一种全自动冻胀仪的制作方法

本实用新型涉及一种全自动冻胀仪，尤其涉及一种能够研究冻结过程中岩土材料的冻胀力和冻胀量以及水分迁移情况的试验设备。

背景技术：

土是自然界岩石风化的产物，其物理力学特性受到其形成过程和区域的影响而表现出很大的不同，通常在多年冻土和季节性冻土地区，由于复杂的环境地理条件限制，土的物理力学性能指标往往难以掌握。

与一般土体相比，多年冻土和季节性冻土地区的土体多受到冻胀力、冻胀量等物理力学指标的影响。据统计我国西部永久性冻土与季节性冻土区域面积占国土总面积的60％以上，而近几年来我国进行了大规模的西部建设，如西气东输、西电东输工程、青藏铁路、青藏公路等大型国家建设项目，冻土问题将成为这些工程建设中的一大阻力，如铁路隧道开挖及支护受到冻胀作用的显著影响，涉及到冻土的力学性能试验和力学性能指标的确定等问题。

此外，目前在土木、交通以及采矿等工程领域多采用冻结法进行施工，主要是由于冻胀作用的影响，土体中的水热状态发生显著变化，并引起土体的强度以及结构发生相应改变，但是在冻结法施工的过程中，冻胀作用对周围建筑物和施工的影响是不可忽视的，主要表现为周围建筑物基础的不均匀隆起、建筑物开裂变形、对已有管线的冻胀破坏以及外层混凝土井壁的压坏等等。

因此，对冻土的物理力学指标的研究相当紧迫。对于冻土物理性能指标的确定多采用冻胀仪进行试验研究。冻胀仪主要研究在冻胀过程中，土体的冻胀率、冻胀深度、冻胀量和冻胀力，以及冻土融化过程中的融沉系数等物理性能参数，进而对工程地基融化、压缩沉降进行研究。

经过专利文献检索，现有技术多在设备功能上做了一些有益的探索和改进，例如一种冻胀仪(中国专利申请号：201510074655.8)，针对现有测量路基冻胀设备在功能、精度、适用性等方面的弊端，提出了一种能够对路基冻胀以及水分迁移情况进行试验研究的冻胀设备，提高了试验控制的精度和功能，但是该实用新型采用砝码加载，难以实现荷载的连续施加，且补水装置采用马氏瓶量筒，地下水位的调节精度较低，易受到环境温度的影响，产生蒸发等现象，温度探头均位于玻璃试样筒侧壁，仅能测得试样内部的温度，而不能有效的提高试样顶部和底部温度控制的精确度，同时，该实用新型不能实现试验过程的全自动控制和测量，这些均降低了试验的精确度和效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是：提供一种新型全自动冻胀仪，能够实现岩土材料冻胀试验过程的全自动控制和采集，且对试样顶部和底部温度控制、竖向应力控制等采用伺服闭环控制，可有效地避免环境等客观原因对试验过程的影响，提高试验控制和测量的精确度。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

种全自动冻胀仪，其特征在于，它包括主机加载框架，位于主机加载框架上的冻结压力室，与冻结压力室相连接的高低温循环控制系统，连接在冻结压力室顶部的水位控制系统，与水位控制系统相连的计算机；所述的计算机与主机加载框架和高低温循环控制系统相连接。可通过计算机或者控制面板对本实用新型进行试验控制和采集。

作为优选方案，以上所述的全自动冻胀仪，所述的主机加载框架包括加载横梁、荷重传感器、拉杆、控制面板、钢架、伺服驱动装置和丝杆；

所述的钢架上分别安装有拉杆和箱体；伺服驱动装置固定于箱体的侧面，并与安装在箱体内部的丝杆相连接，丝杆顶部安装有法兰盘；

所述的加载横梁通过上端固定螺母和下端固定螺母固定在拉杆的上端，加载横梁的一端设置有U型开口；

所述的冻结压力室位于法兰盘上，冻结压力室的顶部与固定在荷重传感器下方的加载接头相接触，所述的荷重传感器安装在加载横梁的中心。

作为优选方案，以上所述的全自动冻胀仪，所述的伺服驱动装置通过箱体内部的丝杆推动冻结压力室随法兰盘进行竖向运动，控制冻土试样的轴向加载和轴向位移，并采用荷重传感器对冻土试样的受力变化进行伺服控制和测量。

作为优选方案，以上所述的全自动冻胀仪，所述的冻结压力室包括中心杆、上盖、上保温罩、有机玻璃筒、隔热保温材料、下保温罩、导向杆、上隔热块、上端恒温调节板、上透水扩散板、上透水板、冻土试样、下透水板、下透水扩散板、下隔热块、底部支撑杆、下端恒温调节板、上端温度传感器和下端温度传感器；

所述的上盖和下保温罩通过导向杆分别固定于有机玻璃筒的上下两端，有机玻璃筒内部安装有冻土试样；

所述的冻土试样顶部从下到上依次放置有上透水板、上透水扩散板、上端恒温调节板和上隔热块；中心杆和上隔热块、上端恒温调节板和上透水扩散板依次固定形成一个整体结构B₁，上透水扩散板与有机玻璃筒之间采用O型圈密封；

所述的冻土试样底部从上到下依次放置有下透水板、下透水扩散板、下端恒温调节板和下隔热块；底部支撑杆和下隔热块、下端恒温调节板和下透水扩散板依次固定形成一个整体结构B₂，下透水扩散板与有机玻璃筒之间采用O型圈密封；

所述的上保温罩与上盖相连接，下保温罩固定于下端恒温调节板上；隔热保温材料包裹在冻结压力室外部。

作为优选方案，以上所述的全自动冻胀仪，所述的上透水扩散板的顶部和底部分别设置有上端温控环形过水通道和上端补水/排气环形通道，上端温控环形过水通道的入水端和出水端分别与上端恒温调节板顶部的上端温控入口和上端温控出口相连通，上端补水/排气环形通道的中心入水端通过上端补水/排气通道与上隔热块上的上端补水/排气接口相连通；

所述的下透水扩散板顶部和底部分别设置有下端补水环形过水通道和下端温控环形过水通道，下端补水环形过水通道通过下端补水通道与下隔热块上的下端补水入口相连通，下端温控环形过水通道的入水端和出水端分别与下端恒温调节板底部的下端温控入口和下端温控出口相连通。

作为优选方案，以上所述的全自动冻胀仪，冻结压力室包括第一高低温循环控制系统和第二高低温循环控制系统；第一高低温循环控制系统与下端温控入口和下端温控出口相连通；第二高低温循环控制系统与上端温控入口和上端温控出口相连通。

作为优选方案，以上所述的全自动冻胀仪，温度传感器穿过有机玻璃筒，并延伸至冻土试样的内部，上端温度传感器安装在上隔热块的内部，下端温度传感器安装在下隔热块的内部。

作为优选方案，以上所述的全自动冻胀仪，水位控制系统通过管线与上端补水/排气接口或者下端补水入口相连通。

本实用新型提供的全自动冻胀仪，可进行多项实验，如可以进行以下试验：

a、单向/双向冻结过程试验，测得土体的冻胀量、冻胀率、冻结深度和冻胀力等试验参数；

b、冻土融化过程试验，测得土体的融沉量、融沉系数和压缩系数等物理力学参数；

c、冻融循环试验，测得在冻融循环过程中土体的变形、温度、应力和盐分迁移、水分迁移等变化情况，并检测冻融循环前后土体性质的变化。

与现有技术对比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型提供的全自动冻胀仪采用试验过程自动化控制，能够实现冻土试验过程的全自动化控制和采集，可有效地提高试验的控制和测量精确度；

2、本实用新型所述的全自动冻胀仪采用配套的水位控制系统，可有效地降低环境温度对试验过程控制及试验结果准确度的影响；

3、本实用新型所述的全自动冻胀仪采用双向可控补水通道设计，该通道即可作为补水通道，又可作为排水通道使用。

4、本实用新型所述的全自动冻胀仪轴向采用伺服控制系统加压，能够进行连续轴向加载控制。

5、本实用新型所述的全自动冻胀仪的恒温调节板和透水扩散板均采用环形过水通道，可有效地提高试样顶部、底部温度分布和试样补水的均匀性，提高试验的有效性。

6、本实用新型所述的全自动冻胀仪对试验中的温度、轴力等采用伺服闭环控制，可有效地提高试验控制的精度，降低客观因素对试验控制的影响。

7、本实用新型所述的全自动冻胀仪在冻土试样的上下端分别设置上端温度传感器和下端温度传感器，可有效地避免外界温度对上端恒温调节板和下端恒温调节板温度的影响，提高试验控制的精确度。

附图说明

图1是本实用新型所述的全自动冻胀仪的结构示意图。

图2是本实用新型所述的全自动冻胀仪的主机加载框架的结构示意图。

图3是本实用新型所述的全自动冻胀仪的主机加载框架的剖面图。

图4是本实用新型所述的全自动冻胀仪的冻结压力室结构示意图。

图5是图4全自动冻胀仪的冻结压力室A-A剖面图。

图6是图5中全自动冻胀仪冻结压力室I-I截面图。

图7是图5中全自动冻胀仪冻结压力室II-II截面图。

具体实施方式

实施例1

如图1至图7所示。一种全自动冻胀仪，其特征在于，它包括主机加载框架1，位于主机加载框架1上的冻结压力室2，与冻结压力室2相连接的高低温循环控制系统3，连接在冻结压力室3顶部的水位控制系统4，与水位控制系统4相连的计算机5；所述的计算机5与主机加载框架1和高低温循环控制系统3相连接。

以上所述的全自动冻胀仪，所述的主机加载框架1包括加载横梁1-2、荷重传感器1-4、拉杆1-6、控制面板1-8、钢架1-11、伺服驱动装置1-12、丝杆1-14；

所述的钢架1-11上分别安装有拉杆1-6和箱体1-9；伺服驱动装置1-12固定于箱体1-9的侧面，并与安装在箱体1-9内部的丝杆1-14相连接，丝杆1-14顶部安装有法兰盘1-7；

所述的加载横梁1-2通过上端固定螺母1-1和下端固定螺母1-3固定在拉杆1-6的上端，加载横梁1-2的一端设置有U型开口1-15；

所述的冻结压力室2位于法兰盘1-7上，冻结压力室2的顶部与固定在荷重传感器1-4下方的加载接头1-5相接触，所述的荷重传感器1-4安装在加载横梁1-2的中心。

所述的伺服驱动装置1-12通过箱体1-9内部的丝杆1-14推动冻结压力室2随法兰盘1-7进行竖向运动，控制冻土试样2-12的轴向加载和轴向位移，并采用荷重传感器1-4对冻土试样2-12的受力变化进行伺服控制和测量。

以上所述的全自动冻胀仪，所述的冻结压力室2包括中心杆2-1、上盖2-2、上保温罩2-3、有机玻璃筒2-4、隔热保温材料2-5、下保温罩2-6、导向杆2-7、上隔热块2-8、上端恒温调节板2-9、上透水扩散板2-10、上透水板2-11、冻土试样2-12、下透水板2-13、下透水扩散板2-14、下隔热块2-15、底部支撑杆2-16、下端恒温调节板2-17、上端温度传感器2-18和下端温度传感器2-19；

所述的上盖2-2和下保温罩2-6通过导向杆2-7分别固定于有机玻璃筒2-4的上下两端，有机玻璃筒2-4内部安装有冻土试样2-12；

所述的冻土试样2-12顶部从下到上依次放置有上透水板2-11、上透水扩散板2-10、上端恒温调节板2-9和上隔热块2-8；中心杆2-1和上隔热块2-8、上端恒温调节板2-9和上透水扩散板2-10依次固定形成一个整体结构B₁，上透水扩散板2-10与有机玻璃筒2-4之间采用O型圈2-32密封；

所述的冻土试样2-12底部从上到下依次放置有下透水板2-13、下透水扩散板2-14、下端恒温调节板2-17和下隔热块2-15；底部支撑杆2-16和下隔热块2-15、下端恒温调节板2-17和下透水扩散板2-14依次固定形成一个整体结构B₂，下透水扩散板2-14与有机玻璃筒2-4之间采用O型圈2-32密封；

所述的上保温罩2-3与上盖2-2相连接，下保温罩2-6固定于下端恒温调节板2-17上；隔热保温材料2-5包裹在冻结压力室2外部。

以上所述的全自动冻胀仪，所述的上透水扩散板2-10的顶部和底部分别设置有上端温控环形过水通道2-22和上端补水/排气环形通道2-25，上端温控环形过水通道2-22的入水端和出水端分别与上端恒温调节板2-9顶部的上端温控入口2-20和上端温控出口2-21相连通，上端补水/排气环形通道2-25的中心入水端通过上端补水/排气通道2-24与上隔热块2-8上的上端补水/排气接口2-23相连通；

所述的下透水扩散板2-14顶部和底部分别设置有下端补水环形过水通道2-31和下端温控环形过水通道2-30，下端补水环形过水通道2-31通过下端补水通道2-27与下隔热块2-15上的下端补水入口2-26相连通，下端温控环形过水通道2-30的入水端和出水端分别与下端恒温调节板2-17底部的下端温控入口2-28和下端温控出口2-29相连通。

以上所述的全自动冻胀仪，冻结压力室2包括第一高低温循环控制系统3-1和第二高低温循环控制系统3-2；第一高低温循环控制系统3-1与下端温控入口2-28和下端温控出口2-29相连通；第二高低温循环控制系统3-2与上端温控入口2-20和上端温控出口2-21相连通。

以上所述的全自动冻胀仪，温度传感器1-10穿过有机玻璃筒2-4，并延伸至冻土试样2-12的内部，上端温度传感器2-18安装在上隔热块2-8的内部，下端温度传感器2-19安装在下隔热块2-15的内部。

以上所述的全自动冻胀仪，水位控制系统4通过管线与上端补水/排气接口2-23或者下端补水入口2-26相连通。

本实用新型所述的水位控制系统4采用南京泰克奥科技有限公司生产的型号为TKA-PVC-3的标准压力体积控制器，通过控制器对试验过程中冻土试样2-12的含水体积和压力进行控制，可模拟在实际环境中冻土试样2-12所处的地下水位变化情况；可根据试验需要选用不同量程的标准压力体积控制器。

实施例2

本实用新型所述的全自动冻胀仪的工作方法为：

温度控制：步骤a：冻土试样2-12上端温度调控：启动第一高低温循环控制系统3-1，系统内部的恒温液体(温度为t0)依次通过下端温控入口2-28、下端温控环形过水通道2-30、下端温控出口2-29进行循环，并最终流入第一高低温循环控制系统3-1内部，循环过程中，恒温液体将受到外界环境因素的影响，液体温度发生变化，通过下端温度传感器2-19测量下端温控环形过水通道2-30内部液体的温度t1，并将该温度t1反馈给计算机5，通过将温度t0和t1进行对比分析，计算机5系统将对液体温度进行微调，使得测量温度t1趋近于目标温度t0；

步骤b：冻土试样2-12上端温度调控：同冻土试样2-12上端温度调控方式，采用第二高低温循环控制系统3-2、上端温控入口2-20、上端温控出口2-21、上端温控环形过水通道2-22结构；

应力控制：伺服控制系统1-12通过箱体1-9内部的丝杆1-14推动冻结压力室2随法兰盘1-7进行竖向运动，控制冻土试样2-12的轴向加载和轴向位移，并采用荷重传感器1-4对冻土试样2-12的受力变化进行伺服控制和测量；

补水控制：水位控制系统4控制试验过程中对试样的补水量和试样内部孔隙水压力调控。

实施例3

本实用新型所述的全自动冻胀仪的操作步骤为：

a、单向/双向冻结过程试验

步骤一：安装试样，在有机玻璃筒2-4内部涂抹一层凡士林，用手将规定尺寸的冻土试样2-12缓缓推入有机玻璃筒2-4内部，若为原状土试样，应保持冻土试样2-12的放置方向为其自然沉积方向，在冻土试样2-12上端依次放置滤纸和上透水板2-11、下端依次放置滤纸和下透水板2-13，并将装有冻土试样2-12的有机玻璃筒2-4放置在结构B₂的上部，结构B₁从有机玻璃筒2-4的上部轻轻推入，与上透水板2-11相接触；将冻结压力室2放置在主机加载框架1中，并施加1kPa的压力；

步骤二：保温处理，将上保温罩2-3安装在上盖2-2上，温度传感器1-10插入有机玻璃筒2-4内部，上端温度传感器2-18、下端温度传感器2-19分别固定在上隔热块2-8和下隔热块2-15的内部，随后将隔热保温材料2-5包裹在冻结压力室2外部；

步骤三：管线连接，将第一高低温循环控制系统3-1通过管线与下端温控入口2-28和下端温控出口2-29相连通，第二高低温循环控制系统3-2通过管线与上端温控入口2-20和上端温控出口2-21相连通，水位控制系统4通过管线与下端补水入口2-26相连通；

步骤四：开始试验，采用计算机5对本实用新型发送命令：

1)应力控制：通过主机加载框架1对冻土试样2-12施加初始地应力；

2)水位控制：水位控制系统4作为补水系统，设置与试验用水位相对应的试验压力，进行冻土试样2-12的水位控制；

3)温度控制：启动第一高低温循环控制系统3-1和第二高低温循环控制系统3-2，根据试验方案设计需要，第一高低温循环控制系统3-1和第二高低温循环控制系统3-2将对冻土试样2-12底部和顶部温度进行控制；

4)试验参数测量：维持初始地应力不变通过主机加载框架1测量冻土试样2-12的轴向变形、维持轴向位移不变通过荷重传感器1-4测量冻土试样2-12的轴向应力变化，得到冻土试样2-12的冻胀量和冻胀力变化。

步骤五：完成试验，下端固定螺母1-3固定不动，通过旋松上端固定螺母1-1，使加载横梁1-2能够以图3中的C点为中心进行旋转，取出结构B₁，并快速从有机玻璃筒2-4中取出冻土试样2-12，测量冻土试样2-12高度、冻结深度等，分析冻土试样2-12的水分、盐分迁移情况。

b、冻土融化压缩试验

在a单向/双向冻结过程试验温度控制的基础上进行以下试验控制：

1)温度控制：启动第一高低温循环控制系统3-1和第二高低温循环控制系统3-2，根据试验方案设计需要，对冻结完成后的冻土试样2-12进行温度控制，保持冻土试样2-12底部温度不变，顶部以一定的速率进行升温，使冻土试样2-12自上而下单向融化，并记录冻土试样2-12竖向的变化量，直至融沉结束，即每2小时沉降量小于0.05mm；

2)应力控制：融沉稳定后，停止对冻土试样2-12进行温度控制，通过主机加载框架1对冻土试样2-12逐级施加试验设计所需轴向应力，并测记相应的压缩量；

完成试验后，取出冻土试样2-12，并分析冻土试样2-12各层的水分、盐分迁移情况以及密度变化。

c、冻融循环试验

同b冻土融化压缩试验方法，进行多次冻结-融化-冻结-融化循环，并测量、分析试验前后土体性质的变化

以上仅为本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。