专利名称：一种冻融冻胀模型试验装置及其试验方法
技术领域：
本发明属于一种在寒冷地区建造渠道或公路时，利用该模型试验装置了解渠道或路基冻融冻胀变化情况。背景技术：
寒冷地区，渠道或路基在冬季负温作用下会产生冻胀变形，在春季温度上升使其融化产生沉降变形，经过几年反复冻融循环作用后渠道、路基会产生破坏。冻融冻胀作用对各类工程及建筑物造成了很大危害。通常人们对冻胀冻融破坏从现场冻融冻胀试验开始，近年来，随着科技发展和人们对冻融冻胀问题的重视，提出了不同的防冻融冻胀结构形式、防冻胀材料和防冻胀方法，并应用于工程中，然而，防冻融冻胀结构形式、防冻胀材料和防冻胀方法需要通过现场试验后才可以应用到实际工程中，而现场试验过程周期较长、费用高，因此，开发一种快速、便捷的冻融冻胀模型试验装置，通过室内模型试验快速了解不同结构、 不同材料和方法的渠道或路基的防冻胀效果，对寒冷地区渠道或路基防冻胀具有重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种冻融冻胀模型试验装置及其试验方法。一种冻融冻胀模型试验装置，其特征在于该装置由冻融试验箱I、模型箱2、马氏瓶3、温度采集仪4、应变采集仪5、计算机6、应变传感器7、温度传感器8、模型箱底部进水阀门9、马氏瓶底部出水阀门10、橡胶软管11所制成；其中冻融试验箱I内放置2个模型箱2，模型箱底部进水阀门9通过橡胶软管11与马氏瓶3底部进水阀门10相连接，2个模型箱2内侧一边各垂直放置4个温度传感器8，温度传感器8通过导线与温度采集仪4相连接，2个模型箱2内水平面沿对角线各放置3个应变传感器7，应变传感器7通过导线与应变采集仪4相连接，温度采集仪4和应变采集仪5分别通过导线与计算机6相连接，冻融试验箱温度探头12通过导线与冻融试验箱温度控制器13相连接。所述的冻融冻胀模型试验装置，其特征在所述的模型箱2内模拟渠道或路基密度为原状样的密度，分别在两个模型箱2内分别模拟不同形状、不同结构、不同工况、不同材料的渠道或路基模型并进行冻融冻胀试验。一种使用冻融冻胀模型试验装置，进行冻融冻胀试验的方法步骤如下
1)根据实际工况，确定渠道或路基模型的尺寸、形状、结构、材料；
2)按照工程原状密度分别在两个模型箱2内制作渠道或路基模型；
3)在模型箱2内不同位置埋设温度传感器8、应变传感器7，用马氏瓶3调节地下水位高度，打开马氏瓶底部出水阀门10和模型箱底部进水阀门9 ；
4)打开温度采集仪4、应变采集仪5、计算机6；
5)根据实际工况设定冻融试验箱I的冻结温度、冻结时间，打开冻融试验箱I上的冻融试验箱制冷开关14，通过冻融试验箱温度控制器13设定冻结温度、冻结时间，关闭冻融试验箱I的箱盖开始冻结；
6)根据工程需要，在计算机6上设定温度、应变采集时间步长并开始数据采集；7)计算机6上停止数据采集，冻结试验结束；
8)根据实际工况设定冻融试验箱I的融化温度、时间，关闭冻融试验箱I上的冻融试验箱制冷开关14、设定融化温度、时间，关闭冻融试验箱I的箱盖开始融化；
9)根据工程需要，在计算机6上设定温度、应变采集时间步长并开始数据采集；
10)计算机6上停止数据采集，融化试验结束；
采用该模型试验装置后能有效地缩短试验周期，减少试验费用，进一步了解不同形状、结构、材料的渠道或路基冻融冻胀特性。本发明的原理如下(I)根据实际渠道或路基的形状、结构、材料按一定比例制作模型。(2)按当地实际负温设定冻结温度，进行单向冻结。(3)根据实际工况设定地下水位高度。(4)模拟实际工况下渠道或路基的防冻胀效果。·
本发明与传统的现场试验相比，具有如下优点
I.本发明通过室内模型试验，模拟实际工况条件下的渠道或路基的冻胀冻融变形情况。2.本发明可缩短试验周期，降低试验费用，快速了解渠道或路基在冻融循环作用下的冻胀冻融情况。3.本发明可以模拟不同类型、不同材料、不同结构渠道或路基，在现场试验前了解其冻融冻胀特性，有针对性的试验，以减少因现场试验失败而造成额外费用损失。四
图I冻融冻胀模型试验装置示意图
附图标记1一冻融试验箱；2—模型箱；3—马氏瓶；4一温度米集仪；5—应变米集仪；6—计算机；7—应变传感器；8—温度传感器；9 一模型箱底部进水阀门；10—马氏瓶底部出水阀门；11 一橡胶软管；12—冻融试验箱温度探头；13—冻融试验箱温度控制器；14一冻融试验箱制冷开关；
五具体实施例方式 本发明主要是提供一种冻融冻胀模型试验装置，利用模型试验，认识渠道或路基在正负温冻融循环作用下的冻融冻胀特性，从而认识寒区渠道或公路的防冻胀效果。实施例I.
一种冻融冻胀模型试验装置，其特征在于该装置由冻融试验箱I、模型箱2、马氏瓶3、温度采集仪4、应变采集仪5、计算机6、应变传感器7、温度传感器8、模型箱底部进水阀门9、马氏瓶底部出水阀门10、橡胶软管11、冻融试验箱温度探头12、冻融试验箱温度控制器13、冻融试验箱制冷开关14所制成；其中冻融试验箱I内放置2个模型箱2，模型箱底部进水阀门9通过橡胶软管11与马氏瓶3底部进水阀门10相连接，2个模型箱2内侧一边各垂直放置4个温度传感器8，温度传感器8通过导线与温度采集仪4相连接，2个模型箱2内水平面沿对角线各放置3个应变传感器7，应变传感器7通过导线与应变采集仪4相连接，温度采集仪4和应变采集仪5分别通过导线与计算机6相连接，冻融试验箱温度探头12通过导线与冻融试验箱温度控制器13相连接。其中
I)冻融试验箱内有2个模型箱，冻融试验箱尺寸为LXWXH=170X60X90 (cm)(长X宽X高);模型箱尺寸为LXWXH=56X46X32 (cm)(长X宽X高)，冻融试验箱温度控制范围为50°C -50°C ；
2)模型箱由I.5cm厚高强度有机玻璃制成，模型箱侧面和下底面为5cm聚乙烯保温材料；模型箱底部进水阀门孔径为O. 8cm ；
3)马氏瓶尺寸为20X30cm(直径X高)，马氏瓶由Icm厚高强度有机玻璃制成，马氏瓶底部出水阀门孔径为O. 8cm,出水阀门为铝合金材料；
4)两个模型箱底部进 水阀门通过橡胶软管分别与两个马氏瓶底部出水阀门连接，橡胶软管直径为O. 8cm ；
5)I个冻融试验箱温度探头及温度控制器型号FC-040 (浙江)，量程为50°C _50°C，精度为ο. ore ；
6)4个温度传感器分别置于2个模型箱内侧，从底部到顶部高度依次为0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm，温度传感器型号为 KZW/PF-121 (北京)，量程为 50°C _50°C，3个应变传感器沿对角线分别置于两个模型箱内渠道或路基模型的顶部，应变传感器型号为DTH-A-30Z8 (日本)，量程为IOcm ；
7)4个温度传感器分别于温度采集仪通过导线相连接，温度采集仪型号为KZL/A-12RS2V0,精度为O. Ol0C，3个应变传感器分别与应变采集仪通过导线相连接，应变采集仪型号为UCAM-500A，精度为O. OOOlmm ；
8)温度采集仪、应变传感器分别与计算机连接，计算机型号为普通办公计算机；
实施例2.
使用冻融冻胀模型试验装置进行冻融冻胀试验的方法，其试验步骤如下
1)根据江苏某渠道实际工况，该渠道顶宽10m，底宽56m，高30m，长100m，密度I.6 g/cm3，渠道为梯形结构，由两段组成，第一段为普通粘土渠道，第二段为混凝土衬砌渠道，混凝土衬砌板厚度为O. 08m,地下水位为3m，取上述渠道土样做冻融冻胀模型试验，按照1:100比例对上述渠道缩放，确定两段渠模型尺寸顶宽O. lm，底宽O. 56m，高O. 3m，长
O.46m ；
2)根据渠道模型尺寸计算模型的体积为O.0297 m3,由原状样密度及模型体积计算模型质量为47. 52 kg，把47. 52kg 土样按照梯形结构装入2个模型箱内，模型箱I内放置第一段渠道模型，模型箱2内放置第二段渠道模型，
3)在2个模型箱内分别0cm、10cm、20cm、30cm深度沿垂直方向埋设4个温度传感器，把8个温度传感器通过导线与温度采集仪连接，在渠道坡面沿对角线各放置3个应变传感器，把6个应变传感器通过导线与应变采集仪相连接，用马氏瓶调节地下水位高度为2cm，打开马氏瓶底部出水阀门和模型箱底部进水阀门；
4)打开温度采集仪电源、应变采集仪电源、计算机电源，使得温度采集仪、应变采集仪、计算机处于开机接通状态；
5)打开冻融试验箱制冷开关，在冻融试验箱温度控制器上设定冻结温度为_15°C、冻结时间为72小时，关闭冻融试验的箱盖开始冻结；
6)在计算机上设定温度采集仪采集温度时间步长为30分钟、应变采集仪采集应变时间步长为30分钟，并开始数据采集；
7)计算机上停止数据采集，冻结试验结束；
8)根据实际工况设定冻融试验箱的融化温度，关闭冻融试验箱制冷开关，在冻融试验箱温度控制器上设定为20°C、融化时间为72小时，关闭冻融试验箱的箱盖开始融化；
9)根据工程需要，在计算机上设定温度采集仪采集温度时间不长为30分钟、应变采集仪采集应变时间步长为30分钟，并开始数据采集；
10)计算机上停止数据采集，融化试验结束；
重复2) 10)步骤。
权利要求
1.一种冻融冻胀模型试验装置，其特征在于该装置由冻融试验箱(I)、模型箱(2)、马氏瓶(3)、温度采集仪(4)、应变采集仪(5)、计算机(6)、应变传感器(7)、温度传感器(8)、模型箱底部进水阀门(9)、马氏瓶底部出水阀门(10)、橡胶软管(11)、冻融试验箱温度探头(12)、冻融试验箱温度控制器(13)、冻融试验箱制冷开关(14)所制成；其中冻融试验箱(I)内放置2个模型箱(2 )，模型箱底部进水阀门(9 )通过橡胶软管(11)与马氏瓶(3)底部进水阀门(10 )相连接，2个模型箱(2 )内侧一边各垂直放置4个温度传感器(8 )，温度传感器(8)通过导线与温度采集仪(4)相连接，2个模型箱(2)内水平面沿对角线各放置3个应变传感器(7 )，应变传感器(7 )通过导线与应变采集仪(4 )相连接，温度采集仪(4 )和应变采集仪(5)分别通过导线与计算机(6)相连接，冻融试验箱温度探头(12)通过导线与冻融试验箱温度控制器(13)相连接。
2.根据权利要求I所述的冻融冻胀模型试验装置，其特征在所述的模型箱(2)内模拟渠道或路基密度为原状样的密度，分别在两个模型箱(2)内分别模拟不同形状、不同结构、不同工况、不同材料的渠道或路基模型并进行冻融冻胀试验。
3.一种使用权利要求I所述的冻融冻胀模型试验装置，进行冻融冻胀试验的方法步骤如下 1)根据实际工况，确定渠道或路基模型的尺寸、形状、结构、材料； 2)按照工程原状密度分别在两个模型箱(2)内制作渠道或路基模型； 3)在模型箱(2)内不同位置埋设温度传感器(8 )、应变传感器(7 )，用马氏瓶(3 )调节地下水位高度，打开马氏瓶底部出水阀门(10)和模型箱底部进水阀门(9); 4)打开温度采集仪(4)、应变采集仪(5)、计算机(6)； 5)根据实际工况设定冻融试验箱(I)的冻结温度、冻结时间，打开冻融试验箱(I)上的冻融试验箱制冷开关(14)，通过冻融试验箱温度控制器(13)设定冻结温度、冻结时间，关闭冻融试验箱(I)的箱盖开始冻结； 6)根据工程需要，在计算机(6)上设定温度、应变采集时间步长并开始数据采集； 7)计算机(6)上停止数据采集，冻结试验结束； 8)根据实际工况设定冻融试验箱(I)的融化温度、时间，打开冻融试验箱(I)上的冻融试验箱制冷开关(14)、设定融化温度、时间，关闭冻融试验箱(I)的箱盖开始融化； 9)根据工程需要，在计算机(6)上设定温度、应变采集时间步长并开始数据采集； 10)计算机(6)上停止数据采集，融化试验结束。
全文摘要
一种冻融冻胀模型试验装置。该装置是把不同形状、不同结构、不同工况、不同材料的渠道或路基按照一定比例尺寸和原状样密度制作成相应的渠道或路基模型分别放入1#模型箱和2#模型箱内，两个模型箱置于冻融试验箱中，通过橡胶软管分别与模型箱底部进水阀与马氏瓶底部出水阀连接，根据实际工况通过马氏瓶调节地下水位高度，把温度传感器、应变传感器分别放置在渠道内部和顶部，将传感器分别与温度采集仪、应变采集仪和计算机连接，设定冻结温度、融化温度及数据采集时间步长，并数据采集，进行冻结、融化试验。从而模拟渠道或路基的冻融冻胀特性。使用该装置能够快速了解渠道或路基冻胀融沉变化，同时，具有简单、方便、经济、实用等优点。
文档编号G01N33/24GK102879552SQ20121042561
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者王柳江, 刘斯宏, 高军军, 李卓, 王子健 申请人:河海大学