一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备制造技术

本发明专利技术涉及一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，该设备包括连接在一起的上部承载系统、弹簧约束、压力系统、试验罐、制冷系统和下部承载系统。本发明专利技术可以较好地监测土体冻胀过程中冻胀变形量与冻胀力同步变化的情况，同时各零部件可拆卸组合，安装方便安全，操作简单，且体积小稳固性好、测量精度高。

A set of test equipment for studying the relationship between force and deformation in the process of soil frost heaving

The present invention relates to a set of test equipment for studying the relationship between force and deformation in the process of frost heave of soil. The equipment comprises an upper bearing system, a spring restraint, a pressure system, a test tank, a refrigeration system and a lower bearing system connected together. The invention can better monitor the synchronous change of frost heave deformation and frost heave force in the process of soil frost heave, and the components can be disassembled and assembled, which is convenient and safe to install, simple to operate, small and stable, and has high measuring precision.

【技术实现步骤摘要】
一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备
本专利技术涉及室内土工试验设备，尤其涉及一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备。
技术介绍
从80年代开始，随着各种监测手段的快速发展，冻土的试验研究技术也发生了巨大的改进。冻胀机理的研究在近些年一直为冻土学界研究的一个重点，也有许多各国的科学工作者进行大量的试验研究，并积累了大量的关于各种土壤的冻胀测试资料，同时也建立了许多土体冻胀与其各物理参数之间的关系（李萍等.冻结缘和冻胀模型的研究现状与进展[J].冰川冻土,2000,22(1):90-95.）。与此同时，为了满足试验的要求，许多科研机构和学者也自行研制了大量的相关试验设备和仪器。于琳琳（不同人工冻结条件下土的冻胀试验研究[D],哈尔滨工业大学,2006）自行研制了冻胀-融沉试验仪，可观测不同人工冻结条件下土的冻胀规律。王建平等人（人工冻结土体冻胀融沉的模型试验[J],中国矿业大学学报,1999,28(4):303-306）研制了冻土冻胀融沉的模型试验装置，可模拟人工冻土的一维和三维冻胀与融沉全过程。随着三轴试验设备、冻融试验设备等逐步实现微机控制，并可自动记录试验数据，大大地提高了研究土体冻胀相关的试验技术和试验效率（张世银,汪仁和.多功能冻土三轴试验机的研制与应用[J].试验技术与试验机,2007,47(1):67-70.）。ZhengH（ZhengH,KanieS.TheapplicationofMixedHybridFEMinthefrostheavepredictionverifiedbyFEMandindoorfrostheaveexperiments[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2017,142:85-92.）、YongtaoWang（WangY,WangD,MaW,etal.LaboratoryobservationandanalysisoffrostheaveprogressioninclayfromtheQinghai-TibetPlateau[J].AppliedThermalEngineering,2018,131:381-389.）、HendryMT（HendryMT,OnwudeLU,SegoDC.Alaboratoryinvestigationofthefrostheavesusceptibilityoffine-grainedsoilgeneratedfromtheabrasionofadioriteaggregate[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2016,123:91-98.）、WangT（WangT,YueZ,MaC,etal.Anexperimentalstudyonthefrostheavepropertiesofcoarsegrainedsoils[J].TransportationGeotechnics,2014,1(3):137-144.）等人均采用过类似的试验装置进行了室内冻胀试验，试验过程中根据所做试验的需求都有进行过对原设备的改进，JiY（JiY,ZhouG,ZhaoX,etal.Onthefrostheaving-inducedpressureresponseanditsdroppingpower-lawbehaviorsoffreezingsoilsundervariousrestraints[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2017,142:25-33.）在其研究冻胀规律的试验中引进了弹性约束，这与本专利技术有了相似的设备和技术，但研究内容及目标各不相同。与此同时，也有学者设计了类似冻胀试验方面的装置，并申请了相关专利。李宏伟曾设计了一种测试一维土柱冻胀变形的试验装置（申请号201621451072.9），能在室内模拟土体的冻胀变形过程，并能对冻胀变形过程中土体内部温度、孔隙水压力、竖向冻胀量、竖向体积变形以及冻胀力进行有效测试。员康锋针对目前三轴土样在冻结环境下侧向变形测量存在的问题设计了一种三轴土样冻胀变形测量装置（申请号201620900937.9），可实现冻结环境下三轴土样不同高度侧向变形测试的目的，提高试验效率。除上述研究外，还有许多关于土体或其他介质的相关冻胀试验研究，研究方向各不一致，但在研究试验过程中力与变形关系的试验设备及其冻胀机理和技术等相关方面的报道比较少。在现有的岩土冻胀试验技术设备中，尤其基于冻融循环试验机的冻胀试验，由于其试验箱中构造的限制，一些较大的试验设备无法安装，且现有的试验设备功能大致分为两类，一类是通过控制冻胀变形量来监测冻胀力的变化，一类是通过控制冻胀力来监测冻胀量的发展情况，但均不能较好地监测冻胀过程中冻胀量与冻胀力同步变化的情况。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可同步监测力和变形且测量精度高的用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备。为解决上述问题，本专利技术所述的一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，其特征在于：该设备包括连接在一起的上部承载系统、弹簧约束、压力系统、试验罐、制冷系统和下部承载系统；所述上部承载系统包括置于上部托盘上的承载柱和栓钉Ⅰ；所述承载柱的内部镂空为限位孔，其上端设有上部承载柱外螺纹，其下端设有与所述栓钉Ⅰ相匹配的栓孔Ⅰ；所述弹簧约束包括置于底部托盘中心的限位柱、套在所述限位柱上的弹簧限位环以及套接在所述弹簧限位环上的弹簧；所述限位柱的上端设有栓孔Ⅱ；所述底部托盘中心四周均布有数个螺孔Ⅰ，该螺孔Ⅰ对应设有与其相匹配的螺栓Ⅰ；所述压力系统包括连接在一起的压力传感器和中间承载柱；所述压力传感器上分别设有螺孔Ⅱ、螺孔Ⅲ，并连接有信号传输线；所述中间承载柱的顶部中心设有与所述螺孔Ⅱ相匹配的承载柱螺栓，其上部设有栓孔Ⅲ，其下部设有螺孔Ⅳ；所述中间承载柱底部中心设有挂环孔Ⅰ；所述螺孔Ⅳ内设有螺栓Ⅱ，该螺栓Ⅱ穿过所述挂环孔Ⅰ；所述试验罐包括设有上部固定板和下部固定板的有机玻璃罐以及与栓孔Ⅲ相匹配的栓钉Ⅱ；所述上部固定板与所述下部固定板通过螺栓Ⅲ、螺母连接在一起；所述上部固定板上对称设有一对栓孔Ⅳ；所述制冷系统置于所述有机玻璃罐内并通过所述螺栓Ⅱ与所述压力系统相连，该制冷系统包括设有冷却液出口、冷却液入口、补水端、出水端的上下两块制冷板；每块所述制冷板的中心设有与所述挂环孔Ⅰ相匹配的挂环；上制冷板中的所述挂环与所述螺栓Ⅱ相连；所述下部承载系统包括下部承载柱；所述下部承载柱的上端设有螺孔Ⅴ，其下端设有下部承载柱外螺纹，其上部中心设有与所述挂环相匹配的挂环孔Ⅱ；所述螺孔Ⅴ内设有螺栓Ⅳ，该螺栓Ⅳ与下制冷板中的所述挂环相连。所述上部承载柱外螺纹与压冻融试验机上部预留孔相匹配。所述栓孔Ⅰ与所述栓孔Ⅱ的直径相同。所述栓钉Ⅰ同时穿过所述栓孔Ⅰ与所述栓孔Ⅱ将所述弹簧约束与所述上部承载系统连接在一起。所述压力传感器通过所述螺栓Ⅰ、所述螺孔Ⅰ以及所述螺孔Ⅲ固定在所述底部托盘上。所述压力传感器通过所述承载柱螺栓和所述螺孔Ⅱ与所述中间承载柱相连。所述试验罐通过所述栓钉Ⅱ依次穿过所述栓孔Ⅲ、所述栓孔Ⅳ与所述压力系统相连。所述下部承载柱外螺纹与压冻融试验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，其特征在于：该设备包括连接在一起的上部承载系统（1）、弹簧约束（2）、压力系统（3）、试验罐（4）、制冷系统（5）和下部承载系统（6）；所述上部承载系统（1）包括置于上部托盘（16）上的承载柱（13）和栓钉Ⅰ（14）；所述承载柱（13）的内部镂空为限位孔（12），其上端设有上部承载柱外螺纹（11），其下端设有与所述栓钉Ⅰ（14）相匹配的栓孔Ⅰ（15）；所述弹簧约束（2）包括置于底部托盘（25）中心的限位柱（22）、套在所述限位柱（22）上的弹簧限位环（27）以及套接在所述弹簧限位环（27）上的弹簧（26）；所述限位柱（22）的上端设有栓孔Ⅱ（21）；所述底部托盘（25）中心四周均布有数个螺孔Ⅰ（24），该螺孔Ⅰ（24）对应设有与其相匹配的螺栓Ⅰ（23）；所述压力系统（3）包括连接在一起的压力传感器（32）和中间承载柱（38）；所述压力传感器（32）上分别设有螺孔Ⅱ（33）、螺孔Ⅲ（34），并连接有信号传输线（31）；所述中间承载柱（38）的顶部中心设有与所述螺孔Ⅱ（33）相匹配的承载柱螺栓（35），其上部设有栓孔Ⅲ（37），其下部设有螺孔Ⅳ（30）；所述中间承载柱（38）底部中心设有挂环孔Ⅰ（39）；所述螺孔Ⅳ（30）内设有螺栓Ⅱ（36），该螺栓Ⅱ（36）穿过所述挂环孔Ⅰ（39）；所述试验罐（4）包括设有上部固定板（44）和下部固定板（45）的有机玻璃罐（46）以及与栓孔Ⅲ（37）相匹配的栓钉Ⅱ（41）；所述上部固定板（44）与所述下部固定板（45）通过螺栓Ⅲ（42）、螺母（43）连接在一起；所述上部固定板（44）上对称设有一对栓孔Ⅳ（47）；所述制冷系统（5）置于所述有机玻璃罐（46）内并通过所述螺栓Ⅱ（36）与所述压力系统（3）相连，该制冷系统（5）包括设有冷却液出口（51）、冷却液入口（52）、补水端（53）、出水端（54）的上下两块制冷板（55）；每块所述制冷板（55）的中心设有与所述挂环孔Ⅰ（39）相匹配的挂环（56）；上制冷板中的所述挂环（56）与所述螺栓Ⅱ（36）相连；所述下部承载系统（6）包括下部承载柱（63）；所述下部承载柱（63）的上端设有螺孔Ⅴ（62），其下端设有下部承载柱外螺纹（64），其上部中心设有与所述挂环（56）相匹配的挂环孔Ⅱ（65）；所述螺孔Ⅴ（62）内设有螺栓Ⅳ（61），该螺栓Ⅳ（61）与下制冷板中的所述挂环（56）相连。...

【技术特征摘要】
1.一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备，其特征在于：该设备包括连接在一起的上部承载系统（1）、弹簧约束（2）、压力系统（3）、试验罐（4）、制冷系统（5）和下部承载系统（6）；所述上部承载系统（1）包括置于上部托盘（16）上的承载柱（13）和栓钉Ⅰ（14）；所述承载柱（13）的内部镂空为限位孔（12），其上端设有上部承载柱外螺纹（11），其下端设有与所述栓钉Ⅰ（14）相匹配的栓孔Ⅰ（15）；所述弹簧约束（2）包括置于底部托盘（25）中心的限位柱（22）、套在所述限位柱（22）上的弹簧限位环（27）以及套接在所述弹簧限位环（27）上的弹簧（26）；所述限位柱（22）的上端设有栓孔Ⅱ（21）；所述底部托盘（25）中心四周均布有数个螺孔Ⅰ（24），该螺孔Ⅰ（24）对应设有与其相匹配的螺栓Ⅰ（23）；所述压力系统（3）包括连接在一起的压力传感器（32）和中间承载柱（38）；所述压力传感器（32）上分别设有螺孔Ⅱ（33）、螺孔Ⅲ（34），并连接有信号传输线（31）；所述中间承载柱（38）的顶部中心设有与所述螺孔Ⅱ（33）相匹配的承载柱螺栓（35），其上部设有栓孔Ⅲ（37），其下部设有螺孔Ⅳ（30）；所述中间承载柱（38）底部中心设有挂环孔Ⅰ（39）；所述螺孔Ⅳ（30）内设有螺栓Ⅱ（36），该螺栓Ⅱ（36）穿过所述挂环孔Ⅰ（39）；所述试验罐（4）包括设有上部固定板（44）和下部固定板（45）的有机玻璃罐（46）以及与栓孔Ⅲ（37）相匹配的栓钉Ⅱ（41）；所述上部固定板（44）与所述下部固定板（45）通过螺栓Ⅲ（42）、螺母（43）连接在一起；所述上部固定板（44）上对称设有一对栓孔Ⅳ（47）；所述制冷系统（5）置于所述有机玻璃罐（46）内并通过所述螺栓Ⅱ（36）与所述压力系统（3）相连，该制冷系统（5）包括设有冷却液出口（51）、冷却液入口（52）、补水端（53）、出水端（54）的上下两块...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄龙，盛煜，
申请(专利权)人：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62