CN217688925U - 边坡冻融循环试验用模型箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种箱内温度更均匀，节约冻融模拟循环时长的边坡冻融循环试验用模型箱，该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，温度传感器与控制终端信号连接，模型箱体内布置有框架，框架的顶部设有风扇，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，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，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，其余的制冷、加热、补水装置组件位于模型箱体的外部，坡台的低端设有与排水装置连接的集水槽，方便操作管理。

Description

边坡冻融循环试验用模型箱

技术领域

本实用新型涉及冻融循环试验的模拟装置。

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。

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。

于2017年9月1日公告的公告号为CN206460045U的中国实用新型专利“一种模拟干湿和冻融循环伤脑筋下的边坡模型试验装置”能够在室内模拟冻融循环作用下边坡模型的一些变化方便观察其变化规律。该装置的模型箱内上方布置加热装置和模拟降雨系统，模型箱的底部布置排水层和制冷装置，制冷采用压缩机制冷方式。该试验装置用于高寒地区边坡模拟时，其制冷、加热所需时长较长，且箱体内温度均匀性方面还有进一步改进的必要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种试验模型箱内温度更均匀，节约冻融模拟循环时长的边坡冻融循环试验用模型箱。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：边坡冻融循环试验用模型箱，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，温度传感器与控制终端信号连接，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，框架的顶部设有风扇，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，坡台的低端设有与排水装置连接的集水槽。

所述制冷装置包括相互连接的自增压液氮罐、蛇形冷凝管、缓冲瓶和真空泵，自增压液氮罐依次通过第一止回阀、第一截止阀、液氮控制阀与蛇形冷凝管连接，蛇形冷凝管的出口端接入缓冲瓶，缓冲瓶通过第二截止阀、真空计与真空泵连接，液氮控制阀与控制终端信号连接，方便制冷控制。

所述加热装置包括串联的电源、开关、翅片式电加热管和温度控制器，温度控制器与控制终端信号连接，方便加热控制。

所述补水装置包括依次连接的水池、水泵、补水控制阀、布水管和喷头，排水管上设有排水控制阀，水泵与控制终端信号连接，方便实现自动补水控制。

所述模型箱体的各个侧面均设置有保温层，有利于保持模型箱内温度。

所述模型箱体的其中一个侧面作为观察面，蛇形冷凝管、翅片式电加热管、布水管、排水管与所述模型箱体的连接处均不在该观察面，以方便观察。

蛇形冷凝管、与翅片式电加热管配套的导线、布水管、排水管与所述模型箱体的连接处均套设有密封套，有利于保持模型箱内温度。

所述框架包括与立柱固定连接的圈梁，圈梁上连接主梁，主梁分别为顶层主梁、中间层主梁和底层主梁，在顶层主梁上安装风扇，在中间层主梁上安装蛇形冷凝管，在底层主梁上表面安装翅片式电加热管，在底层主梁下表面安装布水管，利用框架承载功能部件且尽量减少制冷、升温和补水功能之间的相互干扰。

所述喷头有两个以上，各个喷头与边坡试样的距离保持一致，有利于快速、均匀补水。

所述蛇形冷凝管按中心对称布置在其布置平面内，翅片式电加热管按轴对称布置在其布置平面内，有利于均匀升温、降温。

本实用新型的有益效果是：通过风扇扰动模型箱内气体，有利于维持模型箱内部温度均匀性；通过将制冷装置、加热装置和补水装置的功能部件内置于箱内框架上而将其余部件外置，有利于缩短冻融循环时长；制冷装置采用由控制终端控制的自增压液氮罐，有利于快速降温；加热装置采用翅片式电加热管，有利于快速升温；补水装置的各喷头与边坡试样保持距离相同，有利于快速、均匀补水；风扇、制冷、加热和补水装置均可由控制终端控制，方便操作管理。

附图说明

图1是本实用新型的边坡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实用新型进一步说明。

如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型的边坡冻融循环试验用模型箱包括模型箱体1和控制终端17，于模型箱体1内设置有边坡模型和温度传感器19，温度传感器19与控制终端17信号连接，边坡模型包括坡台2，坡台2的低端设有与排水管31连接的集水槽30，模型箱体1配置有制冷装置、加热装置和补水装置、排水装置，模型箱体1内用框架来承载制冷装置、加热装置和补水装置的功能部件，框架的顶部设有风扇5，制冷装置、加热装置和补水装置除功能部件以外的其它组件则布置于模型箱体1的外部。通过在模型箱内只布置用于升温、降温、补水的必要功能部件，减少向其它部件的能量散失，节约冻融模拟循环时长，通过风扇的作用使其模型箱内部温度变化更均匀。

实施例：

如图1、图2、图3和图4所示，边坡冻融循环试验用模型箱，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。

本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，试验方法简便、经济、可重复。

Claims (10)

1.边坡冻融循环试验用模型箱，包括模型箱体（1）和控制终端（17），于模型箱体（1）内设置有边坡模型和温度传感器（19），模型箱体（1）配置有制冷装置、加热装置和补水装置、排水装置，边坡模型包括坡台（2），温度传感器（19）与控制终端（17）信号连接，其特征是：模型箱体（1）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，框架的顶部设有风扇（5），蛇形冷凝管（10）为制冷装置的功能部件并位于模型箱体（1）的内部，其余的制冷装置组件位于模型箱体（1）的外部，翅片式电加热管（15）为加热装置的功能部件并位于模型箱体（1）的内部，其余的加热装置组件位于模型箱体（1）的外部，布水管（25）和喷头（26）为补水装置的功能部件并位于模型箱体（1）的内部，其余的补水装置组件位于模型箱体（1）的外部，坡台（2）的低端设有与排水管（31）连接的集水槽（30）。

2.如权利要求1所述的边坡冻融循环试验用模型箱，其特征是：所述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）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。

3.如权利要求1所述的边坡冻融循环试验用模型箱，其特征是：所述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。

4.如权利要求1所述的边坡冻融循环试验用模型箱，其特征是：所述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。

5.如权利要求1所述的边坡冻融循环试验用模型箱，其特征是：所述模型箱体（1）的各个侧面均设置有保温层。

6.如权利要求5所述的边坡冻融循环试验用模型箱，其特征是：所述模型箱体（1）其中一个侧面作为观察面（100），蛇形冷凝管（10）、翅片式电加热管（15）、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）。

7.如权利要求5所述的边坡冻融循环试验用模型箱，其特征是：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）的连接处均套设有密封套。

8.如权利要求1所述的边坡冻融循环试验用模型箱，其特征是：所述框架包括与立柱（6）固定连接的圈梁，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），在顶层主梁（64）上安装风扇（5），在中间层主梁（65）上安装蛇形冷凝管（10），在底层主梁（66）上表面安装翅片式电加热管（15），在底层主梁（66）下表面安装布水管（25）。

9.如权利要求8所述的边坡冻融循环试验用模型箱，其特征是：所述喷头（26）有两个以上，各个喷头（26）与边坡试样（27）的距离保持一致。

10.如权利要求8所述的边坡冻融循环试验用模型箱，其特征是：所述蛇形冷凝管（10）按中心对称布置在其布置平面内，翅片式电加热管（15）按轴对称布置在其布置平面内。

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