一种用于冻土试验的补水冻融装置及方法与流程

本发明属于季冻土区和多年冻土区开放系统冻融循环领域，涉及一种用于冻土试验的补水冻融装置及方法。

背景技术：

我国冻土区分布广泛，其中季冻土约占国土面积的53.5％，多年冻土约占国土面积的21.5％。诸多大型项目修建于冻土区，铁路，公路路网不断扩大发展，诸多道路及路基出现冻胀，融沉，翻浆,开裂等灾害，造成了巨大的经济损失，严重影响道路的行驶，甚至造成交通事故。因此，对冻融循环下土体强度及物理力学性质的研究已刻不容缓。而众所周知冻融循环是一个极其复杂的过程，室外试验更为不好把控，许多自然因素不可避免与控制，因此，利用室内实验对冻融循环的相关问题进行研究来反映自然界的实际冻融循环是目前的主要研究手段。目前，对冻融循环问题的研究，诸多学者已进行了相当的研究，也取得了诸多成果，从最开始的三向冻结，而后随着研究的深入发现，许多路基三向冻结是不符合自然实际冻融方式的；因此，提出了单向冻结。而在自然界单向冻结过程中普遍有水分迁移补给，但以往研究的补水是试验试样底部直接与外界水源相连接，但自然界的地下水源一般都埋藏较深，冻结的深度一般未能冻结到地下水源的位置，因此，这种冻结方式也不能普遍反映自然冻融的过程。同时，对于在多年冻土区，之前研究大多是单项冻结-单向融化，忽略了多年冻土区冻融循环层的影响，而路基下季节冻融循环层位于大气与多年冻土层之间，伴随着季节气候的变化，其冻融作用表现为带有温度梯度的双向冻结-单向融化过程。因此，研究双向冻结-单向融化冻融循环作用对土体强度及物理力学性质的影响具有十分重要的意义。一种用于冻土试验的补水冻融装置及方法可以真实反映自然界季冻区路基冻融方式，在实现单向冻融的同时，试样可以从下部土中得到水分迁移的补给，真实模拟自然界真实的冻融补水方式。同时真实地模拟多年冻土区双向冻结-单向融化冻融循环过程，规避了以往单向冻结的弊端。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于冻土试验的补水冻融装置及方法。

上述的目的通过以下技术方案实现

一种用于冻土试验的补水冻融装置，其组成包括：由挤塑聚苯板保温材料封装的土箱，土箱内壁及底部都设置有机玻璃板，防止在试验过程中挤塑聚苯板保温材料的破坏，所述的上顶板封装盖，设计成一定尺寸嵌固于土箱，保证土箱的封闭性。

所述的补水土层置于补水土箱中并分层进行设定密实度的击实，所述的试样其上部和四周用保鲜膜包裹下部开口使其与补水土层接触，在补水土层的上部把试样插入嵌固于补水土层中并对周围土层进行一定的击实，但要防止试样被挤压破坏，试样的上部和补水土层的上部直接与所述的制冷装置接触，确保制冷效果达到最佳和更符合自然界的实际状况，完全复现了现场冻结补水方式，同时在补水土层底部也安装有制冷装置，配合温度传感器的使用，模拟双向冻结-单向融化冻融循环过程，规避了以往单向冻结的弊端。

所述的制冷装置其内部为循环可通的管路，外部接由两个接口，分别与可控温的循环水浴箱连接，通过设定目标温度循环泵送防冻液来实现冻结与融化循环过程。

所述的的温度传感器和数据采集仪，在补水土层分层击实的同时每层都埋置温度传感器及在最上部的传感器与制冷装置直接接触，所述的数据采集仪通过温度传感器来实时反映土层的温度变化。

一种用于冻土试验的补水冻融方法，其基本步骤如下：首先将配好一定含水率的土分层进行设计的密实度击实，并每层埋置温度传感器，在达到一定高度后放置事先砸好的试验土样，四周和上部用保鲜膜包裹，底部通过滤纸直接与补水土层接触，并对土样周围土也进行一定程度击实，但要防止土样被周围土挤压破坏，最后让土样顶部和土层顶部与上部制冷装置直接接触，然后封装上顶板保温封装盖，开启上部可控温循环水浴箱，通过设定目标温度，模拟季冻区单向补水冻融循环；开启上下两个可控温循环水浴箱，模拟多年冻土区双向冻结-单向融化补水冻融循环。

本发明的有益效果：

1.本发明将制冷装置与可控温循环水浴箱连接，开启上部制冷装置，在实现单向冻结的同时，试样可以从下部土中得到水分迁移的补给。不仅规避封闭系统无水源补给和开放补水系统直接与水源接触补水过多过快的不足,所述的试样插入嵌固于补水土层，其四周与顶部用保鲜膜包裹防止其周围土层对其进行补水，底部通过滤纸与补水土层直接接触，确保可以实现单向底部补水，完全复现了现场冻结补水方式，能更加真实的模拟季冻区真实自然状态下的冻融过程。

本发明将上下两个制冷装置同时工作，实现双向冻结，避免了在多年冻土区以往研究的单向冻结，更加真实模拟多年冻土区双向冻结-单向融化冻融循环过程。且制作简单、实用价值高、体积较小、价格低廉、易操作。

本发明将制冷装置连接可控温的循环水浴箱，通过设定目标温度，更为可靠的实现冻结与融化过程，结合温度传感器的使用,实时监测记录每隔一定距离土层的温度变化，确保实现单向冻结和双向冻结-单向融化得到理想试验结果。

附图说明：

附图1是本发明的结构平面示意图

附图2是本发明的立体图

附图3是本发明的结构剖面放大图

附图4是本发明单向冻融温度曲线图

附图5是本发明试验土样单向冻融补水后的含水率曲线图

图中：-1挤塑聚苯板保温材料封装的补水土箱；-2有机玻璃板；-3补水土层；-4土样；-5制冷装置；-6温度传感器；-7上顶板挤塑聚苯板保温封装盖；-8连接水浴箱与制冷装置的循环管路；-9数据采集仪；-10可控温循环水浴箱；-11防冻液；-12可设温的水浴箱调节开关

实施例1：

一种用于冻土试验的补水冻融装置，其基本组成包括：挤塑聚苯板保温材料封装的补水土箱，及正好嵌固的上顶板封装盖，防止土箱内部与外界热量的交换，所述的补水土层置于补水土箱中按设计要求的密度进行击实，并每隔一定距离埋置温度传感器，实时监测记录土箱中土层的冻融温度变化，所述的温度传感器连接数据采集仪，实时记录土层的冻融情况，

实施例2：

根据实施例1所述的一种用于冻土试验的补水冻融装置，所述的试验试样，周围用保鲜膜包裹直接插入补水土层中，上部直接与制冷装置接触，确保土样可以单向冻结，从下部与补水土层接触的部分进行补水，完全复现了现场冻结补水方式，可模拟季冻区自然界真实的单向补水冻融过程。

实施例3：根据实施例1所述的一种用于冻土试验的补水冻融装置，上下两个与可控温水浴箱连接的制冷装置，分别可通过设定目标温度并结合温度传感器，可模拟多年冻土区双向冻结-单向融化冻融循环过程。

实施例4：根据实施例1所述的一种用于冻土试验的补水冻融装置，所述的制冷装置接有循环接口，所述的循环接口连接可控温的循环水浴箱，通过泵送防冻液来实现单项冻结-单向融化与双向冻结-单向融化，所述的上顶板封装盖，设计一定尺寸正好嵌固于土箱，保证最大的封装效果，减少与外界的冷热交换。

实施例5：根据实施例1-2所述的一种用于冻土试验的补水冻融装置，所述的试件试样插入嵌固于补水土层中在对补水土层进行击实时一定要防止试件被挤压破坏。

根据实施例1-4所述的一种用于冻土试验的补水冻融方法，其基本步骤如下：首先将配好一定含水率的土分层进行设计的密实度击实，并每层埋置温度传感器，在达到一定高度后放置事先砸好的试验土样，四周和上部用保鲜膜包裹，底部通过滤纸直接与补水土层接触，并对土样周围土也进行一定程度击实，但要防止土样被周围土挤压破坏，最后让土样顶部和土层顶部与上部制冷装置直接接触，然后封装上顶板保温封装盖，开启上部可控温循环水浴箱，通过设定目标温度，模拟季冻区单向补水冻融循环；开启上下两个可控温循环水浴箱，模拟多年冻土区双向冻结-单向融化补水冻融循环试验完成后取出土样从上到下分5层1，2，3，4，5分别测其含水率。