CN217033720U - 时变覆盖效应冻融循环模拟仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，包括温湿度控制箱组件、土样容器、数据采集组件。温湿度控制箱组件用于模拟自然真实温湿度环境；土样容器放置在控制箱组件中，通过温湿度控制箱组件对时变覆盖效应情况下土样顶部温度、水分蒸发边界进行控制，土样容器内自下向上布置有下温控压头和储水室，下温控压头的顶部与储水室的底部接触，储水室的顶部设有孔板；数据采集组件用于采集土样容器中土样顶部的位移以及土样内部不同深度处的压力、温度和湿度，并进行数据分析处理。本实用新型能模拟自然环境的一年四季不同温湿度情况，能对土样冻胀量和冻胀力、温度和湿度进行测量和分析，可以进行时变覆盖效应的水热力室内模拟实验。

Description

时变覆盖效应冻融循环模拟仪器

技术领域

本实用新型涉及时变覆盖效应冻融循环模拟技术领域，尤其是涉及一种时变覆盖效应冻融循环模拟仪器。

背景技术

我国冻土区域面积广阔，其中大部分为季节性冻土。季节冻土的冻胀和融沉变形会对建于其上的工程设施造成严重危害。随着高速公路、高速铁路的兴建，由于这类设施对路基变形更为敏感，冻融变形的分析与控制成为工程科技人员必须高度重视的问题。针对公路路基，其不透水道面下方的水气迁移将造成水分的积聚，学界称其为“覆盖效应”。而受冻胀困扰较大的铁路路基，在浅层土体冻结之前，一般铁路路基表层的渗透性并非很低，表现出弱覆盖或不覆盖的特性，但当浅层因雨季降水等因素残留水分时，在冬季随冻结发生，路基表层由于含冰量增多，由不覆盖转为弱覆盖，甚至强覆盖，这种顶部透气透水条件随时间变化从而影响路基内水分迁移状况的现象，可视作更为一般性的覆盖效应，可称为“时变覆盖效应”。

对覆盖效应与时变覆盖效应的研究，需要考虑水-气-热-力多场耦合。这一问题的理论模型仍处在研究发展阶段，而实验研究有助于加深对覆盖效应与时变覆盖效应机理的认识，探究其引起冻胀等灾害的规律。国内外自上世纪以来已针对冻土进行了大量的实验，现已有了不少不同规格的冻土实验仪器。但目前仅有少量针对覆盖效应的实验仪器，也就是对实验土柱体的上下边界设定不同的温度，同时下侧补水而上侧不透水，从而实现在温度梯度下的水气向上迁移与积聚。但针对时变覆盖效应的研究还未有专门的仪器面世。需要发展研制顶部水热边界条件与实际相符的实验仪器，才能更好地以室内模型实验反映工程实际问题，对铁路路基时变覆盖的现象进行复现，并探究其机理和规律。

目前已有的相关方案，如北京航空航天大学的冻融循环实验仪器，只能实现模拟覆盖效应的功能。其技术方案为：在有机玻璃桶内装填土样，在土样底部补水或不补水，并控制土样上下边界的温度，在实验过程中利用预先埋设的温度、湿度传感器，记录土体水分、温度随时间的变化过程。用两个恒温冷浴箱连接两个铁制圆形温控压头，来实现对土样上下两侧的温度的控制。实验过程中试样装置直接放于室内环境，还需要在有机玻璃桶外侧做隔热处理。

现有技术的缺点如下：其一、由于土体顶部控温需要与土样完全贴合的温度控制压头，此温控压头也兼做不透水边界，因此当控温进行冻结实验时，顶部只能是不透水的，也就是只能用于模拟覆盖效应，不能用于时变覆盖效应的模拟。其二、现有仪器往往关注实验土样的温度边界与水分边界，但对其力学边界条件考虑不够。当土样顶部无力学约束时冻胀变形能自由发展，而土样顶部有力学约束时将产生冻胀力；现有的仪器不能对冻胀量和冻胀力进行测量和分析。其三、现有仪器对实验的一维性没有很好验证。现有的冻融循环实验仪器往往尺寸较小(直径甚至可能低于10cm)，而温湿度传感器的尺寸往往较大(长度3cm)，有可能影响水分迁移，使实验不满足水分迁移的一维性。当仪器可测量冻胀量时，需注意由于土样冻结区水分冻结，试样容器侧壁将与土体粘连，给土样侧面很大的摩擦力，使实验不满足位移的一维性。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，能模拟自然环境的一年四季不同温湿度情况，能对土样冻胀量和冻胀力、温度和湿度进行测量和分析，可以进行时变覆盖效应的水热力室内模拟实验。

根据本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，包括：

温湿度控制箱组件，所述温湿度控制箱组件用于模拟自然真实温湿度环境；

土样容器，所述土样容器放置在所述控制箱组件中，通过所述温湿度控制箱组件对时变覆盖效应情况下土样顶部温度、水分蒸发边界进行控制，所述土样容器内自下向上布置有下温控压头和储水室，所述下温控压头的顶部与所述储水室的底部接触，所述储水室的顶部设有孔板；

数据采集组件，所述数据采集组件用于采集所述土样容器中土样冻融变形时土样顶部的位移以及土样内部不同深度处的压力、温度和湿度，并进行数据分析处理。

根据本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，通过温湿度控制箱组件来实现模拟自然环境的一年四季不同温湿度情况；当需要进行时变覆盖效应实验时，使得土样容器中的土样顶部暴露于温湿度控制箱组件内的空气中，从而对土样顶部无覆盖的情况加以模拟；由于土样顶部无覆盖，土样顶部可自由移动，可以通过数据采集组件测量土样顶部位移，同时，通过数据采集组件采集土样顶部位移以及土样中不同深度处的压力、温度和湿度并进行数据处理。也就是说，本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器可以进行时变覆盖效应的水热力室内模拟实验，可以通过室内变覆盖效应模拟实验研究工程实际问题，对路基(例如铁路路基)时变覆盖的现象进行复现，并探究其机理和规律，对相应的工程灾害的治理提供参考。

在一些实施例中，所述温湿度控制箱组件包括温湿度控制箱、温湿度监测仪、温湿度调节装置，所述温湿度控制箱用于放置所述土样容器，并对时变覆盖效应情况下土样顶部温度、水分蒸发边界进行控制，所述温湿度监测仪用于监测所述温湿度控制箱内的温度和湿度，所述温湿度调节装置用于调节所述温湿度控制箱内的温湿度。

在一些实施例中，所述温湿度调节装置包括冷却压缩机，所述冷却压缩机均设置在所述温湿度控制箱外并与所述温湿度控制箱内部相连，所述冷却压缩机用于调节所述温湿度控制箱内的温湿度。

在一些实施例中，所述温湿度控制箱组件还包括多根拉杆和盘体，多根所述拉杆围绕所述土样容器间隔开地布置在所述土样容器的外侧，多根所述拉杆的下端与所述温湿度控制箱的底部固定，所述盘体可上下调节地固定在所述拉杆的上端且位于所述土样容器的上方；所述数据采集组件包括位移测量传感器，所述位移测量传感器设置在所述盘体上。

在一些实施例中，还包括上温控压头，所述上温控压头用于布置在所述土样容器中土样的顶部。

在一些实施例中，所述下温控压头与位于所述温湿度控制箱外的第一恒温冷浴装置相连，所述上温控压头与位于所述温湿度控制箱外的第二恒温冷浴装置相连。

在一些实施例中，所述温湿度控制箱组件还包括刚性柱，所述刚性柱用于放置在所述盘体与所述上温控压头之间，所述刚性柱与多根所述拉杆和所述盘体组合用于给土样顶部提供力的约束。

在一些实施例中，所述数据采集组件包括所述位移测量传感器、土压力盒、温度传感器、湿度传感器、数据采集仪和电脑；所述土压力盒、温度传感器和湿度传感器用于埋设在所述土样容器盛装的土样中，用于分别测出所述土样容器中土样内部的压力、温度和湿度；所述数据采集仪通过数据线与所述位移测量传感器、所述土压力盒、所述温度传感器和所述湿度传感器相连，以采集所述土压力盒、所述温度传感器和所述湿度传感器测得的数据并传递给所述电脑进行分析处理。

在一些实施例中，所述土样容器内径为280～350mm，高为900～1200mm的有机玻璃圆筒。

在一些实施例中，所述土样容器内壁在装入土样前涂覆有低温疏水润滑剂层。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器的结构示意图。

附图标记：

时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000

温湿度控制箱组件1温湿度控制箱101温湿度监测仪102温湿度调节装置103冷却压缩机1031水箱1032拉杆104盘体105刚性柱106土样容器2

数据采集组件3土压力盒301温度传感器302湿度传感器303数据采集仪304电脑305 位移测量传感器306下温控压头5储水室6孔板7马氏瓶8

升降台9上温控压头10第一恒温冷浴装置11第二恒温冷浴装置12

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合图1来描述本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000。

如图1所示，根据本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000，包括温湿度控制箱组件1、土样容器2、数据采集组件3。其中，温湿度控制箱组件1用于模拟自然真实温湿度环境；土样容器2放置在温室度控制箱组件1中，通过温湿度控制箱组件1对时变覆盖效应情况下土样顶部温度、水分蒸发边界进行控制，土样容器2内自下向上布置有下温控压头5和储水室6，下温控压头5的顶部与储水室6的底部接触，储水室6的顶部设有孔板7；数据采集组件3用于采集土样容器2中土样冻融变形时土样顶部的位移以及土样内部不同深度处的压力、温度和湿度，并进行数据分析处理。

具体而言，温湿度控制箱组件1用于模拟自然真实温湿度环境，也就是说，通过温湿度控制箱组件1可以提供一个密闭空间，在该密闭空间中模拟出自然环境的一年四季不同温湿度，例如可以将密闭空间中的温度变化范围控制在-30～+30℃，精度0.1℃，可以将湿度变化范围控制在0～60％，控制密闭空间中温湿度随时间正弦、三角波等周期性变化，从而通过温湿度控制箱组件1来实现模拟自然环境的一年四季不同温湿度情况。

土样容器2放置在温室度控制箱组件1中，通过温湿度控制箱组件1对时变覆盖效应情况下土样顶部温度、水分蒸发边界进行控制，也就是说，土样容器2用于填装土样，土样容器2放置在温湿度控制箱组件1的密闭空间中，可以通过温湿度控制箱组件1模拟土样顶部空气一年四季不同温湿度情况，当土样顶部暴露于温湿度控制箱组件1的密闭空间中时，可以实现土样顶部先透水透气，再随温度降低含冰量增多而不透水透气的时变覆盖边界条件。土样容器2内自下向上布置有下温控压头5和储水室6，下温控压头5的顶部与储水室6的底部接触，储水室6的顶部设有孔板7；其中，由于下温控压头5的顶部与储水室6的底部接触，下温控压头5的温度可以通过储水室6传递到土样的底部，因此，通过控制下温控压头5的温度可以控制储水室6及土样底部的温度，使土样温度自下而上呈梯度降低分布，进而使得储水室6中的水分向上蒸发并通过孔板7 中的孔进入土样中，向土样内部补水，同时还可以使得土样中水热发生迁移。

需要说明的是，在土样容器2中填装土样后，为确保孔板7不会发生弯曲变形，储水室6内可以分布不锈钢支柱对孔板7支撑。为避免细粒土堵塞孔板7中的孔，可在孔板7上方铺设纱布再填土样。储水室6与温湿度控制箱组件1外的马氏瓶8连接，马氏瓶8放置于升降台9上，从而实现恒压补水，并可以记录马氏瓶8恒压补水时温度将对其内空气体积产生影响，因此应保证实验过程中马氏瓶8内温度是恒定的。在实验过程中，应定时记录马氏瓶8水量减小情况，必要时，可通过连接远程摄像头实时记录。

数据采集组件3用于采集土样容器2中土样冻融变形时土样顶部的位移以及土样内部不同深度处的压力、温度和湿度；也就是说，土样顶部的位移以及在土样的自下而上的方向上不同深度的位置的压力、温度和湿度随时间变化可以通过数据采集组件3实时测量得到，这样，可以观察土样顶部的位移以及土样内部不同深度处的压力、温度和湿度沿着土样深度方向如何随时间变化的规律，可以与理论模型计算结果对比并进行验证，也可以帮助理解水分在温度梯度作用下迁移的规律，对相应的路基工程灾害的治理提供参考。

在进行时变覆盖效应模拟实验开始之前，调整储水室6的液面大致处于储水室6高度的一半位置处，以实现水蒸气补水的条件。开展需要一定含水率与干密度的土样，在向土样容器2装填土样时，应采用分层装填并压实的方式，控制土样干密度。在土样填充完成后，将土样容器2放置在温湿度控制箱组件1中，设定温湿度控制箱组件1的温度和湿度，通过温湿度控制箱组件1模拟土样容器2中土样顶部一年四季的真实温湿度环境，土样顶部先透水透气，再随温度降低含冰量增多而不透水透气的时变覆盖边界条件。

在实验过程中，对储水室6进行恒压补水，并记录补水量。通过数据采集组件3采集土样容器2中土样顶部的位移以及土样内部不同深度处的压力、温度和湿度，对实验数据进行分析处理，探究土样内部不同深度处的压力、温度和湿度沿着土样深度方向如何随时间变化的规律，探究温度梯度下水热迁移的变化，以及由于水热迁移、冻结等因素作用下，土样顶部发生冻胀位移的规律。

实验结束后对土样分层取样，利用烘箱烘干获取土样沿高度分布的总含水率。

根据本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000，通过温湿度控制箱组件1来实现模拟自然环境的一年四季不同温湿度情况；当需要进行时变覆盖效应实验时，使得土样容器2中的土样顶部暴露于温湿度控制箱组件1内的空气中，从而对土样顶部部无覆盖的情况加以模拟；由于土样顶部无覆盖，土样顶部可自由移动，可以通过数据采集组件3测量土样顶部位移，同时，通过数据采集组件3采集土样中不同深度处的压力、温度和湿度并进行数据处理。也就是说，本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000可以进行时变覆盖效应的水热力室内模拟实验，可以通过室内时变覆盖效应模拟实验反映工程实际问题，对路基(例如铁路路基)时变覆盖的现象进行复现，并探究其机理和规律，对相应的工程灾害的治理给出参考。

在一些实施例中，温湿度控制箱组件1包括温湿度控制箱101、温湿度监测仪102、温湿度调节装置103，温湿度控制箱101用于放置土样容器2，并对时变覆盖效应情况下土样顶部温度、水分蒸发边界进行控制，温湿度监测仪102用于监测温湿度控制箱101 内的温度和湿度，温湿度调节装置103用于调节温湿度控制箱101内的温度和湿度。

可以理解的是，温湿度监测仪102与温湿度调节装置103共同控制温湿度控制箱101 内温湿度环境，通过预先设定温湿度控制箱101的温湿度，通过温湿度监测仪102监测温湿度控制箱101内的实际温湿度，温湿度调节装置103根据实际温湿度与设定温湿度的差异来调节温湿度控制箱101内的温湿度。可以将温湿度控制箱101内的温度变化范围控制在-30～+30℃，精度0.1℃，将湿度变化范围控制在0～60％，控制温湿度控制箱 101内温湿度随时间正弦、三角波等周期性变化，从而实现模拟自然环境的一年四季不同温湿度情况。

在一些实施例中，温湿度调节装置103包括冷却压缩机1031，冷却压缩机1031均设置在温湿度控制箱101外并与温湿度控制箱101内部相连，冷却压缩机1031用于调节温湿度控制箱101内的温湿度。

特别要注意的是，冷却压缩机1031工作时需要关注冷却冷压缩机的散热情况。在实验过程中必须对冷却压缩机1031确保空气流通使散热通畅，必要时打开空调。

在一些实施例中，温湿度调节装置103还包括水箱1032，水箱1032用于收集冷却压缩机1031对温湿度控制箱101内空气抽湿后的水分。

在一些实施例中，温湿度控制箱组件1还包括多根拉杆104和盘体105，多根拉杆104围绕土样容器2间隔开地布置在土样容器2的外侧，多根拉杆104的下端与温湿度控制箱101的底部固定，盘体105可上下调节地固定(例如可以为螺纹连接固定)在拉杆104的上端且位于土样容器2的上方；数据采集组件3包括位移测量传感器306，位移测量传感器306设置在盘体105上，由此，可以方便地进行土样容器2中的土样顶部自由位移时冻胀量(即冻胀位移)的测量，具体地，土样顶部没有力的约束的情况下，通过位移测量传感器306与土样顶部接触，也可以与土样顶部的上温控压头10接触，可以直接测量土样顶部自由位移时的冻胀量，测量方便。

在一些实施例中，还包括上温控压头10，上温控压头10用于布置在土样容器2中土样的顶部，一方面，在上温控压头10可以控制土样顶部温度，在结合下温控压头5 控制土样底部温度的情况下，可以使得土样温度自下而上呈梯度降低分布，以使得土样中水热发生迁移；另一方面，可以使得本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000还能够进行常规的覆盖效应模拟实验。

在一些实施例中，下温控压头5与位于温湿度控制箱101外的第一恒温冷浴装置11相连，上温控压头10与位于温湿度控制箱101外的第二恒温冷浴装置12相连。也就是说，通过第一恒温冷浴装置11可以方便控制下温控压头5的温度，通过第二恒温冷浴装置12可以方便控制上温控压头10的温度。

在一些实施例中，温湿度控制箱组件1还包括刚性柱106，刚性柱106用于放置在盘体105与上温控压头10之间，刚性柱106与多根拉杆104和盘体105组合用于给土样顶部提供力的约束。由此，在刚性柱106结合拉杆104、盘体105的情况下，将刚性柱106放置在盘体105与上温控压头10之间，通过调节上盘体105在拉杆104上的位置，可以实现对土样顶部施加向下的压力，使得土样顶部受力约束，从而限制土样顶部位移，并利用数据采集组件3测得土样压力，即土样冻胀力。也就是说，本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000还能进行有力学约束边界条件下的常规的覆盖效应模拟实验。

在一些实施例中，数据采集组件3包括上述的位移测量传感器306、土压力盒301、温度传感器302、湿度传感器303、数据采集仪304和电脑305；位移测量传感器306 设置在盘体105上，用于测量土样顶部的位移，土压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303用于埋设在土样容器2盛装的土样中，用于分别测出土样容器2中土样内部的压力、温度和湿度；数据采集仪304通过数据线与位移测量传感器306、土压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303相连，以采集土位移测量传感器306、压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303测得的数据并传递给电脑305进行分析处理。

需要说明的是，温湿度控制箱101的侧壁上设有穿线孔，数据线穿过穿线孔与位于温湿度控制箱101外部的数据采集仪304连接，并通过橡胶塞填充密封穿线孔，以确保温湿度控制箱的密闭性。数据采集仪304可以通过USB连接线与电脑305连接。

在一些实施例中，针对现有仪器水热迁移一维性较差的缺点，在土样容器2的侧壁上在高度方向上螺旋间隔开孔，将土压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303有序从开孔插入土样中，进而尽可能减小土压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303 的体积对实验过程中土样一维水热迁移的影响，同时还可以获得不同深度土层的压力、温度和湿度的分布情况。

在一些实施例中，土样容器2内径为280～350mm，高为900～1200mm的有机玻璃圆筒。可以理解的是，现有的冻融循环实验仪器往往尺寸较小(直径甚至可能低于100mm)，而温湿度传感器303的尺寸往往较大(长度约为30mm)，有可能影响水分迁移，使实验不满足水分迁移的一维性，因此，本实用新型实施例的土样容器2的内径和高度均比现有的土样容器2的内径和高度大很多，这样，可以提高土样容器2中填充土样的体积，进一步减小土压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303的体积对实验过程中土样一维水热迁移的影响。

在一些实施例中，土样容器2内壁在装入土样前涂覆有低温疏水润滑剂层。这样可以避免土样与土样容器2的内壁粘连，有利于降低对实验过程中土样变形一维性的影响。

下面以一个具体的例子来描述本实用新型实施的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器 1000。

在该具体例子中，时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000能够模拟土样顶部一年四季的真实温湿度环境，与随温湿度条件变化的水分边界条件，以及可人为控制的力学边界条件，解决时变覆盖效应的水热力室内实验模拟问题。

该时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000包括土样容器2、温湿度控制箱组件1、数据采集组件3。

土样容器2的壁厚为20mm，内径为300mm，高为1000mm的有机玻璃圆筒，土样容器2的侧壁上在高度方向上螺旋间隔开孔。土样容器2内壁在装入土样前涂覆有低温疏水润滑剂层。土样容器2内自下向上布置有下温控压头5、储水室6和上温控压头10，下温控压头5的顶部与储水室6的底部接触，下温控压头5与储水室6的顶部设有孔板7，上温控压头10用于布置在土样容器2中土样的顶部。下温控压头5与位于温湿度控制箱101外的第一恒温冷浴装置11相连，上温控压头10与位于温湿度控制箱101外的第二恒温冷浴装置12相连。

温湿度控制箱组件1包括温湿度控制箱101、温湿度监测仪102、冷却压缩机1031、水箱1032、多根拉杆104、盘体105和刚性柱106。温湿度控制箱101用于放置土样容器2，温湿度监测仪102用于监测温湿度控制箱101内的温湿度，冷却压缩机1031和水箱1032均设置在温湿度控制箱101外并与温湿度控制箱101内部相连，冷却压缩机1031 用于调节温湿度控制箱101内的温湿度，水箱1032用于收集冷却压缩机1031对温湿度控制箱101内空气抽湿后的水分。多根拉杆104围绕土样容器2间隔开地布置在土样容器2的外侧，多根拉杆104的下端与温湿度控制箱101的底部固定，盘体105可上下调节地固定在拉杆104的上端且位于土样容器2的上方，刚性柱106用于放置在盘体105 与上温控压头10之间。

数据采集组件3包括位移测量传感器306、土压力盒301、温度传感器302、湿度传感器303、数据采集仪304和电脑305；位移测量传感器306设置在盘体105上，用于测量土样顶部的位移，土压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303用于埋设在土样容器2盛装的土样中，用于分别测出土样容器2中土样内部的压力、温度和湿度；数据采集仪304通过数据线与位移测量传感器306、土压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303相连，以采集位移测量传感器306、土压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303测得的数据并传递给电脑305进行分析处理。

该时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000中的各功能部件的作用与上文对应的各功能部件的作用相同，在该具体例子中不再赘述。

该时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000通过温湿度控制箱组件1来实现模拟自然环境的一年四季不同温湿度情况。

当需要进行常规的顶部不透水的覆盖效应时，可选择土样上部放置上温控压头10，此时，不放置刚性柱106，并将位移测量传感器306安装于盘体105上，即可进行顶部自由位移时冻胀量的测量；如放置刚性柱106，则可限制土样顶部位移，进行有力学约束时冻胀力的测量。当需要进行时变覆盖效应实验时，取走上温控压头10，使得土样顶部暴露于温湿度控制箱101内的空气中，从而对土样顶部无覆盖的情况加以模拟。由于土样顶部无覆盖，土样顶部可自由移动，可以通过位移测量传感器306测量土样顶部位移，同时，通过土压力盒301、温度传感器302和湿度传感器303采集土样中不同深度处的压力、温度和湿度，并进行数据处理。

由此，该时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000既可以进行常规覆盖效应的实验，更可以完成时变覆盖效应实验，功能强大。该时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000温度控制范围大，同时允许的冻胀位移范围(0～5cm)，与冻胀力范围(0～2MPa)大，适用多种土体材料。该时变覆盖效应冻融循环模拟仪器1000温湿度设定等功能集成在智能控制面板上，操作简单。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，包括：

温湿度控制箱组件，所述温湿度控制箱组件用于模拟自然真实温湿度环境；

土样容器，所述土样容器放置在所述控制箱组件中，通过所述温湿度控制箱组件对时变覆盖效应情况下土样顶部温度、水分蒸发边界进行控制，所述土样容器内自下向上布置有下温控压头和储水室，所述下温控压头的顶部与所述储水室的底部接触，所述储水室的顶部设有孔板；

数据采集组件，所述数据采集组件用于采集所述土样容器中土样冻融变形时土样顶部的位移以及土样内部不同深度处的压力、温度和湿度，并进数据分析处理。

2.根据权利要求1所述的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，所述温湿度控制箱组件包括温湿度控制箱、温湿度监测仪、温湿度调节装置，所述温湿度控制箱用于放置所述土样容器，并对时变覆盖效应情况下土样顶部温度、水分蒸发边界进行控制，所述温湿度监测仪用于监测所述温湿度控制箱内的温度和湿度，所述温湿度调节装置用于调节所述温湿度控制箱内的温湿度。

3.根据权利要求2所述的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，所述温湿度调节装置包括冷却压缩机，所述冷却压缩机均设置在所述温湿度控制箱外并与所述温湿度控制箱内部相连，所述冷却压缩机用于调节所述温湿度控制箱内的温湿度。

4.根据权利要求2所述的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，所述温湿度控制箱组件还包括多根拉杆和盘体，多根所述拉杆围绕所述土样容器间隔开地布置在所述土样容器的外侧，多根所述拉杆的下端与所述温湿度控制箱的底部固定，所述盘体可上下调节地固定在所述拉杆的上端且位于所述土样容器的上方；所述数据采集组件包括位移测量传感器，所述位移测量传感器设置在所述盘体上。

5.根据权利要求4所述的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，还包括上温控压头，所述上温控压头用于布置在所述土样容器中土样的顶部。

6.根据权利要求5所述的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，所述下温控压头与位于所述温湿度控制箱外的第一恒温冷浴装置相连，所述上温控压头与位于所述温湿度控制箱外的第二恒温冷浴装置相连。

7.根据权利要求5所述的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，所述温湿度控制箱组件还包括刚性柱，所述刚性柱用于放置在所述盘体与所述上温控压头之间，所述刚性柱与多根所述拉杆和所述盘体组合用于给土样顶部提供力的约束。

8.根据权利要求4-7中任意一项所述的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，所述数据采集组件包括所述位移测量传感器、土压力盒、温度传感器、湿度传感器、数据采集仪和电脑；所述土压力盒、温度传感器和湿度传感器用于埋设在所述土样容器盛装的土样中，用于分别测出所述土样容器中土样内部的压力、温度和湿度；所述数据采集仪通过数据线与所述位移测量传感器、所述土压力盒、所述温度传感器和所述湿度传感器相连，以采集所述土压力盒、所述温度传感器和所述湿度传感器测得的数据并传递给所述电脑进行分析处理。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，所述土样容器内径为280～350mm，高为900～1200mm的有机玻璃圆筒。

10.根据权利要求1-7中任意一项所述的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，其特征在于，所述土样容器内壁在装入土样前涂覆有低温疏水润滑剂层。

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