CN114910323A - 一种制作高含冰量冻土试样的装置及使用方法 - Google Patents

一种制作高含冰量冻土试样的装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种制作高含冰量冻土试样的装置，一种用于制作高含冰量冻土的试验装置，包括：控水模块、控尘模块、控温模块；控水模块通过控制送水管网向该装置不断供水，控尘模块通过控制送尘网管向该装置不断供尘，控温模块通过调节冷源温度向该装置提供一个低温环境；根据实验所要求的的含水率试样，本发明通过控制控水模块中的水阀和控尘模块的尘阀从而调节出水量和出尘量大小，两者相互配合，控水模块的喷出来的水滴在重力的作用下结合控尘模块喷出来的尘土，最后滴落在冷源板上冻结，从而制作出试验质地均匀、更加接近天然高含冰量冻土的试样。

Description

一种制作高含冰量冻土试样的装置及使用方法
技术领域
本发明涉及冻土力学研究领域，具体是一种制作高含冰量冻土试样的装置及使用方法。
背景技术
目前，在全世界范围内寒区工程建设过程中遇到的高含冰量冻土问题越来越多，在我国这一现象尤为突出。例如，青藏铁路格尔木至拉萨段，全长为1118km,有632km穿越多年冻土区，其中221km通过高含冰量冻土区(高含冰量冻土指体积含冰量大于25％)，常规冻土的研究成果不能照搬应用到高含冰量冻土，否则会引发一系列的工程事故，所以需要对高含冰量冻土的变形和力学特性进行研究。研究高含冰量冻土的关键步骤就是要在室内还原高含冰量冻土试样，才能进行后续研究。高含冰量冻土是体积含冰量超过了25％的冻土，其与常规冻土相比，高含冰量是显著特点之一，故其人工制备常规冻土试样的制备方法并不能完全实现。在高含冰量冻土试样人工制备过程中提高其含冰量的方法大致可以分为三类:
第1类：将0℃的水加入到冰颗粒(或者雪)和干土的混合物，然后制成高含冰量冻土。高志华等在2010年第31卷第6期《岩土力学》杂志上发表了题为“循环荷载作用下高温-高含冰量冻土特性试验研究”的学术论文、马小杰等在2008年第29卷第9期《岩土力学》杂志上发表了题为“高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究”都采用了此方法。
第2类：将液态水与干土混合配置成的泥浆，然后将泥浆倒入模具放在低温环境冻结，从而制得高含冰量冻土。杜海民等在2017年第38卷第7期《岩土力学》杂志上发表了题为“围压与含水率对冻结砂土破坏应变能密度影响特性研究”的学术论文采用了此方法。
第3类：在中国专利授权书，CN107727467B中公布了一种高含冰量冻土试样制备方法，将水溶性物质和干土混合并进行分层压实以形成冻土，然后将冻土试样放入饱和器，所述饱和器包括分离孔，打开分离孔后，将冻土试样连同饱和器置于水流中，通过水流进出饱和器以溶解去除冻土试样中的水溶性物质，随着水溶性物质的溶解使得冻土试样中形成空腔，使得水流进入空腔中并填满空腔后关闭分离孔，然后将饱和器取出水流并放置在冷冻器中进行冷冻至预定时间，取出饱和器，并将冻土试样与饱和器分离得高含冰量冻土。
上述3类制备高含冰量冻土试样的方法分别存在以下不足之处：
第1类制备出的高含冰量冻土试样内部的冰一部分由冰颗粒组成，而冻土中的地下冰是迁移水或原位水在土体中直接冻结而成的，导致力学性能不同于天然高含冰量冻土；
第2类制备出的高含冰量冻土试样会产生明显的分层现象，导致试样的不均质；
第3类的制备的高含冰量冻土过程复杂，技术和成本要求过高。
鉴于此，需要发明一种用于制作高含冰量冻土试样的装置及使用方法，以实现制作出较为均质的高含冰量冻土试样的目的。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于制作高含冰量冻土试样的装置及其使用方法，利用该装置，能够在实验室制备出满足试验要求的高含冰量冻土试样。本发明具有结构简单、可实施性强等特点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于制作高含冰量冻土的试验装置，包括控水模块、控尘模块、控温模块三个部分，其中所述控水模块置于控尘模块上方，所述的控温模块置于控尘模块下方。
所述的控水模块由送水管网和顶层保温盖组成，所述的送水管网在顶层保温盖上方，所述的送水管网中的出水口穿过顶层保温盖。所述的送水管网由第一送水管、第一控水阀、第二送水管、第三送水管、第三控水阀组成。所述的第一送水管一端连通水仓，一端连通第二送水管，所述的第一送水管上设置有第一控水阀，所述的第一控水阀可以控制第一控水管内的水量大小，所述的第二送水管沿着管线依次连通有第三送水管，所述的第三送水管设置有第三控水阀，所述的第三控水阀可以控制第三送水管内的水量大小，所述的第三送水管下端沿着管线依次设置有出水口，所述的出水口沿圆心对称分布。所述的顶层保温盖是有上底的空心圆柱壳体，所述顶层保温盖大小和出水口分布面积相同。
所述的控尘模块由送尘管路和中间保温壁组成，所述的送尘管路分布在中间保温壁周围，所述的送尘管路中的出尘口穿过中间保温壁。所述的送尘管路由第一送尘管、第一控尘阀、第二送尘管、第三送尘管、第三控尘阀、第四环向送尘管、出尘口、第四控尘阀组成。所述的第一送尘管一端连接高压粉尘仓，一端连通第二送尘管，所述的第一送尘管设置有第一控尘阀，所述的第一控尘阀可以控制第一送尘管内的粉尘量大小，所述的第二送尘管沿着管线依次连通第三送尘管，所述的第三送尘管上设置有第三控尘阀，第三控尘阀可以控制第三送尘管内的粉尘量大小，所述的第三送尘管的另一端连通有第四环向送尘管，所述的环向送尘管内侧沿着管线依次设置有出尘口，所述的出尘口设置有第四控尘阀，所述的第四控尘阀可以控制出尘口内粉尘量大小。所述的中间保温壁由中间保温筒和支撑脚组成，所述的中间保温筒是无上下底的空心圆柱壳体。
所述的控温模块由冷源板、底层保温板和伸缩腿组成。所述的冷源板置于底层保温板上方，所述的伸缩腿置于第层保温板下方，所述的冷源板可以为试验提供一个负温环境，所述的冷源面积大小和中间保温筒内径一致，所述的底层保温板面积和中间保温筒外径一致。所述的冷源内嵌于中间保温筒内。
控水模块通过控制送水管网向该装置不断供水，控尘模块通过控制送尘网管向该装置不断供尘，控温模块通过调节冷源温度向该装置提供一个低温环境；根据实验所要求的的含水率试样，本发明通过控制控水模块中的控水阀和控尘模块的控尘阀从而调节出水量和出尘量大小，两者相互配合，控水模块的喷出来的水滴在重力的作用下结合控尘模块喷出来的尘土，最后滴落在冷源板上冻结，从而制作出试验质地均匀、更加接近天然高含冰量冻土的试样。
试验步骤如下：
第一步，将试验所需土样制成粉末状并注入高压粉尘仓；
第二步，将本发明中的第一送水管和第一送尘管分别接通高压水仓和高压粉尘仓；
第三步，调节冷源板温度，给试验提供一个低温环境；
第四步，打开并调节控水阀和控尘阀，控制出水量和出尘量大小；
第四步，待试样高度达到试验要求后，调节伸缩腿，取出高含冰量冻土试样，即制样完成。
本发明优点在于
1、本发明中，控水模块中设置有送水管网，并在送水管网的不同位置上设置有对应的控水阀，通过调节对应控水阀可以精准控制出水量的大小。
2、本发明中，控尘模块中设置有送尘管网，并在送尘管网的不同位置上设置有对应的控尘阀，通过调节对应控尘阀可以保证出尘量的大小。
3、本发明中，合理调节控水模块的出水量和控尘模块的出尘量，可以在控温模块上形成质地均匀，更加接近与天然高含冰量的冻土试样。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2和图3是本发明实施例的控水模块结构示意图；
图4是本发明实施例的送水管网结构示意图；
图5是本发明实施例的顶层保温盖结构示意图；
图6是本发明实施例的控尘模块结构示意图；
图7是本发明实施例的送尘管网结构示意图；
图8是本发明实施例的中间保温壁结构示意图；
图9是本发明实施例的控温模块结构示意图；
图中标号说明：1-精准控水模块，2-精准控尘模块，3-控温模块，11-第一送水管，12-第一控水阀，13-第二送水管，14-第三送水管，15-第三控水阀，16-出水口，17-顶层保温盖，21-第一气管，22-第一气阀，23-第二气管，24-第三气管，25-第三气阀，26-环形送尘管，27-出尘口，28-第四气阀，29-中间保温筒，210-支撑脚，31-冷源板，32-底层保温板，33-伸缩腿。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种用于制作高含冰量冻土的试验装置，包括控水模块1、控尘模块2、控温模块3三个部分，其中所述控水模块1置于控尘模块2上方，所述的控温模块3置于控尘模块2下方。
如图2～5所示，所述的控水模块1由送水管网和顶层保温盖17组成，所述的送水管网在顶层保温盖17上方，所述的送水管网中的出水口16穿过顶层保温盖。所述的送水管网由第一送水管11、第一控水阀12、第二送水管13、第三送水管14、第三控水阀15组成。所述的第一送水管11一端连通水仓，一端连通第二送水管13，所述的第一送水管11上设置有第一控水阀12，所述的第一控水阀12可以控制第一控水管11内的水量大小，所述的第二送水管13沿着管线依次连通有第三送水管14，所述的第三送水管14设置有第三控水阀15，所述的第三控水阀15可以控制第三送水管14内的水量大小，所述的第三送水管14下端沿着管线依次设置有出水口16，所述的出水口16沿圆心对称分布。所述的顶层保温盖17是有上底的空心圆柱壳体，所述顶层保温盖17大小和出水口16分布面积相同。
如图6～8所示，所述的控尘模块2由送尘管路和中间保温壁组成，所述的送尘管路分布在中间保温壁周围，所述的送尘管路中的出尘口27穿过中间保温壁。所述的送尘管路由第一送尘管21、第一控尘阀22、第二送尘管23、第三送尘管24、第三控尘阀25、第四环向送尘管26、出尘口27、第四控尘阀28组成。所述的第一送尘管21一端连接高压粉尘仓，一端连通第二送尘管23，所述的第一送尘管21设置有第一控尘阀22，所述的第一控尘阀22可以控制第一送尘管21内的粉尘量大小，所述的第二送尘管23沿着管线依次连通第三送尘管24，所述的第三送尘管24上设置有第三控尘阀25，第三控尘阀25可以控制第三送尘管24内的粉尘量大小，所述的第三送尘管24的另一端连通有第四环向送尘管26，所述的环向送尘管26内侧沿着管线依次设置有出尘口27，所述的出尘口27设置有第四控尘阀28，所述的第四控尘阀28可以控制出尘口27内粉尘量大小。所述的中间保温壁由中间保温筒29和支撑脚210组成，所述的中间保温筒29是无上下底的空心圆柱壳体。
如图9所示，所述的控温模块3由冷源板31、底层保温板32和伸缩腿33组成。所述的冷源板31置于底层保温板32上方，所述的伸缩腿33置于底层保温板32下方，所述的冷源板31可以为试验提供一个负温环境，所述的冷源板31直径大小和中间保温筒29内径一致，所述的底层保温板直径32和中间保温筒29外径一致。所述的冷源板31内嵌于中间保温筒29内。
控水模块1通过控制送水管网向该装置不断供水，控尘模块2通过控制送尘网管向该装置不断供尘，控温模块3通过调节冷源板温度向该装置提供一个低温环境；根据实验所要求的的含水率试样，本发明通过控制控水模块1中的控水阀和控尘模块2的控尘阀从而调节出水量和出尘量大小，两者相互配合，控水模块1的喷出来的水滴在重力的作用下结合控尘模块2喷出来的尘土，最后滴落在冷源板31上冻结，从而制作出试验质地均匀、更加接近天然高含冰量冻土的试样。
试验步骤如下：
第一步，将试验所需土样制成粉末状并注入高压粉尘仓；
第二步，将本发明中的第一送水管11和第一送尘管21分别接通高压水仓和高压粉尘仓；
第三步，调节冷源板31温度，给试验提供一个低温环境；
第四步，打开并调节控水阀和控尘阀，控制出水量和出尘量大小；
第四步，待试样高度达到试验要求后，调节伸缩腿33，取出高含冰量冻土试样，即制样完成。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种用于制作高含冰量冻土的试验装置，包括控水模块1、控尘模块2、控温模块3三个部分，其中所述控水模块1置于控尘模块2上方，所述的控温模块3置于控尘模块2下方；
所述的控水模块1由送水管网和顶层保温盖17组成，所述的送水管网在顶层保温盖17上方，所述的送水管网中的出水口16穿过顶层保温盖，所述的送水管网由第一送水管11、第一控水阀12、第二送水管13、第三送水管14、第三控水阀15组成，所述的第一送水管11一端连通水仓，一端连通第二送水管13，所述的第一送水管11上设置有第一控水阀12，所述的第一控水阀12可以控制第一控水管11内的水量大小，所述的第二送水管13沿着管线依次连通有第三送水管14，所述的第三送水管14设置有第三控水阀15，所述的第三控水阀15可以控制第三送水管14内的水量大小，所述的第三送水管14下端沿着管线依次设置有出水口16，所述的出水口16沿圆心对称分布，所述的顶层保温盖17是有上底的空心圆柱壳体，所述顶层保温盖17大小和出水口16分布面积相同；
所述的控尘模块2由送尘管路和中间保温壁组成，所述的送尘管路分布在中间保温壁周围，所述的送尘管路中的出尘口27穿过中间保温壁；
所述的送尘管路由第一送尘管21、第一控层阀22、第二送尘管23、第三送尘管24、第三控尘阀25、第四环向送尘管26、出尘口27、第四控尘阀28组成，所述的第一送尘管21一端连接高压粉尘仓，一端连通第二送尘管23，所述的第一送尘管21设置有第一控尘阀22，所述的第一控尘阀22可以控制第一送尘管21内的粉尘量大小，所述的第二送尘管23沿着管线依次连通第三送尘管24，所述的第三送尘管24上设置有第三控尘阀25，第三控尘阀25可以控制第三送尘管24内的粉尘量大小，所述的第三送尘管24的另一端连通有第四环向送尘管26，所述的环向送尘管26内侧沿着管线依次设置有出尘口27，所述的出尘口27设置有第四控尘阀28，所述的第四控尘阀28可以控制出尘口27内粉尘量大小，所述的中间保温壁由中间保温筒29和支撑脚210组成，所述的中间保温筒29是无上下底的空心圆柱壳体；
所述的控温模块3由冷源板31、底层保温板32和伸缩腿33组成；
所述的冷源板31置于底层保温板32上方，所述的伸缩腿33置于底层保温板32下方，所述的冷源板31可以为试验提供一个负温环境，所述的冷源板31直径大小和中间保温筒29内径一致，所述的底层保温板直径32和中间保温筒29外径一致，所述的冷源板29内嵌于中间保温桶29内。
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CN114624088A (zh) * 2022-03-14 2022-06-14 安徽理工大学 一种制作高含冰量冻土试样的装置及其使用方法
CN114624088B (zh) * 2022-03-14 2024-05-07 安徽理工大学 一种制作高含冰量冻土试样的装置及其使用方法

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