“湿干冻融”条件下土工离心模拟系统中的离心模型箱及其使用方法与流程

本发明属于室内土力学测量试验设备领域，具体涉及一种离心“湿干冻融”离心模拟系统中的离心模型箱及其使用方法。

背景技术：

离心模型试验技术在土工领域得到了广泛应用，复杂工况下的模型模拟对离心试验设备提出了更高的要求。比如，季冻区的岩土体工程受到温度场、水分场的周期性作用，经历“湿干冻融”循环耦合作用，在离心模型试验中需要精确考虑温度、水分的循环作用，则需要采用保温保湿性能良好的模型箱。该种设备在国内研制应用较少，目前尚处于起步阶段。

中国专利(cn203981667u)公开了一种冻融变形离心模拟系统中的冻融离心模型箱，所述专利中仅公开了模型箱为具有保温性能的箱体结构，但并未对模型箱体的具体结构和材质进行具体的设计，本领域公职哦模型箱的具体结构和保温效果对实验精度有至关重要的作用。

中国专利(cn203981667u)公开了一种冻融变形离心模拟系统中的冻融离心模型箱，该模拟箱包括热交换系统和模型箱，热交换系统覆盖模型箱的箱口，热交换系统由密封箱体和设置在密封箱体内的多块半导体器件组成，多块半导体器件间隔排列于热交换底板上，与热交换底板联接；在多块半导体器件间隔处的密封箱体上设有若干传感器安装孔，传感器安装孔由热交换顶盖上的上孔和热交换底板相对的下孔组成，每个传感器安装孔内设有传感器安装套，传感器安装套内为一通孔，通孔尺寸略大于热交换板上的下孔，传感器安装套上端穿过上孔，并固定在热交换顶盖上，底端固定在下孔周边的热交换底板上表面。本实用新型结构合理，便于位移传感器安装，可实现传感器灵活调整伸长量，满足不同土壤模型深度要求。但是上述专利仅公开了模型箱中位移传感器的设置方式，箱并未具体公开该种模型箱的具体结构。

因此，如何提供一种离心试验保温保湿模型箱，以实现更好的隔热保温，提高试验精度，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种离心试验保温保湿模型箱，实现对模型土体施加“湿干冻融”耦合作用。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。

一种“湿干冻融”条件下土工离心模拟系统中的离心模型箱，所述离心模型箱包括，外模型箱、模型箱底座、内模型箱、保温层、隔热支撑、和顶框。

优选的，所述外模型箱置于所述离心模型箱的最外层；所述外模型箱由外模型箱底板和外模型箱侧板通过焊接密封制成。

优选的，所述内模型箱置于所述模型试验箱的最内层；所述内模型箱由多个有机玻璃板通过螺钉紧固连接制成，各有机玻璃板之间设置“o”型密封圈，接缝处涂抹密封胶。

优选的，所述内模型箱和外模型箱之间留有间隙，形成夹层，所述夹层内填充有保温层和模型箱底座，并设置有隔热支撑。

优选的，所述保温层与隔热支撑均设置于所述内模型箱和外模型箱的侧壁之间；所述模型箱底座置于外模型箱底板和内模型箱底板之间；所述隔热支撑分别紧固连接内模型箱和外模型箱，用于内、外模型箱之间的支撑和紧固联接。

优选的，所述保温层的填充材料为高保温隔热材料聚氨酯；所述隔热支撑和模型箱底座的材质均为实心木材。

优选的，所述模型箱的正面侧壁中部开设有贯穿的矩形观察窗；所述观察窗由有机玻璃制成，且所述观察窗的四周利用不锈钢密封条进行密封保护。

优选的，所述外模型箱的正面侧壁上方开设有贯穿的通风口，其高度能够保证通风口位于离心模型试验箱盛装的土质模型的上部，所述通风口能够连接外部通风设备，实现冷气和暖气的对流，保证模型箱内部的各处的温度均匀分布。

优选的，所述外模型箱的侧壁设有贯穿的圆形进出水口，所述进出水口与外部供水系统相连接，实现对模型箱内部试验模型水位升降的动态控制；所述内模型箱内的进出水口处设置有圆形透水石，以密封胶进行固定，对进出离心模型试验箱内的水进行过滤；所述进出水口的高度与离心模型试验箱盛装的土质模型的最低处平齐。

根据上述离心模型箱的使用方法，所述方法具体包括：

s1.所述离心模型箱通过螺孔与离心机吊篮进行螺栓连接，将整个离心模型试验箱固定在离心机吊篮上；将所述离心模型箱的顶框与外部温控装置连接；将离心模型箱的进出水口与外部水箱连接；将离心模型箱的通风口与外部抽排风机连接；

s2.在试验过程中外部水箱中的水通过进出水口进入到所述模型试验箱，对所述模型试验箱中的试验土体施加“湿”的作用，达到预定水位后，关闭进出水口；

s3.当为试验土体施加“湿”的作用结束后，需要将所述模型箱中的水放出，打开进出水口，所述模型箱的水从试验土体的最低处通过进出水口回流至外部水箱，对模型箱中的土体施加“干”的作用，模拟箱中的水排完之后，关闭进出水口；

s4.打开通风口，外部抽排风机工作，对模型箱内持续吹风，实现空气对流，进一步对模型箱内土体施加“干”的作用；

s5.温控装置制冷板或制热板工作，向模型箱内的土体施加“冻”或“融”的作用；进一步地，打开排风口，让外部抽排风机工作，对保温箱内持续吹风，实现空气对流，进一步对模型箱内土体施加“冻”或“融”的作用；

s6.循环实施步骤s2-s5，则能实现对模型箱内的土体施加“湿干冻融”循环作用。

与现有技术相比，通过使用本发明的离心模型试验箱能够实现对寒区岩土工程离心模型土样进行隔热保温，提高了试验精度。

而且，本发明通过在内模型箱和外模型箱之间填充高保温隔热材料聚氨酯保温层和实心木质模型箱底座，以及设置实心木质的隔热支撑，在兼顾隔热保温性能的前提下，防止在离心场下，内模型箱因被其盛装的土质模型撑压，导致变形、开裂。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的离心模型试验箱的三维示意图；

图2为本发明的离心模型试验箱的主视图；

图3为本发明的离心模型试验箱的左视图；

图4为本发明的离心模型试验箱的俯视图；

图中：1-外模型箱；1-1外模型箱底板；1-2-外模型箱侧板；2-模型箱底座；3-保温层；4-内模型箱；5-螺栓孔；6-观察窗；7-密封条；8-螺栓；9-通风口；10-进出水口；11-顶框；12-支撑块；13-隔热支撑。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清除和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

在本申请所提供的实施例中，应理解，“与a相应的b”表示b与a相关联，根据a可以确定b。但还应理解，根据a确定b并不意味着仅仅根据a确定b，还可以根据a和/或其它信息确定b。

此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

实施例1

结合图1，所述离心模型试验箱包括：外模型箱1、模型箱底座2、内模型箱4、保温层3、隔热支撑13、排风口9、进出水口10、顶框11和观察窗6。

转而参见图2，所述外模型箱1置于所述模型试验箱的最外层。所述外模型箱1包括外模型箱底板1-1和外模型箱侧板1-2，所述外模型箱底板1-1和外模型箱侧板1-2之间通过焊接密封，共同组成外模型箱1。

优选的，所述外模型箱1由高强度不锈钢材料制作而成。

所述内模型箱4置于所述模型试验箱的最内层。所述内模型箱4由高强度的有机玻璃板通过螺钉紧固连接制成，为保证密封性，各玻璃板之间设置o型密封圈，接缝处涂抹密封胶，具有良好的耐温变和抗冻性能。

所述内模型箱4和外模型箱1之间留有一定的间隙，形成夹层。所述夹层内填充有保温层3和模型箱底座2，并设置有隔热支撑13。

所述保温层3与隔热支撑13均设置于所述内模型箱4和外模型箱1的侧壁之间；所述保温层3的填充材料为高保温隔热材料聚氨酯；所述隔热支撑13分别紧固连接内模型箱4和外模型箱1，用于内、外模型箱之间的支撑和紧固联接，防止在离心场下，内模型箱4因被其盛装的土质模型撑压，导致变形、开裂。

优选的，所述隔热支撑13按照一定间距均匀布置。

优选的，所述隔热支撑13的材质为实心木材。

所述模型箱底座2置于外模型箱底板1-1和内模型箱4底板的夹层之中。

优选的，所述模型箱底座2的材质为实心木材。

所述模型箱1的正面侧壁中部开设有贯穿的矩形观察窗6，以便于实现对试验模型的动态观测和后期进行图像获取。所述观察窗6由有机玻璃制成，且所述观察窗6的四周利用不锈钢密封条7进行密封保护，所述密封条7通过螺栓8与外模型箱1正面壁进行连接。

所述外模型箱1的正面侧壁上方开设有贯穿的通风口9。所述通风口9位圆形，且其高度能够通风口9位于离心模型试验箱盛装的土质模型的上部，以避免通风口9被土质模型封堵。所述通风口9通过螺栓8与外模型箱1正面壁连接。

所述通风口9上设置有螺纹，以便于所述通风口9能够连接外部通风设备，实现冷气和暖气的对流，保证模型箱内部的各处的温度均匀分布。

所述外模型箱1的侧壁设有圆形的进出水口10，所述进出水口10与外部供水系统相连接，实现对模型箱内部试验模型水位升降的动态控制；所述进出水口10贯穿离心模型试验箱，并与外模型箱1采用螺钉固定，螺钉与外模型箱1之间采用密封垫进行密封；所述内模型箱4内的进出水口10处设置有圆形透水石(未图示)，以密封胶进行固定，对进出离心模型试验箱内的水进行过滤。

所述进出水口10的高度与离心模型试验箱盛装的土质模型的最低处平齐，以方便离心模型试验箱内的水回流至外部水箱。

所述顶框11，用于将离心模型试验箱与热交换系统或其他结构零部件进行联接。所述顶框11设置于所述离心模型试验箱的顶部，所述顶框11周边均匀设置有若干个螺孔5，所述离心模型试验箱通过螺孔5与离心机吊篮进行螺栓连接，将整个离心模型试验箱固定在离心机吊篮上，以方便对离心模型试验箱内盛装的模型土体进行“湿干冻融”模拟。

优选的，所述顶框11底面与外模型箱侧壁1-2外侧之间焊接固定有金属支撑块12，所述金属支撑块12沿外模型箱1周边均匀设置，以保证离心模型试验箱有足够的结构刚度，能够适应高速旋转的离心力场作用。

实施例2

在实施例1的基础上，基于实施例1中的离心模型试验箱的使用方法，所述使用方法具体为：

s1.所述离心模型箱通过螺孔与离心机吊篮进行螺栓连接，将整个离心模型试验箱固定在离心机吊篮上；将所述离心模型箱的顶框11与外部温控装置连接；将离心模型箱的进出水口10与外部水箱连接；将离心模型箱的通风口9与外部抽排风机连接；

s2.在试验过程中外部水箱中的水通过进出水口10进入到所述模型试验箱，对所述模型试验箱中的试验土体施加“湿”的作用，达到预定水位后，关闭进出水口10；

s3.当为试验土体施加“湿”的作用结束后，需要将所述模型箱中的水放出，打开进出水口10，所述模型箱的水从试验土体的最低处通过进出水口10回流至外部水箱，对模型箱中的土体施加“干”的作用，模拟箱中的水排完之后，关闭进出水口10；

s4.打开通风口9，外部抽排风机工作，对模型箱内持续吹风，实现空气对流，进一步对模型箱内土体施加“干”的作用；

s5.温控装置制冷板或制热板工作，向模型箱内的土体施加“冻”或“融”的作用；进一步地，打开排风口，让外部抽排风机工作，对保温箱内持续吹风，实现空气对流，进一步对模型箱内土体施加“冻”或“融”的作用；

s6.循环实施步骤s2-s5，则能实现对模型箱内的土体施加“湿干冻融”循环作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。一切从本发明的构思出发，不经过创造性劳动所做出的结构变换均落在本发明的保护范围之内。