土体冻结过程水热力综合试验系统及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冻土地区路基工程室内试验测试领域，尤其是涉及一种土体冻结过程水热力综合试验系统及试验方法。
【背景技术】
[0002]我国冻土区域分布广泛，其中多年冻土面积占国土面积的22.3%，在世界上占第三位，高海拔多年冻土面积则居世界之最。季节冻土更遍布大部分国土。在上述冻土地区修筑的公路均存在着不同的病害形式，如多年冻土地区的典型病害形式为不均匀变形和路基纵向裂缝，季节冻土地区的典型病害形式为冻胀和翻浆。虽然不同地区公路的病害形状多有不同，但大多数的病害都伴随有土体内部水分的迀移、土体内部温度的变化及土体的冻胀变形。在土体冻结过程中，土体内部温度会随之发生变化，温度的变化引起土体中的吸力、含水量等发生变化，并引起土体渗透特性、土水特性以及水-热-力耦合特性的改变。同时，土体内部会存在温度梯度，在温度梯度作用下，土体内部水分会发生迀移，且土体会产生变形。
[0003]目前，针对室内土体冻结过程的水热力综合试验的技术还比较少且不成熟，很难同步做到对土体内部含水量、温度以及土体竖向变形进行实时观测和记录，仅仅是局限于对单一因素或某两个因素进行观测，因此一体化性能很差，效率低且测试精度也不高。综上，急需开发一种可在冻结过程中实时记录观测土体内部含水量、温度变化规律，并可以测量土体竖向变形的综合试验系统，用来研宄土体冻结过程水热力的综合作用。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种土体冻结过程水热力综合试验系统，其结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，能在室内模拟土体冻结过程，并能对冻结过程中土体内部含水量、温度和竖向变形量进行有效测试。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征在于:包括内部装有被测试土样的试模、通过制冷使被测试土样冻结的冷浴装置、冻结过程中对被测试土样进行冻胀变形测试的土体分层冻胀变形测试装置、模拟地下水由下至上对被测试土样内部进行补水的补水装置、对被测试土样内部含水量进行实时检测的含水量检测装置和对被测试土样内部温度进行实时检测的温度检测装置，所述试模为呈竖直向布设的圆柱形模具；所述试模的内侧底部设置有透水层，被测试土样位于所述透水层上方，所述补水装置通过补水管对被测试土样进行补水，且补水管的出水口位于所述透水层下方；
[0006]所述冷浴装置包括内部装有冷却液的制冷装置和由供冷却液流通管道盘绕形成的冷却盘管，被测试土样的顶部和底部均设置有所述冷却盘管；
[0007]所述土体分层冻胀变形测试装置包括多个分别对被测试土样内部不同深度处的冻胀变形量进行实时测试的冻胀变形测试装置，多个所述冻胀变形测试装置的结构均相同且其均为竖向位移测试装置；每个所述冻胀变形测试装置均包括一个由上至下插入至被测试土样内部需测试深度处的冻胀变形测试杆和套装在冻胀变形测试杆外侧的外套管，冻胀变形测试杆为对其所插入位置处的竖向变形量进行实时测试的测杆，所述冻胀变形测试杆为L形且其底部伸出至外套管外侧，所述冻胀变形测试杆和外套管均呈竖直向布设；
[0008]所述含水量检测装置包括多个分别对被测试土样内部不同深度处的含水量进行实时检测的水分传感器和对多个所述水分传感器所检测的含水量信息进行采集的含水量信息采集单元，多个所述水分传感器均与含水量信息采集单元电连接；
[0009]所述温度检测装置包括多个分别对被测试土样内部不同深度处的温度进行实时检测的温度传感器和对多个所述温度传感器所检测的温度信息进行采集的温度信息采集单元，多个所述温度传感器均与温度信息采集单元电连接；
[0010]多个所述水分传感器和多个所述温度传感器均埋设在被测试土样内部。
[0011]上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是:多个所述水分传感器由上至下布设在同一竖直面上，多个所述温度传感器由上至下布设在同一竖直面上，多个所述水分传感器与含水量信息采集单元之间均通过一根电连接线进行连接，且多个所述温度传感器与温度信息采集单元之间均通过一根所述电连接线进行连接；所述试模的侧壁上开有多个分别供多根所述电连接线穿出的出线孔。
[0012]上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是:所述土体分层冻胀变形测试装置还包括位于被测试土样上方的基准梁，所述基准梁呈水平布设；所述冻胀变形测试杆的上部外侧壁上设置有刻度，所述冻胀变形测试杆的上端伸出至外套管外侧且其上端的高度不低于基准梁的安装高度，所述基准梁为与冻胀变形测试杆上部所设置刻度相配合使用的竖向变形测试用基准梁。
[0013]上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是:多个所述冻胀变形测试装置均埋设于被测试土样中部；所述试模包括上下均开口的护筒、对护筒上部进行封堵的上封堵件和对护筒下部进行封堵的下封堵件，被测试土样装于护筒内，所述护筒为圆柱形筒体；所述透水层位于护筒的内侧底部，被测试土样位于所述透水层上方；所述下封堵件上开有供所述补水管穿入的下通孔，且所述上封堵件上开有供多个所述冻胀变形测试装置上部穿出的上通孔。
[0014]上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是:所述透水层包括一层呈水平布设的碎石垫层和平铺在碎石垫层上的透水网格，所述透水网格上开有多个透水孔，所述透水网格位于护筒的内侧底部且其直径不大于护筒的内径；所述碎石垫层位于透水网格与所述下封堵件之间；
[0015]所述下封堵件位于护筒下方，护筒底部支撑于所述下封堵件上；所述护筒的顶端高度高于被测试试样的顶端高度，所述上封堵件位于护筒的内侧上部；所述护筒的正上方设置有护环，所述护环为呈水平向布设的圆环，所述下封堵件为圆形，且护环的外径和所述下封堵件的直径均大于护筒的外径；所述护环与所述下封堵件之间通过多个立柱紧固连接为一体，多个所述立柱沿圆周方向布设，且护筒通过多个所述立柱紧固固定于护环与所述下封堵件之间。
[0016]上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是:所述冷却液流通管道为黄铜管且其通过橡胶软管与制冷装置连接；所述制冷装置和所述冷却盘管的数量均为两个，两个所述冷却盘管分别为位于被测试土样上下两侧的上盘管和下盘管，所述上盘管和下盘管均呈水平布设且二者分别与两个所述制冷装置连接；所述下封堵件包括位于护筒下方的下圆盘和位于下圆盘下方的下盖板，所述下圆盘与下盖板之间设置有供所述下盘管安装的下空腔；所述上封堵件包括位于被测试土样上方的活动圆盘和位于活动圆盘上方的活动盖板，所述活动圆盘为呈水平布设的圆盘，且活动盖板为呈水平布设的圆板，所述活动圆盘与活动盖板之间设置有供所述上盘管安装的上空腔。
[0017]上述土体冻结过程水热力综合试验系统，其特征是:所述补水装置包括补水瓶，所述补水瓶为马氏瓶；所述补水管的一端与补水瓶内部相通且其另一端伸入至试模的内侧底部。
[0018]同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的土体冻结过程水热力综合试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
[0019]步骤一、土样获取:获取需进行水热力综合试验的土样；
[0020]步骤二、装模:先在试模的内侧底部布设所述透水层，再将步骤一中所获取的被测试土样分层装入试模内，且每层装入后均对所装入的被测试土样进行夯实；
[0021]土样分层装入过程中，将多个所述水分传感器、多个所述温度传感器和多个所述冻胀变形测试装置均埋入被测试土样内；
[0022]步骤三、封模:对试模上部进行封堵，此时试模的上下部均处于封堵状态；
[0023]步骤四、土样冻结试验及测试数据记录:开启所述冷浴装置和所述补水装置，对步骤二中装入试模内的被测试土样进行制冷和补水，使被测试土样冻结；被测试土样冻结过程中，分多次对多个所述水分传感器、多个所述温度传感器和多个所述冻胀变形测试装置的测试数据进行记录；
[0024]待被测试土样内的含水量稳定时，关闭所述冷浴装置和所述补水装置，土样冻结试验结束；
[0025]步骤五、测试数据整理:根据步骤四中所记录的多个所述水分传感器、多个所述温度传感器和多个所述冻胀变形测试装置的各次测试数据，绘制出被测试土样内不同深度处的含水量、温度和竖向变形量随时间的变化曲线。
[0026]上述方法，其特征是:步骤四中待被测试土样内的含水量稳定时，多个所述水分传感器所检测的含水量信息均在±0.1%范围内波动。
[0027]上述方法，其特征是:步骤一中进行土样获取时，先在室外采用取土器取出需进行水热力综合试验的土样，并对所取土样的初始含水率进行测试；之后，在室内采用烘干设备对所取土样进行烘干；步骤二中装模之前，先根据测试得出的所取土样的初始含水率，将烘干后的土样与水进行均匀拌合且经5h±0.5h闷料后，制成含水量分布均匀的土样。
[0028]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0029]1、所采用的土体冻结过程水热力综合试验系统结构简单、设计合理且投入成本较低，加工制作及安装布设方便。
[0030]2、所采用的土体冻结过程水热力综合试验系统主要包括内部装有被测试土样的试模、通过制冷使被测试土样冻结的冷浴装置、冻结过程中对被测试土样进行冻胀变形测试的土体分层冻胀变形测试装置、模拟地下水由下至上对被测试土样内部进行补水的补水装置、对被测试土样内部含水量进行实时检测的含水量检测装置和对被测试土样内部温度进行实时检测的温度检测装置，上述各组成部分结构设计合理、使用操作简便且使用效果好。
[0031]3、所采用的土体冻结过程水热力综合试验系统使用操作简便、操作难度低且使用效果好、实用价值高，能在室内模拟土体冻结过程，能在室内有效模拟土体冻结过程，并能对冻结过程中土体内部含水量、温度和竖向变形量进行有效测试。能实时监测冻结过程中土体内部含水量和