CN116413415A - 可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
可变高度的高‑低温盐渍土路基环境模拟系统及模拟方法，由实验样品、传感器系统、注水系统、温度模拟系统、荷载模拟系统以及计算机控制系统组成。计算机控制系统根据设定的试验目标参数实现对环境模拟系统的加热、制冷过程，通过控制面板实现温度的作用时长、高‑低温循环次数。注水系统控制试验过程的注水量、注水速率。传感器系统实现对试验样品温湿度以及电导率的实时监测，并传输至数据采集终端。本发明专利可以实现盐渍土样在水‑热‑盐‑力四场耦合共同作用下的水盐迁移规律，模拟系统能够模拟高温强蒸发条件以及季冻区冻融循环条件下盐渍土的实际水、温、荷环境，可实现全流程自动化控制与数据采集，操作方便、可控性好。
Description
技术领域
本发明属于盐渍土基础水理性能测定技术领域，通过加工组装以及程序开发，实现盐渍土在高-低温环境场下的水盐迁移特性以及相关监测参数的获取。
背景技术
西北地区交通网络不断加密，高等级公路以及铁路的覆盖面进一步扩大。因此公路与铁路工程建设中将会不可避免的穿过盐渍土地区，遭遇内陆盐渍土特殊地基的问题。在甘肃省河西地区，地下水矿化度较高，主要以氯盐和硫酸盐为主。土层主要由粉土和粉质黏土构成，毛细水上升高度较高。与此同时，该地区气候条件特殊，年平均降雨量少，蒸发作用强烈，昼夜温差较大，在水和温度的共同作用下，毛细水上升高度不断提高，盐分向上迁移积聚，导致土基以及路面基层与土基交界处的水盐环境发生改变，产生不同程度的盐蚀损害，极大地降低了道路工程的使用寿命。
通过室内模拟实验、原位测定试验，结合理论分析，开展西北河西走廊地区硫酸盐渍土的路用工程性能分析，来探究恶劣环境下（冻融循环）硫酸盐渍土路基的水盐迁移规律与微观损害、宏观持水行为影响机制等，并进一步探索盐渍土的改良工艺与措施。借助该实验装置，可以开展低温和高温条件下盐渍土+各类换填功能层的水盐迁移实验。本发明可以填补我国西北地区大温差恶劣环境下，盐渍土路基的水、热、盐、力特性，为盐渍土的工程应用处置奠定基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易行、可控性高、试验结果精度较高的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统及模拟方法。
本发明是可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统及模拟方法，可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，有一个长方体机玻璃槽10，一个加载斗1，一个计算机控制装置21，长方体有机玻璃槽10内部布置有机玻璃试样筒11，设置在下部制冷端19上方的进水管18穿过有长方体有机玻璃槽10和有机玻璃试样筒11直达埋设在有机玻璃试样筒11底部的透水石17中；设置在长方体有机玻璃槽10外侧左下方的高温管路控制阀14及其附属管线也采用穿插形式与长方体有机玻璃槽10连接实验土样25填充在有机玻璃试样筒11内，位于透水石17上部；电导率土壤温度水分测试仪7直接设置在实验土样25上面，其上部铺设橡胶活塞6，压电式应力传感器5布设在橡胶活塞6之上；固定螺杆锁紧螺栓2、缓冲垫片3利用锁紧工具将位于整个装置顶部的顶盖4和位于装置底部的装置底座20锁紧，完成整个装置核心部分的闭合；位于整个核心装置外侧左下部的高温加热装置由轴流式鼓风机12、空气管道加热器13和高温管路控制阀14通过输送管线依次连接并接入有机玻璃槽10和试样筒11外壁之间；上部制冷端8紧挨着电导率土壤温度水分测试仪7埋设在实验土样25中、下部制冷端19位于透水石17上方的实验土样25中。
采用以上所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟方法，其步骤为：
步骤（1）试验参数设置：通过计算机控制装置21中的控制编码器22对冻融循环装置的高-低温温度条件、冻融循环次数、循环间隔时间、注水量进行设定；
步骤（2）准备实验用土样25，对原装盐渍土进行脱盐，烘干、过2mm筛，分层填筑所需盐渍土土样；同时开启鼓风机12以及空气管道加热器13对实验装置进行预热；
步骤（3）将土样制作成与有机玻璃试样筒11内径相同的圆柱体土样25装入，将上部制冷端8置入，再将PR-3001-TRREC-N01型电导率土壤温度水分测试仪7、橡胶活塞（6）以及MYD-8432压电式应力传感器（5）依次布设，然后按照实际工况，通过加载斗来设定荷载条件；最后将固定螺杆锁紧螺栓（2）、缓冲垫片（3）利用锁紧工具锁紧，完成整个装置核心部分的闭合；
步骤（4）开启注水装置，当计算机控制装置（21）设定好注水参数后，蠕动泵（16）自动打开，开始向土样注水，并通过流量监测表（15）控制进水量和进水速率，当达到试验要求的水量值后关闭蠕动泵（16），终止注水程序；
步骤（5）启动计算机控制装置（21）的供电装置（24），根据工程实况通过加载斗施加荷载，开始进行试样的冻融循环模拟试验，待循环次数完成后，计算机控制装置（21）自动停止，实验数据通过网络传感器实时传输至分析终端进行分析。
本发明的有益之处是不仅可以实现高-低温环境的模拟，还能通过计算机装置精确控制高温、低温以及高-低温循环作用的环境设置，包括作用时长、作用次数。同时本发明还可以从工程实际出发设定具体的荷载参数，更科学的模拟实际环境下的水-热-盐-力四场环境，极大得优化了四场耦合实验流程。除此之外，该装置中的有机玻璃试样筒可以根据实际情况，利用可拆分的试样筒，通过上、下部分组和来实现试样筒高度可变。
附图说明
图1为本发明的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟装置结构的示意图，图2为本发明的循环模拟装置控制面板示意图，图3为本发明的储水箱示意图，图4为本发明的环境模拟装置结构俯视示意图，图5为本发明的计算机控制系统电路设计图。附图标记及对应名称为：1-加载斗、2-固定螺杆锁紧螺栓、3-缓冲垫片、4-顶盖、5-压电式应力传感器、6-橡胶活塞、7-电导率土壤温度水分测试仪、8-上部制冷片、9-固定螺杆、10-长方体有机玻璃槽、11-有机玻璃试样筒、12-轴流式鼓风机、13-空气管道加热器、14-高温管路控制阀、15-流速监测表、16-蠕动泵、17-透水石、18-注水管、19-下部制冷片、20-装置底座、21-计算机控制装置、22-控制编码器、23-保护装置、24-供电装置、25-实验土样、26-进水阀、27-储水箱。
实施方式
如图1~图5所示，本发明是可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，有一个长方体有机玻璃槽10，一个加载斗1，一个计算机控制装置21，长方体有机玻璃槽10内部布置有机玻璃试样筒11，设置在下部制冷端19上方的进水管18穿过有长方体有机玻璃槽10和有机玻璃试样筒11直达埋设在有机玻璃试样筒11底部的透水石17中；设置在长方体有机玻璃槽10外侧左下方的高温管路控制阀14及其附属管线也采用穿插形式与长方体有机玻璃槽10连接实验土样25填充在有机玻璃试样筒11内，位于透水石17上部；电导率土壤温度水分测试仪7直接设置在实验土样25上面，其上部铺设橡胶活塞6，压电式应力传感器5布设在橡胶活塞6之上；固定螺杆锁紧螺栓2、缓冲垫片3利用锁紧工具将位于整个装置顶部的顶盖4和位于装置底部的装置底座20锁紧，完成整个装置核心部分的闭合；位于整个核心装置外侧左下部的高温加热部分由轴流式鼓风机12、空气管道加热器13和高温管路控制阀14通过输送管线依次连接并接入有机玻璃槽10和试样筒11外壁之间；上部制冷端8位于实验土样25顶端，电导率土壤温度水分测试仪7埋设在实验土样25内、下部制冷端19位于透水石17上方的实验土样25中。
如图1、图3所示，位于整个装置右下侧的注水装置中，进水管18设置在装置底座20的上方并与透水石17相联通，进水管18右侧末端安装有流速监测表15和蠕动泵16，储水箱27独立设置在整个装置外部，与进水管18相接。
如图1所示，电导率土壤温度水分测试仪7的型号是PR-3001-TRREC-N01。
如图1、图4所示，轴流式鼓风机12的型号为T35-11-4。
如图1、图4所示，空气管道加热器13的型号为XBSGD-5。
如图1所示，压电式应力传感器5的型号为MYD-8432。
如图1所示，荷载模拟装置设置在整个装置顶部，其中位于装置最上部的加载斗1纵向穿过顶盖4的中央位置，压电式应力网络传感器5布设在加载斗1下部。
如图2所示，计算机控制装置21，模拟系统供电装置24设置在控制面板右端。过载保护装置23与控制编码器22均位于计算机控制装置21的左侧面板。
采用以上所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统的高-低温盐渍土路基环境模拟方法，其步骤为：
步骤（1）试验参数设置：通过计算机控制装置21中的控制编码器22对冻融循环装置的高-低温作用时长、冻融循环次数、循环间隔时间进行设定；
步骤（2）准备实验用土样25，对原装盐渍土进行脱盐，烘干、过2mm筛，分层填筑所需盐渍土土样；同时开启鼓风机12以及空气管道加热器13对实验装置进行预热；
步骤（3）将土样制作成与有机玻璃试样筒11内径相同的圆柱体土样25装入，将上部制冷端8置入，再将PR-3001-TRREC-N01型电导率土壤温度水分测试仪7、橡胶活塞（6）以及MYD-8432压电式应力传感器（5）依次布设，最后将固定螺杆锁紧螺栓（2）、缓冲垫片（3）利用锁紧工具锁紧，完成整个装置核心部分的闭合；
步骤（4）开启注水装置，蠕动泵（16）自动打开，开始向土样注水，并通过流量监测表（15）控制进水量和进水速率，当达到试验要求的水量值后关闭蠕动泵（16），终止注水程序；
步骤（5）启动计算机控制装置（21）的供电装置（24），根据工程实况通过加载斗施加荷载，开始进行试样的冻融循环模拟试验，待循环次数完成后，计算机控制装置（21）自动停止，实验数据通过网络传感器实时传输至分析终端进行分析。
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步详细说明。可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统由实验样品、传感器、注水装置、温度模拟装置、荷载模拟装置以及计算机控制装置组成。计算机控制装置根据设定的目标参数自动控制高-低温度模拟系统，控制空气加热管路、制冷片电源、蠕动泵电源的开关，注水装置控制试验过程中的进水量。
实验平台由顶盖4、固定螺杆9、长方体有机玻璃槽10、有机玻璃试样筒11、加载斗1、底座20组成。其中进水管18设置在下部制冷端19上方，进水管道埋设在透水石17中。高温管路控制阀14穿过有长方体有机玻璃槽10，从而可将加热后的干燥空气吹入有机玻璃槽10和试样筒11外壁之间。将实验土样25装入有机玻璃试样筒11内，将上部制冷端8置入，再将PR-3001-TRREC-N01型电导率土壤温度水分测试仪7、橡胶活塞6以及MYD-8432压电式应力传感器5依次布设，然后将固定螺杆锁紧螺栓2、缓冲垫片3利用锁紧工具锁紧，完成整个装置核心部分的闭合。
可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统的中高温加热部分由T35-11-4型轴流式鼓风机12、XBSGD-5型空气管道加热器13、高温管路控制电磁阀14组成，低温制冷部分由上部制冷端8、下部制冷端19构成。该温度模拟装置通过计算机控制装置21进行控制，通过计算机控制装置对环境模拟系统的加热和制冷温度、变温速率、持续时间以及循环时程进行设定，设定完成后由计算机装置自动执行该实验步骤，同时通过温度测试仪7实时监控实验进程，确保实验的顺利进行。
注水装置由注水管18、流速监测表15、蠕动泵16和储水箱27组成，当计算机控制装置21设定注水参数后自动执行注水程序，由位于进水管18右侧的流速监测表15和蠕动泵16负责注水过程中的监测和控制。当系统开始注水，通过蠕动泵16对出水量和出水速率进行调节，当进水量达到试验要求时，停止加水。
荷载模拟装置由加载斗1和压电式应力网络传感器5组成，加载斗1下部直接布设压力传感5，欲施加荷载时向加载斗中加装设定质量的重物来模拟真实荷载作用，可以实时获得模拟荷载与盐渍土变形之间的应力-应变关系曲线。该部分可以按照实际情况施加具体荷载，模拟真实环境下的力学特征。
计算机控制装置21由供电装置24、保护装置23和控制编码器22三大部分组成，供电装置控制高温管路电磁阀14、注水装置中的蠕动泵16、制冷片8、制冷片19以及空气管道加热器13电源的开闭，保护装置17可以实现对整个试验系统电路的过载保护，控制编码器可以实现对试验的循环次数、循环时间的设定和修改。
所述的长方体玻璃槽10以及试样筒11采用有机玻璃制成且壁厚为5mm，透水石17厚度为10mm。所述的高-低温模拟系统可以实现模拟环境温度-20℃~60℃，可实现循环作用次数0～999次，可实现单次循环作用最大时长为999小时。
可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统的模拟方法的步骤为：
试验参数设置：通过计算机控制装置21中的控制编码器22对冻融循环装置的高-低温装置工作时长、冻融循环次数、循环间隔时间等进行设定。
准备实验用土样25，对原装盐渍土进行脱盐，烘干、过2mm筛，在试样筒11内分层填筑所需盐渍土土样。
将透水石17置于试样筒11底部，上部放置制冷片19，然后将制备完成的土样试样筒11装入长方形有机玻璃槽10中。将上部制冷端8放入，再将PR-3001-TRREC-N01型电导率土壤温度水分测试仪7、橡胶活塞6以及MYD-8432压电式应力传感器5依次布设，然后通过加载斗设定荷载条件。最后将固定螺杆锁紧螺栓2、缓冲垫片3利用锁紧工具锁紧，完成整个装置核心部分的闭合。
启动计算机控制装置21中的蠕动泵电源，蠕动泵启动，注水装置开始向土样注水，并通过流量监测表15控制进水量和进水速率，当达到试验要求的水量值后关闭蠕动泵16，终止注水程序。
启动计算机控制装置21的供电装置24，由T35-11-4型轴流式鼓风机12、XBSGD-5型空气管道加热器13、加热管控制阀14组成的高温加热部分和由上部制冷端8和下部制冷端19构成的低温制冷部分在计算机控制装置21的参数控制下开始工作，同时通过温度测试仪7实时监控实验进程，开始进行试样的高-低温模拟试验，并根据工程实况通过荷载模拟装置施加荷载，待循环次数完成后，计算机控制装置21自动停止，实验数据通过网络传感器实时传输至分析终端。试验数据采集结束后，拆开实验装置的顶盖，取出试样并进行下一步的测试工作。
Claims (9)
1.可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，有一个长方体有机玻璃槽（10），一个加载斗（1），一个计算机控制装置（21），其特征在于长方体有机玻璃槽（10）内部布置有机玻璃试样筒（11），设置在下部制冷端（19）上方的进水管（18）穿过有长方体机玻璃槽（10）和有机玻璃试样筒（11）直达埋设在有机玻璃试样筒（11）底部的透水石（17）中；设置在长方体机玻璃槽（10）外侧左下方的高温管路控制阀（14）及其附属管线也采用穿插形式与长方体有机玻璃槽（10）连接实验土样（25）填充在有机玻璃试样筒（11）内，位于透水石（17）上部；电导率土壤温度水分测试仪（7）直接设置在实验土样（25）上面，其上部铺设橡胶活塞（6），压电式应力传感器（5）布设在橡胶活塞（6）之上；固定螺杆锁紧螺栓（2）、缓冲垫片（3）利用锁紧工具将位于整个装置顶部的顶盖（4）和位于装置底部的装置底座（20）锁紧，完成整个装置核心部分的闭合；位于整个核心装置外侧左下部的高温加热部分由轴流式鼓风机（12）、空气管道加热器（13）和高温管路控制阀（14）通过输送管线依次连接并接入有机玻璃槽（10）和试样筒（11）外壁之间；上部制冷端（8）紧挨着电导率土壤温度水分测试仪（7）埋设在实验土样（25）中、下部制冷端（19）位于透水石（17）上方的实验土样（25）中。
2.根据权利要求1所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，其特征在于位于整个装置右下侧的注水装置中，进水管（18）设置在装置底座（20）的上方并与透水石（17）相联通，进水管（18）右侧末端安装有流速监测表（15）和蠕动泵（16），储水箱（27）独立设置在整个装置外部，与进水管（18）相接。
3.根据权利要求1所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，其特征在于电导率土壤温度水分测试仪（7）的型号是PR-3001-TRREC-N01。
4.根据权利要求1所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，其特征在于轴流式鼓风机（12）的型号为T35-11-4。
5.根据权利要求1所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，其特征在于空气管道加热器（13）的型号为XBSGD-5。
6.根据权利要求1所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，其特征在于压电式应力传感器（5）的型号为MYD-8432。
7.根据权利要求1所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，其特征在于荷载模拟装置设置在整个装置顶部，其中位于装置最上部的加载斗（1）纵向穿过顶盖（4）的中央位置，压电式应力网络传感器（5）直接布设在加载斗（1）的下部。
8.根据权利要求1所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统，其特征在于设置在装置外部的计算机控制装置（21）中：供电装置（24）设置在右端，保护装置（23）则直接与其内部接通，控制编码器（22）和保护装置（23）均位于计算机控制装置（21）的左侧面板。
9.采用权利要求1所述的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统的可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟方法，其特征在于，其步骤为：
步骤（1）试验参数设置：通过计算机控制装置（21）中的控制编码器（22）对冻融循环装置的高-低温温度条件、冻融循环次数、循环间隔时间、注水量进行设定；
步骤（2）准备实验用土样（25），对原装盐渍土进行脱盐，烘干、过2mm筛，分层填筑所需盐渍土土样；同时开启鼓风机（12）以及空气管道加热器（13）对实验装置进行预热；
步骤（3）将圆柱体土样（25）放入有机玻璃试样筒（11）中，依次将下部制冷片（19）、透水石（17），有机玻璃试样筒（11）装入长方体有机玻璃槽（10）内，土样试样筒上部制冷端（8）置入；再将PR-3001-TRREC-N01型电导率土壤温度水分测试仪（7）、橡胶活塞（6）以及MYD-8432压电式应力传感器（5）依次布设，最后将固定螺杆锁紧螺栓（2）、缓冲垫片（3）利用锁紧工具锁紧，完成整个装置核心部分的闭合；
步骤（4）在计算机控制装置（21）中的供电装置（24）中开启蠕动泵（16），注水装置开始向土样注水，并通过流量监测表（15）控制进水量和进水速率，当达到试验要求的水量值关闭蠕动泵（16），终止注水程序；
步骤（5）启动计算机控制装置（21）的供电装置（24），根据工程实况通过加载斗（1）施加荷载，开始进行试样的冻融循环模拟试验，待循环次数完成后，计算机控制装置（21）自动停止，实验数据通过网络传感器装置实时传输至分析终端进行分析。
Priority Applications (1)
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| CN202310447395.9A CN116413415A (zh) | 2023-04-24 | 2023-04-24 | 可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统及模拟方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310447395.9A CN116413415A (zh) | 2023-04-24 | 2023-04-24 | 可变高度的高-低温盐渍土路基环境模拟系统及模拟方法 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2023
- 2023-04-24 CN CN202310447395.9A patent/CN116413415A/zh active Pending
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