一种温控模型试验装置的制作方法

本发明涉及一种土体试验装置，具体是一种温控模型试验装置。

背景技术：

我国沿海地区（例如地处东南沿海的宁波市）以及许多内陆城市的地下广泛分布着深厚的软土层。软土的突出特点是压缩性大、渗透性低，由此引发的长期沉降问题是理论界与工程界均十分关注且富有挑战性的课题。温度是自然界中的一个基本物理量，研究不同温度下材料的物理力学特性是当今材料学科的一个重要研究方向，温度荷载对软土和软土地基力学特性的影响也已成为近年来岩土工程领域中的一个重要课题。因此，研究加热后的软土特性和软土地基压缩特性变得尤为重要。

通过查阅国内外已有文献，发现土工试验仪可完成对土样的温控及加热，其加热方式主要有以下三种。

（1）压力室置于恒温箱（室）内的加热模式。该加热模式不需要对常规试验装置改进，而是通过将试验仪置于一个高温环境下以实现试验温度要求。尽管这种加热模式省去了仪器研制过程，但需建立温控实验室，而建立温控实验室的费用较高，试验环境较差，对仪器各元件耐高温要求高。

（2）压力室内加热模式。这种加热模式采用加热线圈、加热管、加热棒、加热板对流体直接加热，可以较好地达到试验温度要求，但在高围压下不易对压力室液体均匀加热，易导致土样温度不均。

（3）压力室外加热模式。在压力室外缠绕线圈，通过加热线圈对压力室内的流体加热。例如，由于需要通过外罩传热，使压力室内液体的温度升高，但是土样达到目标温度所需时间较长。

需要说明的是，传统的软土固结仪和近些年来设计开发的温控软土固结仪，只能研究单元体土样在室温和一定温度下的固结压缩特性。在实际的状态下，地基土体尺寸大，温度多变；在不同尺寸和不同的温度条件下，软土和软土地基很有可能呈现出不同的性质，而已有的软土固结仪无法模拟软土地基在不同温度条件下的真实压缩特性。

cn104502562a公开了一种竖井排水固结软基处理模型试验装置及试验方法，特点是模型试验箱的箱体内设置排水竖井，箱体与竖井之间填筑有软土地基，软土地基内设置有孔压-温度一体式传感器，软土地基上设有水平砂垫层、钢板和沉降计，传力杆固定设置在钢板上，千斤顶下端与传力杆连接且其上端与加载杠杆活动连接，加载杠杆一端与反力架铰接且其另一端设置有挂钩，其试验方法是将先把pvc管及u型导热管固定于模型试验箱内，填筑软粘土，埋设孔压、温度传感器，开启电脑式水循环加热器，利用u型导热管内热水对土样行加热并分级加载，测定试验过程中的温度、孔隙水压力和地表沉降数据，优点是能合理、可靠的分析竖井地基的温度、孔压、沉降的发展变化规律。该试验装置及试验方法虽然考虑温度变化、土体尺寸等因素，但其采用的u型管加热方式无法提供大面积均匀加热，达不到土体均匀受热的目的，从而对土体加热后的性质无法进行全面、深入了解。另外，在软土地基土中插入一个金属管，对地基本身的固结压缩特性会产生影响，因此无法全面、深入、可靠地了解软土地基在耦合温度后的固结压缩特性。由此，研发一款操作简单、适用性强、干扰因素小、能使土体在短时间内达到均匀受热目的的温控模型试验装置变得尤为重要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种温控模型试验装置，该试验装置结构简单，成本低，使用方便，考虑了土体温度变化、地基模型尺寸等因素，其排水方式可控，通过该试验装置可实现对地基模型的分段、分级、线性加温及降温，精确控制加热桶内软土地基的温度，保持温度稳定，还可以完成特定温度下及不同温度下的土样固结试验，真实模拟土体在外加热源下的特性，合理、可靠的分析软土地基的温度、孔压、沉降的发展变化规律。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种温控模型试验装置，包括加热机构和加压机构，所述的加热机构包括金属制成的加热桶、水循环加热器和盖板，所述的加热桶的周壁上设置有密闭的环形加热腔，所述的加热桶的周壁上分别开设有进水口和出水口，所述的进水口与所述的水循环加热器的出水端相连通，所述的出水口与所述的水循环加热器的进水端相连通，所述的加热桶用于填装软土，所述的加热桶内填装软土后，在所述的软土上铺设通水或隔水的过渡层，在所述的过渡层上放置所述的盖板，所述的盖板上开设有多个导水孔，所述的加压机构位于所述的盖板的正上方。

本发明温控模型试验装置结构简单，成本低，使用方便。使用时，在加热桶内填装软土，并在软土上铺设过渡层，再在过渡层上放置盖板，建立软土地基模型，然后经水循环加热器向加热桶上的环形加热腔内通入热水，且热水的温度可控，通过热水加热软土，最后通过加压机构对盖板加压，检测特定温度下土样的性能，或者通过水循环加热器调节水温，检测不同温度下土样的性能。该温控模型试验装置的排水方式可控，可通过加热桶的尺寸设计获得各种尺寸的地基模型。根据实际应用需要，在加热桶内填装软土后，可在软土上铺设通水或隔水的过渡层，以进行横向单面排水或不排水条件下的试验。

本发明温控模型试验装置，通过在加热桶的周壁上设置的环形加热腔对地基模型加热，能够使地基模型均匀受热，且加热桶的桶壁面积大，因此热源面积大，从而可实现对地基模型的全方位、快速、均匀加热。加热地基模型时，热源在地基模型外侧，未直接接触土体，不会对土体造成扰动，能够有效减小外界因素对土体的影响，提高试验结果的可靠性。该温控模型试验装置的加热机构可实现对地基模型的分段、分级、线性加温及降温，精确控制加热桶内软土地基的温度，保持温度稳定。通过本发明温控模型试验装置可以完成特定温度下及不同温度下的土样固结试验，真实模拟土体在外加热源下的特性，合理、可靠的分析软土地基的温度、孔压、沉降的发展变化规律，为软基处理热排水固结法在工程中的应用设计和施工提供技术参数，并揭示工程应用中热排水固结软基处理的作用机理以及地基的加固效果。

所述的加热桶包括内桶和设置在内桶外侧的外桶，所述的内桶和所述的外桶均上部开口，所述的内桶的外侧面和所述的外桶的内侧面即围成所述的环形加热腔，所述的环形空腔的上端由一环形密封板密封，所述的进水口和所述的出水口分别开设在所述的环形密封板的两侧。内桶和外桶构成的加热桶结构简单，易于加工成型，便于批量化生产。

所述的外桶的外侧设置有上部开口的桶状保温层。该桶状保温层可以采用现有保温材料，例如包裹有锡纸的厚海绵保温材料、岩棉保温材料、玻璃棉保温材料等各种隔热保温材料。

所述的内桶的底壁与所述的外桶的底壁之间具有间隙，所述的环形加热腔与所述的间隙相导通，所述的外桶的侧壁的下部开设有排水口，所述的排水口处安装有排水龙头。间隙的设置，便于从底部加热地基模型，进一步增大热源面积，提高加热效果，使地基模型受热更均匀。排水龙头便于将试验结束后环形加热腔内残留的水及时排出加热桶。

所述的间隙内装设有导水板，所述的导水板的厚度与所述的间隙的高度相同，所述的导水板的下部开设有若干左右导通的第一通水槽和若干前后导通的第二通水槽，若干所述的第一通水槽和若干所述的第二通水槽横纵交错并相互贯通。因填装软土后的加热桶重量较大，导水板起进一步支撑内桶的作用，以保证加热桶底部的稳定，确保试验结果的可靠性和准确性。同时，横纵交错并相互贯通的若干第一通水槽和若干第二通水槽的设置，保证水流在内桶周壁及底部的正常、有效流通，实现对内桶周围及底部的全方位加热。

所述的内桶的内腔内设置有多个温度压力传感器，所述的内桶的底部间隔安装有多个所述的温度压力传感器，所述的软土内间隔埋设有多个所述的温度压力传感器，所述的盖板的两侧分别安装有沉降计。通过在内桶的内腔的不同部位安装温度压力传感器，可以对土样不同部位的温度及孔压进行监测，同时通过分别记录盖板两侧的沉降计的沉降数据，以便更好地获知温度、孔压、沉降的发展变化规律，为工程应用中的热排水固结软基处理提供依据。

所述的过渡层为砂垫层；或者，所述的过渡层由防水的塑料层和铺设在该塑料层上的砂垫层构成，所述的塑料层的四周设置有密封圈，所述的密封圈设置在所述的塑料层与所述的内桶的内壁的衔接处。进行横向单面排水条件下的试验时，在软土上直接铺设砂垫层，并在砂垫层上放置盖板，此时盖板的作用是充当排水通道并使土体均匀受压，试验过程中软土中的水可以迅速有效地从地基模型中向上排出。进行不排水条件下的试验时，首先在软土上铺设防水的塑料层，并在塑料层与内桶的内壁的衔接处加装密封圈，再在该塑料层上先铺设砂垫层再放置盖板，此时盖板的作用是使土体均匀受压。塑料层和密封圈应能够承受0～80℃的高温。砂垫层具有两方面的作用，一方面是排水，另一方面是使土体受力均匀。

所述的加压机构包括反力架、杠杆、千斤顶和传力架，所述的反力架安装在所述的加热桶的一侧，所述的杠杆的一端与所述的反力架经转轴转动连接，所述的杠杆的另一端安装有用于加载砝码的挂钩，所述的杠杆与所述的千斤顶的上端经半球形铰支座活动连接，所述的千斤顶的下端与所述的传力架相连，所述的传力架位于所述的盖板的正上方。通过上述加压机构能够实现对土体的稳定施压。

所述的挂钩上悬设有用于放置砝码的砝码挂盘。

所述的加热桶置于一底板上，所述的底板固定在地面上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的温控模型试验装置结构简单，成本低，使用方便，考虑了土体温度变化、地基模型尺寸等因素，其通过在加热桶的周壁上设置的环形加热腔对地基模型加热，能够使地基模型均匀受热，且加热桶的桶壁面积大，因此热源面积大，从而可实现对地基模型的全方位、快速、均匀加热，且其排水方式可控。通过本发明温控模型试验装置可实现对地基模型的分段、分级、线性加温及降温，精确控制加热桶内软土地基的温度，保持温度稳定，还可以完成特定温度下及不同温度下的土样固结试验，真实模拟土体在外加热源下的特性，合理、可靠的分析软土地基的温度、孔压、沉降的发展变化规律，为软基处理热排水固结法在工程中的应用设计和施工提供技术参数，并揭示工程应用中热排水固结软基处理的作用机理以及地基的加固效果。

附图说明

图1为不排水条件下实施例中温控模型试验装置的结构示意图；

图2为图1中a处放大图；

图3为实施例中加热桶的结构示意图；

图4为实施例中盖板的外观图；

图5为实施例中导水板的仰视图；

图6为横向单面排水条件下，加热桶内的软土地基模型的结构示意图；

图7为不排水条件下，加热桶内的软土地基模型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一的温控模型试验装置，如图所示，包括加热机构和加压机构，加热机构包括金属制成的加热桶1、水循环加热器2和盖板3，加热桶1的周壁上设置有密闭的环形加热腔13，加热桶1的周壁上分别开设有进水口14和出水口15，进水口14经软管16与水循环加热器2的出水端相连通，出水口15经软管16与水循环加热器2的进水端相连通，加热桶1用于填装软土4，加热桶1内填装软土4后，在软土4上铺设过渡层5，在过渡层5上放置盖板3，盖板3上开设有多个导水孔31，加压机构位于盖板3的正上方。

实施例一中，加热桶1包括内桶11和设置在内桶11外侧的外桶12，内桶11和外桶12均上部开口，内桶11的外侧面和外桶12的内侧面即围成环形加热腔13，环形加热腔13的上端由一环形密封板17密封，环形密封板17的外侧焊接在外桶12上，环形密封板17的内侧焊接在内桶11上，进水口14和出水口15分别开设在环形密封板17的两侧。外桶12的外侧设置有上部开口的桶状保温层18。

实施例二的温控模型试验装置，如图所示，包括加热机构和加压机构，加热机构包括金属制成的加热桶1、水循环加热器2和盖板3，加热桶1置于一底板19上，底板19固定在地面上，加热桶1的周壁上设置有密闭的环形加热腔13，加热桶1的周壁上分别开设有进水口14和出水口15，进水口14经软管16与水循环加热器2的出水端相连通，出水口15经软管16与水循环加热器2的进水端相连通，加热桶1用于填装软土4，加热桶1内填装软土4后，在软土4上铺设过渡层5，在过渡层5上放置盖板3，盖板3上开设有多个导水孔31，盖板3的两侧分别安装有沉降计32。

实施例二中，加热桶1包括内桶11和设置在内桶11外侧的外桶12，内桶11和外桶12均上部开口，内桶11的外侧面和外桶12的内侧面即围成环形加热腔13，环形加热腔13的上端由一环形密封板17密封，环形密封板17的外侧焊接在外桶12上，环形密封板17的内侧焊接在内桶11上，进水口14和出水口15分别开设在环形密封板17的两侧。外桶12的外侧设置有上部开口的桶状保温层18。内桶11的内腔内设置有多个温度压力传感器6，内桶11的底部间隔安装有多个温度压力传感器6，软土4内间隔埋设有多个温度压力传感器6，盖板3的两侧分别安装有沉降计32。

实施例二中，加压机构包括反力架81、杠杆82、千斤顶83和传力架84，反力架81安装在加热桶1的一侧，杠杆82的一端与反力架81经转轴转动连接，杠杆82的另一端安装有用于加载砝码87的挂钩85，挂钩85上悬设有用于放置砝码87的砝码挂盘86，杠杆82与千斤顶83的上端经半球形铰支座活动连接，千斤顶83的下端与传力架84相连，传力架84位于盖板3的正上方。

实施例三的温控模型试验装置，如图所示，包括加热机构和加压机构，加热机构包括金属制成的加热桶1、水循环加热器2和盖板3，加热桶1置于一底板19上，底板19固定在地面上，加热桶1的周壁上设置有密闭的环形加热腔13，加热桶1的周壁上分别开设有进水口14和出水口15，进水口14经软管16与水循环加热器2的出水端相连通，出水口15经软管16与水循环加热器2的进水端相连通，加热桶1用于填装软土4，加热桶1内填装软土4后，在软土4上铺设通水的过渡层5，过渡层5为砂垫层，在过渡层5上放置盖板3，盖板3上开设有多个导水孔31，盖板3的两侧分别安装有沉降计32。

实施例三中，加热桶1包括内桶11和设置在内桶11外侧的外桶12，内桶11和外桶12均上部开口，内桶11的外侧面和外桶12的内侧面即围成环形加热腔13，环形加热腔13的上端由一环形密封板17密封，环形密封板17的外侧焊接在外桶12上，环形密封板17的内侧焊接在内桶11上，进水口14和出水口15分别开设在环形密封板17的两侧。内桶11的底壁与外桶12的底壁之间具有间隙7，环形加热腔13与间隙7相导通，外桶12的侧壁的下部开设有排水口，排水口处安装有排水龙头10。间隙7内装设有导水板71，导水板71的厚度与间隙7的高度相同，导水板71的下部开设有三道左右导通的第一通水槽72和三道前后导通的第二通水槽73，三道第一通水槽72和三道第二通水槽73横纵交错并相互贯通。外桶12的外侧设置有上部开口的桶状保温层18。内桶11的内腔内设置有多个温度压力传感器6，内桶11的底部间隔安装有多个温度压力传感器6，软土4内间隔埋设有多个温度压力传感器6，盖板3的两侧分别安装有沉降计32。

实施例三中，加压机构包括反力架81、杠杆82、千斤顶83和传力架84，反力架81安装在加热桶1的一侧，杠杆82的一端与反力架81经转轴转动连接，杠杆82的另一端安装有用于加载砝码87的挂钩85，挂钩85上悬设有用于放置砝码87的砝码挂盘86，杠杆82与千斤顶83的上端经半球形铰支座活动连接，千斤顶83的下端与传力架84相连，传力架84位于盖板3的正上方。

实施例四的温控模型试验装置，与实施例三的试验装置的结构基本相同，不同之处在于，实施例四中，过渡层5为隔水的过渡层5，过渡层5由防水的塑料层51和铺设在该塑料层51上的砂垫层构成，塑料层51的四周设置有密封圈52，密封圈52设置在塑料层51与内桶11的内壁的衔接处。

以实施例三的温控模型试验装置为例，进行横向单面排水条件下的试验时，如图6所示，在软土4上直接铺设砂垫层5（例如，内桶11内径40cm、深度50cm时，铺设的砂垫层5的厚度可以为6～10cm，桶状保温层18可以采用80mm厚度的包裹有锡纸的厚海绵保温材料，砝码87的加载量为0～400kpa），并在砂垫层5上放置盖板3，形成排水系统，试验过程中软土4中的水可以迅速有效地从地基模型中向上排出。

以实施例四的温控模型试验装置为例，进行不排水条件下的试验时，如图7所示，首先在软土4上铺设防水的塑料层51，并在塑料层51与内桶11的内壁的衔接处加装密封圈52，再在该塑料层51上先铺设砂垫层5再放置盖板3，形成不排水系统。

以实施例三的温控模型试验装置为例，使用时，在加热桶1内填装软土4，并在软土4上铺设过渡层5，再在过渡层5上放置盖板3，建立软土地基模型；然后设定水循环加热器2的加热温度（具体温度的选择范围为0～80℃），经水循环加热器2向加热桶1上的环形加热腔13内通入热水，通过热水加热软土4，最后通过加压机构对盖板3加压，通过温度压力传感器6，对土样不同部位的温度及孔压进行监测，同时通过分别记录盖板3两侧的沉降计32的沉降数据，了解温度、孔压、沉降的发展变化规律，为工程应用中的热排水固结软基处理提供依据。

通过本发明温控模型试验装置可实现对地基模型的分段、分级、线性加温及降温，精确控制加热桶内软土地基的温度，保持温度稳定，还可以完成特定温度下及不同温度下的土样固结试验，真实模拟土体在外加热源下的特性，合理、可靠的分析软土地基的温度、孔压、沉降的发展变化规律。