一维土柱冻胀变形测定仪制造技术

本发明专利技术公开了一维土柱冻胀变形测定仪，包括用于盛装一维圆柱形土柱的有机玻璃模具、通过制冷使土柱冻胀的循环器、冻胀过程中对土柱进行冻胀变形的测试装置、制冷过程中实时监测土样内部温度沿土柱高度变化的监测装置、模拟地下水由下至上对土柱内部进行补水的补水装置和排水装置、冻胀过程中测试土柱孔隙水压力的测试装置，一维土柱为圆柱状土样，盛装土柱的模具为竖直布设的圆柱形透明双层有机玻璃，补水装置通过补水管与一维圆柱状土柱底部相连以及数据采集系统。本发明专利技术结构简单、设计合理且实用操作简便、实用效果好，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。

【技术实现步骤摘要】
一维土柱冻胀变形测定仪
本专利技术具体涉及一维土柱冻胀变形测定仪，属于土工试验仪器

技术介绍
近年来，随着寒区工程(冻土区或季冻区所建工程，包括道路、油气管线等)的大量兴建，冻胀已成为我国寒区工程建设过程中所面临的最主要的工程灾害。我国冻土面积分布广泛，其中多年冻土约占国土面积的22.3％，高海拔多年冻土面积世界之最，而季节性冻土分布更广泛。陆上油气管道历经上述冻土区等地质复杂地段时，由于其输送的高温高压油气易使沿线的冻土发生冻胀和融沉灾害，寒区埋地管道易发生“露管”现象，严重时产生屈曲变形；寒区等级公路途径冻土区时，环境温度的变化易使道路发生不均匀变形和路基纵向裂缝、冻胀融沉和翻浆现象。上述寒区工程的病害特征有所不同，但病害形成的原因归结于(1)寒区工程沿线土体温度的变化，(2)土体内部水分的迁移与结冰膨胀及(3)土体的冻胀变形。土体在冻胀变形过程中，其内部温度随环境温度的变化而变化，土中水结冰膨胀、体积增大，因此，温度变化引起土体中含水量、孔隙水压力等发生变化，并引起土体的孔隙率、渗透特性等主要参数及水-温-力耦合特性的改变；温度变化易使土体内部产生温度梯度，而土中水因温度梯度发生迁移，土中部分水因温度梯度结冰膨胀，从而造成土体冻胀变形。目前，在冻土的研究和勘察实践中，国外学者研究土体冻胀变形的方法有理论研究、有限元分析以及模型试验。其中，理论研究和有限元分析方法主要研究冻融循环作用下土体的未冻水含量、冻深、冰结晶与温度梯度之间的关系，建立适合某一土体的水-温-力耦合模型；模型试验方法研究土体在冻胀变形过程中位移场、水分场、孔压场与温度场之间的单一变化关系，详见文献＜Williams，P.J.(1964).Unfrozenwatercontentoffrozensoilsandsoilmoisturesuction.Géotechnique，14(3)，231-246.＞、文献＜Penner，E.(1967).Heavingpressureinsoilsduringunidirectionalfreezing.CanadianGeotechnicalJournal，4(4)，398-408.＞、文献＜Singh，A.K.，Chaudhary，D.R.(1995).Evaluationofheatandmoisturetransferpropertiesinafrozen-unfrozenwater-soilsystem.Internationaljournalofheatandmasstransfer，38(12)，2297-2303.＞、文献＜Nishimura，S.，Gens，A.，Olivella，S.，Jardine，R.J.(2009).THM-coupledfiniteelementanalysisoffrzensoil：formulationandapplication.Géotechnique，59(3)，159.＞、文献＜Ng，C.W.W.，Leung，A.K.(2011).Measurementsofdryingandwettingpermeabilityfunctionsusinganewstress-controllablesoilcolumn.Journalofgeotechnicalandgeoenvironmentalengineering，138(1)，58-68.＞、文献＜Zeinali，A.，Dagli，D.，T.(2016).Freezing-ThawingLaboratoryTestingofFrostSusceptibleSoils.InNordicGeotechnicalMeeting：ChallangesinNordicGeotechnics25/05/2016-27/05/2016，267-276.＞和文献＜Caicedo，B.(2016).Physicalmodellingoffreezingandthawingofunsaturatedsoils.Géotechnique，1-21.＞；国内主要采用《土工试验标准》和《冻土工程地质勘查规范》，其规定了研究冻土性能的几种主要试验，包括原位试验和室内试验，其中，几种室内试验分别由不同的仪器完成，不仅操作复杂，而且每次试验获得的试验数据有限。冻结仪是近年来得到应用的一种冻土性能试验设备，中国专利技术专利申请号：201510313671，公开了一种连续变温式多级梯度冻结仪，其仪器只能研究冻土的冻结过程的性能，不能同时获得更多的试验数据。为了研究土体在不同温度梯度作用下的冻胀变形规律，方便在相同温度变化条件下，同时观测土体内部温度梯度引起的温度场、位移场、水分和孔压场。因此需要一种测试一维土柱冻胀变形的试验装置，将圆柱形土样的四周及底部衬以隔热性能良好的透明保温膜，并置于双层透明有机玻璃中，从而保证只在土样顶部进行热交换的一种测试土样冻胀变形的测试装置。
技术实现思路
因此，针对现有技术的上述不足，本专利技术目的旨在提供一种一维土柱冻胀变形测定仪。以期达到不同温度变化条件下，实现土样冻胀变形过程中的温度场、位移场、水分场和孔压场的同时监测。该装置是将包裹有透明保温膜的圆柱形土样置于隔热性能良好的土柱模具中，使其四周与底部不与外界环境进行热交换，通过制冷循环器，只在试样顶部进行热交换，测试不同水分场、温度场作用下的土样冻胀变形。具体的，一维土柱冻胀变形测定仪，包括支架装置、模具装置、检测装置、数据采集装置、补水装置、制冷装置，所述模具装置安装在支架装置上，模具装置包括底座、固定杆、法兰、土柱模具，底座安装在支架装置上，法兰通过固定杆连接底座，土柱模具放置在底座上，所述检测装置包括温度传感器、孔压传感器、应力传感器、应变传感器、位移传感器，温度传感器、孔压传感器均安装在土柱模具侧壁上且与土柱试样接触，应力传感器、应变传感器、位移传感器均设置在土柱试样顶部且与土柱试样顶部接触，所述数据采集装置包括数据采集仪、数据采集线、电脑，数据采集线连接全部传感器并通过数据采集仪连接电脑，所述补水装置包括补水箱、补水排水管、排水箱，补水排水管两端分别连通补水箱及土柱模具底部，补水箱高于土柱模具设置，排水箱连通补水排水管且低于土柱模具设置，所述制冷装置包括制冷循环器、制冷液流通管、制冷盘管，制冷盘管设置在土柱试样顶部。进一步的，所述支架装置包括基座、支脚、立柱、横梁传感器基座，底座通过支脚安装在基座上，横梁通过立柱限位螺母连接横梁，横梁连接基座，横梁上设有传感器基座。进一步的，所述土柱模具为双层透明有机玻璃制成。进一步的，所述土柱模具内土柱试样底部及四周设有保温膜，土柱模具内土柱试样顶部设有滤纸，土柱试样底部设有透水石，补水排水管接触透水石。进一步的，所述法兰通过固定杆限位螺母连接限位杆。进一步的，所述补水排水管上位于补水箱下方还设有补水阀门及水压表盘。进一步的，所述补水排水管上连接排水箱的支路上还设有排水阀门，排水箱底部设有电子称。进一步的，所述温度传感器沿土柱试样高度方向等间距设置。进一步的，所述孔压传感器与温度传感器间隔对应设置。进一步的，所述制冷盘管采用黄铜盘管制成。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术采用制冷循环器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一维土柱冻胀变形测定仪，包括支架装置、模具装置、检测装置、数据采集装置、补水装置、制冷装置，其特征在于，所述模具装置安装在支架装置上，模具装置包括底座、固定杆、法兰、土柱模具，底座安装在支架装置上，法兰通过固定杆连接底座，土柱模具放置在底座上，所述检测装置包括温度传感器、孔压传感器、应力传感器、应变传感器、位移传感器，温度传感器、孔压传感器均安装在土柱模具侧壁上且与土柱试样接触，应力传感器、应变传感器、位移传感器均设置在土柱试样顶部且与土柱试样顶部接触，所述数据采集装置包括数据采集仪、数据采集线、电脑，数据采集线连接全部传感器并通过数据采集仪连接电脑，所述补水装置包括补水箱、补水排水管、排水箱，补水排水管两端分别连通补水箱及土柱模具底部，补水箱高于土柱模具设置，排水箱连通补水排水管且低于土柱模具设置，所述制冷装置包括制冷循环器、制冷液流通管、制冷盘管，制冷盘管设置在土柱试样顶部。

【技术特征摘要】
1.一维土柱冻胀变形测定仪，包括支架装置、模具装置、检测装置、数据采集装置、补水装置、制冷装置，其特征在于，所述模具装置安装在支架装置上，模具装置包括底座、固定杆、法兰、土柱模具，底座安装在支架装置上，法兰通过固定杆连接底座，土柱模具放置在底座上，所述检测装置包括温度传感器、孔压传感器、应力传感器、应变传感器、位移传感器，温度传感器、孔压传感器均安装在土柱模具侧壁上且与土柱试样接触，应力传感器、应变传感器、位移传感器均设置在土柱试样顶部且与土柱试样顶部接触，所述数据采集装置包括数据采集仪、数据采集线、电脑，数据采集线连接全部传感器并通过数据采集仪连接电脑，所述补水装置包括补水箱、补水排水管、排水箱，补水排水管两端分别连通补水箱及土柱模具底部，补水箱高于土柱模具设置，排水箱连通补水排水管且低于土柱模具设置，所述制冷装置包括制冷循环器、制冷液流通管、制冷盘管，制冷盘管设置在土柱试样顶部。2.如权利要求1所述的一维土柱冻胀变形测定仪，其特征在于，所述支架装置包括基座、支脚、立柱、横梁传感器基座，底座通过支脚安装在基座上，横梁通过立柱限位螺母连...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏伟，杨晓松，王成，朱连勇，杨保存，韩天红，黎亮，
申请(专利权)人：塔里木大学，
类型：发明
国别省市：新疆,65