多功能土体三轴试样补水冻融循环试验装置的制

作者：杨超月

1.本实用新型涉及土体三轴试样补水冻融的试验技术，尤其涉及一种多功能土体三轴试样补水冻融循环试验装置。

背景技术：

2.我国分布着广泛的季节性冻土，季节性冻土每年经历一次甚至多次冻融循环。冻融循环作用会对土体的物理力学性质产生严重影响，尤其是临江的堤防工程和路基工程，由于地下水埋深较浅，在从上往下的冻结过程中，毛细水可能上升到冻结深度范围内，形成水分从下至上的补给。水分大量聚集在冻结区后，会造成堤身和路基的冻胀，在夏季融化期间未及时消散的水分又会软化土体，在行车荷载的反复作用下产生路面的沉陷。因此开展土体在补水情况下的冻融循环后动力学和静力学性质的研究显得尤为重要。
3.国内外针对土体的冻融循环试验装置大致上可以分为两大类：一类是研究土体冻融过程中的物理性质变化所采用的单向冻融循环装置；另一类是针对土体冻融循环以后的力学性质变化采用的多向冻融循环装置。但是目前的研究中对服务于土体三轴压缩试验的三轴试样在补水条件下单向冻结和双向融化试验以及相应的动/静力学性质演化的试验开展较少，类似的仪器虽有研制，但是仅适用于承载比等试验，无法满足三轴试样冻融的要求。
4.中国专利cn103196753a《多功能公路土基冻融循环试验装置》中，土样与马氏瓶中蒸馏水保持水力联系，以模拟路基土在冻融过程路堤本体以外环境的水分补给条件，但马氏瓶水头高度不易控制，操作人员读数容易不准确，无法精确计算补水量，试验精度低；而且土样与马氏瓶直接联系，操作人员无法控制补水过程，也容易导致测试结果不准确。
5.为此，寻求一种实现土体三轴试样单向冻结和双向融化且能够精确补水的设备和方法，提高试验精度，已经成为季节冻土区土体冻融循环试验方法中一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多功能土体三轴试样补水冻融循环的试验装置，可实现多个三轴试样的冻融循环，且能够控制试样冻融的方向和水分补给，模拟土体实际的温度和湿度变化，提高了冻融土动/静三轴试验的效率。
7.本实用新型是通过以下技术方案实现的：
8.一种多功能土体三轴试样补水冻融循环试验装置，包括试样系统、温控系统、水分补给系统和测试及数据采集系统，多个所述试样系统置于所述温控系统内部，多个所述水分补给系统与多个所述试样系统一一对应连接，对土样进行补水，测试及数据采集系统与试样系统相连接采集试验数据，其特征在于：所述的水分补给系统包括盘管、承托板、一号阀门、进水管、二号阀门；所述盘管外表面带刻度线，水平放置于承托板上，所述承托板与试样系统里的三轴试样底部标高相同；所述盘管通过进水管和试样系统底部相连；所述一号阀门位于盘管端头处，所述二号阀门位于进水管尾部。
9.进一步的，所述的试样系统包括试样筒，在试样筒的中部，从下到上，透水石、滤纸、三轴试样依次排列构成一个圆柱；所述三轴试样的顶部和侧面包裹有耐高低温橡皮膜。
10.进一步的，所述的温控系统包括恒温环境箱、顶部酒精供给箱、底部酒精供给箱、试样顶部酒精盒、试样底部酒精盒、酒精循环管、硅胶管、保温套管、温度控制器；其位置和连接关系是：顶部酒精供给箱和底部酒精供给箱分别固定于恒温环境箱的上部和下部，并分别与若干个试样顶部酒精盒和若干个试样底部酒精盒通过硅胶管和酒精循环管相连；硅胶管外部套有保温套管；试样顶部酒精盒和试样底部酒精盒分别固定于三轴试样的顶部和底部；温度控制器通过控制三套独立的制冷循环机组来调节恒温环境箱的箱体温度和顶部酒精供给箱与底部酒精供给箱中的酒精循环液温度。
11.进一步的，所述试样底部酒精盒上设置有酒精盒预留孔。
12.进一步的，所述的测试及数据采集系统包括温度传感器、位移传感器、数据采集器和计算机；所述温度传感器沿三轴试样竖直方向等间距插入一个试样内部；所述位移传感器与试样系统顶部连接；所述温度传感器和位移传感器分别与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连。
13.进一步的，所述盘管直径为1-1.5cm。
14.与以往技术相比，本实用新型具有下列优点和积极效果：
15.1、能对三轴试样进行补水条件下的单向冻结和双向融化的冻融循环试验，更符合季节冻土区土体实际的温度和湿度变化。
16.2、采用带刻度的盘管进行补水，可精确计算补水量，且水头恒定，易于控制。
17.3、能多个试样同时进行冻融循环试验，试样结构完整，满足堤防和路基填土动/静三轴压缩试验要求，提高三轴试验效率。
18.总之，本实用新型能够实现多个三轴试样同时在补水情况下的冻融循环，能够一次性满足动/静三轴试验要求，缩短试验时间。
附图说明
19.图1是本装置的结构方框图。
20.图2是本装置的主体结构示意图。
21.图3是本装置的温控系统结构示意图。
22.图中：
23.000—试样系统，
24.001—三轴试样，002—耐高低温橡皮膜，003—保温棉，
25.004—试样筒，005—底座，006—透水石，
26.007—滤纸008—拉杆009—盖板；
27.100—温控系统，
28.101—恒温环境箱，102—顶部酒精供给箱，103—底部酒精供给箱，104—试样顶部酒精盒，105—试样底部酒精盒，106—酒精循环管，
29.107—硅胶管，108—保温套管，109—温度控制器；
30.200—水分补给系统，
31.201—盘管，202—承托板，203—一号阀门；
32.204—进水管，205—二号阀门，206—酒精盒预留孔；
33.300—测试及数据采集系统，
34.301—温度传感器，302—位移传感器，
35.303—数据采集器，304—计算机。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例详细说明：
37.一、装置
38.1、总体
39.如图1，本装置包括试样系统000、温控系统100、水分补给系统200和测试及数据采集系统300；
40.其位置和连接关系是：
41.试样系统000置于温控系统100内部，试样系统000与水分补给系统200连接，对土样进行补水，试样系统000又与测试及数据采集系统300相连接采集试验数据。
42.2、功能单元
43.0)试样系统000
44.如图2，试样系统000包括三轴试样001，还设置有耐高低温橡皮膜002、保温棉003、试样筒004、底座005、透水石006、滤纸007、拉杆008、盖板009；
45.在试样筒004的中部，从下到上，透水石006、滤纸007、三轴试样001依次排列构成一个圆柱。所述透水石006用于均匀分散水分，使水分与三轴试样001底部充分接触。所述滤纸007用于避免土样脱落的残渣堵塞透水石006。试样筒004中部与筒壁之间设置有保温棉003，用于给试样筒保温。
46.三轴试样001在侧面和顶部包裹耐高低温橡皮膜002，所述耐高低温橡皮膜002用于给三轴试样001保温，便于在冻融循环试验后进行动/静三轴压缩试验。
47.底座005和盖板009之间通过拉杆008连接固定，将试样筒004固定为一体。
48.1)温控系统100
49.如图2、3，温控系统100包括恒温环境箱101、顶部酒精供给箱102、底部酒精供给箱103、试样顶部酒精盒104、试样底部酒精盒105、酒精循环管106、硅胶管107、保温套管108、温度控制器109；
50.其位置和连接关系是：
51.顶部酒精供给箱102和底部酒精供给箱103分别固定于恒温环境箱101的上部和下部，并分别与四个试样顶部酒精盒104和四个试样底部酒精盒105通过硅胶管107和酒精循环管106相连。硅胶管107外部套有保温套管108。试样顶部酒精盒104和试样底部酒精盒105分别固定于三轴试样001的顶部和底部。温度控制器109通过控制三套独立的制冷循环机组分别来调节恒温环境箱101的箱体温度和顶部酒精供给箱102与底部酒精供给箱103中的酒精循环液温度。
52.2)水分补给系统200
53.如图2，水分补给系统200包括盘管201、承托板202、一号阀门203、进水管204、二号阀门205和酒精盒预留孔206；
54.盘管201外表面带刻度线，水平放置于承托板202上，承托板202与三轴试样001底部标高相同，这样既可以保持水头稳定，又能消除水头压力的影响，仅研究冻吸力对水分迁移的作用。盘管201通过进水管204和酒精盒预留孔206与透水石006直接相连。一号阀门203位于盘管201端头处，二号阀门205位于进水管204尾部，一号阀门203用于封闭盘管201端头，二号阀门205可以方便操作人员控制补水过程的开始和结束。所述盘管201直径为1-1.5cm，这样试验过程中水位减少明显，方面操作人员读取刻度值，计算补水量更准确。
55.3)测试及数据采集系统300
56.如图2，测试及数据采集系统300包括温度传感器301、位移传感器302、数据采集器303和计算机304；
57.温度传感器301沿三轴试样001竖直方向等间距插入试样内部。位移传感器302固定于试样顶部酒精盒104正上方。温度传感器301和位移传感器302分别与数据采集器303相连，数据采集器303与计算机304相连。
58.二、方法
59.本实用新型的使用方法包括下列步骤：
60.①
制备四个三轴试样001并在试样侧面和顶部包裹耐高低温橡皮膜002。
61.②
在四个试样筒004内，从下至上依次安放试样底部酒精盒105、透水石(006)、滤纸007、包裹耐高低温橡皮膜002的三轴试样001和试样顶部酒精盒104，试样筒004内壁均包裹保温棉003，并通过底座005、拉杆008和盖板009将试样筒004固定为一体。选择其中一个试样筒作为测量筒，在其试样筒004和外部包裹的保温棉003预留有直径2mm的孔洞，便于放置温度传感器301。
62.③
在四个试样顶部酒精盒104正上方安装位移传感器302，选择测量筒中的三轴试样001沿竖直方向等间距插入温度传感器301。
63.④
将四个试样系统固定于恒温环境箱101内部，通过酒精循环管106和硅胶管107使顶部酒精供给箱102与四个试样顶部酒精盒104连接、底部酒精供给箱103与四个试样底部酒精盒105连接。
64.⑤
在恒温环境箱101箱体外部与三轴试样001底部相同标高处固定承托板202，放置四个盘管201，并通过进水管204与酒精盒预留孔206相连。向盘管201内注满水后关闭一号阀门203和二号阀门205。
65.⑥
将温度传感器301和位移传感器302分别与数据采集器303相连，并连接数据采集器303与计算机304。
66.⑦
开启温度控制器109，分别设定恒温环境箱101的箱体温度和顶部酒精供给箱102与底部酒精供给箱103中的酒精循环液温度。开启数据采集器303和计算机304，观察冻融循环过程中三轴试样001的温度和冻胀融沉变化情况。
67.冻结时，设定顶部酒精供给箱102酒精循环液温度为冻结温度，并设置好冻结时间，恒温环境箱101的箱体温度和底部酒精供给箱103中的酒精循环液温度设定为2℃左右，使三轴试样001从上往下冻结。当四个三轴试样001的顶部温度低于0℃时，同时打开四个二号阀门205，进行补水。
68.融化时，设定顶部酒精供给箱102和底部酒精供给箱103中的酒精循环液温度均为融化温度，并设置好融化时间，使三轴试样001从上往下和从下往上两个方向融化，同时关
闭四个二号阀门205，停止补水。
69.⑧
达到需要的冻融循环次数后，关闭温度控制器109，依次取出未进行温度监测的三个完整三轴试样001，进行动/静三轴压缩试验。
70.上述步骤
⑧
中，因为进行了温度监控的三轴试样001上有放置温度传感器301留下的孔洞，不适合进行动/静三轴压缩试验，所以选用未进行温度监测的三个完整三轴试样进行动/静三轴压缩试验，这样试验结果更准确。
71.本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。