專(zhuān)利名稱(chēng)：多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)公路路基土試驗(yàn)的技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種 多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，適應(yīng)季凍區(qū)路基土試驗(yàn)的復(fù)雜溫度、水分邊界條件以 及平行試驗(yàn)要求，從而實(shí)現(xiàn)最不利狀態(tài)下季凍區(qū)路基土回彈模量和CBR強(qiáng)度等工程設(shè)計(jì)參 數(shù)測(cè)定。
背景技術(shù)：
我國(guó)季節(jié)凍土分布面積十分廣泛，遍布緯度高于24°的地區(qū)，其分布面積為 5. 137X 106km2,占國(guó)土面積的53. 5%。季凍區(qū)的公路、鐵路等線形構(gòu)筑物的路基或地基都 隨著冬夏冷暖交替，土體發(fā)生著凍結(jié)融化，這種現(xiàn)象我們稱(chēng)之為凍融循環(huán)。在凍融過(guò)程中土 體的物理力學(xué)性質(zhì)不斷發(fā)生著變化，同時(shí)土體會(huì)伴隨著凍脹融沉變形和凍結(jié)水分遷移，這 系列凍融作用使得公路土基回彈模量劣化，造成路面結(jié)構(gòu)底基層底部附加彎拉應(yīng)力增加， 在行車(chē)荷載作用下土基產(chǎn)生過(guò)大塑性變形，從而引起底基層過(guò)早疲勞破壞，公路路面使用 壽命減少。文獻(xiàn)資料研究表明目前在季凍區(qū)凍害使得公路的使用壽命減小了 50%，并且 大大地增加了道路維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，浪費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。隨著季凍區(qū)高速公路蓬勃發(fā)展，設(shè)計(jì)、科研、管理養(yǎng)護(hù)單位逐漸認(rèn)識(shí)了凍融作用對(duì) 路基路面破壞機(jī)理?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路浙青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》都明確指出公路路 基路面設(shè)計(jì)路基回彈模量均取公路路基最不利狀態(tài)下試驗(yàn)得到的土基回彈模量。季凍區(qū)公路路基最不利狀態(tài)是在經(jīng)歷若干次凍融循環(huán)后的春融期，此時(shí)路基濕度 最大，土基回彈模量最小。為了研究?jī)鋈谧饔脤?duì)季凍區(qū)路基路用性能的演化規(guī)律，為了獲 得準(zhǔn)確的路基路面工程設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)季凍區(qū)公路路基填料及原狀地基土進(jìn)行最不利狀態(tài)的 回彈模量、加州承載比CBR試驗(yàn)是必要。我國(guó)公路行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)路 基填料回彈模量、CBR試驗(yàn)的試樣尺寸、試驗(yàn)裝置以及技術(shù)要領(lǐng)都進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定“土的回 彈模量試驗(yàn)、承載比CBR試驗(yàn)由三個(gè)平行試樣的平均值確定，每個(gè)平行試驗(yàn)結(jié)果與均值相 差不應(yīng)超過(guò)5%”，也就是說(shuō)季凍區(qū)路基填料最不利狀態(tài)下的回彈模量、CBR試驗(yàn)也必須得 遵守公路行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》之規(guī)定，以便試驗(yàn)參數(shù)能夠直接被設(shè)計(jì)人員采 用。季凍區(qū)路基土在冬季凍結(jié)時(shí)地下水能夠通過(guò)毛細(xì)作用和凍結(jié)作用向凍結(jié)端遷移， 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備必須能模擬這一對(duì)路基性能影響巨大的物理過(guò)程，因此凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)必須 有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)水分補(bǔ)給系統(tǒng)，使得試驗(yàn)土樣能夠在水分開(kāi)放系統(tǒng)下進(jìn)行凍結(jié)和融化。綜上所述，在室內(nèi)進(jìn)行季凍區(qū)公路路基回彈模量、CBR試驗(yàn)必須同時(shí)滿足以下幾個(gè) 方面的要求①凍結(jié)過(guò)程中土樣底部與底板間能發(fā)生水力聯(lián)系，使得土樣處于開(kāi)放系統(tǒng)，模 擬凍融過(guò)程中水分在土基中補(bǔ)給與遷移過(guò)程；②能夠保證若干個(gè)土樣頂板、底板溫度相同 且同步變化，以便保證反復(fù)凍融土樣的初始狀態(tài)和溫度狀態(tài)是相同的，滿足《公路土工試驗(yàn) 規(guī)程》對(duì)平行試樣的要求；③試樣尺寸必須和回彈模量、CBR測(cè)試裝置直接對(duì)接。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)從事凍土研究、凍土工程設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了調(diào)研，目前凍融試驗(yàn)裝置情況如下以中國(guó)科學(xué)院凍土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為代表的凍融試驗(yàn)設(shè)備僅能考慮開(kāi)放系統(tǒng)下水 分遷移，一次只能完成一個(gè)土樣試驗(yàn)不能滿足一組土樣力學(xué)指標(biāo)平行試驗(yàn)要求；吉林大學(xué) 劉寒冰教授發(fā)明專(zhuān)利《凍融循環(huán)下路基材料力學(xué)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)機(jī)》介紹的試驗(yàn)裝置主要功 能是在動(dòng)載荷下凍融進(jìn)展過(guò)程中測(cè)試路基材料動(dòng)力特性參數(shù)及凍脹量、路面彎沉值，但不 能考慮地下水分補(bǔ)給，不能完成和現(xiàn)行規(guī)范回彈模量、CBR試驗(yàn)條件直接對(duì)接，同時(shí)也不能 進(jìn)行平行試驗(yàn)；國(guó)內(nèi)還有其他高?；蜓芯繂挝粚⑼林苯臃湃氡渲羞M(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)， 這種方法不僅土柱凍結(jié)方式(溫度梯度狀態(tài))和季凍區(qū)路基土凍結(jié)方式完全不同，而且不 能模擬凍融過(guò)程中水分在土基中補(bǔ)給與遷移過(guò)程。目前已有的試驗(yàn)裝置尚不能滿足季凍區(qū)最不利狀態(tài)下力學(xué)指標(biāo)測(cè)試要求，因此研 制既能模擬凍融過(guò)程中水分在土基中補(bǔ)給與遷移過(guò)程，又能保證若干個(gè)土樣頂板、底板溫 度相同且同步變化，以便保證反復(fù)凍融土樣的初始狀態(tài)和溫度狀態(tài)是相同的滿足《公路土 工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)平行試樣的要求，同時(shí)試樣尺寸必須和回彈模量、CBR測(cè)試裝置直接對(duì)接的 試驗(yàn)裝置，測(cè)試最不利狀態(tài)下季凍區(qū)路基土回彈模量和強(qiáng)度參數(shù)是十分亟待解決的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的它克服了現(xiàn)有凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置的缺點(diǎn)和不足，是在于提供了一種 多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，具有同時(shí)滿足以下三方面功能要 求的特點(diǎn)①凍結(jié)過(guò)程中土樣底部與底板間能發(fā)生水力聯(lián)系，使得土樣處于開(kāi)放系統(tǒng)，模擬 凍融過(guò)程中水分在土基中補(bǔ)給與遷移過(guò)程；②能夠保證若干個(gè)土樣頂板、底板溫度相同且 同步變化，以便保證反復(fù)凍融土樣的初始狀態(tài)和溫度狀態(tài)是相同的，滿足《公路土工試驗(yàn)規(guī) 程》對(duì)平行試樣的要求；③試樣尺寸必須和回彈模量、CBR測(cè)試裝置直接對(duì)接。不僅能實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)有試驗(yàn)裝置進(jìn)行凍土水分遷移、溫度場(chǎng)測(cè)試等理論研究功能和凍脹量、融沉量變形參數(shù) 測(cè)試要求，更能完成現(xiàn)有裝置不能實(shí)現(xiàn)的最不利狀態(tài)下季凍區(qū)路基土回彈模量和CBR強(qiáng)度 等工程設(shè)計(jì)參數(shù)測(cè)定，具有能進(jìn)行平行試驗(yàn)，試驗(yàn)精度高、結(jié)果可靠、能直接為工程設(shè)計(jì)提 供必要設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提供的一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，包括水分補(bǔ)給系統(tǒng)、溫控 系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用三套獨(dú)立的溫控設(shè)備分別控制恒溫箱體、土樣頂端 熱交換器、土樣底端熱交換器來(lái)模擬季凍區(qū)路基不同季節(jié)的溫度邊界。恒溫箱體溫控系統(tǒng) 由試驗(yàn)機(jī)箱體、箱體內(nèi)保溫材料、箱體溫度控制器、離心風(fēng)機(jī)、風(fēng)道板、蒸發(fā)器、程序控制面 板、散熱板、壓縮機(jī)、冷凝器組成，由壓縮機(jī)抽吸蒸發(fā)器中的蒸氣送往冷凝器，產(chǎn)生冷氣傳遞 至離心風(fēng)機(jī)，經(jīng)過(guò)風(fēng)道板由散熱板向內(nèi)置保溫材料的試驗(yàn)機(jī)箱體散熱，使得內(nèi)置保溫材料 的試驗(yàn)機(jī)箱體保持設(shè)定的恒溫狀態(tài)，溫度控制器連接蒸發(fā)器和壓縮機(jī)，通過(guò)溫度控制器對(duì) 試驗(yàn)機(jī)箱體進(jìn)行溫度控制。土樣頂端熱交換器溫控系統(tǒng)由制冷循環(huán)機(jī)組、程序控制面板、 耐壓硅膠管、頂板熱交換器、頂板冷卻液通道、頂板冷卻液循環(huán)管路組成，其連接關(guān)系是用 耐壓硅膠管將頂板冷卻液循環(huán)管路與制冷循環(huán)機(jī)組連接，通過(guò)頂板冷卻液通道將頂板熱交 換器并聯(lián)在頂板冷卻液循環(huán)管路上，使得冷卻液在制冷循環(huán)機(jī)組和六個(gè)頂板熱交換器之間 循環(huán)。土樣底端熱交換器溫控系統(tǒng)由制冷循環(huán)機(jī)組、程序控制面板、耐壓硅膠管、底板熱交 換器、底板冷卻液通道、底板冷卻液循環(huán)管路組成，其連接關(guān)系是用耐壓硅膠管將底板冷卻液循環(huán)管路與制冷循環(huán)機(jī)組連接，通過(guò)底板冷卻液通道將底板熱交換器并聯(lián)在底板冷卻 液循環(huán)管路上，使得冷卻液在制冷循環(huán)機(jī)組和六個(gè)底板熱交換器之間循環(huán)。六個(gè)相同的樣 品筒放置在試樣支架中，樣品筒內(nèi)從下向上依次放置底板熱交換器、路基土試樣、頂板換熱 器，六個(gè)頂板換熱器通過(guò)頂板冷卻液通道與頂板冷卻液循環(huán)管路并聯(lián)，六個(gè)底板換熱器通 過(guò)底板冷卻液通道與底板冷卻液循環(huán)管路并聯(lián)。兩個(gè)循環(huán)制冷機(jī)組和箱體溫度控制器均與 程序控制面板相連，通過(guò)程序控制面板對(duì)恒溫箱體和兩個(gè)循環(huán)制冷機(jī)組進(jìn)行可編程溫度控 制，從而模擬了凍融循環(huán)過(guò)程中路基土的溫度邊界條件，并且保證了 6個(gè)路基土土樣溫度 邊界條件相同。水分補(bǔ)給系統(tǒng)包括補(bǔ)水通道、馬氏瓶、導(dǎo)水底座，其連接關(guān)系是補(bǔ)水通道將馬氏 瓶中的蒸餾水與導(dǎo)水底座相連，連接方式是使用橡皮軟管對(duì)接，導(dǎo)水底座用螺釘固定在底 板換熱器頂端；水分補(bǔ)給系統(tǒng)作用是在試驗(yàn)過(guò)程中土樣與馬氏瓶中蒸餾水保持水力聯(lián) 系，以模擬路基土在凍融過(guò)程路提本體以外環(huán)境的水分補(bǔ)給條件。測(cè)試系統(tǒng)包括兩部分，一部分是傳感器元件，包括溫度傳感器、位移傳感器、土壤 水分傳感器；另一部分是《土工試驗(yàn)規(guī)程》中指定土的回彈模量試驗(yàn)裝置和承載比CBR試驗(yàn) 裝置。溫度傳感器分別以間距20mm沿土樣高度方向埋設(shè)，土壤水分傳感器均勻的分布于土 樣上中下部位，位移傳感器與頂板換熱器上部接觸，并預(yù)留足夠量程。傳感器元件是用來(lái)監(jiān) 測(cè)和獲取試驗(yàn)過(guò)程中土樣不同位置的溫度、含水率以及土樣頂部的位移；凍融循環(huán)試驗(yàn)完 成后將路基土試樣與樣品筒整體取出后放置在回彈模量試驗(yàn)裝置和承載比CBR試驗(yàn)裝置 中對(duì)凍融循環(huán)后土樣進(jìn)行公路路基土回彈模量、承載比CBR參數(shù)測(cè)試。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)，其連接關(guān)系為將溫度傳感器、位移傳感 器、土壤水分傳感器與數(shù)據(jù)采集儀相連，數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)相連，其作用是采集并存儲(chǔ)試 驗(yàn)數(shù)據(jù)。樣品支架用來(lái)支撐六個(gè)樣品筒，六個(gè)樣品筒內(nèi)徑與擊實(shí)儀、CBR強(qiáng)度儀以及回彈模 量強(qiáng)度儀的樣品筒內(nèi)徑完全相同，路基土試樣置于樣品筒中，土樣頂端和低端分別放置頂 板換熱器和底板換熱器，六個(gè)頂板、底板熱交換器與冷卻液循環(huán)管路并聯(lián)，其作用是使六 組土樣的溫度邊界條件相同，從而能完成平行試驗(yàn)。本發(fā)明提供的一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置在路基土試樣凍結(jié)過(guò)程中 能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)給水分、使六組土樣的溫度邊界條件相同，從而能完成平行試驗(yàn)、樣品筒尺寸規(guī)格 和《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》擊實(shí)試驗(yàn)、承載比(CBR)試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)樣品筒尺寸完全相同 在試驗(yàn)過(guò)程可以完全對(duì)接，解決了季凍區(qū)最不利季節(jié)土基回彈模量、CBR參數(shù)測(cè)試問(wèn)題。本發(fā)明的多功能土基凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)能夠完成如下試驗(yàn)1)凍融循環(huán)作用下公路路基土力學(xué)參數(shù)(CBR、回彈模量、壓縮系數(shù))測(cè)試2)裂隙巖體、混凝土、無(wú)機(jī)混合料、路面基層材料凍融特性檢測(cè)；3)考慮水分遷移條件下土體凍融循環(huán)試驗(yàn)；4)凍融過(guò)程中巖土體溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)分布研究；本發(fā)明的特點(diǎn)是通過(guò)獨(dú)立的大制冷量、高流量、高壓力、低溫度波動(dòng)的制冷循環(huán) 機(jī)組通過(guò)可編程溫控元件控制六組土樣頂端、底端熱交換器，模擬季凍區(qū)路基土頂部、底板 溫度隨季節(jié)交替變化，同時(shí)六組土樣的溫度邊界條件完全相同，能達(dá)到平行試驗(yàn)之要求；六 組獨(dú)立控制的水分補(bǔ)給裝置分別向各組試樣進(jìn)行水分補(bǔ)給以季凍區(qū)路基土模擬凍融過(guò)程中環(huán)境的水分補(bǔ)給，通過(guò)對(duì)多組平行試驗(yàn)進(jìn)行路基土回彈模量、CBR力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，能夠有 效地降低試驗(yàn)系統(tǒng)誤差，提供的試驗(yàn)結(jié)果更科學(xué)可靠，為季凍區(qū)公路勘察設(shè)計(jì)提供的設(shè)計(jì) 參數(shù)更加準(zhǔn)確合理。


圖1為一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置的方框示意框圖；圖2是本發(fā)明的正面透視圖；圖3 —種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置側(cè)面透視圖；圖4是本發(fā)明圖3的A向視圖；圖5是本發(fā)明圖2的B向視圖；圖6是樣品圖放大圖；圖7是一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置試驗(yàn)效果圖。該圖是利用本發(fā)明將 恒溫箱體設(shè)置為+5°C，底板循環(huán)制冷機(jī)組設(shè)置為_(kāi)15°C六個(gè)底板換熱器溫度監(jiān)測(cè)值。從圖 中可以得出每個(gè)底板熱交換器溫度最大波動(dòng)度為士0. 05°C，六個(gè)底部熱交換器彼此溫度均 勻度士0. 085°C，溫度變化幅度均在公路工程精度許可范圍內(nèi)。圖中部位及所對(duì)應(yīng)的標(biāo)記試驗(yàn)機(jī)箱體1、箱體內(nèi)保溫材料2(聚氨酯PU發(fā)泡材 料)、循環(huán)制冷機(jī)組3a(杭州雪中炭XT5405E，由加熱元件、制冷元件、冷卻液、溫度控制元 件組成)、循環(huán)制冷機(jī)組3a(杭州雪中炭XT5405E，由加熱元件、制冷元件、冷卻液、溫度控 制元件組成)、箱體溫度控制器4(杭州雪中炭CD3192C0M+)、離心風(fēng)機(jī)5(杭州微光電子 YWL92-2E-25B-220)、風(fēng)道板6、蒸發(fā)器7 (杭州來(lái)氏鋁業(yè)EC5-30U25-6-760)、馬氏瓶8 (馬卿 特瓶380ml，上海銀洲)、程序控制面板9 (杭州雪中炭5405E-11)、散熱板10、耐壓硅膠管 11 (Saint-Gobain STHT-W型)、試樣支架12、導(dǎo)水底座12a (杭州雪中炭DZ5405)、頂板換熱 器13 (杭州雪中炭5405E-16)、路基土試樣14、底板換熱器15 (杭州雪中炭5405E-16,由)、 壓縮機(jī)16 (Danfoss SC21CL)、冷凝器17 (浙江高翔工貿(mào)FNH-1. 2/4. 0)、樣品筒18、補(bǔ)水通道 19、溫度傳感器20 (深圳三達(dá)特DS18B20)、位移傳感器21 (深圳米朗KSP)、土壤水分傳感器 22 (杭州匯爾儀器FDS-100)、底板冷卻液通道23、底板冷卻液循環(huán)管路24、頂板冷卻液通道 25、頂板冷卻液循環(huán)管路26。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述根據(jù)圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6可知，本發(fā)明包括水分補(bǔ)給系統(tǒng)A、溫控系統(tǒng)B、 測(cè)試系統(tǒng)C和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D。在凍融循環(huán)試驗(yàn)中試樣E放置在恒溫系統(tǒng)B中，水分補(bǔ)給系 統(tǒng)A與試樣E的六個(gè)路基土試樣14底部相連，測(cè)試系統(tǒng)C的溫度傳感器20、土壤水分傳感 器22埋設(shè)在試樣E的六個(gè)路基土試樣14中、測(cè)試系統(tǒng)C的位移傳感器21與溫控系統(tǒng)B的 頂板換熱器13頂部接觸，通過(guò)導(dǎo)線將測(cè)試系統(tǒng)C的溫度傳感器20、位移傳感器21、土壤水 分傳感器22與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D的數(shù)據(jù)采集儀采集通道相連，用串口數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)采集儀串 口與電腦串口相連。這些連接的作用是溫控系統(tǒng)B給試樣E提供溫度可以精確控制的溫 度邊界條件，以模擬季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)路基土不同季節(jié)下的溫度邊界條件；水分補(bǔ)給系統(tǒng)A模 擬路基土在凍融過(guò)程中路提本體以外環(huán)境的水分補(bǔ)給；測(cè)試系統(tǒng)C可以監(jiān)測(cè)試樣E在試驗(yàn)
6過(guò)程中溫度值、未凍水含水量、試樣E頂部位移變化量；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D采集并存儲(chǔ)測(cè)試系 統(tǒng)C監(jiān)測(cè)的溫度、未凍水含水量以及位移值。凍融循環(huán)(反復(fù)凍融循環(huán))試驗(yàn)完成后將凍融 循環(huán)后試樣E取出后放置在測(cè)試系統(tǒng)C的路基土回彈模量測(cè)試裝置(北京朝陽(yáng)路達(dá)LD116 杠桿壓力儀)、承載比CBR測(cè)試裝置(北京朝陽(yáng)路達(dá)LD116路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀)中按照中 華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中土的回彈模量試驗(yàn)方法、土的承載比CBR試 驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。水分補(bǔ)給系統(tǒng)A包括補(bǔ)水通道19、馬氏瓶8、試樣支架(12)、導(dǎo)水底座12a，其連接 關(guān)系是補(bǔ)水通道19中的馬氏瓶8的蒸餾水與導(dǎo)水底座12a相連，導(dǎo)水底座12a用螺釘固 定在底板換熱器15頂端，馬氏瓶8水位高度由刻度讀出，可以精確至毫米；恒溫溫控系統(tǒng)B由三套獨(dú)立的溫控系統(tǒng)構(gòu)成，分別為恒溫箱體溫控系統(tǒng)、土樣頂 端熱交換器溫控系統(tǒng)、土樣底端熱交換器溫控系統(tǒng)。恒溫箱體溫控系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)箱體1、箱 體內(nèi)保溫材料2、箱體溫度控制器4、離心風(fēng)機(jī)5、風(fēng)道板6、蒸發(fā)器7、程序控制面板9、散熱 板10、壓縮機(jī)16、冷凝器17組成，由壓縮機(jī)16抽吸蒸發(fā)器7中的蒸氣送往冷凝器17，產(chǎn)生 冷氣傳遞至離心風(fēng)機(jī)5，經(jīng)過(guò)風(fēng)道板6由散熱板10向內(nèi)置保溫材料2的試驗(yàn)機(jī)箱體1散熱， 使得內(nèi)置保溫材料2的試驗(yàn)機(jī)箱體1保持設(shè)定的恒溫狀態(tài)，溫度控制器4連接蒸發(fā)器7和 壓縮機(jī)16，通過(guò)溫度控制器4對(duì)試驗(yàn)機(jī)箱體1進(jìn)行溫度控制；土樣頂端熱交換器溫控系統(tǒng) 由制冷循環(huán)機(jī)組3a、程序控制面板9、耐壓硅膠管11、頂板熱交換器13、頂板冷卻液通道25、 頂板冷卻液循環(huán)管路26組成，連接關(guān)系是用耐壓硅膠管11將頂板冷卻液循環(huán)管路26與 制冷循環(huán)機(jī)組3a連接，通過(guò)頂板冷卻液通道25將頂板熱交換器13并聯(lián)在頂板冷卻液循環(huán) 管路26上，使得冷卻液在制冷循環(huán)機(jī)組3a和六個(gè)頂板熱交換器13之間循環(huán)。土樣底端熱 交換器溫控系統(tǒng)由制冷循環(huán)機(jī)組3b、程序控制面板9、耐壓硅膠管11、底板熱交換器15、底 板冷卻液通道23、底板冷卻液循環(huán)管路24組成，連接關(guān)系是用耐壓硅膠管11將底板冷卻 液循環(huán)管路24與制冷循環(huán)機(jī)組3b連接，通過(guò)底板冷卻液通道23將底板熱交換器15并聯(lián) 在底板冷卻液循環(huán)管路24上，使得冷卻液在制冷循環(huán)機(jī)組3b和六個(gè)底板熱交換器15之間 循環(huán)。六個(gè)相同的樣品筒18置于試樣支架12中，樣品筒18內(nèi)從下向上依次放置底板熱交 換器15、路基土試樣14、頂板換熱器13，六個(gè)頂板換熱器通過(guò)頂板冷卻液通道25與頂板冷 卻液循環(huán)管路26并聯(lián)，六個(gè)底板換熱器通過(guò)底板冷卻液通道23與底板冷卻液循環(huán)管路24 并聯(lián)。循環(huán)制冷機(jī)組3a、循環(huán)制冷機(jī)組3b以及箱體溫度控制器4均與程序控制面板9相 連，其作用通過(guò)程序控制面板9進(jìn)行可編程控制制冷循環(huán)機(jī)組3a、制冷循環(huán)機(jī)組3b的溫 度控制元件和箱體溫度控制器4，從而控制頂板熱交換器13和底板熱交換器15的溫度以及 試驗(yàn)機(jī)箱體1內(nèi)的溫度。試驗(yàn)機(jī)箱體1溫度范圍為_(kāi)20°C +40°C，溫度波動(dòng)度為士0. 1°C， 試驗(yàn)過(guò)程箱體始終保持正溫，目的是使得試樣土樣底部補(bǔ)水裝置溫度狀態(tài)為正溫且相對(duì)穩(wěn) 定，使得路基底部地下水順利補(bǔ)給；在凍結(jié)過(guò)程中頂板換熱器13通過(guò)程序控制面板9編程 控制為負(fù)溫模擬路基頂面溫度狀況，底板換熱器15保持正溫以模擬路基底部溫度邊界；在 融化過(guò)程中頂板換熱器13通過(guò)程序控制面板9編程控制為正溫模擬春融期路基頂面的溫 度邊界條件，底板換熱器15保持正溫不變。循環(huán)制冷機(jī)組3a和循環(huán)制冷機(jī)組3b溫度范圍 為-20°C +40°C，溫度波動(dòng)度為士0. 1 °C，循環(huán)泵流量為20L/min，揚(yáng)程為0. 7m, 6個(gè)頂板換 熱器溫度波動(dòng)度為士0. 1°C，六個(gè)底板換熱器溫度波動(dòng)度為士0. 1°C。該裝置中6組路基土 試樣的溫度邊界條件相同，可進(jìn)行試樣的平行試驗(yàn)。
7
測(cè)試系統(tǒng)C包括溫度傳感器20、位移傳感器21、土壤水分傳感器22以及路基土回 彈模量測(cè)試裝置(北京朝陽(yáng)路達(dá)LD116杠桿壓力儀)和承載比CBR測(cè)試裝置(北京朝陽(yáng)路 達(dá)LDl 16路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀)。連接關(guān)系為凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)溫度傳感器20以間距20mm 沿路基土試樣14高度方向埋設(shè)，土壤水分傳感器22均勻的分布于路基土試樣14上中下部 位，位移傳感器21與頂板換熱器13上部接觸。其作用是溫度傳感器20實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路基土 試樣14在凍融過(guò)程中溫度場(chǎng)變化，水分傳感器22用來(lái)監(jiān)測(cè)路基土試樣14在凍融過(guò)程中未 凍水體積含量，位移傳感器21實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍融過(guò)程中路基土試樣14的變形量，建立變形量隨 時(shí)間的關(guān)系曲線，可以獲得路基填料的凍脹率、融沉系數(shù)；凍融循環(huán)試驗(yàn)完成后將路基土試 樣14與樣品筒18整體取出后放置在測(cè)試系統(tǒng)C的路基土回彈模量測(cè)試裝置(北京朝陽(yáng)路 達(dá)LD116杠桿壓力儀)、承載比CBR測(cè)試裝置(北京朝陽(yáng)路達(dá)LD116路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀) 中按照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中土的回彈模量試驗(yàn)方法、土的承載 比CBR試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。其作用是，將凍融循環(huán)后土樣按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行公 路路基回填模量、承載比CBR參數(shù)平行試驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)D包括數(shù)據(jù)采集儀(DATATAKER DT80G)和計(jì)算機(jī)，連接關(guān)系為通過(guò) 導(dǎo)線將溫度傳感器20、位移傳感器21、土壤水分傳感器22與數(shù)據(jù)采集儀相連，數(shù)據(jù)采集儀 與計(jì)算機(jī)相連，其作用是采集并存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2、圖3中提及的樣品筒18內(nèi)徑為152mm，高170mm，尺寸規(guī)格和《公路土工試驗(yàn) 規(guī)程》擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)樣品筒尺寸完全相同，樣品筒18外側(cè)用聚氨酯PU 發(fā)泡材料保溫絕熱。在測(cè)試過(guò)程中樣品筒18內(nèi)路基土試樣14經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后可以直接放 置在CBR試驗(yàn)裝置、回彈模量試驗(yàn)裝置上直接進(jìn)行CBR試驗(yàn)和回彈模量試驗(yàn)。綜上所述，本發(fā)明通過(guò)水分補(bǔ)給系統(tǒng)A、溫控系統(tǒng)B解決了六組路基土試樣在凍融 過(guò)程中溫度邊界條件相同，使得能夠滿足凍融循環(huán)平行試驗(yàn)要求；同時(shí)解決了凍融過(guò)程中 土樣底部與外界的水力聯(lián)系，使得土樣出于開(kāi)放系統(tǒng)中，有效模擬了路基土的實(shí)際狀態(tài)；樣 品筒18尺寸規(guī)格采用和《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)樣品筒尺 寸完，實(shí)現(xiàn)了凍融后的試樣直接在現(xiàn)有公路土基回填模量、CBR試驗(yàn)儀上進(jìn)行試驗(yàn)，這樣就 可以得到季凍區(qū)最不利季節(jié)下土基回彈模量和CBR參數(shù)。
權(quán)利要求
一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，包括水分補(bǔ)給系統(tǒng)(A)、溫控系統(tǒng)(B)、測(cè)試系統(tǒng)(C)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)，其特征在于在凍融循環(huán)試驗(yàn)中試樣(E)放置在恒溫系統(tǒng)(B)中，水分補(bǔ)給系統(tǒng)(A)與試樣(E)的六個(gè)路基土試樣(14)底部相連，測(cè)試系統(tǒng)(C)的溫度傳感器(20)、土壤水分傳感器(22)埋設(shè)在試樣(E)的六個(gè)路基土試樣(14)中、測(cè)試系統(tǒng)(C)的位移傳感器(21)與溫控系統(tǒng)(B)的頂板換熱器(13)頂部接觸，通過(guò)導(dǎo)線將測(cè)試系統(tǒng)(C)的溫度傳感器(20)、位移傳感器(21)、土壤水分傳感器(22)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)的數(shù)據(jù)采集儀采集通道相連，用串口數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)采集儀串口與電腦串口相連，恒溫溫控系統(tǒng)(B)由三套獨(dú)立的溫控系統(tǒng)構(gòu)成，分別為恒溫箱體溫控系統(tǒng)、土樣頂端熱交換器溫控系統(tǒng)、土樣底端熱交換器溫控系統(tǒng)，恒溫箱體溫控系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)箱體(1)、箱體內(nèi)保溫材料(2)、箱體溫度控制器(4)、離心風(fēng)機(jī)(5)、風(fēng)道板(6)、蒸發(fā)器(7)、程序控制面板(9)、散熱板(10)、壓縮機(jī)(16)、冷凝器(17)組成，溫度控制器(4)連接蒸發(fā)器(7)和壓縮機(jī)(16)，耐壓硅膠管(11)將頂板冷卻液循環(huán)管路(26)與制冷循環(huán)機(jī)組(3a)連接，通過(guò)頂板冷卻液通道(25)將頂板熱交換器(13)并聯(lián)在頂板冷卻液循環(huán)管路(26)上，耐壓硅膠管(11)將底板冷卻液循環(huán)管路(24)與制冷循環(huán)機(jī)組(3b)連接，通過(guò)底板冷卻液通道(23)將底板熱交換器(15)并聯(lián)在底板冷卻液循環(huán)管路(24)上，六個(gè)相同的樣品筒(18)置于試樣支架(12)中，樣品筒(18)內(nèi)從下向上依次放置底板熱交換器(15)、路基土試樣(14)、頂板換熱器(13)，六個(gè)頂板換熱器通過(guò)頂板冷卻液通道(25)與頂板冷卻液循環(huán)管路(26)并聯(lián)，六個(gè)底板換熱器通過(guò)底板冷卻液通道(23)與底板冷卻液循環(huán)管路(24)并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的 水分補(bǔ)給系統(tǒng)(A)包括補(bǔ)水通道(19)、馬氏瓶(8)、試樣支架(12)、導(dǎo)水底座12a，補(bǔ)水通道 (19)中的馬氏瓶(8)的蒸餾水與導(dǎo)水底座(12a)相連，導(dǎo)水底座12a用螺釘固定在底板換 熱器15頂端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的 測(cè)試系統(tǒng)(C)包括溫度傳感器(20)、位移傳感器(21)、土壤水分傳感器(22)、路基土回彈 模量測(cè)試裝置，承載比CBR測(cè)試裝置，溫度傳感器20以間距沿路基土試樣(14)高度方向埋 設(shè)，土壤水分傳感器(22)分布于路基土試樣(14)上中下部位，位移傳感器(21)與頂板換 熱器(13)上部接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的 循環(huán)制冷機(jī)組(3a)、循環(huán)制冷機(jī)組(3b)的溫度控制元件及箱體溫度控制器(4)與程序控制 面板(9)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于所述 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(D)包括數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)，通過(guò)導(dǎo)線將溫度傳感器(20)、位移傳感器 (21)、土壤水分傳感器(22)與數(shù)據(jù)采集儀相連，數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)六個(gè)試樣放置在恒溫系統(tǒng)的六個(gè)頂板熱交換器與六個(gè)底板熱交換器之間，六個(gè)頂、底板熱交換器分別與制冷循環(huán)機(jī)組并聯(lián)，水分補(bǔ)給系統(tǒng)與六個(gè)路基土試樣底部相連，測(cè)試系統(tǒng)的溫度傳感器、土壤水分傳感器埋設(shè)在試樣的六個(gè)路基土試樣中、測(cè)試系統(tǒng)的位移傳感器與溫控系統(tǒng)的頂板換熱器頂部接觸，溫度傳感器、位移傳感器、土壤水分傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀采集通道相連。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，更能完成現(xiàn)有裝置不能實(shí)現(xiàn)的最不利狀態(tài)下季凍區(qū)路基土回彈模量和CBR強(qiáng)度等工程設(shè)計(jì)參數(shù)平行試驗(yàn)測(cè)定，具有試驗(yàn)精度高、結(jié)果可靠、能直接為工程設(shè)計(jì)提供必要設(shè)計(jì)參數(shù)。
文檔編號(hào)E01C3/06GK101923085SQ201010222919
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者付偉, 何斌, 吳萬(wàn)平, 徐月明, 程平, 鄧濤, 阮艷彬 申請(qǐng)人:中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司