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，屬于土工試驗儀器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國凍土面積分布廣泛，其中多年凍土約占國土面積的22.3％，高海拔多年凍土面積世界之最，而季節(jié)性凍土分布更廣泛。近年來，隨著寒區(qū)工程(凍土區(qū)或季凍區(qū)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(qū)工程建設(shè)過程中所面臨的最主要的工程災(zāi)害。陸上油氣管道歷經(jīng)上述凍土區(qū)等地質(zhì)復(fù)雜地段時，由于其輸送的高溫高壓油氣易使沿線的凍土發(fā)生凍脹和融沉災(zāi)害，寒區(qū)埋地管道易發(fā)生“露管”現(xiàn)象，嚴(yán)重時產(chǎn)生屈曲變形；寒區(qū)等級公路途徑凍土區(qū)時，環(huán)境溫度的變化易使道路發(fā)生不均勻變形和路基縱向裂縫、凍脹融沉和翻漿現(xiàn)象。上述寒區(qū)工程的病害特征有所不同，但病害形成的原因歸結(jié)于(1)寒區(qū)工程沿線土體溫度的變化，(2)土體內(nèi)部水分的遷移與結(jié)冰膨脹及(3)土體的凍脹變形。土體在凍脹變形過程中，其內(nèi)部溫度隨環(huán)境溫度的變化而變化，土中水結(jié)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(fā)生變化，并引起土體的孔隙率、滲透特性等主要參數(shù)及水-溫-力耦合特性的改變；溫度變化易使土體內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，而土中水因溫度梯度發(fā)生遷移，土中部分水因溫度梯度結(jié)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，我國主要采用《土工試驗標(biāo)準(zhǔn)》和《凍土工程地質(zhì)勘查規(guī)范》，其規(guī)定了研究凍土性能的幾種主要試驗，包括原位試驗和室內(nèi)試驗，其中，幾種室內(nèi)試驗分別由不同的儀器完成，不僅操作復(fù)雜，而且每次試驗獲得的試驗數(shù)據(jù)有限。凍結(jié)儀是近年來得到應(yīng)用的一種凍土性能試驗設(shè)備，中國實用新型專利申請?zhí)枺?01510313671，公開了一種連續(xù)變溫式多級梯度凍結(jié)儀，其儀器只能研究凍土的凍結(jié)過程的性能，不能同時獲得更多的試驗數(shù)據(jù)。為了研究土體在不同溫度梯度作用下的凍脹變形規(guī)律，方便在相同溫度變化條件下，同時觀測土體內(nèi)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，并置于雙層透明有機(jī)玻璃中，從而保證只在土樣頂部進(jìn)行熱交換的一種測試土樣凍脹變形的測試裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，針對現(xiàn)有技術(shù)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(dá)到不同溫度變化條件下，實現(xiàn)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(jiān)測。該裝置是將包裹有透明保溫膜的圓柱形土樣置于隔熱性能良好的土柱模具中，使其四周與底部不與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，通過制冷循環(huán)器，只在試樣頂部進(jìn)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(shù)據(jù)采集裝置、補水裝置、制冷裝置，所述模具裝置安裝在支架裝置上，模具裝置包括底座、固定桿、法蘭、土柱模具，底座安裝在支架裝置上，法蘭通過固定桿連接底座，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(yīng)力傳感器、應(yīng)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(cè)壁上且深入到土柱試樣內(nèi)部，應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、位移傳感器均設(shè)置在土柱試樣頂部且與土柱試樣頂部接觸，所述數(shù)據(jù)采集裝置包括數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)采集線、電腦，數(shù)據(jù)采集線連接全部傳感器并通過數(shù)據(jù)采集儀連接電腦，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，補水箱高于土柱模具設(shè)置，排水箱連通補水排水管且低于土柱模具設(shè)置，所述制冷裝置包括制冷循環(huán)器、制冷液流通管、制冷盤管，制冷盤管設(shè)置在土柱試樣頂部。

進(jìn)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(shè)有傳感器基座。

進(jìn)一步的，所述土柱模具為雙層透明有機(jī)玻璃制成。

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

進(jìn)一步的，所述法蘭通過固定桿限位螺母連接限位桿。

進(jìn)一步的，所述補水排水管上位于補水箱下方還設(shè)有補水閥門及水壓表盤。

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

進(jìn)一步的，所述溫度傳感器沿土柱試樣高度方向等間距設(shè)置。

進(jìn)一步的，所述孔壓傳感器與溫度傳感器間隔對應(yīng)設(shè)置。

進(jìn)一步的，所述制冷盤管采用黃銅盤管制成。

本實用新型的有益效果在于：

1、本實用新型采用制冷循環(huán)器為雙層有機(jī)玻璃模具內(nèi)土樣進(jìn)行降溫凍結(jié)，實現(xiàn)土樣凍脹變形，并可以同時監(jiān)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(dá)到土樣凍脹變形過程中補水的目的，監(jiān)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(jiān)測裝置，利用數(shù)據(jù)采集儀和電腦實時監(jiān)測土樣內(nèi)部的溫度場變化，可更好地監(jiān)測土樣凍脹變形過程中孔壓場、位移場與溫度場之間的關(guān)系。

4、本實用新型帶有監(jiān)測土樣凍脹變形過程中的位移場和溫度場的實時監(jiān)控裝置，利用數(shù)據(jù)采集儀和電腦實時監(jiān)測土樣內(nèi)部的溫度梯度，可更好地監(jiān)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(guān)系。

綜上所述，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理且操作簡便、實用效果好，能在室內(nèi)模擬圓柱形土樣凍脹變形過程，并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(jìn)行有效測試。

附圖說明

圖1是本實用新型試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是有機(jī)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是土樣頂部制冷盤管布置部分圖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(biāo)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-固定桿； 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(shù)據(jù)采集線； 14-濾紙； 15-制冷盤管；

16-固定桿限位螺母； 17-法蘭； 18-制冷液流通管；

19-應(yīng)力傳感器； 20-應(yīng)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(shù)據(jù)采集儀； 26-電腦； 27-制冷循環(huán)器；

28-補水箱； 29-補水閥門； 30-水壓表盤；

31-排水閥門； 32-排水箱； 33-電子秤；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進(jìn)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(jī)玻璃制成的土柱模具8、通過制冷使圓柱形土樣10的制冷循環(huán)器裝置、凍脹變形過程中監(jiān)測圓柱形土樣10凍脹變形的監(jiān)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(jiān)測裝置。圓柱形土樣10的底部設(shè)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(jìn)行補水，并通過補水排水管5進(jìn)行排水，排水收集到排水箱31。

本實用新型采用的制冷循環(huán)器27(JULABO)可以自主調(diào)節(jié)溫度值，恒溫效果好，操作簡單方便。制冷循環(huán)器27與制冷液流通管18、制冷盤管15共同組成制冷循環(huán)系統(tǒng)，同時給雙層透明有機(jī)玻璃內(nèi)部的圓柱形土樣10進(jìn)行降溫制冷，實現(xiàn)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(shè)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(jìn)行補水，補水排水管5上裝有水壓表盤30和補水閥門29，可以根據(jù)制樣要求設(shè)定水壓，從而達(dá)到為圓柱形土樣10補水的目的；圓柱形土樣10中多余水通過排水管5排出到排水箱32；應(yīng)力傳感器19、位移傳感器21、應(yīng)變傳感器20分別置于圓柱形土樣10頂部，傳感器探頭與圓柱形土樣10頂面接觸，實時監(jiān)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布置于雙層透明有機(jī)玻璃土柱模具8側(cè)面，沿土樣高度方向等間距布置，與土樣側(cè)壁接觸，孔壓傳感器12等間距布置于雙層透明有機(jī)玻璃13另一側(cè)面，與溫度傳感器11間隔相對應(yīng)，即每間隔1個溫度傳感器11，設(shè)置1個孔壓傳感器12，實時監(jiān)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(shù)據(jù)采集線13與數(shù)據(jù)采集儀25連接，數(shù)據(jù)采集儀25又與電腦26連接，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。包裹有透明保溫膜9的圓柱形土樣10置于雙層透明有機(jī)玻璃18內(nèi)，從而阻斷土樣與外界環(huán)境的熱交換，保證凍脹變形只從圓柱形土樣10頂部發(fā)生。

制冷裝置包括制冷循環(huán)器27、制冷液流通管18和由供制冷液流通管18盤繞而成的制冷盤管15，將制冷盤管設(shè)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(yīng)力傳感器19、應(yīng)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(shù)據(jù)采集線13與數(shù)據(jù)采集儀25相連，并與電腦26相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析。

圓柱形土柱溫度監(jiān)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(jī)玻璃8試模外側(cè)，傳感器探頭與土柱側(cè)面相接觸，傳感器通過數(shù)據(jù)采集線13與數(shù)據(jù)采集儀25相連，并與電腦26相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析。

圓柱形土柱孔壓監(jiān)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(jī)玻璃8模具外側(cè)，傳感器探頭與土柱側(cè)面相接觸，傳感器通過數(shù)據(jù)采集線13與數(shù)據(jù)采集儀25相連，并與電腦26相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jìn)行補水，通過補水排水管5上的補水閥門29和水壓表盤30控制補水量，補水過程中關(guān)閉排水閥門31；將土柱凍脹過程中多余的水經(jīng)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后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(guān)閉補水閥門29。

本實施例中圖2是有機(jī)玻璃土柱模具8的支腳2與基座1連接剖面A-A結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，有機(jī)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(jī)玻璃試模的垂直度。

本實施例中圖3是圓柱形土柱10頂部制冷盤管15布置剖面B-B結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，制冷盤管15采用黃銅管盤繞而成，其與制冷循環(huán)器27之間通過制冷液流通管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(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，底座4上沿環(huán)向均勻布置4根有機(jī)玻璃固定桿7，固定桿7與支腳2共線，溫度傳感器11與孔壓傳感器12共線，固定桿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(jié)構(gòu)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(jī)玻璃模具的穩(wěn)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(shè)置用于數(shù)據(jù)采集線13、制冷液流通管18穿過的開孔，土柱模具8上需要設(shè)置用于安裝溫度傳感器11、水壓傳感器12的安裝孔，這些開孔和安裝孔可根據(jù)實際需要設(shè)置，開孔位置應(yīng)做好隔熱處理。

本實用新型采用制冷循環(huán)器制冷土樣，實現(xiàn)土樣的凍脹變形，制冷循環(huán)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(jiān)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：制冷循環(huán)器：JULABO F25-ED；數(shù)據(jù)采集儀：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(yīng)力傳感器：Geo-expert LC10；應(yīng)變傳感器：Microstrain M-DVRT。也可以根據(jù)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(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。