CN114965551A - 模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法，其冻融循环试验用模型箱的箱体内设置有边坡模型和温度传感器，并配置有液氮制冷装置、加热装置和补水装置、排水装置，边坡模型包括坡台，模型箱体内顶部设置风扇，温度传感器在坡台和边坡试样中均有布置，包括以下步骤：控制模型箱体内温度处于零度，向坡台上置入边坡试样，边坡试样中置入预制的冰柱、冰板以模拟边坡中的天然管道、裂缝，关闭模型箱体，保持排水装置畅通；根据确定冻结温度、融化温度、冻结时长和融化时长控制冷装置、风扇、加热装置、补水装置和排水装置，反复模拟冻融循环直至试验结束，以简单、经济、可重复的方式实现了含有天然管道、裂缝边坡的冻融循环试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种冻融循环试验方法，尤其是能快速模拟含天然管道和裂缝的寒区边坡冻融影响的试验装置和试验测试方法。
背景技术
在我国西南高寒山区，斜坡岩土体受冬季低温环境影响，岩土体内水分长期处于冻结状态；进入夏季时，水分随着温度升高而融化，释放了原有冻胀空间，软化了斜坡岩土体。当斜坡内发育天然管道或裂缝时，管缝内水分在冬季降温时冻结扩张，夏季升温时融化，冻结扩张-融化软化反复作用下，岩土体内的管缝不断发展，成为坡体内的薄弱部位，斜坡稳定性持续下降，最终发生灾难性滑坡事件，如2000年西藏易贡大滑坡。
我国是继俄罗斯、加拿大之后的第三大冻土国家，多年冻土面积占我国国土面积的21.5%，季节性冻土面积占我国国土面积的53.5%。近年来气候变暖，部分多年冻土发生严重退化，季节性冻土区持续扩大。据调查，现有66%以上的交通干线位于季节性冻土区，公路、铁路等土木工程分布广泛。冻融作用会降低边坡和路基岩土体抗剪强度，甚至引起滑坡灾害，严重制约了我国季节性冻土区道路的建设发展。冻融作用引起的系列灾害不仅对行车安全及线路正常运营构成威胁，还需要耗费大量人力物力进行防治，对这些地区的经济发展及城市面貌造成严重损害，居民生命财产安全受到巨大威胁。
因此，在寒区工程建设中，要重视冻土力学性质随冻融状态的反复改变而改变的特性，无论是边坡稳定性分析还是地基承载力的计算，均需考虑冻土的不稳定性。季节性冻土区土壤或岩层的冻融循环作用是一个长期的过程，而且冻土区自然环境一般都较为恶劣，现场试验通常受场地地形地貌、地层岩性、气候条件等影响而无法顺利进行。因此直接在室外观察、研究冻融循环作用对岩土体的影响十分困难，室内模拟试验更适合冻融循环作用下边坡变形破坏机理及稳定性变化规律的研究。
目前，鲜有报道冻融循环作用下含天然管道、裂缝岩土体斜坡失稳演化模型试验测试方法，学者们通常通过岩土体试块的冻融循环测试来反馈岩土体力学特性演化，未能很好地反映斜坡整体的变化特征以及演化过程。
发明内容
为研究冻融循环作用下含天然管道和裂缝岩土体斜坡失稳演化机理，本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法，能较好地模拟冻融变化对含天然管道、裂缝边坡的影响，该方法通过预制的冰柱来模拟天然管道，预制的冰板来模拟天然裂缝，操作方便，可为研究西南高寒地区含贯通管道、裂缝边坡在冻融循环作用下变形破坏机理及演化规律提供基础的试验环境。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法，采用冻融循环试验用模型箱，模型箱包括模型箱体和控制终端，于模型箱体内设置有边坡模型和温度传感器，模型箱体配置有制冷装置、加热装置和补水装置、排水装置，边坡模型包括混凝土浇筑成型的坡台，模型箱体内顶部设置风扇，温度传感器在坡台和边坡试样中均有布置，包括以下步骤：
（a）确定冻结温度、融化温度、冻结时长和融化时长；
（b）控制模型箱体内温度处于零度，打开模型箱体，于坡台上置入边坡试样，边坡试样中置入预制的冰柱和/或冰板，冰柱用于模拟边坡中的天然管道，冰板用于模拟边坡中的裂缝，关闭模型箱体，保持排水装置畅通；
（c）启动制冷装置和风扇，进行冰冻试验：根据温度传感器测得的试样温度数据，待所有温度传感器测量温度都在冻结温度以下，关闭制冷装置，记录为试样冻结的起始时间，直至达到冻结时长，且在冰冻试验期间内根据温度控制要求启闭制冷装置；
（d）关闭制冷装置，启动加热装置，进行融化试验：根据温度传感器测得的试样温度数据，待所有温度传感器测得的温度值都在融化温度以上，关闭加热装置，记录为试样融化的起始时间，直至达到融化时长，且在融化试验期间内根据温度控制要求启闭加热装置；
（e）关闭风扇，控制模型箱温度在0℃，启动补水装置，达到设定补水要求后关闭补水装置；
（f）重复上述步骤c～e直至试验结束。
上述试验方法在坡台上制作边坡模型时向其中置入冰柱、冰板，模拟天然形成有管道或裂缝的边坡，能较好地模拟和观察冻融变化对含天然管道、裂缝边坡的影响。
进一步的是，模型箱体内布置有用于承载制冷装置、加热装置和补水装置的功能部件的框架，制冷装置包括与自增压液氮罐连接的蛇形冷凝管，蛇形冷凝管为制冷装置的功能部件并位于模型箱体的内部，其余的制冷装置组件位于模型箱体的外部，翅片式电加热管为加热装置的功能部件并位于模型箱体的内部，其余的加热装置组件位于模型箱体的外部，布水管和喷头为补水装置的功能部件并位于模型箱体的内部，其余的补水装置组件位于模型箱体的外部，补水装置包括水池，排水装置为排水管，坡台的低端设有集水槽，集水槽通过排水管与水池连通，以节约试验所用水量。功能部件内置而其余辅助部件外置目的是节约试验所需的能量，达到快速进行冻融循环的目的，框架用于承载和安装这些功能部件并增大模型箱箱体的强度，有利于解决冻融模拟循环时间过长的问题。
进一步的是，蛇形冷凝管、导线、布水管、排水管与所述模型箱体的连接处均套设有密封套，以减少模型箱内外的热量交换，节约试验所需时间和能量，有利于解决冻融模拟循环时间过长的问题。
进一步的是，蛇形冷凝管按中心对称布置在其布置平面内，且蛇形冷凝管的进、出方向管子交替盘绕，翅片式电加热管按轴对称布置在其布置平面内，以提高制冷、加热过程箱内温度控制的均匀性，有利于解决现有冻融循环模拟试验箱的箱体内部温度不均的问题。
进一步的是，冰冻试验时，当任意一个温度传感器测量温度测量的实时温度高于冻结温度的值达到允许值，则重新启动制冷装置直至所有温度传感器测量温度都达到冻结温度，关闭制冷装置；融化试验时，当任意一个温度传感器测量温度测量的实时温度低于融化温度的值达到允许值，则重新启动加热装置直至所有温度传感器测量温度都达到融化温度，关闭加热装置，从而在试验过程中可利用控制终端实现自动制冷或加热控制。
本发明的有益效果是：通过预制具有近似形状的冰块来模拟边坡中本来具有的天然管道或裂缝的形态，冰柱用于模拟边坡中的天然管道，冰板用于模拟边坡中的裂缝，在完成第一次冻融循环试验后，边坡试样则模拟出具有天然管道或裂缝的边坡，向边坡试样中补水，补充水分的蒸发散失，再交替进行冻结或融化的过程，直至试验完成，从而以简单、经济、可重复的方式实现了含有天然管道、裂缝边坡的冻融循环试验；装置中应用的模型箱操作方便，用液氮汽化吸热完成冰冻实验，实现试样的快速冻结；液氮价格便宜、容易获取、冻结快速，试验过程中不会产生有害气体，非常适用于冻融循环的快速简易模拟。
附图说明
图1是本发明中应用的冻融循环试验用模型箱的结构示意图。
图2是图1中加热装置的翅片式电加热管的结构示意图。
图3是图1中制冷装置的蛇形冷凝管的结构示意图。
图4是图3中蛇形冷凝管进液方向、出液方向盘管示意图。
图中标记为：1-模型箱体，2-坡台，3-泄压阀，4-压力表，5-风扇，6-立柱，7-自增压液氮罐，8-第一截止阀，9-液氮控制阀，10-蛇形冷凝管，11-缓冲瓶，12-真空计，13-真空泵，14-电源，15-翅片式电加热管，16-开关，17-控制终端，18-温度控制器，19-温度传感器，20-水泵，21-水池，22-第一止回阀，23-补水电磁阀，24-闸阀，25-布水管，26-喷头，27-边坡试样，28-冰柱，29-冰板，30-集水槽，31-排水管，32-排水控制阀，33-导线，34-第二截止阀，35-第二止回阀，62-中间层圈梁，63-底层圈梁，64-顶层主梁，65-中间层主梁，66-底层主梁，100-观察面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例：
如图1、图2、图3和图4所示，本发明所使用的冻融循环的试验装置包括模型箱体1和控制终端17，模型箱为有机玻璃箱体，具有箱内腔；模型箱设有前部箱门，该箱门上设有安全泄压阀、压力表和密封盖；箱内腔中设置有边坡模型和温度传感器19，边坡模型包括坡台2，坡台2为浇筑成型的混凝土，坡台2的低端设有集水槽30，用于模拟基岩；坡台2用于放置边坡模型27，实验时，在边坡模型27和坡台2上均布置有与控制终端17信号连接的若干个温度传感器19，用于探测和采集试样的温度数据，将测得的温度数据通过无线方式传递给控制终端17并保存，实时显示各监测点的温度变化。模型箱体1内设置有框架，以提高强度，同时用于承载制冷装置、加热装置和补水装置的功能部件，框架包括与立柱6固定连接的用于支撑模型箱四周侧壁的圈梁，圈梁共十二根，分三层，每层各有四根，其中两根垂直于所述模型箱前后侧面，两根平行于所述模型箱前后侧面；圈梁上连接主梁，主梁分别为顶层主梁64、中间层主梁65和底层主梁66，主梁连接在圈梁的中部，并与圈梁垂直或平行，顶层主梁64、底层主梁66各有一根，中间层主梁65有相互垂直的两根，在顶层主梁64上安装有风扇5。
如图1、图3和图4所示，模型箱配置的制冷装置包括相互连接的自增压液氮罐7、蛇形冷凝管10、缓冲瓶11和真空泵13，自增压液氮罐7依次通过第一止回阀22、第一截止阀8、液氮控制阀9与蛇形冷凝管10连接，蛇形冷凝管10为制冷装置的功能部件，安装在中间层主梁65上，位于风扇的下部，蛇形冷凝管10按中心对称布置在其布置平面内，液氮进、出方向盘管交替盘绕，有利于提高温度控制的均匀性，蛇形冷凝管10的出口端接入缓冲瓶11，缓冲瓶11通过第二截止阀34、真空计12与真空泵13连接，液氮控制阀9与控制终端17信号连接，串联部件所用液氮通道采用耐低温的薄壁铜管。
如图1、图2所示，模型箱配置的加热装置包括串联的电源14、开关16、翅片式电加热管15和温度控制器18，温度控制器18与控制终端17信号连接，翅片式电加热管15为加热装置的功能部件，安装在底层主梁66的上表面，位于蛇形冷凝管10的下方，翅片式电加热管15按轴对称布置在其布置平面内，有利于模型箱内温度均匀变化。
通过控制液氮输入和电阻丝加热，控制模型箱内温度变化。
模型箱配置的补水装置包括相互连接的水池21、水泵20、补水控制阀23、布水管25和喷头26，排水管31上设有排水控制阀32，水泵20与控制终端17信号连接，方便自动控制补水量。布水管25和喷头26为补水装置的功能部件，安装在底层主梁66的下表面，喷头26有两个以上，各个喷头26与边坡试样27的距离保持一致，可迅速均匀补水，集水槽30通过排水管31与水池21连通，用于汇集试样在熔融过程中融化的冰水至水池21中。
模型箱体1的各个侧面均设置有保温层，模型箱前侧面作为观察面100，其保温装置采用透明的双层塑料薄膜，方便前部箱门打开，其余表面的保温装置采用聚氨酯保温板，蛇形冷凝管10、与翅片式电加热管15配套的导线33、布水管25、排水管31与所述模型箱体1的连接处均不在该观察面100，且各连接处均套设有密封套，以减少能量散失。
上述模型箱利用液氮汽化吸热完成冰冻实验，实现试样的快速冻结；液氮价格便宜、容易获取、冻结快速，试验过程中不会产生有害气体，非常适用于冻融循环的快速简易模拟；结构简单、容易制作、操作方便，可用于完成本发明的试验方法。
一种模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法，包括以下步骤：
（a）确定冻结温度、融化温度、冻结时长和融化时长，本实施例以冻结温度-40℃、融化温度40℃、冻结时长2小时、融化时长2小时为例；
（b）为保证坡体内只发育有指定的贯通管道或裂缝，在加工模型试样前，需按照实验要求，在冰箱中预制特定尺寸的冰柱或冰板，冰柱或冰板的制作采用模筑的方法，即通过向加工好的模具内灌入水，在冰箱中冻结8小时，冻结完成后脱模，制得具有特定形状和尺寸的冰柱或冰板；
（c）打开模型箱箱门，控制模型箱内温度处于零度，防止冰柱或冰板升温融化；温度稳定后，开始在模型试验台上制作边坡试样，为保证试样均匀，采用分层填筑方法，封层厚度为5cm，分层填筑完后需将上顶表面刮毛，形成粗糙面，随后继续填筑，直至到达预设的高度；
（d）在填筑边坡模型试样过程中，结合现场调查边坡管道或裂隙等软弱结构面发育特征，从而确定边坡模型内的软弱结构面布设部位；待试样填筑到指定部位后，将预制的冰柱或冰板固定于试样表面，固定后继续填筑，直至达到预设的高度，冰柱或冰板铺设时，可以按照试验要求，调整其倾斜角度；
（e）待填筑到预设高度后，采用切削法将多余坡体切除，形成特定表面的倾斜斜坡形态，随后关闭模型箱箱门，将模型箱箱门上的密封盖旋紧，打开排水阀门；
（f）关闭液氮截止阀，启动真空泵，除去制冷装置中的不凝性气体和水蒸气，等到制冷装置真空度达到要求后，关闭真空泵，接通风扇电源；
（g）打开液氮截止阀，进行冰冻试验；液氮从自增压液氮罐流出，通过两根对称并对接的蛇形冷凝管10穿过模型箱，与箱内气体进行热交换，降低模型箱内温度，根据温度传感器19测得的试样温度数据，手动调节进液阀控制液氮流量大小；待所有温度传感器测量温度都在-40℃以下，视为试样完全冻结，进液阀自动关闭，进液阀第一次自动关闭时间为试样冻结的起始时间，直到任意一个测得的温度值上升到-5℃以上，进液阀再自动开启，从而保持试样的冻结状态，其中进液阀的自动开启关闭由控制终端发出信号给配套的电磁阀实现，由于管缝中的水体冻结膨胀，将对边坡试样产生冻胀作用，采用高速摄像机，观测试样的变形破裂特征；
（h）试样冻结两小时后，关闭液氮截止阀，待铜管内部液氮完全汽化后，接通翅片式电加热管15的电源，进行融化试验，加热组件的加热温度通过温度控制器18进行控制；待所有温度传感器测得的温度值第一次都在40℃以上，记为试样融化的起始时间，融化过程中，冻结试样中的冰柱、冰板融化，成为液态水存在于原试样空间，其中少量水分因蒸发散失，冻胀产生的冻胀力消失，边坡试样应力发生改变，蒸发的水蒸气在降温后重新冷凝，富集在边坡底部，经排水管31排出到模型箱外的水池21中；
（i）试样熔融两小时后，向边坡试样中补水，打开补水装置中配备的闸阀24、补水电磁阀23和第二止回阀35，启动补水装置的水泵20，对试样进行补水处理，将边坡试样的管道/裂缝中重新充满水后，关闭补水装置阀门，重新启动冻结过程，此时试样重新冻结，在温度降低过程中，水转变为冰，重新在试样内产生冻胀力。
（j）重复上述f至i步骤的操作，改变坡体试样的应力条件，从而产生破裂。
试样反复进入冰冻-融化状态，如此往复循环，边坡内应力条件反复变化，应力集中-应力释放反复交替，试样容易产生疲劳现象，从而产生变形破裂特征，最终失稳破坏；试验过程中，采用高速摄像机连续捕获试样变形破裂演化特征，最终揭示寒区含贯通管缝边坡遭受周期性冻融作用下变形破裂-失稳演化机制，为寒区边坡灾害防灾减灾致灾提供理论依据。
本发明通过在边坡试样加工过程中置入模拟管道或裂缝的冰块，试样成型后通过升高温度，使冰柱或冰板融化，便在坡体内形成了贯通的管道或裂缝等软弱结构面，完成了对这类边坡的模拟，再对含软弱结构面边坡进行快速降温冻结，升温融化的操作，可以模拟寒区天然边坡遭受周期性冻融作用，再现寒区天然边坡变形破坏的过程，为揭示寒区含贯通管缝边坡遭受周期性冻融作用下变形破裂-失稳演化机制提供依据；本发明利用液氮汽化吸热完成冰冻实验，实现试样的快速冻结；液氮价格便宜、容易获取、冻结快速，试验过程中不会产生有害气体，非常适用于冻融循环的快速简易模拟。
Claims (5)
1.模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法，采用冻融循环试验用模型箱，模型箱包括模型箱体和控制终端，于模型箱体内设置有边坡模型和温度传感器，模型箱体配置有制冷装置、加热装置和补水装置、排水装置，边坡模型包括混凝土浇筑成型的坡台，其特征是：模型箱体内顶部设置风扇，温度传感器在坡台和边坡试样中均有布置，包括以下步骤：
（a）确定冻结温度、融化温度、冻结时长和融化时长；
（b）控制模型箱体内温度处于零度，打开模型箱体，于坡台上置入边坡试样，边坡试样中置入预制的冰柱和/或冰板，冰柱用于模拟边坡中的天然管道，冰板用于模拟边坡中的裂缝，关闭模型箱体，保持排水装置畅通；
（c）启动制冷装置和风扇，进行冰冻试验：根据温度传感器测得的试样温度数据，待所有温度传感器测量温度都在冻结温度以下，关闭制冷装置，记录为试样冻结的起始时间，直至达到冻结时长，且在冰冻试验期间内根据温度控制要求启闭制冷装置；
（d）关闭制冷装置，启动加热装置，进行融化试验：根据温度传感器测得的试样温度数据，待所有温度传感器测得的温度值都在融化温度以上，关闭加热装置，记录为试样融化的起始时间，直至达到融化时长，且在融化试验期间内根据温度控制要求启闭加热装置；
（e）关闭风扇，启动补水装置，达到设定补水要求后关闭补水装置；
（f）重复上述步骤c～e直至试验结束。
2.如权利要求1所述的模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法，其特征是：模型箱体内布置有用于承载制冷装置、加热装置和补水装置的功能部件的框架，制冷装置包括与自增压液氮罐连接的蛇形冷凝管，蛇形冷凝管为制冷装置的功能部件并位于模型箱体的内部，其余的制冷装置组件位于模型箱体的外部，翅片式电加热管为加热装置的功能部件并位于模型箱体的内部，其余的加热装置组件位于模型箱体的外部，布水管和喷头为补水装置的功能部件并位于模型箱体的内部，其余的补水装置组件位于模型箱体的外部，补水装置包括水池，排水装置为排水管，坡台的低端设有集水槽，集水槽通过排水管与水池连通。
3.如权利要求2所述的模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法，其特征是：蛇形冷凝管、导线、布水管、排水管与所述模型箱体的连接处均套设有密封套。
4.如权利要求2所述的模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法，其特征是：所述蛇形冷凝管按中心对称布置在其布置平面内，且蛇形冷凝管的进、出方向管子交替盘绕，翅片式电加热管按轴对称布置在其布置平面内。
5.如权利要求1～4中任意一项权利要求所述的模拟含管缝边坡冻融循环的试验测试方法，其特征是：冰冻试验时，当任意一个温度传感器测量温度测量的实时温度高于冻结温度的值达到允许值，则重新启动制冷装置直至所有温度传感器测量温度都达到冻结温度，关闭制冷装置；融化试验时，当任意一个温度传感器测量温度测量的实时温度低于融化温度的值达到允许值，则重新启动加热装置直至所有温度传感器测量温度都达到融化温度，关闭加热装置。
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