CN210222014U

CN210222014U - 用于研究饱和土体单向冻结的试验装置

Info

Publication number: CN210222014U
Application number: CN201921161837.9U
Authority: CN
Inventors: Yuan Zhou; 周圆; Yanlin Su; 苏彦林; Zurun Yue; 岳祖润; Jiangtao Zhou; 周江涛; Peizhe Chen; 陈佩哲; Chaowei Cheng; 程朝伟; Lubin Li; 李鲁宾; Su Yan; 颜溯; Song Zhang; 张松
Original assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2029-07-23

Abstract

本实用新型公开了一种用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，属于冻土试验技术领域，包括外设保温结构的试验筒，试验筒底部与补水系统连通、顶部与顶盖密封连接；顶盖上设有与抽真空系统相连的抽气孔及与供水系统相连的进水口，试验筒上部侧壁设有高于内部土样上表面的排水管；土样内部设有若干个温度传感器；试验筒底部设有恒温系统、上部设有置于土样上方的测量组件。通过供水系统及抽真空系统向试验筒内的土样注水及抽真空，能够快速实现土样饱和，打开试样筒顶盖，不需取样可直接进行单向冻结实验研究，避免了取样对土体的扰动；采用保温结构对试验筒保温隔热，消除了外界温度对实验结果的影响，减小了实验误差，缩短了实验时间，方便快捷。

Description

用于研究饱和土体单向冻结的试验装置

技术领域

本实用新型属于冻土试验技术领域，尤其涉及一种用于研究饱和土体单向冻结的试验装置。

背景技术

土体在冻结过程中往往会产生冻胀位移，水分迁移的现象，这与冻结深度和冻结锋面的移动速率相关，涉及到水-热-力三场动态耦合过程。随着人工冻结技术的发展，针对富水地区地下工程中采用冻结法施工时，土体发生冻胀位移时可能会导致地下临近管道崩塌，建筑物隆起、开裂等一系列现象，因此关于饱和浸水土层冻结规律的研究尤为重要。

目前，已有的单向冻结装置大部分采用保温棉进行保温隔热，考虑到冻土区属于半无限区域，边界温度对实验结果影响较大。大部分是针对普通含水率土体进行冻结的实验装置，而针对饱和土体单向冻结的试验的研究，往往会出现制样缓慢、取样困难、边界隔热效果差等一系列问题。因此，研发一种在不需要取样的前提下快速制备饱和土样并能应用于单向冻结实验研究的装置是非常必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，旨在解决上述现有技术中针对饱和土体单向冻结的试验存在制样缓慢、取样困难、边界隔热效果差等技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，包括用于容纳土样的试验筒，所述试验筒的外壁设有保温结构，所述试验筒的底部与补水系统连通，所述试验筒的顶部与顶盖密封连接；所述顶盖上设有与抽真空系统相连的抽气孔及与供水系统相连的进水口，所述试验筒的上部侧壁设有高于土样上表面的排水管；所述土样的内部设有若干个温度传感器；所述试验筒的底部设有用于保持土样温度恒定的恒温系统；所述试验筒的上部设有用于测量土样位移的测量组件，所述测量组件设置于土样的上方。

优选的，所述保温结构为真空腔体外壳，所述排水管贯穿真空腔体外壳与试验筒内腔连通，所述排水管上设有阀门。

优选的，所述试验筒的底部设有底座，所述底座与试验筒密封连接；所述底座上设有与补水系统相连的补水通道；所述恒温系统包括冷却液管、恒温循环冷浴机及设置于底座内的冷却液循环槽，所述底座的一侧设有冷却液进口、另一侧设有冷却液出口，所述冷却液进口及冷却液出口均与冷却液循环槽连通、且通过冷却液管与恒温循环冷浴机相连。

优选的，所述补水系统包括马氏瓶和补水管，所述补水管的一端与马氏瓶连通、另一端与试验筒的底部连通，所述补水管上设有阀门。

优选的，所述抽真空系统包括真空泵、抽气管和设置于顶盖上的压力表，所述抽气管的一端与真空泵相连，所述抽气管的另一端与顶盖上的抽气孔相连；所述抽气管上设有阀门。

优选的，所述供水系统包括供水箱和供水管，所述供水管的一端与供水箱相连，所述供水管的另一端与顶盖上的进水口相连，所述供水管上设有阀门。

优选的，所述测量组件包括支架、位移传感器和压板，所述支架设置于试验筒的内腔顶部，所述压板放置于土样上表面，所述位移传感器设置于支架上、且其探头与压板相连。

优选的，若干个温度传感器自上而下间隔设置在土样的内部，相邻两个温度传感器间隔5cm。

优选的，所述温度传感器为无线温度传感器。

优选的，所述土样的底部铺设滤纸；所述土样的顶部依次铺设滤纸和透水石，用于向土样供水至饱和状态。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型通过供水系统及抽真空系统向试验筒内的土样注水及抽真空，能够快速实现土样饱和，打开试样筒顶盖，不需取样可直接进行单向冻结实验研究，避免了取样对土体的扰动，同时采用试验筒外部的保温结构进行保温隔热，一定程度上消除了试样筒外边界温度对实验结果的影响，减小了实验误差，缩短了实验时间，方便快捷。同时利用试验筒底部的恒温系统保持土样温度恒定，借助土样上部的测量组件来测量饱和土体单向冻结情况下的位移。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例提供的一种用于研究饱和土体单向冻结的试验装置的结构示意图；

图2是本实用新型的试样筒中饱和土样制备时纵断面结构示意图；

图3是本实用新型的试样筒中进行单向冻结时纵断面结构示意图；

图中：1-冷却液进口、2-底座、3-补水通道、4-补水管、5-阀门、6-马氏瓶、7-冷却液出口、8-真空腔体外壳、9-压板、10-排水管、11-支架、12-位移传感器、13-供水箱、14-供水管、15-顶盖、16-压力表、17-连接件、18-抽气管、19-安装孔、20-法兰、21-试样筒、22-温度传感器、23-真空泵、24-透水石、25-滤纸、26-土样。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、2所示的一种用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，包括用于容纳土样26的试验筒21，所述试验筒21的外壁设有保温结构，所述试验筒21的底部与补水系统连通，所述试验筒21的顶部与顶盖15密封连接；所述顶盖15上设有与抽真空系统相连的抽气孔及与供水系统相连的进水口，所述试验筒21的上部侧壁设有高于土样26上表面的排水管10；所述土样26的内部设有若干个温度传感器22；所述试验筒21的底部设有用于保持土样温度恒定的恒温系统；所述试验筒21的上部设有用于测量土样位移的测量组件，所述测量组件设置于土样26的上方。其中，所述保温结构为真空腔体外壳8，所述排水管10贯穿真空腔体外壳8与试验筒21内腔连通，所述排水管10上设有阀门5。

在本实用新型的一个具体实施例中，试验筒21的外直径为40cm，内直径为30cm，高度为50cm，真空腔体外壳8的厚度为10cm，由亚克力材料制成；所述真空腔体外壳8距顶部10cm位置处设有排水管10，排水管为直径1cm的圆管结构，通过排水管将饱和土样上方的水排放到外界；所述试样筒21外壁顶部设有加固法兰20，在法兰20周向加工若干个安装孔19，在顶盖与试验筒间的配合面上加装密封垫，借助卡扣及螺栓副实现顶盖与试验筒的密封连接。

在本实用新型的一个优选实施例中，如图1-3所示，所述试验筒21的底部设有底座2，所述底座2与试验筒21密封连接；所述底座2上设有与补水系统相连的补水通道3；所述恒温系统包括冷却液管、恒温循环冷浴机及设置于底座2内的冷却液循环槽，所述底座2的一侧设有冷却液进口1、另一侧设有冷却液出口7，所述冷却液进口1及冷却液出口7均与冷却液循环槽连通、且通过冷却液管与恒温循环冷浴机相连。恒温循环冷浴机选用美国Thermo公司生产的恒温水浴机（型号为AC200），利用恒温循环冷浴机，使试验筒内土样底部保持恒定正温。其中，底座为不锈钢材质，补水通道设置在中心位置处，底座两侧设有冷却液进口和冷却液出口，底座和真空腔体外壳密封胶接。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图1所示，所述补水系统包括马氏瓶6和补水管4，所述补水管4的一端与马氏瓶6连通、另一端与试验筒21的底部连通，所述补水管4上设有阀门5。由于土样在冻结过程中会产生水分迁移，土样下部水分会迁移上去，所以需要进行补水。通过调节马氏瓶位置，对土样进行补水。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图1所示，所述抽真空系统包括真空泵23、抽气管18和设置于顶盖15上的压力表16，所述抽气管18的一端与真空泵23相连，所述抽气管18的另一端与顶盖15上的抽气孔相连；所述抽气管18上设有阀门5。通过真空泵对试验筒内抽真空，利用压力表监测抽气后试样筒内气压，确保土样充分吸水，达到饱和状态。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图1所示，所述供水系统包括供水箱13和供水管14，所述供水管14的一端与供水箱13相连，所述供水管14的另一端与顶盖15上的进水口相连，所述供水管14上设有阀门5。上述阀门均选用球阀。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图3所示，所述测量组件包括支架11、位移传感器12和压板9，所述支架11设置于试验筒21的内腔顶部，所述压板9放置于土样26上表面，所述位移传感器12设置于支架11上、且其探头与压板9相连。将位移传感器固定在试样筒上方支架上，压板设置于位移传感器的探头顶部；压板为圆形铝板，直径为10cm，调节支架，使圆形铝板平放于饱和土样顶部；所述位移传感器在饱和土样制备完成后进行调节安装。利用位移传感器来测量土样冻结结束后产生的冻胀量，即位移。

在本实用新型的一个具体实施例中，土样为冻胀敏感性土，例如：粉土、粉质黏土，淤泥质粉质黏土，根据实验要求配置的一定含水率土样，土样高度为40cm，顶部和排水管10齐平。如图1、2所示，温度传感器22布置在试样筒内土层中心，若干个温度传感器22自上而下竖向间隔设置在土样26的中部，相邻两个温度传感器22间隔5cm，所述温度传感器22为无线温度传感器。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图1-3所示，所述土样26的底部铺设滤纸25；所述土样26的顶部依次铺设滤纸25和透水石24，用于向土样26供水至饱和状态。所述试样筒21内腔为土样室，自下而上依次布置有滤纸25、土样26、温度传感器22、滤纸25及透水石24，最后与顶盖15密封连接成封闭腔体。借助透水石可确保水分均匀渗入土样内。

利用本实用新型来研究饱和土体单向冻结规律时，按照以下步骤操作：

1、根据试验要求制备一定含水率的试验土体，在试样筒底部铺设一层滤纸25，在滤纸25上方分层击实土样26，达到试验要求的干密度，击实土样时每间隔5cm在土样中心位置处放上一根无线温度传感器22，待土样击实到与排水通道10底部位置齐平时，在土样顶部铺设一层滤纸25，然后在滤纸25上方放置透水石24。通过拧紧螺栓将顶盖15和试样筒21密封连接，将真空泵23通过抽气管18和顶盖15连接，然后将供水箱13通过供水管14和顶盖15相连。

2、打开补水管4上的球阀5，通过调整马氏瓶6内液面对试样筒21进行补水，使试样筒21中补水的液面位置和土样底部齐平。

3、同时关闭补水管4、供水管14、排水管上的球阀5，打开抽气管18上的球阀5，打开真空泵23对试样筒21进行抽气，待压力表16显示的气压值为2.5MPa时，缓慢打开供水管14上的球阀5，此时水会流入试样筒21中，待水位稍微没过透水石24上表面时，关闭供水管14上的球阀5。待水位下降后再打开抽气管18上的球阀5，进行反复操作，直至水位不再下降。关闭抽气管18上的球阀5，保持试样筒21内压力值不变。

4、待试样筒21内土样26放置5h后，打开顶盖15，取出透水石24和滤纸25，打开排水管上的球阀5，将土样上方的水通过真空腔体外壳8顶部的排水管10排出。

5、在试样筒21顶部法兰20上安装上横梁支架11，在支架下方固定位移传感器12，使位移传感器12的探头和土样上方的圆形铝板9接触，调整位移传感器12数值。

6、向底座2内通入冷却液，同时打开补水管4上的球阀5。

7、将试样筒21置于高低温交变试验箱内进行饱和土体单向冻结实验研究。

综上所述，本实用新型具有结构简单、检测准确、操作方便快捷的优点，本实用新型采用真空腔体外壳，有效的隔绝了试样筒壁和外界环境的热交换，很大程度上解决了边界温度对实验结果影响较大的问题，使实验结果更加准确；在试样筒中直接进行饱和土体的制备，不需取样，避免了饱和土体制备完成后取样对土体的扰动，同时采用真空泵对试样筒进行抽气，使饱和土体的制备过程更加方便快捷。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims

1.一种用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：包括用于容纳土样的试验筒，所述试验筒的外壁设有保温结构，所述试验筒的底部与补水系统连通，所述试验筒的顶部与顶盖密封连接；所述顶盖上设有与抽真空系统相连的抽气孔及与供水系统相连的进水口，所述试验筒的上部侧壁设有高于土样上表面的排水管；所述土样的内部设有若干个温度传感器；所述试验筒的底部设有用于保持土样温度恒定的恒温系统；所述试验筒的上部设有用于测量土样位移的测量组件，所述测量组件设置于土样的上方。

2.根据权利要求1所述的用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：所述保温结构为真空腔体外壳，所述排水管贯穿真空腔体外壳与试验筒内腔连通，所述排水管上设有阀门。

3.根据权利要求1所述的用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：所述试验筒的底部设有底座，所述底座与试验筒密封连接；所述底座上设有与补水系统相连的补水通道；所述恒温系统包括冷却液管、恒温循环冷浴机及设置于底座内的冷却液循环槽，所述底座的一侧设有冷却液进口、另一侧设有冷却液出口，所述冷却液进口及冷却液出口均与冷却液循环槽连通、且通过冷却液管与恒温循环冷浴机相连。

4.根据权利要求1所述的用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：所述补水系统包括马氏瓶和补水管，所述补水管的一端与马氏瓶连通、另一端与试验筒的底部连通，所述补水管上设有阀门。

5.根据权利要求1所述的用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：所述抽真空系统包括真空泵、抽气管和设置于顶盖上的压力表，所述抽气管的一端与真空泵相连，所述抽气管的另一端与顶盖上的抽气孔相连；所述抽气管上设有阀门。

6.根据权利要求1所述的用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：所述供水系统包括供水箱和供水管，所述供水管的一端与供水箱相连，所述供水管的另一端与顶盖上的进水口相连，所述供水管上设有阀门。

7.根据权利要求1所述的用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：所述测量组件包括支架、位移传感器和压板，所述支架设置于试验筒的内腔顶部，所述压板放置于土样上表面，所述位移传感器设置于支架上、且其探头与压板相连。

8.根据权利要求1所述的用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：若干个温度传感器自上而下间隔设置在土样的内部，相邻两个温度传感器间隔5cm。

9.根据权利要求1所述的用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：所述温度传感器为无线温度传感器。

10.根据权利要求1-9任一项所述的用于研究饱和土体单向冻结的试验装置，其特征在于：所述土样的底部铺设滤纸；所述土样的顶部依次铺设滤纸和透水石，用于向土样供水至饱和状态。