专利名称：一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置的制作方法
一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置技术领域
本发明属于土木工程设备领域，特别涉及一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的直O背景技术
青藏高原多年冻土在秋末时的季节融化深度最大，同时在降雨的诱发作用下，冻土边坡常常在这个时期出现失稳。暖季降雨入渗致使多年冻土冻融交界面的含水量增加、 基质吸力降低、抗剪强度降低、融化深度加大，从而导致边坡失稳。
随着冻土区建设项目的开展，该区间中的边坡问题也日趋增多。由于温度是影响冻土性能的重要因素，因此，冻土中雨水的渗入同时影响着冻土边坡的热平衡。目前，传统研究土的入渗规律的装置都是对常温土进行，并且没有考虑到雨水温度带给边坡的影响。
因此需要发明一种针对冻土边坡研究降雨入渗规律的装置。它能模拟冻土边坡在降雨过程中的入渗情况，并监测不同边坡条件、不同降雨条件下边坡土体的状态。发明内容
本发明所要解决的技术问题是传统研究降雨入渗规律的装置无法对冻土进行入渗量研究的问题，提供一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置。
本发明解决其技术问题的技术方案
一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置，包括冷冻箱、土样箱、冷冻液管、冷冻箱盖、第二支架、马氏瓶、水温调节器、降雨器、模拟日照设备、坡面集水槽、箱底集水器、 第三支架、箱底出水管、第一支架、热敏电阻、孔隙压力计。
降雨器和模拟日照设备安装在第一支架上，模拟日照设备接220V电源。
冷冻液管弯曲铺设在冷冻箱的内壁上，进、出口设在冷冻箱的箱壁上，与箱外的制冷机管路连接。
土样箱放置在冷冻箱中冷冻液管围绕的空间中，并固定在冷冻箱中的底部的第三支架上，在土样箱坡面的底部设有坡面集水槽。
冷冻箱置于降雨器和模拟日照设备的下方；
马氏瓶安装在第二支架上，通过导管与降雨器连接；水温调节器放置在马氏瓶中， 水温调节器包括温度加热器和温度传感器，马氏瓶的水温为5°c 30°C。
箱底出水管设在箱底集水器的上方与土样箱连接；
在土样箱坡面的底部设有坡面集水槽，土样箱坡面集水器置于冷冻箱箱外，坡面集水槽出水口的下方。
将配制含水量为15% 30%的土样放置在土样箱中，在压实土样的过程中埋设热敏电阻和孔隙压力计，其导线从土样箱两侧预留孔道引出与读数仪连接。
试验时，将冷冻箱盖盖在冷冻箱上，启动制冷机；当冷冻箱内的温度达到-10°C 10°C时，去掉冷冻箱盖，开启模拟日照设备，模拟日照时间1 8小时，日照之后，开启降雨器，再后，将张力计插在土样表面，其导线与读数仪连接。
降雨强度为0. lmm/min 1. 9mm/min,降雨历时为0. 5h 12h。
制冷机管路中的制冷液为氟利昂。
本发明的有益效果为
1.冷冻箱通过四周的冷冻循环系统可以严格控制土样的温度为-10°C 10°C，保证土体在实验过程中周围的冻土环境不变，解决了传统研究降雨入渗规律的装置无法对冻土进行的关键问题，在实验室条件下模拟冻土边坡在降雨过程中的入渗情况；
2. 土样箱可以取出，方便每次实验重制土样和压实，并且土样箱中的土样经过压实后可以削为不同坡度；土样箱左侧比右侧高出400mm，将土样箱填满最大可以实现1 1 的坡度，通过降低内箱左侧填土的高度可以实现1 1 1 1.75范围内的不同坡度。
3.模拟日照设备可以模拟日照的不同强度以及温度。
4.水温调节器可以调节马氏瓶中的水温为5°C 30°C，实现了雨水温度的变化的模拟。
5.根据模型内部监测元件热敏电阻，孔隙压力计、土壤张力计测试到温度、孔隙水压力以及含水量的变化，给出影响冻土边坡降雨入渗量的影响因素边坡坡度、降雨强度、 降雨历时、雨水温度、土样含水量等对冻土边坡入渗量的影响程度，从而为青藏铁路和青藏公路沿线边坡段提供维护依据。
图1测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置主视图。
图2去掉冷冻箱盖的测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置俯视图。
图3测试降雨过程中冻土边坡的入渗量的装置冷冻箱的后视图。
图4测试降雨过程中冻土边坡的入渗量的装置元件布置主视图。
图5测试降雨过程中冻土边坡的入渗量的装置元件布置俯视图。
图6冷冻循环系统的冷冻液管在冷冻箱左侧内壁上的布置示意图。
图7冷冻循环系统的冷冻液管在冷冻箱前后侧内壁上的布置示意图。
图中冷冻箱1、土样箱2、冷冻液管3、冷冻箱盖4、第二支架5、马氏瓶6、水温调节器7、降雨器8、模拟日照设备9、坡面集水槽10、箱底集水器11、第三支架12、箱底出水管 13、第二支架14、热敏电阻15、孔隙压力计16、张力计17、土样箱坡面集水器18、冷冻液管进口 a、冷冻液管出口 b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示。
一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置包括冷冻箱1、土样箱2、冷冻液管 3、冷冻箱盖4、第二支架5、马氏瓶6、水温调节器7、降雨器8、模拟日照设备9、坡面集水槽 10、箱底集水器11、第三支架12、箱底出水管13、第一支架14、热敏电阻15、孔隙压力计16、 张力计17、土样箱坡面集水器18、冷冻液管进口(a)、冷冻液管出口(b)。
降雨器8和模拟日照设备9安装在第一支架14上，模拟日照设备9接220V电源。 第一支架14焊接在冷冻箱1的右侧面。
冷冻液管3弯曲铺设在冷冻箱1的内壁上，冷冻液管进口 a、冷冻液管出口 b设在冷冻箱1的箱壁上，与箱外的制冷机管路连接。
土样箱2放置在冷冻箱1中冷冻液管3围绕的空间中，并固定在冷冻箱1中的底部的第三支架12上，在土样箱坡面的底部设有坡面集水槽10。
马氏瓶6安装在第二支架5上，通过导管与降雨器8连接，降雨器8上设有感应阀门，保持降雨器中的水位在整个实验过程中不变。第二支架5焊接在冷冻箱1的左侧面；水温调节器7放置在马氏瓶6中，水温调节器7包括温度加热器和温度传感器，马氏瓶6的水温为5°C 30°C。
箱底出水管13设在箱底集水器11的上方与土样箱2连接。
在土样箱2坡面的底部设有坡面集水槽10，土样箱坡面集水器18置于冷冻箱箱外，坡面集水槽10出水口的下方。
将配制含水量为15% 30%的土样放置在土样箱2中，在压实土样的过程中埋设热敏电阻15和孔隙压力计16，其导线从土样箱两侧预留孔道引出与读数仪连接。
试验时，将冷冻箱盖4盖在冷冻箱1上，启动制冷机；当冷冻箱内的温度达到-10°C 10°c时，去掉冷冻箱盖4，开启模拟日照设备9，模拟日照时间1 8小时，日照之后，开启降雨器8，再后，将张力计17插在土样表面，其导线与读数仪连接。
降雨强度为0. lmm/min 1. 9mm/min,降雨历时为0. 5h 12h。
制冷机管路中的制冷液为氟利昂。
上述所有数值范围取其两个端值的任意一个或取其间的任意一个值均能达到本发明的目的。
一个冷冻箱1和土样箱2的结构尺寸
冷冻箱1外壁和内壁之间相隔为100mm，中间填充橡塑海绵发泡保温材料。冷冻箱1底面是边长为800mm的正方形，冷冻箱1的四个侧面形状大小不一，前后侧面均为直角梯形，左右侧面均为长方形，外壁左侧面为SOOmmX IlOOmm的长方形，外壁右侧面为 800mmX 300mm的长方形。冷冻箱1的内壁左侧面为600mmX 900mm的长方形，内壁右侧面为 600mm X 300mm的长方形，如图1。
土样箱2的左侧面为400mmX 700mm的长方形，右侧面为400mmX 300mm的长方形， 即左侧面比右侧面高出400mm。土样箱2的底面是边长为400mm的正方形。
坡面集水槽10宽为50mm ；土样箱坡面集水器18的长为200mm，宽为100mm，距离地面的高度为300mm ；箱底集水器11的长宽均为200mm，如图2、3。
热敏电阻15、孔隙压力计16、张力计17在土样箱2中的埋设位置
热敏电阻15在土样中纵向布置两列，在土样坡顶这一侧布置8个，在土样坡底一侧布置4个，孔隙水压力计16纵向布置两列，在土样坡顶一侧布置8个，在土样坡底一侧布置4个。
监测元件埋设深度热敏电阻15中心纵向距离土样箱2的底部的距离100mm，在左侧均勻布置8个，每个相隔50mm ；在右侧均勻布置4个，每个相隔50mm。热敏电阻15的几何中心在水平方向上距离土样中心的距离为150mm。孔隙水压力计16中心纵向距离土样箱2的底部的距离100mm，在左侧均勻布置8个，每个相隔50mm ；在右侧均勻布置4个，每个相隔50mm。孔隙水压力计16在水平方向上距离土样中心的距离为100mm，热敏电阻15和孔隙水压力计16中心的距离为50mm，如图4、5。
降雨器8的水平尺寸400mmX 400mm，距离土层高度为300mm。模拟日照设备9距离土层高度为100mm。
模拟日照设备9用高功率灯泡模拟日照条件，高功率灯泡共9个，3排3列均勻布置在跟水平面夹角为45度的一个平面上，灯泡间距范围为100mm。
应用上述测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置进行实验的步骤为
1.将土样按不同初始含水量的要求，在土样箱2中制样，并分层压实，在土样中埋入热敏电阻15和孔隙水压力计16，并将导线通过预留的孔道引出，将土样箱2放入冷冻箱 1中。
2.盖上冷冻箱盖4，设定冷冻箱1的温度，开始冷冻土样，观测热敏电阻15采集的温度变化信息，当土样达到温度要求后开始实验。
3.实验开始时，先打开照明设备9模拟日照情况。在马氏瓶6中加入足够多的水， 关闭降雨器8降雨孔道，使降雨器8内的水位达到一定高度，试验中将一直保持此水位使每次降雨速率都一致。通过水温调节器7控制马氏瓶6中的水温达到要求温度后，打开降雨器8降雨孔道，按照要求的降雨强度以及降雨历时对土样进行降雨。通过土样箱坡面集水器18收集坡面未渗入的雨水和箱底集水器11收集从箱底渗出的雨水，计算出不同降雨历时条件下冻土试样的入渗量。试验中监测元件将实时采集土样内部不同位置处温度、孔隙水压力以及含水量的变化数据。
通过不同的冻土边坡条件、降雨强度、降雨历时以及雨水温度等条件组合便可以测试出冻土边坡在各影响因素下入渗量的变化情况，通过检测系统的数据则可以测试出土样内部温度、孔隙水压力以及含水量随入渗量的变化情况。
权利要求
1.一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置，包括土样箱O)、降雨器(8)、马氏瓶 (6)、坡面集水槽(10)、箱底集水器(11)、监测元件；降雨器(8)安装在第一支架(14)上，土样箱(2)置于降雨器(8)的下方；马氏瓶(6)安装在第二支架( 上，通过导管与降雨器(8)连接； 箱底出水管(1 设在箱底集水器(11)的上方与土样箱( 连接； 在土样箱( 坡面的底部设有坡面集水槽(10)； 降雨强度为0. lmm/min 1. 9mm/min,降雨历时为0. 5h 12h ； 其特征是冷冻液管C3)弯曲铺设在冷冻箱(1)的内壁上，进、出口设在冷冻箱(1)的箱壁上，与箱外的制冷机管路连接；土样箱(2)放置在冷冻箱(1)中冷冻液管(3)围绕的空间中，并固定在冷冻箱(1)中的底部的第三支架(1 上；模拟日照设备(9)安装在第一支架(14)上，模拟日照设备(9)接220V电源； 水温调节器(7)放入马氏瓶(6)内，水温调节器(7)包括温度加热器和温度传感器，马氏瓶(6)水温为5°C 30°C ；土样放置在土样箱O)中，在压实土样的过程中埋设热敏电阻(1 和孔隙压力计 (16)，其导线从土样箱两侧预留孔道引出与读数仪连接； 试验时，将冷冻箱盖(4)盖在冷冻箱上，启动制冷机；当冷冻箱(1)内的温度达到-io°c 10°C时，去掉冷冻箱盖G)，开启模拟日照设备 (9)，模拟日照时间1 8小时，日照之后，开启降雨器(8)，再后，将张力计(17)插在土样表面，其导线与读数仪连接。
2.根据权利要求1所述的一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置，其特征是 制冷机管路中的制冷液为氟利昂。
3.根据权利要求1所述的一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置，其特征是 冷冻箱(1)有两层箱壁，是一个顶面开口的楔形箱，冷冻箱(1)外壁和内壁之间的间隔为IOOmm 200mm，中间填充橡塑海绵发泡、高压乙烯发泡、聚氨脂直埋发泡或聚聚苯乙烯挤塑发泡，冷冻箱(1)的内外壁在水平方向上横截面均为正方形，冷冻箱(1)的四个侧面形状大小不一，前后侧面均为直角梯形，左右侧面均为长方形，左侧面高于右侧面范围为 800mm 1600mm，低的一侧面竖直高度为300mm 600mm，高的一侧面竖直高度IlOOmm 2200mm ；土样箱( 和冷冻箱(1)的形状相似，土样箱O)的底面尺寸为400mm 800mm，低的侧面竖直高度为300mm 600mm，高的侧面竖直高度为700mm 1400mm。
4.根据权利要求1所述的一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置，其特征是 监测元件包括热敏电阻(15)、孔隙压力计(16)、张力计(17)；热敏电阻(1 在土样中纵向布置两列，在土样坡顶这一侧布置8 16个，在土样坡底一侧布置4 8个，孔隙水压力计(16)纵向布置两列，在土样坡顶一侧布置8 16个，在土样坡底一侧布置4 8个；张力计(17)布置两个；热敏电阻(1 和孔隙水压力计(16)埋设的纵向深度其几何中心在纵向距离土样顶层的垂直距离为50mm 100mm，距离土样底部的距离为60mm IOOmm ；热敏电阻(1 和孔隙水压力计(16)埋设的水平方向深度热敏电阻几何中心在水平方向上距离土样中心的距离为50mm 150mm，孔隙水压力计在水平方向上距离土样中心的距离为50mm 150mm ；热敏电阻竖直方向间距在50mm 100mm，孔隙水压力计竖直方向间距在50mm IOOmm0
5.根据权利要求1所述的一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置，其特征是 模拟日照设备(9)在水平方向按照3X3排列，灯泡间隔50mm 100mm，距离土样表面高度为IOOmm 300mm。
全文摘要
一种测试降雨过程中冻土边坡入渗量的装置，属于土木工程设备领域。解决了传统研究降雨入渗量的装置无法对冻土进行入渗量研究的问题。该装置包括冷冻箱、土样箱、冷冻箱盖、马氏瓶、水温调节器、降雨器、模拟日照设备、坡面集水槽、箱底集水器、监测元件。冷冻液管弯曲铺设在冷冻箱的内壁上，进、出口设在冷冻箱的箱壁上，与箱外的制冷机管路连接；水温调节器放入马氏瓶内，马氏瓶水温为5℃～30℃。模拟日照设备安装在土样箱的上方。用于模拟冻土边坡在降雨过程中的入渗情况，研究降雨入渗中各个影响因素的影响程度，为冻土边坡稳定性评估提供依据，从而指导冻土区铁路、公路的边坡工程的设计和维护。
文档编号G01N15/08GK102507413SQ20111036019
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者冯瑞玲, 刘建坤, 卫韬, 李治, 沈坚锋, 沈宇鹏, 沈志刚, 王连俊, 田亚护, 赵久欢, 金钰梅, 钟顺元 申请人:北京交通大学