一種多功能一體化式土體凍融試驗系統的製作方法

2023-08-08 00:34:11 1

一種多功能一體化式土體凍融試驗系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種多功能一體化式土體凍融試驗系統，包括模型承載系統、控溫系統、補水系統、大氣環境模擬系統和數據採集系統五部分。通過冷浴分別控制模型箱內上、下控溫板的溫度，箱體頂部設置風扇和可旋轉灑水噴頭，實現對大氣降雨和野外風的模擬。箱體底部設有補水系統，土樣測試斷面設置溫度、體積未凍水含量、土水勢、熱通量、變形等傳感器，對凍融過程中的土樣的溫度、體積未凍水含量、土水勢、熱通量、變形量等物理力學要素進行有效測試，大大提高了可測量的精度和範圍。克服了現有凍融試驗系統因小尺寸引起的尺度效應的缺點和不足。本發明結構簡單、易於操作、測量準確，對工作環境條件要求低、工作穩定。
【專利說明】一種多功能一體化式土體凍融試驗系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種試驗測試系統，具體是指一種多功能一體化式土體凍融試驗系統。可有效測量開放及封閉系統條件下土體凍融過程中的溫度、體積未凍水含量、土水勢、熱通量及變形等物理力學要素的變化情況，為研究土體在凍融過程中的水熱變化過程及凍融變形規律提供了有效的途徑。

【背景技術】
[0002]凍融試驗是通過人工製冷和制熱技術對指定的試樣進行凍結和融化過程模擬並測定其物理化學及力學性質的過程。凍融試驗技術在材料科學、寒區工程和醫藥等領域有著廣泛應用，例如混凝土材料耐久性、土體凍融過程的物理力學性質研究、新藥品包裝與儲存穩定性等諸多方面。
[0003]凍融試驗是研究土體在凍融過程中水-熱-力特性變化的主要手段。目前國內凍脹、融沉試驗一般採用圓柱狀試樣，直徑有6.18cnT20cm不等,對應的高度為10cnT20cm之間(徐湘田，賴遠明，劉峰，常小曉，董元宏.凍土中幾類力學試驗方法的探討[J].冰川凍土，2011,33 (5): 1132-1138 ；Yuanming Lai, Wansheng Pei, Mingyi Zhang, JiazuoZhou.Study on theory model of hydro-thermal -mechanical interact1n processin saturated freezing silty soil [J].1nternat1nal Journal of Heat and MassTransfer, 2014，78: 805 - 819)，將圓柱狀試樣放置在裝有溫度傳感器的有機玻璃桶內，並一同置於恆溫箱中，對試樣上端和下端進行控溫，對試樣內部的溫度變化及外部整體變形進行監測，這些試驗模型的特點為土樣尺寸小，易於操作，只能研究溫度梯度、外部載荷、初始含水量及土體類型等宏觀因素對土體凍融特徵的影響，無法監測土體在凍融過程中內部微觀要素的變化過程，如:體積未凍水含量、土水勢等的動態變化；加之野外的實際條件面臨的是水分遷移路線長、溫度場分布範圍廣、凍脹生長空間大等特點。因此，目前這樣的模型試驗由於土樣尺寸小、試驗系統功能有限，並且容易受到環境的幹擾，對內部水分遷移、溫度變化及變形量的準確測量存在很大的難度。
[0004]面對小試樣測量要素單一(試樣內部的溫度和外部整體變形)、測量難度大等問題，為了綜合考慮諸多影響凍融試驗效果的因素，更加真實地模擬野外環境條件，充分發揮室內試驗成本低、效率高的優勢,對多要素(試樣內部的溫度、體積未凍水含量、土水勢變化及外部變形等)進行有效測試，設計合理有效的室內多功能一體化式大尺寸土體試樣的凍融試驗裝置，完成土體試樣在凍融過程中的物理力學性質的有效測試是非常有必要的。
[0005]


【發明內容】

[0006]為更加真實地模擬凍土的野外實際狀態，本發明的目的旨在提供一種多功能一體化式土體凍融試驗系統。可以監測土體在凍融過程中內部微觀要素的變化。
[0007]本發明所採用的技術方案是: 一種多功能一體化式土體凍融試驗系統，是由模型箱體、腳輪、光滑絕熱板、傳感器引線口、冷浴液導管進出口、土樣平臺、下控溫板、上控溫板、固定橫梁、側壁支柱、頂蓋、扣件、冷浴液接口、導液管、1#冷浴、2#冷浴、冷浴液、位移傳感器、其他傳感器、水位控制器、水位測試導管、導水管、導水管接口、硬板、補水槽、風扇、可旋轉灑水噴頭、固定框架、數據採集儀及計算機組成。模型箱體和頂蓋通過扣件為一封閉整體，底部置有腳輪，模型箱體側壁由不鏽鋼夾保溫材料構成，內壁敷有光滑絕熱板，模型箱體每個側壁拐角設側壁支柱，用於支撐和固定上控溫板和下控溫板，上控溫板下方依序置有固定橫梁和硬板，固定橫梁與固定框架用於固定模型箱內壁，固定橫梁上裝有風扇和可旋轉灑水噴頭；下控溫板位於模型箱體的底部，其上部設置補水槽，補水槽上布設透水膜為土樣平臺，土樣居於硬板與土樣平臺之間；位移傳感器下部穩固於固定橫梁上，其頭部探針通過硬板與土樣頂面接觸，其他傳感器通過模型箱左右兩側壁設有的兩個傳感器引線口埋設在測試土樣的截面處，其引線與數據採集儀相連，數據採集儀再與計算機相連；模型箱體外的水位控制器和水位測試導管通過導水管與補水槽兩側的導水管接口相連，模型箱前側壁上、下部設冷浴液導管進出口與上控溫板、下控溫板的冷浴液接口對應；1#冷浴和2#冷浴內分別盛有冷浴液，2#冷浴通過導液管及冷浴液接口與上控溫板連接，1#冷浴通過導液管及冷浴液接口與下控溫板連接。
[0008]上述的其它傳感器為溫度傳感器、體積未凍水含量傳感器、土水勢傳感器、熱通量傳感器和變形傳感器。
[0009]本發明的優點和產生的有益效果是:
1、本發明採用大容積、大尺寸的模型箱，箱體內可布置傳感器的測點多，有效克服了現有模型試驗由於土樣尺寸小、試驗系統功能有限的不足。通過冷浴分別控制模型箱內上、下控溫板的溫度，箱體頂部設置風扇和可旋轉灑水噴頭，使上下兩個獨立冷浴和補水系統實現凍融試驗控溫與補水的同步進行，並且利用大尺寸土樣內的多種傳感器對試樣內部的溫度、體積未凍水含量、土水勢、熱通量及土樣變形等進行有效測試。從而實現了土樣凍融過程中多種物理力學參數的同時測量，實現了野外大氣環境中風和降雨過程的模擬，為大尺寸土樣室內試驗開闢了一條新途徑。
[0010]2、本發明既能通過底部補水系統實現開放環境的凍融試驗，又能通過關閉補水系統實現封閉環境的凍融試驗，並可由自動補水控制器調節水分補給量，模擬多種試驗條件，實現對季節凍土的有效模擬；也可通過設置下控溫板為負溫，關閉補水系統，通過在下部土層中設置人造冰層來達到模擬多年凍土的目的。
[0011]3、本發明可根據不同行業規範和標準設計試驗凍融過程，多樣化自由增減測試元件(如各類傳感器等)，兼容性好，二次開發程度高，可實現差異化試驗設計。
[0012]4、本發明結構簡單、易於操作、對工作環境條件要求低、工作穩定，同時通過計算機實現對整個試驗裝置的一體化管理與控制。具有試驗功能強、測試要素多、數據測試準確、易於操作和控制等優點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發明結構示意圖。
[0014]圖2是模型箱的俯視圖。
[0015]圖3是模型箱的側視圖。
[0016]圖4是模型箱內土樣上部0.75m位置處體積未凍水含量隨溫度變化曲線。
[0017]圖5為模型箱內土樣上部0.75m位置處土水勢隨溫度變化曲線。
[0018]圖6為模型箱內土樣整體凍脹變形隨時間變化曲線。
[0019]

【具體實施方式】
下面結合附圖，對本發明再做進一步的說明:
如圖廣3所示，一種多功能一體化式土體凍融試驗系統，是由整體式模型箱1、腳輪2、光滑Stp絕熱板3、傳感器引線口 4、冷浴液導管進出口 5、土樣平臺6、下控溫板7、上控溫板8、固定橫梁9、側壁支柱10、頂蓋11、扣件12、冷浴液接口 13、導液管14、1#冷浴15、2#冷浴16、冷浴液17、位移傳感器18、其他傳感器19、水位控制器20、水位測試導管21、導水管22、導水管接口 23、硬板24、補水槽25、風扇26、可旋轉灑水噴頭27、固定框架28、數據採集儀29及計算機30組成。模型箱體I和頂蓋11通過扣件12形成一封閉整體(可為長方體或圓柱體)，其底部設360度活動腳輪2。模型箱I側壁由不鏽鋼夾PVC保溫材料構成，保溫材料厚度不小於0.1m,內壁敷有光滑絕熱板3，模型箱體I每個側壁拐角設側壁支柱10，用於支撐和固定上控溫板8和下控溫板7，上控溫板8下方依序置有固定橫梁9和硬板24，固定橫梁9與固定框架28固定於模型箱內壁，固定框架28上裝有風扇26和可旋轉灑水噴頭27，下控溫板7位於模型箱體I的底部，其上部設置補水槽25，補水槽25上布設透水膜為土樣平臺6,保證土樣的穩定性及底部補水暢通,土樣居於硬板24與土樣平臺6之間；位移傳感器18下部穩固於固定橫梁9上，其頭部探針通過硬板24與土樣頂面接觸，其他傳感器19包括溫度傳感器、體積未凍水含量傳感器、土水勢傳感器、熱通量傳感器。通過模型箱I左右兩側壁設有的兩個傳感器引線口 4分布均勻地埋設在測試土樣的截面處，其引線穿過傳感器引線口 4分別與電源和數據採集儀29相連，數據採集儀再與計算機30相連，實現對溫度、體積未凍水含量、土水勢、熱通量數據採集。模型箱體I外的水位控制器20和水位測試導管21通過導水管22與補水槽兩側的導水管接口 23相連，實現水位控制和測試。模型箱I前側壁上、下部設冷浴液導管進出口 5，與上控溫板8、下控溫板7的冷浴液接口 13對應。
[0020]實施過程中，首先在模型箱I底部布置好下控溫板7，依次向上布設補水槽25及土樣平臺6。緊接著是在土樣平臺6上開始裝樣，裝樣過程中按照目前規範要求採用分層壓密的方式進行。土樣可為不同土質、不同粒徑、不同含水量的一種或幾種的組合，並在土樣頂面通過固定橫梁9和硬板24設置位移傳感器18，同時在測試土樣中均勻埋設其它傳感器19，連好引線。然後布置裝有風扇26和可旋轉灑水噴頭27的固定框架28，再將上控溫板8就位，並用防水保溫材料密封周圍縫隙，同時將冷浴液導管進出口 5和傳感器引線口 4也進行保溫密封，最後關閉模型箱頂蓋11並用扣件12扣死使模型箱I形成為一個封閉整體，最大程度實現保溫效果，降低周圍環境溫度對試驗過程的影響程度。1#冷浴15和2#冷浴16內分別盛有冷浴液17，1#冷浴15通過導液管14及冷浴液接口 13與下控溫板7連接，2#冷浴16通過導液管14及冷浴液接口 13與上控溫板8連接，實現了將冷浴液注入上、下控溫板進行控溫的效果，冷浴液可為酒精、或煤油等低凝固點的液體。導液管外壁設置PVC保溫材料，進行隔熱保溫，保溫材料厚度>5 cm，導熱係數< 0.025 ff/ (m*°C)。根據試驗設計要求可選擇打開風扇26模擬野外風以及打開可旋轉灑水噴頭27模擬降雨過程，並可由自動補水控制器20調節水分補給量，通過水位測試導管21實現水位調整過程可視化。試驗開始後將各類傳感器與數據採集儀29相連，數據採集儀29與計算機30相連，設置好採集頻率後可實現數據自動化採集，通過計算機實現對整個試驗裝置的一體化管理與控制。
[0021]測試實例
利用本發明對尺寸為0.95mX0.95mX0.80m (長、寬、高)的大尺寸土樣進行了凍結試驗。試驗土樣材料選取青藏粉質粘土，粒徑d < 2 mm,初始體積含水量37_38%。
[0022]首先將土樣恆溫，使其內部溫度均勻分布後，通過冷浴控制模型箱內上控溫板8的溫度為-10.(TC，下控溫板7的溫度+1.5°C，對土樣進行凍結試驗。數據採集時間間隔為每10分鐘一次，試驗主要對土樣的溫度、體積未凍水含量、土水勢、凍脹變形等要素進行了測試。
[0023]考慮到土樣頂部按負溫控制，導致土樣上部各要素的變化相對顯著，因此選擇土樣上部0.75m位置埋設溫度傳感器、體積未凍水含量傳感器、土水勢傳感器，將溫度、體積未凍水含量、土水勢作為研究對象。圖4是模型箱內土樣上部0.75m位置處體積未凍水含量隨溫度變化曲線。從該圖4可以看出:在整個試驗過程中，土樣在正溫條件下因未凍結，體積未凍水含量基本保持不變，而到了負溫狀態時，測試點土樣開始凍結，體積未凍水含量迅速降低；圖5為模型箱內土樣上部0.75m位置處土水勢隨溫度變化曲線。該曲線的變化趨勢與體積未凍水含量變化趨勢具有一致性，這也表明土樣的土水勢與其體積未凍水含量密切相關，具體表現為隨著溫度降低至水的凍結溫度後，處於飽和狀態的土樣中液態水開始凍結，未凍水含量開始減小，土中未凍水由於受到土壤毛管產生的毛管力和土粒表面的吸附力所引起的土水勢(負值)開始減小，這與試驗結果是相吻合的。
[0024]圖6為模型箱內土樣整體凍脹變形隨時間變化曲線。從圖6中可以看出土樣在正溫時由於土中液態水未凍結，因此不存在凍脹現象；而在土樣開始凍結時，一方面隨著土中液態水向固態冰的轉變引起土樣整體的體積增大，另一方面由於水分向凍結鋒面的遷移導致分凝冰的出現，二者綜合作用致使土樣凍脹量呈逐漸增大趨勢。
[0025]通過以上分析，我們發現該試驗系統能夠簡單、準確地測試土樣在環境溫度變化過程中溫度、體積未凍水含量、土水勢、凍脹變形等關鍵要素的變化特徵，且本試驗系統具有控溫、補水等多項功能，這足以表明本試驗系統不僅能夠有效地完成土體的凍融試驗，而且具有很高的準確性和實用性。
【權利要求】
1.一種多功能一體化式土體凍融試驗系統，是由模型箱體(I)、腳輪(2)、光滑絕熱板(3)、傳感器引線口(4)、冷浴液導管進出口(5)、土樣平臺(6)、下控溫板(7)、上控溫板(8)、固定橫梁(9)、側壁支柱(10)、頂蓋(11)、扣件(12)、冷浴液接口(13)、導液管(14)、1#冷浴(15)、2#冷浴(16)、冷浴液(17)、位移傳感器(18)、其他傳感器(19)、水位控制器(20)、水位測試導管(21)、導水管(22)、導水管接口(23)、硬板(24)、補水槽(25)、風扇(26)、可旋轉灑水噴頭(27)、固定框架(28)、數據採集儀(29)及計算機(30)組成，模型箱體(I)和頂蓋(11)通過扣件(12)為一封閉整體，底部置有腳輪(2)，其特徵是模型箱體(I)側壁由不鏽鋼夾保溫材料構成，內壁敷有光滑絕熱板(3 )，模型箱體(I)每個側壁拐角設側壁支柱(10 )，用於支撐和固定上控溫板(8 )和下控溫板(7 )，上控溫板(8 )下方依序置有固定橫梁(9 )和硬板(24)，固定橫梁(9)與固定框架(28)用於固定模型箱內壁，固定橫梁(9)上裝有風扇(26)和可旋轉灑水噴頭(27);下控溫板(7)位於模型箱體(I)的底部，其上部設置補水槽(25)，補水槽(25)上布設透水膜為土樣平臺(6)，土樣居於硬板(24)與土樣平臺(6)之間；位移傳感器(18)下部穩固於固定橫梁(9)上，其頭部探針通過硬板(24)與土樣頂面接觸，其他傳感器(19 )通過模型箱(I)左右兩側壁設有的兩個傳感器弓I線口( 4 )埋設在測試土樣的截面處，其引線與數據採集儀(29)相連，數據採集儀再與計算機(30)相連；模型箱體(I)外的水位控制器(20)和水位測試導管(21)通過導水管(22)與補水槽(25)兩側的導水管接口(23)相連，模型箱(I)前側壁上、下部設冷浴液導管進出口(5)與上控溫板(8)、下控溫板(7 )的冷浴液接口( 13 )對應；1#冷浴(15 )和2#冷浴(16 )內分別盛有冷浴液(17 )，2#冷浴(16)通過導液管(14)及冷浴液接口( 13)與上控溫板(8)，連接、1#冷浴(15)通過導液管(14)及冷浴液接口(13)與下控溫板(7)連接。
2.根據權利要求1所述一種多功能一體化式土體凍融試驗系統，其特徵是上述的其它傳感器(19)為溫度傳感器、體積未凍水含量傳感器、土水勢傳感器、熱通量傳感器和變形傳感器。
【文檔編號】G01N33/24GK104267172SQ201410515981
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】張明義, 張熙胤, 路建國, 裴萬勝 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所