一種測試一維土柱凍脹變形的試驗裝置的製作方法

2023-05-30 02:35:11

本實用新型具體涉及一種測試一維土柱凍脹變形的試驗裝置，屬於土工試驗儀器技術領域。

背景技術：

我國凍土面積分布廣泛，其中多年凍土約佔國土面積的22.3％，高海拔多年凍土面積世界之最，而季節性凍土分布更廣泛。近年來，隨著寒區工程(凍土區或季凍區所建工程，包括道路、油氣管線等)的大量興建，凍脹已成為我國寒區工程建設過程中所面臨的最主要的工程災害。陸上油氣管道歷經上述凍土區等地質複雜地段時，由於其輸送的高溫高壓油氣易使沿線的凍土發生凍脹和融沉災害，寒區埋地管道易發生「露管」現象，嚴重時產生屈曲變形；寒區等級公路途徑凍土區時，環境溫度的變化易使道路發生不均勻變形和路基縱向裂縫、凍脹融沉和翻漿現象。上述寒區工程的病害特徵有所不同，但病害形成的原因歸結於(1)寒區工程沿線土體溫度的變化，(2)土體內部水分的遷移與結冰膨脹及(3)土體的凍脹變形。土體在凍脹變形過程中，其內部溫度隨環境溫度的變化而變化，土中水結冰膨脹、體積增大，因此，溫度變化引起土體中含水量、孔隙水壓力等發生變化，並引起土體的孔隙率、滲透特性等主要參數及水-溫-力耦合特性的改變；溫度變化易使土體內部產生溫度梯度，而土中水因溫度梯度發生遷移，土中部分水因溫度梯度結冰膨脹，從而造成土體凍脹變形。

目前，在凍土的研究和勘察實踐中，我國主要採用《土工試驗標準》和《凍土工程地質勘查規範》，其規定了研究凍土性能的幾種主要試驗，包括原位試驗和室內試驗，其中，幾種室內試驗分別由不同的儀器完成，不僅操作複雜，而且每次試驗獲得的試驗數據有限。凍結儀是近年來得到應用的一種凍土性能試驗設備，中國實用新型專利申請號：201510313671，公開了一種連續變溫式多級梯度凍結儀，其儀器只能研究凍土的凍結過程的性能，不能同時獲得更多的試驗數據。為了研究土體在不同溫度梯度作用下的凍脹變形規律，方便在相同溫度變化條件下，同時觀測土體內部溫度梯度引起的溫度場、位移場、水分和孔壓場。因此需要一種測試一維土柱凍脹變形的試驗裝置，將圓柱形土樣的四周及底部襯以隔熱性能良好的透明保溫膜，並置於雙層透明有機玻璃中，從而保證只在土樣頂部進行熱交換的一種測試土樣凍脹變形的測試裝置。

技術實現要素：

因此，針對現有技術的上述不足，本實用新型目的旨在提供一種測試一維土柱凍脹變形的試驗裝置。以期達到不同溫度變化條件下，實現土樣凍脹變形過程中的溫度場、位移場、水分場和孔壓場的同時監測。該裝置是將包裹有透明保溫膜的圓柱形土樣置於隔熱性能良好的土柱模具中，使其四周與底部不與外界環境進行熱交換，通過製冷循環器，只在試樣頂部進行熱交換，測試不同水分場、溫度場作用下的土樣凍脹變形。

具體的，一種測試一維土柱凍脹變形的試驗裝置，包括支架裝置、模具裝置、檢測裝置、數據採集裝置、補水裝置、製冷裝置，所述模具裝置安裝在支架裝置上，模具裝置包括底座、固定杆、法蘭、土柱模具，底座安裝在支架裝置上，法蘭通過固定杆連接底座，土柱模具放置在底座上，所述檢測裝置包括溫度傳感器、孔壓傳感器、應力傳感器、應變傳感器、位移傳感器，溫度傳感器、孔壓傳感器均安裝在土柱模具側壁上且深入到土柱試樣內部，應力傳感器、應變傳感器、位移傳感器均設置在土柱試樣頂部且與土柱試樣頂部接觸，所述數據採集裝置包括數據採集儀、數據採集線、電腦，數據採集線連接全部傳感器並通過數據採集儀連接電腦，所述補水裝置包括補水箱、補水排水管、排水箱，補水排水管兩端分別連通補水箱及土柱模具底部，補水箱高於土柱模具設置，排水箱連通補水排水管且低於土柱模具設置，所述製冷裝置包括製冷循環器、製冷液流通管、製冷盤管，製冷盤管設置在土柱試樣頂部。

進一步的，所述支架裝置包括基座、支腳、立柱、橫梁傳感器基座，底座通過支腳安裝在基座上，橫梁通過立柱限位螺母連接橫梁，橫梁連接基座，橫梁上設有傳感器基座。

進一步的，所述土柱模具為雙層透明有機玻璃製成。

進一步的，所述土柱模具內土柱試樣底部及四周設有保溫膜，土柱模具內土柱試樣頂部設有濾紙，土柱試樣底部設有透水石，補水排水管接觸透水石。

進一步的，所述法蘭通過固定杆限位螺母連接限位杆。

進一步的，所述補水排水管上位於補水箱下方還設有補水閥門及水壓錶盤。

進一步的，所述補水排水管上連接排水箱的支路上還設有排水閥門，排水箱底部設有電子稱。

進一步的，所述溫度傳感器沿土柱試樣高度方向等間距設置。

進一步的，所述孔壓傳感器與溫度傳感器間隔對應設置。

進一步的，所述製冷盤管採用黃銅盤管制成。

本實用新型的有益效果在於：

1、本實用新型採用製冷循環器為雙層有機玻璃模具內土樣進行降溫凍結，實現土樣凍脹變形，並可以同時監測土樣在不同溫度梯度下的溫度場、位移場和孔壓場。

2、本實用新型帶有補水、排水裝置，可以達到土樣凍脹變形過程中補水的目的，監測土樣凍脹過程中的孔隙水壓力及體積凍脹變形，能更好地模擬原狀土土樣。

3、本實用新型帶有溫度監測裝置，利用數據採集儀和電腦實時監測土樣內部的溫度場變化，可更好地監測土樣凍脹變形過程中孔壓場、位移場與溫度場之間的關係。

4、本實用新型帶有監測土樣凍脹變形過程中的位移場和溫度場的實時監控裝置，利用數據採集儀和電腦實時監測土樣內部的溫度梯度，可更好地監測土樣在凍脹變形過程中位移場、體積凍脹變形與溫度場之間的關係。

綜上所述，本實用新型結構簡單、設計合理且操作簡便、實用效果好，能在室內模擬圓柱形土樣凍脹變形過程，並能對土樣在凍脹變形過程中的溫度場、位移場、孔壓場和體積凍脹變形進行有效測試。

附圖說明

圖1是本實用新型試驗裝置的結構示意圖。

圖2是有機玻璃模具支腳與基座連接部分圖1中A-A剖面的示意圖。

圖3是土樣頂部製冷盤管布置部分圖1中B-B剖面的示意圖。

圖4是溫度、孔壓傳感器布置部分圖1中C-C剖面的示意圖。

圖5是基座頂部連接剖面部分圖1中D-D剖面的示意圖。

附圖標記如下：

1-基座； 2-支腳； 3-立柱；

4-底座； 5-補水排水管； 6-透水石；

7-固定杆； 8-土柱模具； 9-保溫膜；

10-圓柱形土柱； 11-溫度傳感器； 12-孔壓傳感器；

13-數據採集線； 14-濾紙； 15-製冷盤管；

16-固定杆限位螺母； 17-法蘭； 18-製冷液流通管；

19-應力傳感器； 20-應變傳感器； 21-位移傳感器；

22-傳感器基座； 23-橫梁； 24-立柱限位螺母；

25-數據採集儀； 26-電腦； 27-製冷循環器；

28-補水箱； 29-補水閥門； 30-水壓錶盤；

31-排水閥門； 32-排水箱； 33-電子秤；

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行說明：

如圖1所示，本實用新型包括裝有圓柱形土樣10的雙層透明有機玻璃製成的土柱模具8、通過製冷使圓柱形土樣10的製冷循環器裝置、凍脹變形過程中監測圓柱形土樣10凍脹變形的監控裝置、保證圓柱形土樣10飽和的補水排水裝置、測試圓柱形土樣10溫度場、孔壓場、變形場的實時監測裝置。圓柱形土樣10的底部設置有透水石6，補水裝置通過補水管5對被測圓柱形土樣10進行補水，並通過補水排水管5進行排水，排水收集到排水箱31。

本實用新型採用的製冷循環器27(JULABO)可以自主調節溫度值，恆溫效果好，操作簡單方便。製冷循環器27與製冷液流通管18、製冷盤管15共同組成製冷循環系統，同時給雙層透明有機玻璃內部的圓柱形土樣10進行降溫製冷，實現土樣的凍脹變形過程，圓柱形土樣10四周與底部包裹有透明保溫膜9，底部的保溫膜9需設置透水孔透水，保證土樣凍脹變形由上至下；補水箱28連通補水管5通過透水石6給圓柱形土樣10進行補水，補水排水管5上裝有水壓錶盤30和補水閥門29，可以根據制樣要求設定水壓，從而達到為圓柱形土樣10補水的目的；圓柱形土樣10中多餘水通過排水管5排出到排水箱32；應力傳感器19、位移傳感器21、應變傳感器20分別置於圓柱形土樣10頂部，傳感器探頭與圓柱形土樣10頂面接觸，實時監測土樣凍脹變形過程中的豎向凍脹量和體積變形；溫度傳感器11布置於雙層透明有機玻璃土柱模具8側面，沿土樣高度方向等間距布置，與土樣側壁接觸，孔壓傳感器12等間距布置於雙層透明有機玻璃13另一側面，與溫度傳感器11間隔相對應，即每間隔1個溫度傳感器11，設置1個孔壓傳感器12，實時監測土樣凍脹變形過程中的溫度場和孔壓場變化；傳感器通過數據採集線13與數據採集儀25連接，數據採集儀25又與電腦26連接，對採集到的數據進行整理分析。包裹有透明保溫膜9的圓柱形土樣10置於雙層透明有機玻璃18內，從而阻斷土樣與外界環境的熱交換，保證凍脹變形只從圓柱形土樣10頂部發生。

製冷裝置包括製冷循環器27、製冷液流通管18和由供製冷液流通管18盤繞而成的製冷盤管15，將製冷盤管設置在圓柱形土柱10頂部。

圓柱形土柱凍脹變形測試裝置包括測試土柱凍脹過程中的應力傳感器19、應變傳感器20，測試土柱豎向凍脹量的位移傳感器21，傳感器通過數據採集線13與數據採集儀25相連，並與電腦26相連，進行數據整理分析。

圓柱形土柱溫度監測裝置包括測試土柱凍脹過程中的溫度傳感器11，將其沿土柱高度方向均勻布置在雙層透明有機玻璃8試模外側，傳感器探頭與土柱側面相接觸，傳感器通過數據採集線13與數據採集儀25相連，並與電腦26相連，進行數據整理分析。

圓柱形土柱孔壓監測裝置包括測試土柱凍脹過程中的孔壓傳感器11，將其沿土柱高度方向均勻布置在雙層透明有機玻璃8模具外側，傳感器探頭與土柱側面相接觸，傳感器通過數據採集線13與數據採集儀25相連，並與電腦26相連，進行數據整理分析。

補水、排水裝置包括補水箱28連通補水管5通過土柱底部透水石6與圓柱形土柱10相連對土柱進行補水，通過補水排水管5上的補水閥門29和水壓錶盤30控制補水量，補水過程中關閉排水閥門31；將土柱凍脹過程中多餘的水經排水管5排水到排水箱32，通過電子秤33稱量排水箱在排水前後的差值來計算土柱凍脹過程中的孔隙水含量，排水過程中關閉補水閥門29。

本實施例中圖2是有機玻璃土柱模具8的支腳2與基座1連接剖面A-A結構示意圖。如圖2所示，有機玻璃底座4下部布置4個等高度支腳2，支腳之間夾角為90°，保證有機玻璃試模的垂直度。

本實施例中圖3是圓柱形土柱10頂部製冷盤管15布置剖面B-B結構示意圖。如圖3所示，製冷盤管15採用黃銅管盤繞而成，其與製冷循環器27之間通過製冷液流通管18相連，黃銅管直徑為10mm。

本實施例中圖4是溫度傳感器11、孔壓傳感器12沿土柱10高度布置剖面C-C結構示意圖。如圖4所示，底座4上沿環向均勻布置4根有機玻璃固定杆7，固定杆7與支腳2共線，溫度傳感器11與孔壓傳感器12共線，固定杆7與溫度傳感器11之間呈45°夾角。

本實施例中圖5是基座1頂部連接剖面D-D結構示意圖。如圖5所示，基座1成長方形狀的鋼板，其上沿基座1長度方向布置2根立柱3，保證有機玻璃模具的穩定性，基座1與支腳2之間呈45°夾角。

在本實施例中，法蘭17上需要設置用於數據採集線13、製冷液流通管18穿過的開孔，土柱模具8上需要設置用於安裝溫度傳感器11、水壓傳感器12的安裝孔，這些開孔和安裝孔可根據實際需要設置，開孔位置應做好隔熱處理。

本實用新型採用製冷循環器製冷土樣，實現土樣的凍脹變形，製冷循環器操作簡單，溫度易控；帶有補水、排水裝置，滿足試驗要求的飽和度以及凍脹變形中的補水和排水；可實時監測土樣的溫度場、位移場、水分場以及孔壓場。

在本實施例中，具體的器件型號為：製冷循環器：JULABO F25-ED；數據採集儀：Datetaker DT80；溫度傳感器：Geo-expert Thermo PT100；孔壓傳感器：Geo-expert PWP1000；位移傳感器：Geo-expert LVDT100；應力傳感器：Geo-expert LC10；應變傳感器：Microstrain M-DVRT。也可以根據實際條件選用其它型號的器件。

以上所述是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。