、出液管(7-2)、上制冷板外壁(7-3)和上制冷板内板/膜(7-4)；所述的上制冷板内板/膜(7-4)位于上制冷板外壁(7-3)之下，所述上制冷板外壁(7-3)上端中部设有与压力传感器(5)相对应的凹槽，上制冷板外壁(7-3)内设有与上制冷板内板/膜(7-4)连通的进液管(7-1)和出液管(7-2)；
所述的左制热板(8)包含进液管(8-1)、出液管(8-2)、左制热板外壁(8-3)和左制热板内板(8-4)；所述的左制热板内板(8-4)位于左制热板外壁(8-3)内侧，进液管(8-1)和出液管(8-2)位于左制热板外壁(8-3)上下侧，入口穿过左制热板外壁(8-3)至左制热板内板(8-4)；
所述的下制热板(9)包含进液管(9-1)、出液管(9-2)、下制热板外壁(9-3)、下制热板内板(9-4)和手托板(9-5)；所述的下制热板外壁(9-3)呈箱体状，下端面设有与隔振底座(1)相嵌合的凸台，上端面项靠在下制热板内板(9-4)上，左右两侧对称设有手托板(9-5)；
所述的右制冷板(10)包含进液管(10-1)、出液管(10-2)、右制冷板外壁(10-3)、右制冷板内板(10-4)、记忆合金弹簧(10-5)和隔温棉(10-6)；所述的右制冷板外壁(10-3)呈槽形，罩扣在右制冷板内板(10-4)两侧，所形成的空间内间隔设有记忆合金弹簧(10-5)，记忆合金弹簧(10-5)之间充填有隔温棉(10-6)，右制冷板外壁(10-3)的外壁上下分别设有能自由伸缩的进液管(10-1)和出液管(10-2)。
2.根据权利要求1所述的一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置，其特征在于：所述上制冷板外壁(7-3)、左制热板外壁(8-3)、下制热板外壁(9-3)、右制冷板外壁(10-3)和后隔温板(12)为低导热性树脂板材料，导热系数控制在0.05～0.2W/(m·K)范围内。
3.根据权利要求1所述的一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置，其特征在于：所述左制热板内板(8-4)、下制热板内板(9-4)、右制冷板内板(10-4)为高导热性紫铜材质，导热系数控制在100W/(m·K)以上。
4.根据权利要求1所述的一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置，其特征在于：所述补水导管(13)为1/4圆柱型多孔透水管，补水导管的半径为1/10倍试样边长，前后长度等于试样的边长。
5.根据权利要求1所述的一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置，其特征在于：由上制冷板(7)、左制热板(8)、下制热板(9)和右制冷板(10)围成的界面区域为高宽比在0.9～1.1范围内，以此形成水平和竖直两个独立方向的稳定一维温度场。
6.根据权利要求1所述的一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置，其特征在于：所述的隔温棉(10-6)为高效隔温棉，其导热系数控制在0.05W/(m·K)以内。
7.根据权利要求1所述的一种边界主动约束双向冻结冻胀试验装置，其特征在于：所述的上制冷板内板/膜(7-4)的材质根据是否为有压冻胀进行确定；
若为有压冻胀，则上制冷板内板(7-4)为高导热性紫铜材质，导热能力与左制热板内板(8-4)、下制热板内板(9-4)和右制冷板内板(10-4)的材质相同，导热系数控制在100W/(m·K)以上；
若为无压冻胀，则上制冷板内膜(7-4)为导热石墨膜材质，导热能力与左制热板内板(8-4)、下制热板内板(9-4)、右制冷板内板(10-4)的材质相同，导热系数控制在100W/(m·K)以上。
8.一种如权利要求1-7任意一项所述边界主动约束双向冻结冻胀试验装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
a、在隔振底座(1)上依次安装下制热板(9)、左制热板(8)、右制冷板(10)、前透视板(11)、后隔温板(12)和补水导管(13)；
b、将试样(6)置于由下制热板(9)、左制热板(8)、右制冷板(10)、前透视板(11)、后隔温板(12)和补水导管(13)组成的冻胀盒内；
c、若进行有压冻胀则将上制冷板内板(7-4)固定在上制冷板外壁(7-3)下方；若进行无压冻胀则将上制冷板内膜(7-4)固定在上制冷板外壁(7-3)下方，固定完毕后将上制冷板(7)放于试样(6)上方；
d、将上制冷板(7)的进液管(7-1)和出液管(7-2)、左制热板(8)的进液管(8-1)和出液管(8-2)、下制热板(8)的进液管(9-1)和出液管(9-2)、右制冷板(10)的进液管(10-1)和出液管(10-2)分别与外部四台相同且独立运行的温控制冷设备连接；
e、将试验系统置于恒温箱内部静置6h，待试样(6)内部温度均匀稳定后，按进行有压冻胀或无压冻胀调节上制冷板(7)、下制热板(9)、左制热板(8)和右制冷板(10)的温度；
f、试验完毕后，由手托板(9-5)将冻胀盒移出，拆除左制热板(8)、右制冷板(10)、前透视板(11)、后隔温板(12)和补水导管(13)，对试样(6)按现行土工试验规程进行含水率分布和冻胀测量相关操作。
9.权利要求8所述边界主动约束双向冻结冻胀试验装置的使用方法，其特征在于：步骤e中，所述按进行有压冻胀或无压冻胀调节如下：
若进行有压冻胀，则旋开液压螺母(4)向下调节横梁(3)在立柱(2)上位置，保证压力传感器(5)与上制冷板(7)自由接触，按试验需求在横梁(3)上方进行堆载加压；
若进行无压冻胀，则向上调节横梁(3)在立柱(2)上位置旋紧液压螺母(4)固定，保证压力传感器(5)与上制冷板(7)脱离接触。
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