一种冻土中水分迁移过程追踪装置及其实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种冻土中水分迀移过程追踪装置及其实验方法，属室内土工低温试验技术领域。
【背景技术】
[0002]冻土，作为工程中的一种特殊土质，广泛分布于我国东北、华北、西北等地区。随着我国经济的快速发展，冻土地区的铁路、道路、水利、管道等工程建设蓬勃推进，而冻土区土体在冻结过程中水分结晶成冰引起土颗粒位移而形成的冻胀，以及由此衍生出来的融陷、翻浆冒泥、冻拔等病害，一直以来都是困扰冻土区铁路、道路等工程建设的难题，亦是国内外冻土学者研究的焦点问题。
[0003]国内外研究学者普遍认为，土体的冻胀由原位冻胀和分凝冻胀组成，而分凝冻胀是土体冻胀的主要分量。分凝冻胀是由冻土中水分迀移并在土体中一定部位产生冰分凝而引起的，其中水分迀移的驱动力来自于温度梯度诱导的未冻水势梯度。由此可见，研究冻土中的水分迀移过程、冰晶的形成过程以及冻结锋面的形成过程，对揭示冻土冻胀孕育演化、成灾机理，提出有效的冻害防治措施具有十分重要的工程实际意义。然而，实验设备、实验技术、手段的匮乏一直以来都是冻土中水分迀移规律研究难以深入的瓶颈；国内外目前普遍采用两种方式研究土体冻结过程中的水分迀移规律，一是采用烘干法测试冻结前后不同高度位置土体含水量的方法，该方法仅能得到土体冻结前后的含水量分布状态，无法对水分迀移过程进行分析；二是采用水分传感器测试冻结过程中土体内含水量的变化，该方法虽能对水分迀移过程进行监测，但是缺乏可视性，同时含水量的测试也多为体积含水量。
[0004]因此迫切需要一种可方便的对冻土中水分迀移过程进行追踪的方法。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便、可视性强的冻土中水分迀移过程追踪装置及其实验方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明装置所采取的技术方案是:一种冻土中水分迀移过程追踪装置，其关键技术在于:其包括土样槽、上冷浴板以及下冷浴槽；
所述土样槽包括平行且对称设置的两有机玻璃宽板、平行且对称设置的有机玻璃窄板以及下冷浴板，所述有机玻璃宽板与机玻璃窄板垂直设置，所述有机玻璃宽板与机玻璃窄板围合成横截面为矩形的试样槽，该试样槽的底部为下冷浴板；所述有机玻璃宽板与机玻璃窄板经固定螺栓定位连接；所述有机玻璃宽板上设有若干个温度测孔；
所述下冷浴板上内设有补水通道，所述补水通道由连接补水口和排气口的主通道和连接土样底部的分通道组成，所述主通道和分通道连通；
所述上冷浴板包括一矩形管，所述矩形管上设有冷冻液进口和冷冻液出口 ；
所述下冷浴槽包括有机玻璃板槽和设置于有机玻璃板槽底部的蛇形铜管，所述有机玻璃板槽的冷冻液进口端和冷冻液出口端延伸至机玻璃板槽外部； 所述土样槽设于下冷浴槽内部，所述上冷浴板设于样槽内土体的上方。
[0007]优选的，所述有机玻璃宽板、有机玻璃窄板和下冷浴板借助密封胶和固定螺栓拼装为一体。
[0008]优选的，所述有机玻璃宽板的透光率至少为95%。
[0009]优选的，所述上冷浴板、下冷浴板均为不锈钢材质。
[0010]优选的，所述下冷浴槽的内部净高与下冷浴板的净高相同。
[0011 ] 优选的，所述补水口和排气口与下冷浴板顶部齐平。
[0012]本实验方法为:首先将荧光剂、水和土的混合料填充于土样槽内，自土样槽上的温度测孔插入温度传感器，然后将土样槽置于下冷浴槽内，将上冷浴板置于土样槽内的土体的顶部，连接补水口至马氏补水瓶，待补水通道内充满水后，关闭排气口，然后采用连接外部降温装置的上冷浴板和下冷浴槽为土体进行单向降温，试验过程中开启紫光灯和数码相机，追踪土体冻结过程中的水分迀移过程。
[0013]进一步的改进，为土体进行单向降温前需进行12h恒温处理，待土体内温度一致时，再开始降温并开启补水口。
[0014]上述方法中，在土体冻结过程中，上冷浴板的温度为负温，下冷浴槽的温度为+1° C，为自上而下的单向冻结模式。所述马氏补水瓶内为纯净水和荧光剂的混合物，所述荧光剂的掺量为每升水5g。
[0015]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:
1、本发明设置了土样槽、上冷浴板以及下冷浴槽，其整体结构简单、成本低、操作方便、可视性强、自动化强、使用效果好，可直观的观测和分析冻土中的水分迀移过程、冰晶以及冻结锋面的形成过程，定性地分析地下水补给对冻土病害产生、发展机理。
[0016]2、由于设置了上冷浴板、下冷浴板和下冷浴槽，可以为土样槽内的土体进行单向(自上而下)降温，模拟现场土体的单向冻结模式；由于下冷浴板可连接外置马氏补水瓶为土样补水，模拟现场土体冻结过程中的地下水补给作用；由于土样槽采用高透光率的有机玻璃宽板，试验过程中可采用数码相机拍摄土样槽内土体冻结过程中水分迀移过程；由于利用紫光灯下的荧光剂在冻结前后显示不同颜色的特性，可更加直观的观察土体中冰晶的形成过程，并结合温度传感器，实时观测冻结锋面的形成、移动过程；由于实验过程中的土体温度变化、水分补给、数码相机拍照均为计算机控制，具有自动化程度高、可操作性强的特点，减少了人为干扰。
【附图说明】
[0017]图1是本发明土样槽的结构示意图；
图2是图1的A-A剖示意图；
图3是本土样槽的俯视示意图；
图4是上冷浴板的结构示意图；
图5是图4的C-C剖示意图；
图6是下冷浴槽的结构示意图；
图7是图6的俯视不意图；
其中，1、有机玻璃宽板，1-1、、温度测孔；2、有机玻璃窄板；3、下冷浴板，3-1、补水通道，3-2、补水口，3-3、排气口 ；4、固定螺栓；5、上冷浴板，5-1、矩形管，5-2、冷冻液进口，5-3、冷冻液出口； 6、下冷浴槽，6-1、有机玻璃板槽，6-2、蛇形铜管，6-3、冷冻液进口端，6-4、冷冻液出口端；7、试样槽。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0019]本装置包括土样槽、上冷浴板5以及下冷浴槽6。所述土样槽设于下冷浴槽6内部，所述上冷浴板5设于土样槽内土体的上方。
[0020]如附图1-附图3所示，所述土样槽包括两块有机玻璃宽板I和两块有机玻璃窄板2以及下冷浴板3，两块有机玻璃宽板I平行且对称，两块有机玻璃窄板2同样为平行且对称设置，所述有机玻璃宽板I与机玻璃窄板2垂直设置，所述有机玻璃宽板I与机玻璃窄板2围合成横截面为矩形的试样槽7，该试样槽7的底部安装有下冷浴板3 ;所述有机玻璃宽板1、有机玻璃窄板2和下冷浴板3借助密封胶和固定螺栓4拼装为一体。所述有机玻璃宽板2上设有若干个温度测孔1-1。所述下冷浴板3上内设有补水通道3-1，所述补水通道3-1由连接补水口 3-2和排气口 3-3的主通道和连接土样底部的分通道组成，所述主通道和分通道连通、且垂直设置。所述有机玻璃