一种季节性冻土室内试验专用装置及研究方法与流程

本发明属于岩土工程领域，涉及冻土低温特性分析技术。

背景技术：

据统计，全球陆地面积70％存在冻土，其中14％为永久冻土，56％为季节冻土。我国是世界上第三冻土大国，其中多年冻土分布面积为2.068×106km²，占我国国土面积21.5％，节性冻土分布面积很广，分布面积为5.137×106km²，占我国国土面积的53.5％，两者合计约占全国总面积的3/4左右。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，冻融过程中伴随着水分和盐分的积聚，进而造成季节性冻土产生冻胀和融沉现象，并对冻土区的地基工程和道桥工程造成一定程度的破坏，冻胀问题严重困扰着严寒地区冻土地基上构筑物的使用情况，文献资料表明，冻胀破坏使冻土区公路寿命缩短50％，且大大增加了养护费用。冻融条件下土壤物理特性变化特征的研究是冻土工程、冻土农业、陆地水循环等领域的重要内容。其研究主要是通过室内模拟和室外监测两种途径得以实现，又由于室外监测费用较高，重复性差，因此国内对冻土物理性质的测定大多选用室内模拟的方式进行。现有国内冻土试验装置不能很好的模拟土壤外界真实环境下冻结过程，有的直接将土柱放入冰箱，土壤从四周向中心冻结，与实际环境自上而下的降温过程不符。有的试验装置土柱过细，土柱直径还不到10cm，管壁由外向内影响土壤冻结过程，也与真实环境实际存在很大差异，无法实现土体的单向冻结。

综上所述，目前常见的室内观测冻土冻融循环的方法不能够模拟外界真实环境温度的变化，亦不能控制冻土的冻结深度，为了能在实验室内更好的研究季节性冻土的冻融问题，现在需要一种能在室内快速、简便、高效的观测冻土冻融过程的试验装置。

技术实现要素：

本发明的目的就在于解决现有冻土试验装置的技术缺陷，提供一种季节性冻土室内试验装置及方法。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术解决方案：

技术方案一

一种季节性冻土室内试验装置，其特征在于，包括季节性冻土室内试验模型箱箱体1、冷冻循环系统和温度采集系统，其中：

所述季节性冻土室内试验模型箱箱体1正面侧壁上安装有一块透明高强度钢化玻璃6，以便试验冻结和融化过程中观察土体7的变化；箱体1内设置有隔热保温材料8，并粘贴铁氟龙薄膜9；

所述的冷冻循环系统包括冷冻循环设备3、箱盖2、乙二醇介质10、进水口13、排水口14，所述的季节性冻土室内试验模型箱箱盖2内充满90％以上的高浓度乙二醇10作为循环液体，乙二醇介质10从进水口13进入箱盖2，从排水口14流出箱盖2，进入冷冻循环设备3，经冷冻循环设备3冷却后，再从进水口13进入箱盖2，从而实现液体循环；

所述的温度采集系统包括温度采集仪4和温度传感器5，温度传感器5埋置在土体7内部，其端口与温度采集仪4连接。

技术方案二

一种季节性冻土室内试验方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

步骤一画标记线：

在箱体1高强度透明钢化玻璃6前侧，采用记号笔沿横向和纵向间隔5cm画好方格网，以便观察土体的变形；

步骤二贴膜：

在箱体1内壁布设两层铁氟龙薄膜9；

步骤三填土：

将一定含水量饱和的土体7倒入箱体1中，使其达到一定深度，并在土体1中预先埋置温度传感器5；然后在离心加速度下固结至预设的固结度，停机后采用小型静力触探仪进行贯入试验，得到试验土体7的“比贯入阻力ps-深度”曲线，计算土体7的不排水抗剪强度cu；

步骤四打桩：

将钢管插入到地基土内，取出钢管内的土体并清理孔壁，然后放入模型筋材套管，在模型筋材套管内填入一定高度的石英砂后，插入中空的pvc杆对其进行贯入压实。重复此步骤直至桩体完成，然后移出钢管，修整桩体，移除高出地基土表面部分的石英砂和筋材，使桩体顶面与地基表面齐平；

步骤五冷冻：

利用一种季节性冻土室内试验装置，对土体1进行冷冻；

将箱盖2用销钉15与箱体1固定并密封，用硅胶管12将冷冻循环设备3与进水口13和排水口14相连，用于冷冻的乙二醇10介质从进水口13流入箱盖2中，并从排水口14流入冷冻循环设备3中。当温度传感器5监测的温度达到0度左右时，停止冷冻；

步骤六路堤堆载及摄像头固定：

撤掉冷冻循环设备3后布置土压力计与位移计，而后填筑路堤，而后进行离心模型试验，离心试验整个过程中会对温度进行监测；路堤完成后在高强度透明钢化玻璃6一侧固定摄像头实时录像以观测土体变形；

步骤七研究冻土冻融工程特性：

控制冻土的冻结深度，在室内观测冻土冻融循环，模拟外界真实环境温度的变化，利用步骤六观测冻土冻融过程以及步骤三计算获得的土体7的不排水抗剪强度cu，全面研究冻土冻融工程特性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

本发明能够模拟外界真实环境温度变化，可以快速实现土体的单向冻结过程，能根据试验要求进行土体不同冻结深度的设置来模拟季节性冻土，方便快捷，操作方法简单，实用性强，便于推广使用。

附图说明

图1为一种季节性冻土室内试验装置示意图；

图2为季节性冻土室内试验模型箱箱盖平面示意图；

图中标号：

1-季节性冻土室内试验模型箱箱体，11-不锈钢把手，12-硅胶管，13-进水口，14-排水口；

2-箱盖；

3-冷冻循环设备，4-温度采集仪，5-温度传感器，6-高强度透明钢化玻璃,7-土体，8-隔热保温材料，9-铁氟龙薄膜，10-90％以上高浓度乙二醇。

具体实施方式

参看附图，结合具体实施案列对本发明进行详细说明：

实施例1

如图1、2所示

一种季节性冻土室内试验装置，其特征在于，包括季节性冻土室内试验模型箱箱体1、冷冻循环系统和温度采集系统，其中：

所述季节性冻土室内试验模型箱箱体1正面侧壁上安装有一块透明高强度钢化玻璃6，以便试验冻结和融化过程中观察土体7的变化；箱体1内设置有隔热保温材料8，并粘贴铁氟龙薄膜9以保证较低的箱壁摩擦，起到减小边界效应的目的。

所述的冷冻循环系统包括冷冻循环设备3、箱盖2、乙二醇介质10、进水口13、排水口14，所述的季节性冻土室内试验模型箱箱盖2内充满90％以上的高浓度乙二醇10作为循环液体，乙二醇介质10从进水口13进入箱盖2，从排水口14流出箱盖2，进入冷冻循环设备3，经冷冻循环设备3冷却后，再从进水口13进入箱盖2，从而实现液体循环。所述的冷冻循环设备3采用的是低温恒温泵，其与箱盖2通过硅胶管12连接，冷冻循环设备3内冷冻循环介质为90％以上的高浓度乙二醇10，乙二醇10介质通过硅胶管12从进水口13进入箱盖2，通过硅胶管12从排水口14流出箱盖2，从而使液体不断循环，以达到不断冷却箱体的效果。

所述的温度采集系统包括温度采集仪4和温度传感器5，温度传感器5埋置在土体7内部，其端口与温度采集仪4连接。

箱体1材料采用不锈钢材质，防止腐蚀生锈。

箱盖2通过销钉15与箱体1连结固定，保证箱体1密封，以保证冻结的效率。

箱盖2的顶面焊接不锈钢把手11，便于拆卸。

箱盖2材料采用不锈钢材质。

乙二醇的浓度为90％以上。

所述的温度传感器5采用pt100铂热电阻温度传感器。

所述的进水口13要比排水口14要高出一些，并遵循循环液体“高进低出”的原则。

本实施例中的季节性冻土室内试验模型箱箱体1有效内部尺寸为600mm×400mm×500mm(长×宽×高)。

本实施例中的冷冻循环设备3采用低温冷却液循环泵dlsb-30/80，其制冷温度范围-80℃-室温，控制精度为±0.5℃。

实施例2

利用实施例1开发的季节性冻土室内试验装置，实施本实施例试验方法

一、季节性冻土室内实验研究方法，依次包括以下步骤：

步骤一画标记线：

在箱体1高强度透明钢化玻璃6前侧，采用记号笔沿横向和纵向间隔5cm画好方格网，以便观察土体的变形。

步骤二贴膜：

在箱体1内壁布设两层铁氟龙薄膜9(观测面高强度透明钢化玻璃6内壁不布设)以消除箱壁摩阻力。

步骤三填土：

将一定含水量饱和的土体7倒入箱体1中，使其达到一定深度，并在土体1中预先埋置温度传感器5；然后在离心加速度下固结至预设的固结度，停机后采用小型静力触探仪进行贯入试验，得到试验土体7的“比贯入阻力ps-深度”曲线，计算土体7的不排水抗剪强度cu。

步骤四打桩：

将钢管插入到地基土内，取出钢管内的土体并清理孔壁，然后放入模型筋材套管，在模型筋材套管内填入一定高度的石英砂后，插入中空的pvc杆对其进行贯入压实。重复此步骤直至桩体完成，然后移出钢管，修整桩体，移除高出地基土表面部分的石英砂和筋材，使桩体顶面与地基表面齐平。

步骤五冷冻：

利用一种季节性冻土室内试验装置，对土体1进行冷冻。

将箱盖2用销钉15与箱体1固定并密封，用硅胶管12将冷冻循环设备3与进水口13和排水口14相连，用于冷冻的乙二醇10介质从进水口13流入箱盖2中，并从排水口14流入冷冻循环设备3中。当温度传感器5监测的温度达到0度左右时，停止冷冻。

步骤六路堤堆载及摄像头固定：

撤掉冷冻循环设备3后布置土压力计与位移计，而后填筑路堤，而后进行离心模型试验，离心试验整个过程中会对温度进行监测。路堤完成后在高强度透明钢化玻璃6一侧固定摄像头实时录像以观测土体变形。

步骤七研究冻土冻融工程特性：

控制冻土的冻结深度，在室内观测冻土冻融循环，模拟外界真实环境温度的变化，利用步骤六观测冻土冻融过程以及步骤三计算获得的土体7的不排水抗剪强度cu，全面研究冻土冻融工程特性。