用于土壤冻结试验的冷冻装置及以其制备冻土模型的方法

本发明属于土木工程领域，尤其涉及岩土技术领域，是一种用于土壤冻结试验的冷冻装置及以其制备冻土模型的方法。

背景技术：

中国冻土分布广泛，多年冻土和季节性冻土分别占国土面积的21.5%和53.5%，冻土地区的地表层被一层冬冻夏融的冻结-融化层覆盖，冻土层的存在使均质场地变为双层地基或多层地基，改变了地基土的动力特性和卓越周期，从而直接影响着上部建筑物的抗震性能的稳定与安全。另外，土体的冻胀冻拔破坏也是季节性冻土地区结构冻胀破坏的主要形式之一，对生态环境和结构安全有着很大的影响。而国内外针对冻土对建筑结构影响的研究极为有限，缺少相关试验数据的支持。因此，开展室内冻土试验，获取有效可信数据，已经成为评估寒区建筑结构安全性能中不可或缺的内容，对于增强其抗震防灾能力和防治冻胀破坏都具有重要的意义。而开展以上研究，增强试验数据可靠度，明确冻土冻结深度变化规律并考虑冻土的物理性能对于冻结温度依存性，探索一种符合实际土体冻结规律的冻结方法至关重要。

近年来，开展室内冻土试验，制作冻土相关模型多采用恒温箱，即把融土模型放在恒温箱内，这样会使土体从四周向中心均匀冻结，不符合土体冻结锋面由地表逐渐下移的实际冻结规律，无法开展一定冻结深度的冻土试验。已有研究表明，冻土的物理性能和温度有很高的依存性，实际冻结环境下，冻土的温度由地表到冻结锋面温度呈梯度分布，即地表温度最低，随着深度的增加温度回升，冻结锋面温度为0℃。另外，我国幅员辽阔，不同区域环境差异较大。考虑冻土的刚度对温度的依存性至关重要。

目前，开发一种简单可靠、方便操作、能够准确模拟仿真低温下土壤冻结的冻土冻结装置和冻结方法已是岩土工程领域急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的缺点，提供一种用于土壤冻结试验的冷冻装置及以其制备冻土模型的方法，其结构简单、安全可靠、能够准确模拟仿真低温下土壤的冻结，冻结效率高，作为制冷剂的盐水不易泄露，土壤冻结由土层表面至土层以下均匀冻结，从而还原土壤真实冻结环境所达到的冻结效果。

本发明解决技术问题采用的方案之一是：一种用于土壤冻结试验的冷冻装置，它包括冷冻机，其特征是：还包括冷冻板、第一连接管和第二连接管，所述冷冻板的入口管与所述冷冻机的出口接头通过所述第一连接管连通，所述冷冻板的出口管与所述冷冻机的进口接头通过所述第二连接管连通形成制冷回路，制冷剂在制冷回路内流动，从而将与冷冻板接触的土壤冻结。

所述冷冻板包括上板、下板、围板、冷冻管、入口管和出口管，所述上板和所述下板均为金属材质的平板，上板和下板平行水平设置，所述围板置于上板和下板之间并固连，所述若干个冷冻管均匀分布在上板和下板之间并固连，若干个冷冻管的一端均分别与入口管连通、另一端均分别与出口管连通，形成并联设置的冷冻管。

所述第一连接管和所述第二连接管均为软管，在软管外包覆隔热层。

所述制冷剂为盐水。

所述冷冻机包括溶液箱、蒸发皿、泵、压缩机和冷凝器，所述溶液箱出口通过连通管与所述蒸发皿的第一入口连通，在溶液箱出口与蒸发皿之间设置所述泵，蒸发皿的第一出口与所述压缩机的入口通过连通管连通，压缩机的出口与所述冷凝器的第一进口通过连通管连通，冷凝器的出口接头通过第一连接管与冷冻板的入口管连通，冷冻板的出口管通过第二连接管与冷凝器的进口接头连通，冷凝器的第一排出口与蒸发皿的第二入口通过连通管连通，蒸发皿的第二出口与溶液箱的入口通过连通管连通，形成制冷回路。

在蒸发皿的第一出口与压缩机之间设置低压控制器。

在冷凝器的第一排出口与蒸发皿的第二入口之间依次设置高压控制器和膨胀阀。

所述冷凝器设置冷凝风机。

所述连通管为软管。

本发明解决技术问题采用的方案之二是：一种以用于土壤冻结试验的冷冻装置制备冻土模型的方法，其特征是：包括以下步骤：

1）制备土槽，在土槽内盛装未冻结的土壤；

2）在土槽盛装的土壤内设置温度传感器和冻结深度计，用于观察测量冻土深度，分阶段进行不同冻结深度的冻土相关试验；

3）制备与土槽相同尺寸的冷冻板；

4）将冷冻板平放在土槽的上面；

5）利用冷冻机将制冷剂冷却到试验温度，并使制冷剂在冷冻板里均匀循环，使其形成温度均匀恒定的冷场源，模拟天然冻土的形成过程，从而制得冻土模型。

所述制冷剂冷却到的试验温度为0-30°c。

本发明的有益效果是：其设置了冷冻板和冷冻管，能够让土壤从表面均匀冻结，且冷冻板采用金属钢板制成，导冷效果好，没有过多的冷量损失。其能够高度模拟还原土壤的冻结，并且以盐水作为制冷剂，具有溶液凝固点较低的特点，能够给相关试验创造更大的温度范围，使用本发明的装置冻结土壤能够使相关冻土实验研究结果更为准确，使试验数据更有说服力。具有结构简单、成本低廉、使用方便、高效模拟、安全可靠的优点。

附图说明

图1是本发明用于土壤冻结试验的冷冻装置的结构示意图；

图2是本发明用于土壤冻结试验的冷冻装置的冷冻机结构示意图；

图3是实施例1的地基温度与冻结时间的关系图。

图中：1冷冻机，2进口接头，3出口接头，4第一连接管，5第二连接管，6入口管，7冷冻管，8出口管，9冷冻板，10泵，11低压控制器，12压缩机，13第一进口，14冷凝器，15冷凝风机，16第一排出口，17高压控制器，18膨胀阀，19第二入口，20第一出口，21蒸发皿，22第二出口，23第一入口，24溶液箱，25制冷剂。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1～3，实施例1，本实施例一种用于土壤冻结试验的冷冻装置，它包括冷冻机1、冷冻板9、第一连接管4和第二连接管5，所述冷冻板9的入口管6与所述冷冻机1的出口接头3通过所述第一连接管4连通，所述冷冻板9的出口管8与所述冷冻机1的进口接头2通过所述第二连接管5连通形成制冷回路，作为制冷剂25的盐水在制冷回路内流动，从而将与冷冻板9接触的土壤冻结。

所述冷冻板9包括上板、下板、围板、冷冻管7、入口管6和出口管8，所述上板和所述下板均为金属材质的平板，上板和下板平行水平设置，所述围板置于上板和下板之间并固连，所述若干个冷冻管7均匀分布在上板和下板之间并固连，若干个冷冻管7的一端均分别与入口管6连通、另一端均分别与出口管8连通，形成并联设置的冷冻管7。

所述第一连接管4和所述第二连接管5均为软管，在软管外包覆隔热层。

所述冷冻机1包括溶液箱24、蒸发皿21、泵10、压缩机12和冷凝器14，所述溶液箱24出口通过连通管与所述蒸发皿21的第一入口23连通，在溶液箱24出口与蒸发皿21之间设置所述泵10，蒸发皿21的第一出口20与所述压缩机12的入口通过连通管连通，压缩机12的出口与所述冷凝器14的第一进口13通过连通管连通，冷凝器14的出口接头3通过第一连接管4与冷冻板9的入口管6连通，冷冻板9的出口管8通过第二连接管5与冷凝器14的进口接头2连通，冷凝器14的第一排出口16与蒸发皿21的第二入口19通过连通管连通，蒸发皿21的第二出口22与溶液箱24的入口通过连通管连通，形成制冷回路。

在蒸发皿21的第一出口20与压缩机12之间设置低压控制器11。

在冷凝器14的第一排出口16与蒸发皿21的第二入口19之间依次设置高压控制器17和膨胀阀18。

所述冷凝器14设置冷凝风机15。

所述连通管为软管。

本实施例的制备冻土模型的方法包括以下步骤：

1）制备土槽，在土槽内盛装未冻结的土壤；

2）在土槽盛装的土壤内设置温度传感器和冻结深度计，用于观察测量冻土深度，分阶段进行不同冻结深度的冻土相关试验；

3）制备与土槽相同尺寸的冷冻板9；

4）将冷冻板9与冷冻机1连接，组装成用于土壤冻结试验的冷冻装置，再将冷冻板9平放在土槽的上面；

5）利用冷冻机1将制冷剂25冷却到-20℃，并使制冷剂25在冷冻板9里均匀循环，使其形成温度均匀恒定的冷场源，模拟天然冻土的形成过程，从而制得冻土模型。

所述冻结深度计为申请号2019113612526、名称“一种冻土冻结深度测量装置及其测量方法”所述的冻土冻结深度测量装置。

本实施例采用现有技术制造，所述温度传感器、压缩机12、冷凝器14、蒸发皿21、泵10、低压控制器11、高压控制器17和膨胀阀18为现有技术的市售产品。

图3是地基深度1cm、5cm、11cm的地基温度与冻结时间的关系。由图3可知，地表1cm深度的温度下降较快，1天内降至零下。随着距离地基表层的深度加深，地基的温度变化变小，地基深度5cm的温度为2天，地基深度11cm时5天下降到零下。另外，土体达到零下时温度的下降速度变慢。符合土体实际冻结规律。

由以上数据可知，本发明的方法能够模拟天然冻土的形成过程，另外，可以根据实际环境的需求，设置不同冻结温度，是一种简单易行的土壤冻结方法。

本发明不局限于本具体实施方式，对于本领域技术人员来说，不经过创造性劳动的简单复制和改进均属于本发明权利要求所保护的范围。