气冷式土体冻胀试验装置的制作方法

本实用新型属于土工试验技术领域，尤其涉及一种气冷式土体冻胀试验装置。

背景技术：

中国分布着面积广大的季节性冻土和多年冻土，总计约占国土面积的70％。季节性冻土层和多年冻土上部的季节性活动层，都会在冬季发生冻结膨胀现象，而且在下年春季来临时产生融沉和翻浆等次生现象，进而引起地基上部构筑物的变形与破坏。对于土体的冻胀性而言，一方面是由于土体温度低于土水的冰点时，部分的原位水冻结，使得土体体积膨胀；另一方面土体中未冻结部分孔隙水在多种势梯度作用下向着冻结缘发生迁移，由此引起土体膨胀。因此，土体的冻胀性是一个由各类土性条件和环境条件影响的物理现象，具有极大不确定性和多样性。冻土工程在土木工程建设中占有十分重要的地位。

在冻土区工程建设中，针对不同的地基土类型及赋存环境，必须预先对地基土体的冻胀性进行专门试验与评价，以指导工程设计和进行构筑物稳定性预测。相应地，冻胀试验及试验装置是揭示土体冻胀性特征，进而指导与预测冻土工程稳定性的必要手段。

目前，土体冻胀试验的冷源形式普遍采用固体冷源，冷源与土样之间的传热方式为固体与固体之间的热传导。但是，自然环境中，土体冻胀实际上主要是由大气环境中冷风在地表流动而引起。在实际过程中，冷源为气体，冷源与土体之间的传热方式主要为固体与气体之间的热对流。试验与实际环境的冻胀发生条件不符，会造成土体冻胀试验结果不准确。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种气冷式土体冻胀试验装置，以解决现有技术中试验与实际环境的冻胀发生条件不符造成土体冻胀试验结果不准确的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种气冷式土体冻胀试验装置，包括用于盛放土样的试样筒、用于提供冷气流的冷风输出单元、用于监测土样竖直位移的位移监测单元、用于监测土样温度的温度监测单元、用于监测土样含水量的水分监测单元和用于为土样补充水分的补水单元，所述试样筒的顶端设有顶板，底端设有底板，所述冷风输出单元的冷气输出口穿过所述顶板位于所述试样筒内部的顶端，所述位移监测单元的测头穿过所述顶板和所述试样筒内部的土样表面接触，所述温度监测单元的探头穿过所述试样筒的侧壁位于土样的内部，所述水分监测单元的探头穿过所述试样筒的侧壁位于土样的内部，所述补水单元的出水口穿过所述底板位于所述试样筒的底端。

进一步地，所述冷风输出单元包括制冷机、鼓风机和冷媒盘管，所述冷媒盘管的进口端通过冷媒连接管连接所述制冷机的出口端，所述冷媒盘管的出口端通过冷媒连接管连接所述制冷机的进口端，所述鼓风机的扇叶位于所述试样筒内部的顶端，所述冷媒盘管位于所述扇叶的正下方。

进一步地，所述位移监测单元为百分表，所述百分表的测头位于所述试样筒的内部，并与所述土样的表面接触。

进一步地，所述温度监测单元包括若干个温度传感器和温度采集仪，若干个温度传感器连接所述温度采集仪，所述试样筒的侧部设有若干个温度监测孔，每个温度传感器的探头穿过一个温度监测孔进入土样的内部。

进一步地，所述水分监测单元包括若干个水分传感器和水分采集仪，若干个水分传感器连接所述水分采集仪，所述试样筒的侧部设有若干个水分监测孔，每个水分传感器的探头穿过一个水分监测孔进入土样的内部。

进一步地，所述补水单元包括马氏瓶、旋塞、玻璃管、补水开关和多孔补水板，所述旋塞安装在所述马氏瓶的顶端，所述玻璃管的一端通过所述旋塞位于所述马氏瓶的内部，所述补水开关的进水口连接所述马氏瓶底部的出水口，所述补水开关的出水口连接所述多孔补水板的进水口，所述多孔补水板位于所述试样筒的底端。

进一步地，还包括若干条限位杆，若干条限位杆分布安装在所述顶板和所述底板之间，每条限位杆的一端固定在所述顶板上，另一端固定在所述底板上。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型涉及了一种气冷式土体冻胀试验装置，本实用新型的技术优势包括：

(1)相比传统土体冻胀试验装置中的固体冷源形式及其与土样的热传导传热方式，本实用新型中的新型气冷式土体冻胀装置可以提供气态冷源形式，并与土样保持热对流传热方式，由此可以真实地模拟自然环境中地表土体的冻胀发生条件。

(2)本实用新型中的气冷式土体冻胀装置可以自主地调节冷气流的温度和速度，由此可以进行不同气温和风速条件下土体冻胀的多元化试验。

(3)本实用新型中的气冷式土体冻胀装置的结构紧凑，整体稳定性高，试验准确性好。根据试验土体的粒径分布和种类，可以自由调整试样筒尺寸，使用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的气冷式土体冻胀试验装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的冷媒盘管的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的顶板的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的多孔补水板的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的气冷式土体冻胀试验方法的流程图。

图中：1、试样筒；2、顶板；3、底板；4、橡胶圈；5、限位杆；6、限位杆螺母；7、底座；8、底座螺栓；9、底座螺帽；10、制冷机；11、冷媒连接管；12、冷媒盘管；13、鼓风机；14、鼓风机安装孔；15、冷媒管路接口；16、百分表；17、位移监测孔；18、温度传感器；19、温度监测孔；20、温度采集仪；21、水分传感器；22、水分监测孔；23、水分采集仪；24、马氏瓶；25、旋塞；26、玻璃管；27、补水管；28、螺纹连接器；29、补水通道；30、补水开关；31、多孔补水板。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1和图3所示，气冷式土体冻胀试验装置包括用于盛放土样的试样筒1、用于提供冷气流的冷风输出单元、用于监测土样竖直位移的位移监测单元、用于监测土样温度的温度监测单元、用于监测土样含水量的水分监测单元和用于为土样补充水分的补水单元，试样筒1的顶端设有顶板2，底端设有底板3，冷风输出单元的冷气输出口穿过顶板2位于试样筒1内部的顶端，位移监测单元的测头穿过顶板2和试样筒1内部的土样表面接触，温度监测单元的探头穿过试样筒1的侧壁位于土样的内部，水分监测单元的探头穿过试样筒1的侧壁位于土样的内部，补水单元的出水口穿过底板3位于试样筒1的底端。

在传热过程中，热传导和热对流是两个存在很大区别的不同传热形式。区别在于，热传导为固体与固体的传热，在这一传热过程中固体分子不会有相对的位移，热量传递机制主要依靠分子或者原子之间的热运动进行。而在工程实践中，热对流经常发生在气体与固体的表面，在该种传热方式下，不仅存在流体宏观运动而造成的热量传递，还存在流体分子与固体表面的分子间的剧烈的不规则运动造成的热量传递，是两者共同作用的结果。由此可见，目前冻胀试验装置的热传导传热方式和实际工程中的热对流传热方式在传热机理上差异巨大，势必会引起土体冻胀试验结果与实际冻胀特征不符。

因此，本实用新型的技术优势包括：

(1)相比传统土体冻胀试验装置中的固体冷源形式及其与土样的热传导传热方式，本实用新型中的新型气冷式土体冻胀装置可以提供气态冷源形式，并与土样保持热对流传热方式，由此可以真实地模拟自然环境中地表土体的冻胀发生条件。

(2)本实用新型中的气冷式土体冻胀装置可以自主地调节冷气流的温度和速度，由此可以进行不同气温和风速条件下土体冻胀的多元化试验。

(3)本实用新型中的气冷式土体冻胀装置的结构紧凑，整体稳定性高，试验准确性好。根据试验土体的粒径分布和种类，可以自由调整试样筒1尺寸，使用范围广。

本实用新型的一个实施例中，试样筒1为具有一定直径和高度的圆柱型试样筒1，试样筒1的壁面厚度可以承受土样击实时侧向土压力对试样筒1的冲击力。顶板2和底板3均具有足够的力学强度，通过若干条限位杆5分别固定在试样筒1的顶板2和底板3上，保证试样筒1单元的整体强度和为其他单元的安装与连接提供稳定性保障。顶板2和试样筒1接触处、底板3和试样筒1接触处，分别嵌入橡胶圈4，用以保证试样筒1内部良好密封。限位杆5通过限位杆螺母6进行紧固。底座7上同时安装有底座螺栓8。底座螺栓8可以与底板3连接，并采用底座螺帽9将底板3与底座7拧紧牢固。

本实用新型的一个实施例中，冷风输出单元包括制冷机10、鼓风机13和冷媒盘管12，冷媒盘管12的进口端通过冷媒连接管11连接制冷机10的出口端，冷媒盘管12的出口端通过冷媒连接管11连接制冷机10的进口端，鼓风机13的扇叶位于试样筒1内部的顶端，冷媒盘管12位于扇叶的正下方，如图2所示。

本实用新型的一个实施例中冷风输出单元由制冷机10、冷媒连接管11、冷媒盘管12、鼓风机13、鼓风机安装孔14、冷媒管路接口15组成。制冷机10为输出冷量的设备，冷量以液态冷媒的形式存储。制冷机10具有自动化控温功能，可以根据试验设计条件提供不同温度的恒温液态冷媒。冷媒盘管12密集地布设在试样筒1内部的顶部，通过冷媒连接管11与制冷机10之间形成闭合的循环回路，用于将制冷机10中的恒温液体媒介连续不断地输送到试样筒1内部。鼓风机13可以产生一定风速的气流，用于将冷媒盘管12中的恒温液态冷媒的冷量转化为冷气，以冷气流的形式输送到土样的表面。鼓风机13具有自动化控风功能，可以根据试验设计条件提供不同风速和冷气流。鼓风机安装孔14为以一定直径钻设在顶板2上的孔洞，用于安装与固定鼓风机13。冷媒管路接口15为以一定直径钻设在顶板2上的两个孔洞，作为冷媒连接管11和冷媒盘管12的接口，同时可以排除试样筒1内部的冷气，防止试样筒1内部气压过大而影响冻胀试验结果。

本实用新型的一个实施例中，位移监测单元为百分表16，百分表16的测头位于试样筒1的内部，并与土样的表面接触。百分表16为高精度的长度测量工具，用于监测试样筒1内部土样顶面在冻胀试验过程中的竖向变形量及其累积变化规律。百分表16具有自动化数据采集功能。位移监测孔17为一竖排以一定直径和间距钻设在试样筒1上的孔洞，作用为将百分表16的测量杆放置在试样筒1内部土样的顶面。

本实用新型的一个实施例中，温度监测单元包括若干个温度传感器18和温度采集仪20，若干个温度传感器18连接温度采集仪20，试样筒1的侧部设有若干个温度监测孔19，每个温度传感器18的探头穿过一个温度监测孔19进入土样的内部。

温度传感器18为高精度的接触式温度测量元件，用于监测试样筒1内部不同位置处土样在冻胀试验过程中的温度水平及其变化规律。温度监测孔19为以一定直径和间距钻设在试样筒1上的孔洞，作用为将温度传感器18的温度探头放置在试样筒1内部土样中的不同位置。温度采集仪20作用为以一定的时间间隔自动化地采集和保存温度传感器18的温度测试值。基于温度监测单元和位移监测单元的测试结果，可以得到土体冰点温度线深度和冻胀变形量的变化规律及最终量值，进而可以求得土样的冻胀率和冻胀性等级。

本实用新型的一个实施例中，水分监测单元包括若干个水分传感器21和水分采集仪23，若干个水分传感器21连接水分采集仪23，试样筒1的侧部设有若干个水分监测孔22，每个水分传感器21的探头穿过一个水分监测孔22进入土样的内部。

水分传感器21为高精度的土体含水率测试元件，用于监测试样筒1内部不同位置处土样在冻胀试验过程中的未冻水含量及其变化规律。水分监测孔22为以一定直径和间距钻设在试样筒1上的孔洞，作用为将水分传感器21的水分探头放置在试样筒1内部土样中的不同位置。水分采集仪23作用为以一定的时间间隔自动化地采集和保存水分传感器21的未冻水含量测试值。

本实用新型的一个实施例中，补水单元包括马氏瓶24、旋塞25、玻璃管26、补水开关30和多孔补水板31，旋塞25安装在马氏瓶24的顶端，玻璃管26的一端通过旋塞25位于马氏瓶24的内部，补水开关30的进水口连接马氏瓶24底部的出水口，补水开关30的出水口连接多孔补水板31的进水口，多孔补水板31位于试样筒1的底端，如图4所示。

本实用新型的一个实施例中，补水单元包括马氏瓶24、旋塞25、玻璃管26、补水管27、螺纹连接器28、补水通道29、补水开关30、多孔补水板31。马氏瓶24为表面带有体积刻度的有机玻璃瓶，起到土样补给水源的作用。旋塞25用于密闭马氏瓶24的顶端，在补水过程中保持马氏瓶24水面上部空间为真空环境。玻璃管26通过旋塞25插入马氏瓶24内，玻璃管26顶端与空气连通，玻璃管26底端位于马氏瓶24内的一定高度处，用于在补水过程中控制恒定的静水压力水平和补水流速。补水管27为一定直径的有机玻璃，通过螺纹连接器28与底座7内部的补水通道29连通，并延伸至多孔补水板31，作用为将马氏瓶24内的水输送至多孔补水板31。螺纹连接器28用于密封连接补水管27与底座7内部补水通道29之间的缝隙。补水开关30用于控制补水管27道的开启和闭合，若试验土样在现场条件下的地下水位较低，则关闭补水开关30，模拟无补水条件下的土体赋存条件。若试验土样在现场条件下的地下水位较高，则开启补水开关30，模拟补水条件下的土体赋存条件，同时通过调整玻璃管26的高度来实现补水过程中的静水压力水平。

如图5所示，气冷式土体冻胀试验方法，包括：

步骤S301，根据现场土体情况，确认土样的试验条件；对土样进行颗粒级配曲线试验、液限含水率试验、塑限含水率试验、最大干密度试验和最优含水率试验，得出土样的试验条件。

根据现场土体情况，确定土样的土性条件为，含水率取最优含水率wop，压实度分别取90％、95％和100％；根据冻胀发生时的自然环境条件，确定冻胀环境条件为，风速取10m/s，温度取-5℃、-10℃、-15℃；根据土体的地下水分布条件，补水条件设置为20cm水头(0.02kgf/cm²)补水，即玻璃管26底端比多孔补水板31的高度高出20cm。共计9组试验。

步骤S302，组装试验装置，将试样筒1和底板3连接，将补水单元的出水口穿过底板3位于试样筒1的底端。

步骤S303，向试样筒1中填装土样；采用分层击实法制备土样，首先，根据试样的体积和设计压实度、设计含水率称取一定质量的干土和水，充分拌和；然后，在试样筒1内壁内壁涂抹凡士林润滑剂后后按100mm高度依次分层击实，土层之间刮毛后再进行下一次击实，以保证土层之间紧密结合便于水分迁移。

步骤S304，安装冷风输出单元；将鼓风机13安装在顶板2的鼓风机安装孔14上，同时将冷媒盘管12固定在顶板2上，然后将顶板2放置在试样筒1顶端，并采用限位杆5和限位杆螺母6将顶板2、试样筒1、底板3牢固地连接为一体。通过冷媒管路接口15将冷媒盘管12与冷媒连接管11连通，冷媒连接管11与与制冷机10连通。

步骤S305，安装并启动位移监测单元、温度监测单元和水分监测单元；将百分表16安装在位移监测孔17上，然后调整百分表16的位置，使百分表16的测量杆头部与土样表面接触并垂直，设定百分表16的数据采集时间间隔为10min；将5个温度传感器18的探头分别插入温度监测孔19内50mm，并将温度传感器18的末端与温度采集仪20连通，设定温度采集仪20的数据采集时间间隔为10min；将5个水分传感器21的探头分别插入水分监测孔22内50mm，并将水分传感器21的末端与水分采集仪23连通，设定水分采集仪23的数据采集时间间隔为10min。

步骤S306，安装补水单元；向马氏瓶24内注入纯净水，采用旋塞25密封马氏瓶24的顶端，采用补水管27连通马氏瓶24的底端、关闭状态的补水开关30、补水通道29及多孔补水板31。将玻璃管26通过旋塞25插入马氏瓶24的内部，按照试验设计的补水静水压力和流速调整玻璃管26高度。

步骤S307，启动冷风输出单元。

步骤S308，按照不同的试验条件设计若干组试验；按照不同的试验设计条件，分别进行设计的9组试验。

步骤S309，对试样结果进行分析汇总；试验结束之后，取出圆柱体土样进行分层切割，测量土样不同高度处的含水量。读取马氏瓶24刻度，确定补水量。处理试验监测数据，分析冻胀变形、温度场和未冻水含量随时间的变化规律，编制试验报告。

本实用新型的技术优势包括：

(1)相比传统土体冻胀试验装置中的固体冷源形式及其与土样的热传导传热方式，本实用新型中的新型气冷式土体冻胀装置可以提供气态冷源形式，并与土样保持热对流传热方式，由此可以真实地模拟自然环境中地表土体的冻胀发生条件。

(2)本实用新型中的气冷式土体冻胀装置可以自主地调节冷气流的温度和速度，由此可以进行不同气温和风速条件下土体冻胀的多元化试验。

(3)本实用新型中的气冷式土体冻胀装置的结构紧凑，整体稳定性高，试验准确性好。根据试验土体的粒径分布和种类，可以自由调整试样筒1尺寸，使用范围广。

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。