一种模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置及方法与流程

本发明涉及模拟冻融现象的试验装置技术领域，特别涉及一种模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置及方法。

背景技术：

我国季节性冻土地区分布广泛，周期性的冻结和融化作用是引发路基土水分迁移的主要因素。水分迁移会改变路基土的非饱和状态，使土体强度下降，稳定性降低，甚至出现冻胀现象，严重影响着路基工程的使用性能。道路工程由于沿线跨度长、直接暴露于自然环境中，是水分迁移影响的主要工程之一。特别是位于季节性冻土区的道路工程，在反复的冻结和融化作用下，路基中水分迁移现象明显，含水量增大，严重影响着道路的使用性能和使用寿命。这类在冻结、融化循环作用下由路基中水分迁移引发的病害，受地下水位、温度等外部因素的影响较大，表现出“久治不愈”、“年年治理、年年冻胀”的现象。所以，如何处理好新路建设以及旧路维修、改扩建过程中路基土中水分迁移问题，是目前道路工程中急需解决的问题之一。为了研究冻融的机理，需要一种模拟冻融循环作用下土体水分迁移和冻胀融沉试验装置，已有的冻融试验装置只能单独收集一种数据，且不具备平行试验对比功能，导致试验时间长，数据采集单一，不能模拟补水系统等问题，严重影响冻融机理研究的准确性。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的冻融试验装置只能单独收集一种数据、不具备平行试验对比功能、不具备补水系统等技术问题，本发明提供了一种模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置及方法，不仅能够真实模拟土体水分迁移发展的条件和过程，实时监测水分迁移发展过程中土体细观结构、水力、力学特性的演变，而且能够同时测量有关冻融的多种数据，且具备平行试验对比功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，包括恒温箱、设有若干个试样箱的总箱体、电液伺服压力机、基于单片机的智能水头控制系统、显微观测系统和数据采集系统；

所述总箱体为上下开口的立方体结构，且其设置在所述恒温箱内，所述总箱体通过至少一个竖向隔板将其均匀分成若干个试样箱，每个所述试样箱的上方均设有控温顶板，所述控温顶板与试验箱连接处的缝隙通过密封胶条密封，所述控温顶板内设有与循环冷浴一连接的冷液循环槽一，每个所述试样箱的下方均设有控温底板，所述控温底板与试验箱连接处的缝隙通过密封胶条密封，所述控温底板内设有与循环冷浴二连接的冷液循环槽二，所述控温底板还设有若干个通孔，所述控温底板的下方设有透水石，所述透水石的下方设有补水槽，所述补水槽内的水通过所述通孔进入到试样箱，所述补水槽设有进水阀门和出水阀门；

所述电液伺服压力机设置在恒温箱内，用于给试样箱内土体试样施加竖向压力；

所述基于单片机的智能水头控制系统通过进水管与补水槽的进水阀门连接，所述进水管上设有总进水阀门；

所述显微观测系统设置在所述恒温箱内，实时监测土体细观结构的演变；

所述数据采集系统包括水分传感器、热电偶和数据采集仪，所述水分传感器和热电偶均设置在土体试样内，且均与数据采集仪连接。

所述基于单片机的智能水头控制系统包括水头升降装置、电机和控制箱，所述控制箱的输出端与所述电机的输入端连接，所述电机的输出端与水头升降装置连接，所述水头升降装置中水槽的出水口与所述进水管连接。

所述电液伺服压力机包括底座和若干个多级液压缸，所述多级液压缸固定在底座上，所述底座与所述恒温箱固定连接，所述多级液压缸的数量与试样箱的数量相等，且每个多级液压缸与一个试样箱对应，每个多级液压缸对对应的试样箱内的土体试样逐级加压，且每级加压为0.1～0.2kpa。

所述显微观测系统包括放大倍数为10倍至220倍的奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机，所述奥林巴斯体显微镜安装在ccd摄像机的摄像头上，实时监测水分迁移发展过程中土体细观结构的变化。

所述试样箱由有机玻璃制成，所述恒温箱由保温材料制成，所述控温顶板和控温底板均由金属材料制成，所述总箱体的四周采用保温材料包裹。

所述水分传感器和热电偶沿土体试样竖向均分别均匀设置若干个。

所述试样箱的侧壁沿竖向均匀设有若干个引线孔，所述水分传感器和热电偶的引线均通过对应的引线孔穿出，所述引线与引线孔之间的缝隙用环氧树脂密封。

所述循环冷浴一控制控温顶板的温度，所述控温顶板的温度范围为大于等于-40℃小于等于40℃，所述循环冷浴二控制控温底板的温度，所述控温底板的温度范围为大于等于0℃小于等于60℃。

所述总箱体设有若干个与竖向隔板对应的隔板槽，所述竖向隔板插入对应的隔板槽中，所述竖向隔板为有机玻璃板或者透水薄膜板。

上述模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤一、试验准备，将控温底板和透水石安装到试样箱的底部，并将控温底板和透水石与试样箱底部之间的缝隙通过密封胶条密封，将试样箱的底部固定在补水槽上，竖向隔板为有机玻璃板；在需要试验的试样箱内分层均匀堆放土体，并分层埋设水分传感器和热电偶，水分传感器和热电偶的引线与数据采集仪连接，适当压实、平整，尽量还原土体的自然状态，然后将与循环冷浴一连接的控温顶板盖在试样箱的顶部，确保土体试样与控温顶板之间无缝隙，并将控温顶板与试样箱顶部之间的缝隙通过密封胶条密封；将所有引线孔用环氧树脂密封，减少试验过程中热量的损失；将水槽注满水，并与进水管连接，将电液伺服压力机、数据采集仪调零，将基于单片机的智能水头控制系统、奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机关闭；打开总进水阀门、进水阀门和出水阀门，启动基于单片机的智能水头控制系统，待补水槽流出的水中无气泡时关闭出水阀门，然后关闭总进水阀门，关闭基于单片机的智能水头控制系统；调整恒温箱、控温顶板和控温底板温度至设定温度一，设定温度一为0～5℃，待土体试样内部温度稳定后，保持温度条件不变；开启电液伺服压力机，以设定加载速率对土体试样进行加载，待加载完成后，保持荷载条件不变，待轴向位移稳定后，接通基于单片机的智能水头控制系统的电源，打开总进水阀门；

步骤二、冻结试验，打开数据采集仪，调节循环冷浴一，迅速降低控温顶板温度至设定温度二，设定温度二小于0℃，在恒温箱、控温底板的温度及荷载条件保持不变情况下对各组土体试样进行单向冻结，开启奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机，通过奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机记录土体颗粒细观结构的变化情况，当土体试样发生水分迁移时，在土体试样某一位置出现冻结锋面，随着试验的进行，冻结锋面逐渐向下推移，观察电液伺服压力机的位移读数，当土体试样底层的热电偶的温度保持稳定或达到试验设定时间时，冻结试验结束；

步骤三、融化试验，调节循环冷浴一，将控温顶板温度升至设定温度三，在恒温箱、控温底板的温度及荷载条件保持不变情况下对各组土体试样进行单向融化试验，当达到试验设定的融化时间时，一个冻融循环结束；

步骤四、试验结束，将数据采集仪和电液伺服压力机的试验数据导出。

本发明的有益效果：

本发明的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置是能够模拟冻融循环作用下土体试样水分迁移和冻胀融沉的试验装置，该试验装置能够满足土体的冻融现象模拟要求，能够根据需要调节温度梯度、含水率和垂直压力大小，更贴近现实，能够测量在不同温度梯度作用下，不同循环次数下、不同含水率下、不同垂直压力下土体的水分迁移和冻胀融沉规律。不仅能够真实模拟土体水分迁移发展的条件和过程，实时监测水分迁移发展过程中土体细观结构、水力、力学特性的演变，而且能够同时测量有关冻融的多种数据，从而进行对比研究，成为深入研究冻融机制的可靠技术工具。具体包括：(1)设置若干个试样箱，可以同时进行若干组冻融试验，节省时间；(2)通过基于单片机的智能水头控制系统控制补水条件，不同水压下，观测土体试样水分迁移和冻胀融沉的变化规律；(3)竖向隔板为有机玻璃时，即为保温隔板，用于研究土体试样的竖向水分迁移和冻胀融沉的变化规律；竖向隔板为透水薄膜板时，通过设置多组不同含水率土体试样，用于研究水分横向迁移情况下，土体的水分迁移和冻胀融沉的变化规律；(4)可显示压力和变形量的电液伺服压力机，装有若干个液压缸，可单独控制，通过其可实现试验过程中荷载的控制并能够实时记录变形和荷载信息，从而达到给土体施加竖向压力的效果，在土体试样上施加不同大小的垂直压力，分析土体试样在不同压力下水分迁移和冻胀融沉的变化规律；(5)显微观测系统实时监测水分迁移发展过程中土体细观结构的变化规律；(6)沿试样深度方向埋设有水分传感器和热电偶，用以实时监测土体不同深度处的含水率和温度，并传输到数据采集仪中，试验开始后自动采集数据，不需专人看护；(7)水头升降装置通过进水管对试样箱中的土体进行补水，并可使补水槽中水位高度保持不变。

附图说明

图1是本发明提供的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置的结构示意图。

其中，

1-控制箱，2-电机，3-水头升降装置，4-水槽，5-进水管，6-总进水阀门，7-进水阀门，8-出水阀门，9-补水槽，10-恒温箱，11-循环冷浴一，12-循环冷浴二，13-电液伺服压力机，14-试样箱，15-控温顶板，16-控温底板，17-透水石，18-竖向隔板，19-引线孔，20-数据采集仪，21-水分传感器、22-热电偶。

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“一”、“二”、“三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了一种模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，包括恒温箱10、设有若干个试样箱14的总箱体、给试样箱14内土体试样施加竖向压力的电液伺服压力机13、基于单片机的智能水头控制系统、显微观测系统和数据采集系统；总箱体为上下开口的立方体结构，且其设置在恒温箱10内，总箱体通过至少一个竖向隔板18将其均匀分成若干个试样箱14，每个试样箱14的上方均设有控温顶板15，控温顶板15与试验箱连接处的缝隙通过密封胶条密封，控温顶板15内设有与循环冷浴一11连接的冷液循环槽一，每个试样箱14的下方均设有控温底板16，控温底板16与试验箱连接处的缝隙通过密封胶条密封，控温底板16内设有与循环冷浴二12连接的冷液循环槽二，控温底板16还设有若干个通孔，控温底板16的下方设有透水石17，透水石17的下方设有补水槽9，补水槽9内的水通过通孔进入到试样箱14，补水槽9设有进水阀门7和出水阀门8，补水槽9的进口处设有进水阀门7，补水槽9的出口处设有设有出水阀门8，各个补水槽9的出水阀门8均与出水管连接；基于单片机的智能水头控制系统通过进水管5与补水槽9的进水阀门7连接，进水管5上设有总进水阀门6；显微观测系统设置在恒温箱10内，实时监测土体细观结构的演变；数据采集系统包括水分传感器21、热电偶22和数据采集仪20，水分传感器21和热电偶22均设置在土体试样内，且均与数据采集仪20连接。

本发明中，试样箱14也为上下开口的立方体结构，控温顶板15为矩形结构，且与试样箱14的顶部连接，控温底板16为矩形结构，且与试样箱14的底部连接，试样箱14底部设有固定控温底板16和透水石的安装槽，控温底板16和透水石的大小相同，实验前将控温底板16和透水石沿水平方向插入安装槽即可，控温底板16和透水石与试样箱14底部的空隙通过密封胶条密封，控温底板16还设有若干个通孔，控温底板16的通孔上下贯通，且不会穿过冷液循环槽二，控温底板16的下方设有透水石17，透水石17能够保证水能够进入到土体试样中，但是土体不能够进入到水中，透水石17的下方设有补水槽9，从而保证压力作用下补水槽9内的水分能够补入土体试样中，通过基于单片机的智能水头控制系统改变水压的大小，从而观测不同补水压力下试样的水分迁移和冻胀融沉的变化规律，基于单片机的智能水头控制系统中单片机的型号为m6805，试样箱14由有机玻璃制成，有机玻璃具有导热不良的特性，恒温箱10由保温材料制成，控温顶板15和控温底板16均由金属材料制成，总箱体的四周外壁采用保温材料包裹，用以保证试样箱14内部与外部没有热量交换，总箱体设有若干个与竖向隔板18对应的隔板槽，竖向隔板18插入对应的隔板槽中，竖向隔板18为有机玻璃板或者透水薄膜板。补水槽9的数量与试样箱14的数量相等，多个补水槽9为一个整体，便于与试样箱14箱体连接。水分传感器21和热电偶22土体沿土体试样竖向均分别均匀设置若干个，即土体试样沿竖向均匀分成若干层，每层均设有水分传感器21和热电偶22，试样箱14的侧壁沿竖向均匀设有若干个引线孔19，水分传感器21和热电偶22的引线均通过对应的引线孔19穿出，引线与引线孔19之间的缝隙用环氧树脂密封。冷液循环槽一设有入口一和出口一，入口一和出口一均与循环冷浴一11连接，冷液循环槽二设有入口二和出口二，入口二和出口二均与循环冷浴二12连接，通过控制循环冷浴一11内的冷液温度对控温顶板15的温度进行控制，控温顶板15的温度范围为大于等于-40℃小于等于40℃，通过控制循环冷浴二12内的冷液温度对控温底板16的温度进行控制，控温底板16的温度范围为大于等于-0℃小于等于60℃。电液伺服压力机13包括底座和若干个多级液压缸，多级液压缸固定在底座上，底座与恒温箱10固定连接，多级液压缸的数量与试样箱14的数量相等，且每个多级液压缸与一个试样箱14对应，每个多级液压缸对对应的试样箱14内的土体试样逐级加压，且每级加压为0.1～0.2kpa，通过可显示压力和变形量的电液伺服压力试验装置能够实现试验过程中荷载的控制并能够实时记录变形和荷载信息，从而达到给试验箱中的土体样本施加竖向压力的效果，控制每级加压为0.1～0.2kpa，得到在不同荷载条件下水分迁移和冻胀融沉的变化规律。水分传感器21、热电偶22用以实时监测土体不同深度处的含水率和温度。显微观测系统包括放大倍数为10倍至220倍的奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机，奥林巴斯体显微镜安装在ccd摄像机的摄像头上，奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机放在恒温箱10内，设置位置能够实时监测水分迁移发展过程中土体细观结构的变化，放大倍数为10倍至220倍的奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机能够进行连续自动拍摄或人工拍摄，获得实验过程中局部土体的图片和影像，以供细观参数分析，通过影像资料能够分析在不同外部条件下，水分迁移和冻胀融沉的变化规律。基于单片机的智能水头控制系统包括水头升降装置3、控制水头升降装置3的电机2及控制电机2的控制箱1，控制箱1的输出端与电机2的输入端连接，电机2的输出端与水头升降装置3连接，水头升降装置3中水槽4的出水口与进水管5连接。本实例中，如图1所示，试样箱14设有两个竖向隔板18，两个竖向隔板18总箱体均匀分成三个试样箱14，能够同时进行三组试验，总箱体内壁设有隔板槽，每个竖向隔板18插入对应的隔板槽中。

上述模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤一、试验准备，将控温底板16和透水石17安装到试样箱14的底部，并将控温底板16和透水石17与试样箱14底部之间的缝隙通过密封胶条密封，将试样箱14的底部固定在补水槽9上，竖向隔板18为有机玻璃板；在需要试验的试样箱14内分层均匀堆放土体，并分层埋设水分传感器21和热电偶22，水分传感器21和热电偶22的引线与数据采集仪20连接，适当压实、平整，尽量还原土体的自然状态，然后将与循环冷浴一11连接的控温顶板15盖在试样箱14的顶部，确保土体试样与控温顶板15之间无缝隙，并将控温顶板15与试样箱14顶部之间的缝隙通过密封胶条密封；将所有引线孔19用环氧树脂密封，减少试验过程中热量的损失；将水槽4注满水，并与进水管5连接，将电液伺服压力机13、数据采集仪20调零，将基于单片机的智能水头控制系统、奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机关闭；打开总进水阀门6、进水阀门7和出水阀门8，启动基于单片机的智能水头控制系统，待补水槽9流出的水中无气泡时关闭出水阀门8，然后关闭总进水阀门6，关闭基于单片机的智能水头控制系统；调整恒温箱10、控温顶板15和控温底板16温度至设定温度一，设定温度一为0～5℃，待土体试样内部温度稳定后，保持温度条件不变；开启电液伺服压力机13，以设定加载速率对土体试样进行加载，待加载完成后，保持荷载条件不变，待轴向位移稳定后，接通基于单片机的智能水头控制系统的电源，打开总进水阀门6；

步骤二、冻结试验，打开数据采集仪20，调节循环冷浴一11，迅速降低控温顶板15温度至设定温度二，设定温度二小于0℃，在恒温箱10、控温底板16的温度及荷载条件保持不变情况下对各组土体试样进行单向冻结。开启奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机，通过奥林巴斯体显微镜和ccd摄像机记录土体颗粒细观结构的变化情况，当土体试样发生水分迁移时，在土体试样某一位置出现冻结锋面，随着试验的进行，冻结锋面逐渐向下推移，观察电液伺服压力机13的位移读数，当土体试样底层的热电偶22的温度保持稳定或达到试验设定时间时，冻结试验结束；

步骤三、融化试验，调节循环冷浴一11，将控温顶板15温度升至设定温度三，在恒温箱10、控温底板16的温度及荷载条件保持不变情况下对各组土体试样进行单向融化试验，当达到试验设定的融化时间时，一个冻融循环结束；

步骤四、试验结束，将数据采集仪20和电液伺服压力机13的试验数据导出。

本发明中，循环冷浴二12在整个试验过程中保证控温底板16在设定温度一，与控温顶板15之间形成温度梯度，水分会在温度梯度的作用下进行迁移。试样箱14的底部与补水槽9通过螺栓连接。

本发明的另一个应用是竖向隔板18为透水薄膜板，根据实验要求设置控温顶板15、控温底板16和电液伺服压力机13数据，并通过设置多组不同含水率土体试样，研究水分横向迁移情况下，土体的水分迁移和冻胀融沉的变化规律。冻结试验中控温顶板15的温度为设定温度二，融化试验中控温顶板15的温度为设定温度三，设定温度二和设定温度三为相反数，比如设定温度二为-20℃，则设定温度三为20℃。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。