一种高精度土体冻胀过程自动化监测系统的制作方法
本发明属于土工低温试验领域，具体涉及一种高精度土体冻胀过程自动化监测系统。
背景技术：
最冷月平均气温<-3℃，月平均气温>10℃的月份不超过4个，是我国对寒区最早的定义，在该区域土壤冻胀是一种常见的自然现象。土壤冻胀主要原因有两方面，一方面在于温度下降到冰点以下，土中孔隙水冻结成冰，当冰晶充满孔隙时为满足其体积继续膨胀的需求会挤压土体颗粒，导致土颗粒蠕动向外分散，从而造成宏观上的变形。另一方面，在温度梯度和基质势的共同作用下，下部未冻土层的水分会源源不断的向冻结前缘迁移，聚集冻结形成冰透镜体、冰夹层等形式的冰侵入体，引起土体分离，导致地表不均匀隆起变形。如何提前预报工程病害，并给出相应的防治措施就显得尤为重要，而行之有效的防治措施，离不开对土体冻胀过程的正确认识。
土壤冻胀会严重影响寒区工程的稳定性，甚至可能造成开裂、滑坡、渗水等工程病害。要保证寒区铁路、公路、输油管和变电站等的稳定运营，需要研究土体冻胀机理，针对其特有的物理性质采用特殊的施工技术。而研究土壤冻胀机理的首要关键就是了解土体冻胀过程，目前对土壤冻胀的室内模拟研究技术已较为成熟，但都还没有实现动态化、自动化和精细化，并且不能有针对性的对不同工程背景下的土壤冻胀进行模拟。
目前的测试系统只能在冻胀结束时读取最终位移值和水分补给量，对于简单测试不同条件或土质情况下的最终冻胀结果，显然可以满足，但无法深入揭示土壤的冻胀机理。并且对于初期排水固结，冻结锋面前进，冻胀变形全过程等动态现象由于缺乏过程数据也无法反演分析。传统的土壤冻胀位移大多采用百分表测量，相对于高铁路基粗细颗粒材料无法完全准确稳定的捕捉到这一材料的微小冻胀变形，况且人为读数的偶然误差足以影响实验结果。还有对于冷浴压缩机本身对土样空腔造成的机械震动均没有考虑在内，百分表最终显示的冻胀量是否能准确反映土体冻结程度还有待考证。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高精度土体冻胀过程自动化监测系统，该系统消除了机械震动、人为读数误差对监测结果的影响，深入揭示土壤的冻胀机理，监测结果准确可靠。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种高精度土体冻胀过程自动化监测系统，所述高精度土体冻胀过程自动化监测系统包括试样本体、温控机构、补水机构、测量机构、数据采集机构与隔震支座；
所述试样本体包括有机玻璃筒和土样，所述有机玻璃筒的上下端为开放结构，所述土样放置在所述有机玻璃筒的内部，所述隔震支座连接在所述有机玻璃筒的底部；
所述温控机构包括恒温箱，所述有机玻璃筒放置在恒温箱内，所述有机玻璃内设有与其内径相应的控温顶板和控温底板，所述控温顶板和控温底板分别设置在所述土样的上下两侧；
所述补水机构包括水泵，所述水泵的出水端连接有补水导管，该补水导管贯穿所述控温底板向有机玻璃筒内部延伸；
所述测量机构包括螺旋连接在有机玻璃筒侧壁的温度传感器、以及设置在所述土样上方的位移计，所述温度传感器和位移计通过导线与所述数据采集机构连接。
作为优选，所述有机玻璃筒的上下端分别连接有盖板和底座，所述盖板上设有环形凹槽，所述有机玻璃筒的上端嵌装在该环形凹槽内；
所述底座上设有圆形凹槽，所述有机玻璃筒的下端与该圆形凹槽的内壁贴靠，所述控温底板位于圆形凹槽的中部；
所述盖板和底座之间螺纹连接有多根固定支架。
作为优选，所述底座上连接有多个座脚，所述座脚设置在所述隔震支座上；
所述隔震支座包括水平隔震组件和垂直隔震组件，所述垂直隔震组件包括隔震板和竖向嵌装在隔震板内部的铅芯，所述隔震板由不锈钢板和阻尼板交替层叠而成，所述隔震板的中部设有避让孔；
所述水平隔震组件包括连接在隔震板上方的挑板，所述挑板的中部设有落座孔，在所述落座孔的周围环绕连接有至少三根向下延伸至避让孔的丝绳，所述丝绳的底部连接有承压板，所述座脚穿过落座孔并放置在所述承压板上。
作为优选，所述控温顶板的内部设有盘管，所述盘管的进口端与出口端分别通过螺纹连接有冷浴导管，所述控温顶板内部安装有热电阻；所述控温顶板的顶部连接有测位平台，所述测位平台与所述位移计相配合以检测所述土样的冻胀变形位移。
作为优选，所述控温底板的内部设有盘管，所述盘管的进口端与出口端分别通过螺纹连接有冷浴导管，所述控温底板内部安装有热电阻；
所述补水导管的末端位于控温底板的顶面，所述控温底板的顶面连接有滤网，且该滤网覆盖所述补水导管的末端。
作为优选，所述位移计通过位移计支架固定在盖板和底座上，所述盖板上设有支架避让孔，所述底座设有与所述支架避让孔相对应的支架螺纹孔，所述位移计支架贯穿所述支架避让孔后与所述支架螺纹孔螺纹连接。
作为优选，所述位移计支架上设有外螺纹，并通过外螺纹与支架螺纹孔螺纹连接，所述外螺纹的竖向长度≥150mm。
作为优选，所述温度传感器包括热电阻，所述热电阻通过限位螺母连接导线，所述热电阻的外周包裹有柱状铜片，所述铜片的长度大于所述热电阻的长度，所述铜片远离导线的一端为倾斜面。
作为优选，所述有机玻璃筒的侧壁螺旋分布有多个安装孔，所述温度传感器的铜片贯穿该安装孔，所述限位螺母与所述安装孔的外侧面抵靠。
作为优选，相邻两安装孔之间的纵向间距相等，且所述纵向间距为1cm或2cm。
本发明提供的一种高精度土体冻胀过程自动化监测系统与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)采用位移计代替传统的百分表测量，不仅在精度上有较大的提升，而且避免了无法在试验进行时正常读数的问题，能较好的呈现土样冻胀的动态全过程，真正实现实时监测。
2)隔震支架的设置有效避免由于下部压缩机工作带来震动的影响，既适应了位移计高精度的要求，也避免了震动对土样空腔造成的影响。
3)通过数据采集机构直接获取热电阻、位移计等测量装置的值，不仅可以避免由于人为读数造成的偶然误差，还可大大降低工作量，提高自动化程度。
4)采用针形的热电阻测量各层土样温度场可减少埋置过程中对土样的扰动，外置一层铜片可以保护热电阻延长其使用寿命；温度传感器布置形式为螺旋上升式，避免了由于同侧钻孔过多而导致的试样筒侧壁强度不足的情况。
附图说明
图1为本发明的高精度土体冻胀过程自动化监测系统的结构示意图；
图2为图1中部分固定部件的结构示意图；
图3为本发明的控温顶板的结构示意图；
图4为本发明的控温底板的结构示意图；
图5为本发明的位移计支架和固定支架的结构示意图；
图6为本发明的有机玻璃筒侧壁的安装孔的布置示意图；
图7为本发明的温度传感器的结构示意图；
图8为本发明的隔震支座的结构示意图。
1、恒温箱；2、激光位移计；3、控温顶板；4、测位平台；5、冷浴导管；6、有机玻璃筒；7、保温材料；8、滤纸；9、土样；10、温度传感器；11、透水石；12、控温底板；13、限位孔；14、隔震支座；15、水泵；16、散热板；17、o型密封圈；18、盖板；19、位移计支架；20、流量控制阀；21、流量计；22、导线；23、热电阻；24、数据采集器；25、计算机；26、挑板；27、丝绳；28、承压板；29、铅芯；30、不锈钢板；31、阻尼板；32、底座；33、固定支架；34、安装孔；35、铜片；36、限位螺母；37、盘管；38、滤网；39、补水导管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当组件被称为“设置”在另一个组件上时，它可以直接“设置”在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本发明。
如图1所示，一种高精度土体冻胀过程自动化监测系统，包括试样本体、温控机构、补水机构、测量机构、数据采集机构与隔震支座。
其中，数据采集机构包括数据采集器24和计算机25。
数据采集器24的电源需要进行转换：输入ac(交流)240v，输出dc(直流)15v、800ma；采用双通道隔离技术可接入15个(±50v)模拟信号，最多可扩展到300个模拟输入，能够通过模拟及数字通道、高速计数器、脉冲输入、可编程传感器以及串行通道接口连接一系列的传感器，实现温度、电压、电流、电阻、电桥、频率同时进行数据采集；同时可对采集到的各种原始数据进行计算，按所需要的工程单位或统计报告的形式将原始数据或计算结果返回给计算机25。
计算机25采用市面上能直接采购的普通计算机，无特殊要求。
本实施例的试样本体包括有机玻璃筒6和土样9，有机玻璃筒6的上下端为开放结构，有机玻璃筒6的高度为20cm、壁厚为1.5cm，足够满足单向冻结对侧向变形的限制，且适用于绝大部分室内冻胀监测的土样尺寸。
土样9放置在有机玻璃筒6的内部，土样9放置以前，在有机玻璃筒6内均匀涂抹凡士林以润滑，排除摩擦阻力对土壤冻胀变形的抑制。
自动化监测所使用的土样9可根据实际的工程背景进行配比，也可以直接采用原状土进行监测。当然也可以用于研究改性土壤的冻胀特性，由于装置的规模限制，冻胀监测限于小尺寸模型。
为了进一步提高监测环境，试样本体还包括滤纸8和透水石11。
滤纸8分别放置在土样9的顶面、以及土样9的底面。本实施例中滤纸8采用v60原木浆纸，并且在放置到土样9上之前进行润湿。滤纸8可避免土样9与其他部件直接接触，具有保护土样的作用。
透水石11具有若干块，且铺设在土样9下方，容易理解的是，透水石11铺设在土样9下方但与土样9之间隔着滤纸。本实施例中透水石11铺设一块，且为直径100mm、长度10mm的圆柱状。透水石11具有滤水作用，同时透水石11的导气性低，可保证土样9的横向切面的补水过程是各向均匀的。
结合图2所示，本实施例中的温控机构包括恒温箱1、控温顶板3和控温底板12。
恒温箱1为控制整个监测环境温度的装置，恒温箱1采用钢材制作，且钢材为内外两层，两层钢材之间存在的间距构成空腔。在两层钢材之间采用厚度略小于空腔宽度的聚苯板填充，聚苯板与钢材之间的孔隙再用橡塑保温材料进行包裹，保证填充密实达到预期的隔热效果。有机玻璃筒6整体放置在恒温箱1内。
控温顶板3和控温底板12为圆柱状，且直径与有机玻璃筒6的内径均约为10cm。控温顶板3和控温底板12设置在有机玻璃筒6内部，分别设置在土样9的上下两侧，控温底板12设置在土样9的下侧，在控制土样9温度的同时承载土样9，控温底板12相对于有机玻璃筒6的位置在整个冻胀试验中是不变的；控温顶板3设置在土样9的上侧，且控温顶板3无竖向的约束结构，在整体冻胀试验中，控温顶板3因土样9的冻胀变形产生竖向位移，该竖向位移可直接反映土样9的冻胀变形量，将土样9的冻胀变形转化为控温顶板3的位移，更加便于监测，提高检测结果的可靠性。
容易理解的是，控温顶板3和控温底板12需放入有机玻璃筒6内部，且需要对所有土样9进行均匀控温，故实际应用时设置控温顶板3和控温底板12的直径略小于有机玻璃筒6的内径，例如有机玻璃筒6的内径设置为10cm，控温顶板3和控温底板12的直径可以设置为9.7cm、9.8cm或9.9cm，保证控温顶板3和控温底板12正常安装的情况下对土样9具有最大的控温面积。
为了保证有机玻璃筒6与各部件的紧密配合，避免在监测过程中产生位移，有机玻璃筒6的上下端分别连接有盖板18和底座32。
盖板18上设有环形凹槽，有机玻璃筒6的上端嵌装在该环形凹槽内。底座32上设有圆形凹槽，有机玻璃筒6的下端与该圆形凹槽的内壁贴靠，控温底板12位于圆形凹槽的中部，这里的中部应理解为控温底板12设置在圆形凹槽除有机玻璃筒6底部所占用的空间之外的地方。
为了避免在监测过程中水体从有机玻璃筒6内渗出，在有机玻璃筒6与底座32的接触部位增加o型密封圈17，并在底座32与有机玻璃筒6侧壁的缝隙处涂抹密封胶，保证在模拟承压水补水冻结的情况下不会溢出，保证监测结果的可靠性。且采用密封胶连接底座32和有机玻璃筒6，便于部件的拆卸清理。
有机玻璃筒6与盖板18和底座32嵌装完成后，为了进一步避免有机玻璃筒6倾斜，在盖板18和底座32之间螺纹连接多根固定支架33，固定支架33的两端与盖板18、底座32之间为螺纹配合，且固定支架33为竖直安装。
本实施例中的固定支架33共安装有四根，各固定支架33为圆柱状且直径为8mm、长度为250mm，采用m8六角螺母与盖板18固定连接，与底座32的连接可直接旋入预留的螺纹孔洞，以保证在其凹槽内的有机玻璃筒6无法产生纵向变形，所测的变形量更加接近土样9的冻胀变形。
如图3所示，控温顶板3采用t5优质铝材制作，其内部设有盘管37，本实施例中采用紫铜管双向环绕形成紫铜盘管。盘管37的进口端(图3中的c处即为进口端)与出口端(图3中的d处即为出口端)分别通过螺纹连接有冷浴导管5，冷浴导管5与盘管37的进出口端采用丝扣螺纹拧接，冷浴导管5再外接冷浴(图1中的b部位即为外接冷浴处)，通过紫铜盘管在管内进行冷媒循环，以带走土样9中的热量。
冷媒循环中的冷冻媒介采用优质的防冻液，最低温度可设置到-60℃以下，且紫铜盘管双向环绕形成单进出口的双向冷浴形式，最大程度上保证了控温板各处的温度均匀。
当采用冷却等效热传导法进行温度场分析时，此时防冻液被看成负热源，从平均意义上考虑冷却效果，推导得到的等效热传导方程为：
由于防冻液的进口温度已知，可以逐段推求沿程温度，例如：设紫铜盘管共分为m段，进口水温为tw0，第i段内水温增量为δtwi，则第i段水温twi为：
为了准确反映控温板内部的温度，在控温顶板3内安装热电阻23，热电阻23采集温度数据后传递给计算机25，通过计算机25可以很好地模拟出试验所需的温度曲线，例如温度曲线可设定为：
在控温顶板3的顶部还焊接有光滑平整的测位平台4，测位平台4作为反映土壤冻胀情况的检测物体，在土样9发生冻胀变形时，其下部和侧向变形均受到限制，仅允许向上变形并带动控温顶板3和测位平台4向上移动。
如图4所示，控温底板12内部安装有与控温顶板3结构相似的盘管37，且盘管37的进口端(图4中的c处即为进口端)与出口端(图4中的d处即为出口端)同样分别通过螺纹连接有冷浴导管5。控温底板12内部安装有热电阻23，以准确获取控温底板12的温度，控制温度波动。控温底板12的控温机理与控温顶板3一致，在此不再进行赘述。
与控温顶板3不同的是，控温底板12还连接有补水机构。该补水机构包括设置在恒温箱1外部的水泵15、流量控制阀20和流量计21。
水泵15与外界水源(图1中a部位即为连接外界水源处)连通，水压力参数可直接在其操作面板上进行设置，实现在室内模拟冻土地区地下水位与承压水的水环境。
流量控制阀20通过法兰与水泵15串联，流量控制阀20可通过调整旋钮改变水流流速和流量，流量控制阀20的水力参数可直接从附带的液晶显示屏上读取。通过流量控制阀20可实现模拟不同深度土层地下水位的富水情况，解决了土壤冻结试验中的水土耦合问题。
流量计21通过法兰与流量控制阀20串联，由于土体冻胀过程不仅会发生原位冻胀，还往往伴随着水分迁移补给的分凝冻胀，通过流量计21可以准确的捕捉到用于造成这部分冻胀所摄取的外界水量。
流量计21的出口端连接有补水导管40，该补水导管40贯穿控温底板12向有机玻璃筒6内部延伸，补水导管40延伸至其末端位于控温底板12的顶面，同时位于透水石11的下方，以实现对有机玻璃筒6内部土样9的补水。图4中的e处即为补水导管40处于控温底板12内这一部分的进水端，f处即为补水导管40处于控温底板12内这一部分的出水端，该出水端即为补水导管40的末端。
控温底板12的顶面连接有滤网38，且该滤网38覆盖补水导管40的末端。滤网38的垂直投影面积为圆形或椭圆形，且表面分布于透孔，用于将补水导管40提供的柱状水流转化为面状水流，面状水流再经过透水石11后，双重保证补水的各向均匀性。
控温顶板3和控温底板12保证了土样9具有最为准确的控温环境，而恒温箱1为整个监测提供的适宜的环境温度，本实施例中为了保证恒温箱1内部的温度均匀，在恒温箱1内设置散热板16，散热板16由多块热性能强的t5优质铝片构成，多块铝片按1cm等间距平行设置，以增大散热面积，提高换热效率。
除了散热板16之外，恒温箱1内还设有冷凝管、热棒和离心风机等便于控温的部件，上述部件均连接至数据采集机构，并由计算机25直接控制工作，保证恒温箱1内部温度分布均匀且波动范围在±0.2℃以内。
当然，为了避免有机玻璃筒6内部温度变化过大或受外界温度的影响，可在有机玻璃筒6的侧壁覆盖保温材料。保温材料紧密的包裹在有机玻璃筒6的外侧面，保证土样9为单向冻结，排除侧向热源对温度场分布的影响，一般选用导热系数小于0.05w/m·k的保温材料。
本实施例中选用黑色的橡塑材料作为保温材料，其质地柔软方便加工成任意形状，并且在隔绝直接热传导的前提下也可以避免热辐射的轻微影响。
本实施例的测量机构包括螺旋连接在有机玻璃筒6侧壁的温度传感器10、以及设置在土样9上方的位移计，温度传感器10和位移计通过导线22与数据采集机构的数据采集器24连接。
在一实施方式中，位移计选用激光位移计2，激光位移计2线性度良好，重复测量误差可达到0.01mm以下。激光位移计2测量时需发射一束直径约为150μm且波长约为655nm的红外光线至被测物体，红外光线经被测物体表面反射后返回激光位移计2的接收器中，经其内部精密的棱镜修正后计算得到与被测物体之间的距离，测距的可靠性高。
通常激光位移计2的使用环境的温度范围在-20℃～60℃，基本满足冻胀试验温度要求；激光位移计2的最低反应时间间隔为10ms，可实现实时测量；激光位移计2采用直流电源，可直接通过导线22由计算机25的usb端口供给，并且导线22还兼具与计算机25相互通讯的作用，以便计算机25直接获取激光位移计2的测量结果。传统的百分表只能在试验结束后读取一个最终土样冻胀位移值，位移值的精度较低，本实施例采用激光位移计，不仅提高了位移值的精确度，且可实时将位移值上传给计算机25，实现动态化实时读取冻胀变形量，深入揭示土壤的冻胀机理。
激光位移计2通过位移计支架19固定在盖板18和底座32上，盖板18上设有支架避让孔，底座32设有与支架避让孔相对应的支架螺纹孔，位移计支架19贯穿支架避让孔后与支架螺纹孔螺纹连接。
如图5所示，位移计支架19根据激光位移计2成品的尺寸特别设计，通过预留孔洞配套使用两个m3螺丝与六角螺母将其牢牢固定。位移计支架19包括与盖板18和底座32连接的竖杆，以及用于激光位移计2安装的横杆。横杆前端设置拐点，保证安装完成后激光位移计的中性轴与横杆中性轴重合，便于后期的调整和对齐测点位置。
位移计支架19的竖杆上设有外螺纹，并通过外螺纹与支架螺纹孔螺纹连接。本实施例中外螺纹设置在竖杆的下端，且与底座32相配合。在其他实施例中，外螺纹可以设置在竖杆的任一高度位置，且可与盖板18和/或底座32进行螺纹连接，以满足不同高度土样9的冻胀变形测量。
本实施例中竖杆为圆柱状且直径为8mm、长度为300mm，横杆为圆柱状且直径为5mm、长度为150mm。由于激光位移计2的测量范围仅为±10cm，故设置竖杆上外螺纹的竖向长度≥150mm，并采用双m8六角螺母固定于底座32之上，实现激光位移计2的高度可调。
在激光位移计2位置固定后，导线22可用扎带捆绑在横杆上，以免影响测量。
激光位移计2的检测目标为设置在控温顶板3顶部的测位平台4，测位平台4与激光位移计2相配合以检测土样的冻胀变形位移。为了避免盖板18影响检测，在盖板18上开设检测避让孔，并且在检测避让孔的周围开设弧形限位孔13，与控温顶板3连接的冷浴导管5穿过该限位孔13进行限位，以避免冷浴导管5遮挡由激光位移计2发射出的红外光束。
如图6所示，有机玻璃筒6的侧壁螺旋分布有多个安装孔34，安装孔34的孔径为2mm，且相邻两安装孔34之间的纵向间距均为1cm或2cm。温度传感器10由安装孔34插入有机玻璃筒6内部，实现对土样9的温度监测。安装孔34螺旋分布，在保证有机玻璃筒6侧壁强度的同时降低由于温度传感器10的布置造成土样9不对称性。
如图7所示，本实施例中的温度传感器10包括热电阻39和铜片35。热电阻39的外周包裹有柱状铜片35，铜片35的长度大于热电阻39的长度，使温度传感器10整体趋向于针状。且为了进一步减小温度传感器10插入土样9时对土样9的扰动，设置铜片35远离导线22的一端为倾斜面。
热电阻39在多个标准温度下进行标定，经拟合得到标定系数a、b、xa、yb、zc，测量精度可达到±0.02℃以下，热电阻39最后的实测电阻根据以下计算公式换算得到温度：
铜片35的导热系数可达350w/m·k以上，且厚度仅为0.5mm，由于传热所产生的温度延迟基本可以忽略不计，且其质地坚硬具有良好的可塑性。铜片35包裹在热电阻39外层可以起到保护作用，延长温度传感器10的使用寿命，柱状铜片35方便插入土壤内部，避免对已装样的土样9的扰动。
热电阻39通过限位螺母36连接导线22，导线22再接入数据采集器24以便于实时采集监测数据，导线22的电阻在上述的标定过程中已考虑在内。
限位螺母36一方面起到连接固定热电阻39和导线22的作用；另一方面，温度传感器10的铜片35贯穿安装孔34插入土样9后，限位螺母36与安装孔34的外侧面抵靠，并在抵靠部位胶粘固定，以免由于导线22自重或拉扯的原因造成温度传感器10的测量位置有所改变，甚至拔出，造成试验误差。
本实施例为了降低部件工作产生的机械震动对监测结果的影响，在有机玻璃筒6的底部连接隔震支座14。因有机玻璃筒6嵌装在底座32上，故为了便于安装，设置底座32上连接有多个座脚，且座脚设置在隔震支座14上。
如图8所示，隔震支座14包括水平隔震组件和垂直隔震组件，以实现水平和垂直两个方向的隔震。
垂直隔震组件包括隔震板和竖向嵌装在隔震板内部的铅芯29。隔震板由多层1mm厚的不锈钢板30和2mm厚的阻尼板31交替层叠而成，且在中部设有避让孔。本实施例中阻尼板31为粘滞阻尼板，利用粘滞阻尼板滞回变形的耗能能力，提供的阻尼力对垂直方向具有良好的减震效果。
铅芯29竖向嵌装在隔震板内部。本实施例中铅芯29有4根，且垂直插入隔震板的四角，铅芯29采用直径为5mm的柱状，便于插入。铅芯29提供了静载所需的强度和足够的刚度，在震动作用下，由于铅芯29发生屈服，刚度降低，消耗了震动能量，从而达到延长结构使用周期的效果，与阻尼板31组成一个良好的隔震体系。
阻尼板31可用聚氨基甲酸酯橡胶(pu)，其可在-40℃以下保持弹性，低温性能出色，耐久性较优。
水平隔震组件采用的是摆动式隔震原理，隔震板的上方连接有过渡段，过渡段具有一定高度且中部向下内陷，在内陷部位设有通孔。
水平隔震组件包括连接在过渡段上方的挑板26，挑板26的中部设有落座孔，在落座孔的周围环绕连接有至少三根向下延伸至避让孔的丝绳27，丝绳27的底部连接有承压板28，座脚穿过落座孔并放置在承压板28上。
挑板26主要受弯矩作用，且其中部预留的落座孔直径大于35mm，对其抗弯刚度损失较大，故设置挑板26的厚度至少为4mm。
承压板28连接在丝绳27的底部，本实施例中设置承压板28为直径40mm、厚度3mm的圆柱状，以保证具有足够的强度承受有机玻璃筒6以及周围各部件的重力。
由图可见，本实施例中丝绳27设有10根，且均匀分布在承压板28的外缘，每根采用3条直径为0.2mm、长度为50mm的镀铜丝拧成一股，可以足够承担上部所有物体的重量，丝绳27的布置形式为采用细绳多根的形式，可保证其有足够的摆动能力。当然，为了达到较好的减震效果，在保证丝绳27强度的前提下，可采用直径更小的铜丝，以避免丝绳27过粗而影响摆动性能。
在另一实施例中，丝绳27还可由麻绳或棉绳等弹性模量较低的材料制备而成，由麻绳或棉绳等材料制备的丝绳27具有较好的摆动性能，减震效果较为理想，但由于材料的弹性模量较低，故有机玻璃筒6等部件的重量可能会使丝绳27产生竖向变形，此时需要对丝绳27在试验前的长度和试验后的长度分别进行测量，并将激光位移计2检测到的土样的变形量减去丝绳27的变形量以得到土样9的实际冻胀变形量。该方式能获得精度较高的土样9冻胀位移的测量结果，但无法进行实时监测。
若要在采用弹性模量降低的材料的同时进行实时监测，则需要对丝绳27进行使其在使用前产生一定量的竖向变形的变形预处理，以保证在试验过程中其长度稳定不变。通常在冻胀试验开始前会先对土样进行恒温预处理，使土样9达到设定的初始温度。恒温预处理在装置均设置好以后进行，一般控制恒温箱1、控温顶板3和控温底板12的温度为1℃，并且静置12h(或24h或者更久时间)，以保证土样9均匀达到预设温度。
丝绳27的变形预处理可与恒温预处理同步进行，即在整体装置均安装好后，丝绳27在土样9以及相关构件重量的作用下充分变形，保证不影响在冻胀过程中的位移测量。在其他实施例中，丝绳27的变形预处理还可以是直接对丝绳27进行一定的加载，加载值需大于或等于土样9以及相关构件的总重量，使丝绳27在冻胀试验前充分变形，保证实时监测土样9冻胀变化的同时获得精确度高的土样9冻胀位移监测结果。
隔震板的中部设有避让孔，用于避让丝绳27的延伸路径，保证丝绳27具有足够的长度。隔震板的顶部与过渡段最优采用一体成型结构，过渡段与挑板26采用4颗m6的螺丝拧接。过渡段的设置保证了丝绳27有足够的长度，并且也便于挑板26和隔震板的连接。
本实施例中水平隔震组件中，为了尽可能延伸丝绳27，设置隔震板的底部四角部位连接有墩柱，墩柱具有一定高度。丝绳27穿过过渡段的通孔和隔震板的避让孔，延伸至隔震板下方。底座32的座脚通过挑板26的落座孔，搁置在承压板28之上，受力的有效部分在丝绳27组成的圈内。
本实施例的高精度土体冻胀过程自动化监测系统的试验前操作流程如下：
1)、组装包括计算机25、数据采集器24、补水系统、恒温箱1、控温顶板3、控温底板12和隔震支座14等部件；
2)、按试验要求进行空载试验：对实测温度与设定温度进行补偿，调控恒温箱1、控温顶板3和控温底板12的温度；
3)、按规范要求对重塑土样进行压实处理或对原状土进行取样，放入有机玻璃筒6内，分别按要求设置滤纸8和透水石11，然后盖上控温顶板3和控温底板12；
4)、按照有机玻璃筒6侧壁上原先预留好的安装孔34埋设温度传感器10，注意保证水平插入，并用密封胶固定，最后在有机玻璃筒6外部再包裹双层保温材料7；
5)、在固定支架33上固定好已组装的试样本体，架设好激光位移计2的高度，保证不超过量程，调整好测量位置，尽量保证激光位移计2的红外光线发射口在测位平台4的中心；
6)、将全部组装好的试件整体放入四个隔震支座14的承压板28上，关闭操作窗口；
7)、将数据采集器24的采集代码导入，同时设定试验的制冷参数，启动冷冻系统，开始试验。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！