一种土壤水平冻胀可视化试验装置的制作方法

本发明涉及土木工程设备领域。更具体地，涉及一种土壤水平冻胀可视化试验装置。

背景技术：

在寒冷地区，由于土或岩石中水的迁移作用，铺筑高级路面的道路或砂石路面及其附属构造物、隧道、挡土墙、人行道和坡面等容易遭受较大的破坏，这种现象称之为土壤冻胀现象。根据水的迁移方向，土壤冻胀分为水平冻胀和竖向冻胀，其中竖向冻胀由于影响因素较多且影响较为明显，因此目前关于土壤的冻胀研究大多集中在竖向冻胀。而水平冻胀的研究较少，从现有技术来看，水平冻胀的研究仅仅局限于挡土墙水平冻胀力的现场测试，但事实上，水平冻胀的影响不容小觑，尤其是在与竖向冻胀结合影响下，越来越多的基坑支护结构和挡土墙被破坏，因此，为了保持冻土支护体系的稳定，为了防止基坑支护可能因冻胀产生的安全事故的发生，有必要对水平冻胀机理与水分子水平迁移驱动力等影响因素进行系统研究。其中，可视化试验装置能够实时监控土壤水分成冰分凝图像，广泛应用于土壤竖向冻胀的系统研究。因此，可视化试验装置也可以用于系统研究土壤水平冻胀，但目前的可视化试验装置大多是针对竖向冻胀设计，水平冻胀的影响因素与竖向冻胀有所不同，现有技术中的可视化试验装置无法满足水平冻胀系统研究的需要。

因此，需要提供一种土壤水平冻胀可视化试验装置，进行室内冻胀土的模拟，以解决目前缺少对土壤水平冻胀系统研究的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种土壤水平冻胀可视化试验装置，以解决现有技术缺少对土壤水平冻胀的系统研究的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种土壤水平冻胀可视化试验装置，所述土壤水平冻胀可视化试验装置包括：试样筒，用于承放土壤，所述试样筒为透明结构；加载系统，所述加载系统包括压力设备和与试样筒一端固定的压力板，所述压力设备通过压力板对土壤进行侧向加压；数字图像测量系统，所述数字图像测量系统采集温度、含水率、外界补水量和侧向应力实时数据，监测土壤中水平冰分凝形成过程；补水系统，所述补水系统包括固定在试样筒另一端的供水设备；温控系统，所述温控系统包括：与所述压力板结合固定的冷浴冷端,用于调节冻结温度；与所述供水设备固定的冷浴暖端，用于与所述冷浴冷端形成温度梯度；及与所述试样筒外侧壁结合固定的透明保温筒。

优选地，所述压力设备包括：顶板，与所述冷浴冷端左侧表面固定结合；液力千斤顶，一端与所述顶板左侧表面固定结合，用于提供侧向压力；反力装置，与液力千斤顶另一端顶壁固定结合，所述反力装置与液力千斤顶接触产生的反作用力；及伺服压力阀，设置在液力千斤顶侧壁表面，用于控制所述侧向压力的大小；所述压力板的径向方向设置贯通压力板的多个中心对称的圆形压力盒，该压力盒与压力板结合固定。

优选地，所述压力设备还包括设置在所述冷浴冷端和顶板之间的第一隔热层和结合固定在所述冷浴暖端右侧表面的第二隔热层，所述第一隔热层和第二隔热层用于减少试样筒内的土体与外部环境热量交换。

优选地，所述数字图像测量系统包括数显式百分表位移计、压力盒、温度传感器、水分探头和照相设备，所述水分探头间隔插入所述试样筒的土体，所述温度传感器正对所述水分探头插入所述试样筒的土体，所述温度传感器、水分探头、数显示百分表位移计和照相设备将数据实时传输给电脑。

优选地，所述供水设备包括与冷浴暖端固定结合的透水石和为透水石供水的补水装置，所述透水石用于使水迁移至试样筒的土体内。

优选地，所述试样筒与保温筒之间设置透明保温膜。

优选地，所述冷浴冷端和冷浴暖端分别与不同的冷浴设备连接，所述冷浴冷端和冷浴暖端温度范围均为-20℃至20℃。

优选地，所述照相设备包括照相机和紫外光源，所述照相机配置2430万像素镜头、紫外镜头和紫外滤光片。

优选地，所述压力设备可提供水平推力的范围为50-400kn。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种土壤水平冻胀可视化试验装置，其具有以下优点：

1.装置冷浴冷端和冷浴暖端位于同一水平高度，可以实现试样土的水平冻结过程，同时可以通过设定冷浴冷端及冷浴暖端冷浴循环系统的温度，实现不同的试验温度要求；

2.装置试样筒可取出，方便每次实验重制试样土、压实及拆样；

3.装置试验筒体外覆保温膜及试样保温筒，可以保证在实验过程中周围的冻土温度环境稳定；

4.装置补水系统位于冷浴暖端处，可实现单端补水，满足开放系统试样土冻胀试验的补水条件要求；

5.装置水分探头和温度传感器可以实时监测试样土含水率及试样土温度的变化，实现对试样土水平冻结过程中水分迁移及温度梯度变化的实时观测和分析；

6.装置冷浴冷端处的位移计及压力板可以实现试样土在水平冻结过程中冻胀位移和应力的实时测定；

7.反力装置可以通过液压千斤顶给试样土施加水平约束，实现有侧向约束条件下的试验要求；

8.装置采用高清照相机对放在有机玻璃筒中的试样土进行时间延迟成像拍照，可以观察和记录水平冻结缘的位置、厚度及分凝冰的生长过程，实现水平冻结过程中冻结缘特征和分凝冰生长过程的刻画。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明提供的一种土壤水平冻胀可视化试验装置的结构示意图。

图2示出图1中的压力板2的a-a方向的截面图。

图3示出图1中的压力板2的b-b方向的截面图。

附图标记：1-试样土；2-压力板；3-冷浴冷端；4-位移计；5-第一隔热层；6-顶板；7-液力千斤顶；8-伺服压力阀；9-反力装置；10-保温筒；11-水分探头；12-试样筒；13-补水系统；14-透水石；15-冷浴暖端；16-第二隔热层；17-底板；18-温度传感器；19-照相机；20-保温膜；21-压力盒。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供一种土壤水平冻胀可视化试验装置的实施方式，图1示出本发明提供的一种土壤水平冻胀可视化试验装置的结构示意图，需要说明的是，图1中黑色矩形轮廓仅仅表示区别于外部环境的实验空间，该实验空间应当包含能够实现本发明最基本的外界条件，本发明不限于此，因此不予赘述。在本发明中，所述土壤水平冻胀可视化试验装置包括：试样筒12，用于承放土壤，所述试样筒12为透明结构；加载系统，所述加载系统包括压力设备和与试样筒12一端固定的压力板2，所述压力设备对土壤进行侧向加压；数字图像测量系统，所述数字图像测量系统采集温度、含水率、外界补水量和侧向应力实时数据，监测土壤中水平冰分凝形成过程；补水系统13，所述补水系统13包括固定在试样筒12另一端的供水设备；温控系统，所述温控系统包括与所述压力板2结合固定的冷浴冷端3，用于调节冻结温度；与所述供水设备固定的冷浴暖端15，用于与所述冷浴冷端3形成温度梯度；及与所述试样筒12外侧壁结合固定的透明保温筒10。具体的，所述压力设备包括：顶板6，与所述冷浴冷端3固定结合；液力千斤顶7，一端与所述顶板6固定结合，用于提供侧向压力；反力装置9，与液力千斤顶7另一端固定结合，所述反力装置与液力千斤顶接触产生的反作用力；及伺服压力阀8，设置在液力千斤顶侧7壁表面，用于控制所述侧向压力的大小；所述压力板2的径向方向设置贯通压力板的多个中心对称的圆形压力盒21，该压力盒21与压力板2结合固定；所述压力设备可提供水平推力的范围为50-400kn。为了保障该装置的隔热效果，所述压力设备还包括设置在所述冷浴冷端3和顶板之间的第一隔热层5和结合固定在所述冷浴暖端15右侧表面的第二隔热层16，所述第一隔热层5和第二隔热层16用于减少试样筒内的土体与外部环境热量交换，所述第二隔热层的右侧还设置起支撑隔热层的底板17。更具体的，所述数字图像测量系统包括数显式百分表位移计4、压力盒21、温度传感器18、水分探头11和照相设备，所述水分探头11间隔插入所述试样筒12的土体，所述温度传感器18正对所述水分探头11插入所述试样筒12的土体，所述温度传感器18、水分探头11、数显示百分表位移计4和照相设备将数据实时传输给电脑；所述照相设备包括照相机19和紫外光源，所述照相机19配置2430万像素镜头，紫外镜头和紫外滤光片。当然，为了保持一定的温度梯度，所述冷浴冷端3和冷浴暖端15分别与不同的冷浴设备连接，所述冷浴冷端3和冷浴暖端15控制温度范围均为-20℃至20℃，应当理解的是，冷浴冷端3与冷浴暖端15的温度可以一样，也可以不一样。此外，所述试样筒12与保温筒10之间还设置透明保温膜20，并且所述供水设备包括与冷浴暖端15固定结合的透水石14和为透水石14供水的补水装置，所述透水石用于使水迁移至试样筒的土体内。

本发明提供的一种土壤水平冻胀可视化试验装置的实施方式，具有下述优点：将装置冷浴冷端3和冷浴暖端15位于同一水平高度，可以实现试样土1的水平冻结过程，同时可以通过设定冷浴冷端3及冷浴暖端15冷浴循环系统的温度，实现不同温度条件下试验的要求；装置试样筒12可取出，方便每次实验重制试样土1、压实及拆样；装置试样筒12外覆保温膜20及试样保温筒10，可以保证在试验过程中周围的冻土温度环境稳定；装置补水系统13位于冷浴暖端15处，可实现单端补水，满足开放系统试样土1冻胀试验的补水条件要求；装置水分探头11和温度传感器18可以实时监测试样土1含水率和温度的变化，实现对试样土1水平冻结过程中水分迁移及温度梯度变化的实时观测和分析；装置冷浴冷端3处的位移计4及压力板2可以实现试样土1在水平冻结过程中冻胀位移和应力的实时测定；反力装置9可以通过液压千斤顶给试样土1施加水平约束，实现有侧向约束条件下的试验要求；装置采用高清照相机19对放在有机玻璃筒中的试样土1进行时间延迟成像拍照，可以观察和记录水平冻结缘的位置、厚度及分凝冰的生长过程，实现水平冻结过程中冻结缘特征和分凝冰生长过程的刻画。

此外，本发明为了详细说明本发明提供的可视化试验装置，提供详细的试验步骤，如下所示：

1.将原状试样土1自然风干，去除杂质，用碾轮碾碎后过1mm筛，收集筛分后的试样土1，通过试验测定得到试样土1的击实曲线及其物理力学参数；

2.试样制备：称量试验所需质量的试样土1于铁盘，置于烘箱内6～8h至试样土1烘干，密封备用。根据试验方案确定的压实度λ、含水率ω等计算试验所需试样土1质量，加水拌和均匀。将拌和好的试样土1称量后分层填入倒置透明的圆柱体试样筒12中，按击实要求捣固压实至试验要求的压实度。

3.试样土1顶面放置滤纸后，依次加盖上压力板2、冷浴冷端3和顶板6，用凡士林密封。试样筒12侧面在试样土1高度范围内，自试样土1左侧起，分别在位置0mm(左侧)、30mm、70mm、90mm、110mm、130mm、150mm(右侧)处插入温度传感器18和水分探头11，高精度数显位移计4置于冷浴冷端3盘面。试验在低温室内进行，环境温度通过低温室控制；试样筒12右侧(冷浴暖端15)及左侧(冷浴冷端3)的温度通过冷浴循环机控制；

4.维持低温室温度为1℃，调节冷浴冷端3和冷浴暖端15的温度为1℃，降温12小时至试验试样土1整体降温至1℃；

5.试样整体降温至1℃后，将试样筒12右侧温度通过冷浴循环机调节至试验条件设定的固定负温t℃(冷浴冷端3冻结温度)，保持试样筒12右侧温度(冷浴暖端15温度)1℃不变，试样土1自左到右冻结72h。实验过程中，温度传感器18采集的温度信息经数据采集器datataker80传入电脑，电脑中的deloger软件可以实现对数据采集器的控制，即采样频率、数据存储格式和输出格式等；冻胀位移数据通过高精度数显位移计4采集传入电脑，测微计系统软件可以实现对数据采集的控制，包括采样频率、多微端采集及设置采样数据初始值等；水分探头11实时监测试样土1含水率；高清照相机19监测冻结缘物理形态特征和水平冰分凝的生长过程。

6.试样冻结结束后，拆除圆柱体试样筒12，取出冻结试样土1。根据《土工试验规程》规范规定，自冻结试样土1左端，按每层厚度为1cm切取试样土1测定各层含水率ωi。研究水分水平迁移和冻结情况。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。