专利名称：一种分层控温土壤冻融循环试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及监测仪器领域，尤其涉及一种分层控温土壤冻融循环试验装置。
背景技术：
I. 土壤的冻融是一个非常复杂的过程，它伴随物理、物理化学、力学的现象和子过程，最主要的包括水分、热量的传输、水分相变和盐分的积聚过程。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. 068X106km2,占我国国土面积21. 5%，节性冻土分布面积很广，为5. 137X 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。
2.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，并对冻土区的修筑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。 3.冻融条件下土壤物理特性的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定点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。 4.现有国内冻融试验装置具有如下特征，首先是装置功能较单一，很多冻土试验装置只能测定一个或两个指标，如杨植栋发明的《一种人工冻土温度场测量装置》，主要用于人工冻土温度场测试。刘寒冰教授发明的专利《冻融循环下路基材料力学参数测试试验机》介绍的试验装置主要对动载荷下冻融过程中路基材料动力特征参数、冻胀量的进行测定，并没考虑水分补给等外部条件。中国矿业大学岳丰田教授发明的《一种土体冻胀测量仪》介绍的测试装置能同时对土体温度和冻胀量进行监测，并没有对影响冻胀量的主要因子——水分迁移进行监测。其次是装置大多不能很好的模拟土壤野外冻结过程，有的研究单位直接将土柱放入冰箱，土壤从四周向中心冻结，与实际野外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，管壁有外向内影响土壤冻结过程，也与野外实际存在很大差异。第三是没有补水装置，季节性冻土区的冻融土壤很大一部分受到地下水的影响，在冻结过程中水分通过毛细作用在土体内产生位移，从而增加了冻胀融沉的幅度，不考虑水分补给的封闭系统试验并不能很好的反映冻融过程中水分在土体中补给和迁移过程。第四是环境控制系统容积偏小，只能用体积较小的扰动土进行试验，降低了试验的模拟精度。
发明内容本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供新型的一种分层控温土壤冻融循环试验装置，目的在于客服了现有冻融循环试验装置的缺点和不足，设计了既能对大块原状土壤进行控温、控湿、补水控制，又能实现多种物理参数、指标同时测量的试验装置。进而满足冻土工程、冻土生态、冻土农业等领域的试验要求。本实用新型采用分层控温土壤冻融循环试验装置能完成如下试验 开放(补水)、封闭条件下冻融循环试验过程中土壤温度场、湿度场分布及冻胀量的监测；不同初始温度、变温幅度、变温频率条件下
土壤温度场、湿度场分布及冻胀量的监测； 原状土、扰动土 (直径小于19cm，高度小于60cm)冻融循环过程中温度场、湿度场分布及冻胀量的监测；本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现一种分层控温土壤冻融循环试验装置，包括土壤试样筒、环境温度控制系统、土壤水分监测系统、土壤温度监测系统、土壤变形监测系统和补水系统 所述土壤试样筒为两个半圆柱围合而成的圆筒，上部设有顶盖，下部设有底座，底座设有小孔，土壤试样筒内装有待测土壤；所述环境温度控制系统为分层控温土壤冻融试验箱，包括试验机箱体、保温材料、箱内温度控制器、压缩机、冷凝器、制冷线圈、排风扇、土样升降架，所述试验机箱体下部设有土样升降架，右侧设有控制面板及电源开关，所述试验机箱体内设有保温材料，所述试验 机箱体内用隔板分为上、中、下三个室，试验机箱体底部和隔板中心位置均设有圆洞，所述圆洞直径与所述土壤试样筒直径相对应，所述试验机箱体内设有箱内温度控制器、制冷线圈，机体右侧下端设有压缩机、压力表、温度数据显示表，上端设有排风扇、所述排风扇上设有储液罐和冷凝器，所述压缩机分别与压力表、排风扇、温度数据显示表连接，所述温度数据显示表分别与储液罐、箱内温度控制器、制冷线圈连接；所述土壤水分监测系统包括水分传感器和水分数据采集器，所述水分传感器通过数据线与水分数据采集器连接，所述水分传感器分层插入土壤，所述水分数据采集器设置在所述试验机箱体右侧，所述数据采集器进行数据采集；所述土壤温度监测系统由温度传感器和温度数据显示表组成，所述温度传感器分层填埋入所述土壤试样筒的土壤中，通过数据线连接温度数据显示表，所述温度数据显示表设置在所述试验机箱体右侧；所述土壤变形监测系统由位移传感器和位移数据显示表组成，所述位移传感器一端固定到所述土壤试样筒顶部的支架上，另一端固定到土壤表面，所述位移传感器外接位移数据显示表，显示变形数据；所述补水系统由马氏瓶、托盘和导管组成，托盘盛水放置于所述土壤试样桶底部，液面与土壤底部接触，马氏瓶与托盘用导管相连。所述土壤试样筒为PVC材质、内直径19cm、高60cm、壁厚O. 5cm。所述上、中、下三个室均设有制冷线圈，所述制冷线圈分别由温度数据显示表控制，当箱内温度超过设定温度l°c时，压缩机自动制冷，保证每层间相对温度稳定。本实用新型有益效果结构简单，操作简便，具有同时满足以下五方面功能的特点①冻融循环过程中对土壤含水量的监测，包括总含水量和未冻水含量；②冻融循环过程中对土壤温度变化的监测；③冻融循环过程中对土壤冻胀量的监测；④分层控温土壤冻融试验箱，可分三层分别控温实现室温至_40°C的箱内恒温环境，满足对外部环境的模拟要求；⑤土样底部设置补水装置，使土样处于开放环境下，模拟冻融过程时有地下水的补给过程。
图I为本实用新型所述的分层控温土壤冻融循环试验装置示意图。[0015]图2为本实用新型所述分层控温土壤冻融循环试验装置右侧面结构示意图。图3为本实用新型所述的试样筒结构示意图。图中I-分层控温土壤冻融试验箱；2_保温材料；3_试验机箱体；4_温度控制器；5_排风扇；6_控制面板；7_电源开关；8_导管；9_试样筒；10_水分传感器；11_水分数据采集器；12-温度传感器；13-温度数据显示表；14-位移传感器；15-位移数据显示表；16-马氏瓶；17_托盘；18-压缩机；19-压力表；20_支架；21_冷凝器；22_储液罐；23_制冷线圈；24- 土样升降架；25_底座；26_顶盖；27_小孔；28_隔板；29_圆洞。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明如图I、图2、图3所示，本实用新型的一种分层控温土壤冻融循环试验装置，包括土壤试样筒9、环境温度控制系统、土壤水分监测系统、土壤温度监测系统、土壤变形监测系统和补水系统所述土壤试样筒9为两个半圆柱围合而成的圆筒，上部设有顶盖26，下部设有底座25，底座25设有小孔27，土壤试样筒9内装有待测土壤；所述土壤试样筒为PVC材质、内直径 19cm、高 60cm、壁厚 O. 5cm。所述环境温度控制系统为分层控温土壤冻融试验箱1，包括试验机箱体3、保温材料2、箱内温度控制器4、压缩机18、冷凝器21、制冷线圈23、排风扇5、土样升降架24，所述试验机箱体3下部设有土样升降架24，右侧设有控制面板6及电源开关7，所述试验机箱体3内设有保温材料2，所述试验机箱体3内用隔板28分为上、中、下三个室，试验机箱体3底部和隔板中心位置均设有圆洞29，所述圆洞29直径与所述土壤试样筒9直径相对应；所述试验机箱体3内设有箱内温度控制器4、制冷线圈23，所述箱内温度控制器4、制冷线圈23分别与温度数据显示表13连接，所述试验机箱体3上、中、下三个室均设有制冷线圈23，所述制冷线圈23分别由温度数据显示表13控制，当箱内温度超过设定温度1°C时，压缩机18自动制冷，保证每层间相对温度稳定。机体右侧下端设有压缩机18、压力表19、温度数据显示表13，上端设有排风扇5、所述排风扇5上设有储液罐22和冷凝器21，所述压缩机18分别与压力表19、排风扇5、温度数据显示表13连接，所述温度数据显示表13与储液罐22连接。所述土壤水分监测系统包括水分传感器10和水分数据采集器11，所述水分传感器10通过数据线与水分数据采集器11连接，所述水分传感器10分层插入土壤，所述水分数据采集器11设置在所述试验机箱体3右侧，所述数据采集器进行数据采集；所述土壤温度监测系统由温度传感器12和温度数据显示表13组成，所述温度传感器12分层填埋入所述土壤试样筒9的土壤中，通过数据线连接温度数据显示表13，所述温度数据显示表13设置在所述试验机箱体3右侧；所述土壤变形监测系统由位移传感器14和位移数据显示表15组成，所述位移传感器14 一端固定到所述土壤试样筒9顶部的支架20上，另一端固定到土壤表面，所述位移传感器14外接位移数据显示表15，显示变形数据；所述补水系统由马氏瓶16、托盘17和导管8组成，托盘17盛水放置于所述土壤试样筒9底部，液面与土壤底部接触，马氏瓶16与托盘17用导管8相连。在冻融循环试验中土壤样品存放在试样筒9中，所述试验机箱体3上、中、下三个室均设有制冷线圈23，所述制冷线圈23分别由温度数据显示表13控制，当箱内温度超过设定温度1°C时，压缩机18自动制冷，保证每层间相对温度稳定。土壤水分监测系统、土壤温度监测系统中的水分传感器10和温度传感器12按要求分层插入试样土壤中，外部分别与对应的水分数据采集器11和温度数据显示表13相连接实现数据随时读取。土壤变形监测系统中的位移传感器14固定在试样筒9上部，探头与土壤表面连接，外接位移数据显示表15。补水系统的马氏瓶16固定在分层控温土壤冻融试验箱I箱体外侧，托盘17放置于试样筒9底部与土壤试样下部相接处，马氏瓶16与托盘17通过导管8连结实现补水。将连 接好土壤水分监测系统、土壤温度监测系统、土壤变形监测系统和补水系统的试样放置于土样升降架24之上，升至分层控温土壤冻融试验箱I内即可进行试验。
权利要求1.一种分层控温土壤冻融循环试验装置，其特征在于包括土壤试样筒、环境温度控制系统、土壤水分监测系统、土壤温度监测系统、土壤变形监测系统和补水系统； 所述土壤试样筒为两个半圆柱围合而成的圆筒，上部设有顶盖，下部设有底座，底座设有小孔，土壤试样筒内装有待测土壤； 所述环境温度控制系统为分层控温土壤冻融试验箱，包括试验机箱体、保温材料、箱内温度控制器、压缩机、冷凝器、制冷线圈、排风扇、土样升降架，所述试验机箱体下部设有土样升降架，右侧设有控制面板及电源开关，所述试验机箱体内设有保温材料，所述试验机箱体内用隔板分为上、中、下三个室，试验机箱体底部和隔板中心位置均设有圆洞，所述圆洞直径与所述土壤试样筒直径相对应，所述试验机箱体内设有箱内温度控制器、制冷线圈，机体右侧下端设有压缩机、压力表、温度数据显示表，上端设有排风扇、所述排风扇上设有储液罐和冷凝器，所述压缩机分别与压力表、排风扇、温度数据显示表连接，所述温度数据显示表分别与储液罐、箱内温度控制器、制冷线圈连接；所述土壤水分监测系统包括水分传感器和水分数据采集器，所述水分传感器通过数据线与水分数据采集器连接，所述水分传感器分层插入土壤，所述水分数据采集器设置在所述试验机箱体右侧，所述数据采集器进行数据采集； 所述土壤温度监测系统由热敏钼电阻传感器和数据显示表组成，所述热敏钼电阻传感器分层填埋入所述土壤试样筒的土壤中，通过数据线连接数据显示表，所述数据显示表设置在所述试验机箱体右侧； 所述土壤变形监测系统由位移传感器和位移数据显示表组成，所述位移传感器一端固定到所述土壤试样筒顶部的支架上，另一端固定到土壤表面，所述位移传感器外接位移数据显示表,显示变形数据； 所述补水系统由马氏瓶、托盘和导管组成，托盘盛水放置于所述土壤试样桶底部，液面与土壤底部接触，马氏瓶与托盘用导管相连。
2.如权利要求I所述的一种分层控温土壤冻融循环试验装置，其特征在于所述土壤试样筒为PVC材质，内直径19cm、高60cm、壁厚O. 5cm。
专利摘要一种分层控温土壤冻融循环试验装置，本实用新型涉及监测仪器领域，尤其涉及一种分层控温土壤冻融循环试验装置。本实用新型提供的一种分层控温土壤冻融循环试验装置，目的在于客服了现有冻融循环试验装置的缺点和不足，设计了既能对大块原状土壤进行控温、控湿、补水控制，又能实现多种物理参数、指标同时测量的试验装置。一种分层控温土壤冻融循环试验装置，包括土壤试样筒、环境温度控制系统、土壤水分监测系统、土壤温度监测系统、土壤变形监测系统和补水系统土壤试样筒为两个半圆柱围合而成的圆筒，上部设有顶盖，下部设有底座，底座设有小孔，土壤试样筒内装有待测土壤；实用新型有益效果结构简单，操作简便，冻融循环过程中对土壤含水量、温度变化、冻胀量的监测，土样底部设置补水装置，使土样处于开放环境下，模拟冻融过程时有地下水的补给过程。
文档编号G01N33/24GK202562912SQ20122017168
公开日2012年11月28日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者王升忠, 常征, 许林书, 周长蓉 申请人:东北师范大学