冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种冻融环境下受荷载土体水‑热‑力‑位移实验系统及方法，属于季节冻土地区路基地基土体室内冻融试验测试领域，包括通过制冷或制热对实验土体顶部进行冻结或融化的上部恒温单元和保持土体底部恒温的下部恒温单元，模拟地下水补给的恒温供水单元，容纳土体的承载筒，土体温度水分、内部压力和土体土水势的土体状态监测单元、土体加载和荷载监测单元、可调节水平的载物试验台及土体位移监测单元。该系统可实现在室内荷载条件下的土体冻融实验过程，并对土体的水热力、整体和分层位移进行在线监测，为土体冻融研究提供支持。

Experimental system and method of water thermal force displacement for loaded soils under freeze-thaw environment

The present invention provides an experimental system and method for the displacement of the loaded soil water under the freezing and thawing environment, which belongs to the test field of the freezing thawing test of the subgrade soil in the seasonally frozen soil area, including the freezing or melting of the upper constant temperature unit and the constant temperature of the soil bottom through the cooling or heating of the soil. The lower constant temperature unit simulated the constant temperature water supply unit for groundwater recharge, carrying the bearing tube of the soil, the soil condition monitoring unit of soil temperature moisture, internal pressure and soil water potential, the soil loading and load monitoring unit, the adjustable level load test table and the soil displacement monitoring unit. The system can be used to test the freezing and thawing process of soil under the condition of indoor load, and monitor the water heat, whole and stratified displacement of soil on line, which can provide support for the study of soil freezing and thawing.

【技术实现步骤摘要】
冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验系统及方法
本专利技术属于季节冻土地区路基地基土体室内冻融试验测试领域，具体涉及一种冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验系统及方法。
技术介绍
我国季节冻土分布广泛，分布面积约占国土面积的53.5％，在季节冻土区修筑的路基地基存在不同形式的破坏形式，如路基的冻胀和翻浆，地基的不均匀沉降。以上的破坏形式，虽然表现形式不同，但都是土体水-热-力综合作用的结果。因为室内试验成本低，效率高，可对多种影响因素进行测试，所以室内试验仍是研究土体水-热-力耦合特性的主要手段，目前针对室内土体水-热-力耦合试验单元已有一些相关报道，如2013年李海鹏等提出了一种大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用实验系统(参见李海鹏,胡琛琛,宋雷,汪汝锋,张涛,任彦龙,杨志江.大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用实验系统[P].江CN103116014A,2013-05-22.)，该试验单元可以对试验土体施加荷载，但其在施加荷载后使用限定位移的铁板将土体顶部固定，使得土体固定空间内进行冻胀试验，这样限定了土体的冻胀融沉位移，对水分迁移，压力变化等也产生了一定影响；2015年毛雪松等提出了一种土体冻结过程水热力综合实验系统及试验方法(参见毛雪松,侯仲杰,张慧军,王铁权.土体冻结过程水热力综合实验系统及试验方法[P].陕西：CN104749205A,2015-07-01.)；该实验系统可以使土体自由冻胀并测试相关水-热-力耦合参数，但该实验系统不对试验土体提供荷载，仅可以用于研究土体在自重情况下冻结过程的水-热-力耦合机制。如上所述，目前还未见一种报道展示了可以对上部施加荷载的土体在冻融环境下的温度变化，水分迁移，压力变化，以及由冻胀融沉导致的土体整体和内部位移进行监测的试验单元，但是一般实际工程条件下，路基土基上部都是要有荷载存在的，并且在上部荷载条件下冻结和融化存在着冻胀和融沉现象，该冻胀或融沉现象是土体水-热-力综合作用的结果，并且由土体的温度变化，水分迁移，压力变化，位移变化表现出来，因此设计一个综合实验系统实现冻融环境下受荷载土体的温度、水分、压力、位移测试具有实际工程和科学研究意义。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验系统及方法。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验系统，包括承载筒、载物试验台、上部恒温单元、下部恒温单元、恒温供水单元、土体状态监测单元、土体加载与荷载监测单元及土体位移监测单元；所述承载筒设置在所述载物试验台上，所述承载筒为上下开放的圆柱体钢筒，所述承载筒外壁粘贴有PVC卷材保温层，所述承载筒顶部设置有环状的法兰，所述承载筒两侧均设置有螺杆，所述螺杆的上端和下端分别穿过所述法兰和载物试验台并通过螺母固定，所述承载筒内侧底部铺有粉细砂层；所述上部恒温单元包括顶部低温恒温槽、顶部恒温板护板、顶部恒温板、顶部恒温液回流管和顶部恒温液流入管，所述顶部恒温板内部装有顶部恒温盘管，所述顶部恒温板设置在所述承载筒的上端入口处，所述顶部恒温板护板设置在所述顶部恒温板上面，所述顶部低温恒温槽、顶部恒温液流入管、顶部恒温盘管、顶部恒温液回流管、顶部低温恒温槽依次连通形成循环通路；所述下部恒温单元包括底部低温恒温槽、底部恒温板护板、底部恒温板、底部恒温液回流管、底部恒温液流入管，所述底部恒温板内部装有底部恒温盘管，所述底部恒温板护板设置在所述底部恒温板上面，所述底部恒温板护板和底部恒温板设置在所述承载筒内并位于所述粉细砂层下面，所述底部低温恒温槽、底部恒温液流入管、底部恒温盘管、底部恒温液回流管、底部低温恒温槽依次连通形成循环通路；所述恒温供水单元包括橡胶补水管、排水排气管、马氏瓶、测温仪探针和测温仪，所述底部恒温液流入管均匀盘绕在所述马氏瓶上，所述测温仪探针设置在所述马氏瓶内，所述测温仪探针上套接有玻璃管，所述测温仪探针的信号线与所述测温仪连接，所述橡胶补水管一端与所述粉细砂层相连通，所述橡胶补水管另一端与所述马氏瓶连通，所述排水排气管一端与所述粉细砂层连通，另一端位于所述承载筒外；所述土体状态监测单元包括数据采集箱及设置在所述承载筒内壁不同深度处的多个土壤温湿传感器、多个土压力传感器和多个土水势传感器，多个所述土壤温湿传感器、土压力传感器和土水势传感器均与所述数据采集箱电连接；所述土体加载与荷载监测单元包括反力钢板、上部传力钢板、荷载传感器、荷载传感器固定板、机械千斤顶和千斤顶固定钢板，所述荷载传感器固定板、千斤顶固定钢板、上部传力钢板和反力钢板从下向上依次设置在所述顶部恒温板护板上方，所述上部传力钢板与所述反力钢板通过固定螺丝连接，所述螺杆上端向上延伸依次穿过所述荷载传感器固定板、千斤顶固定钢板和反力钢板并通过螺母固定，所述机械千斤顶的底座与所述上部传力钢板抵接，所述机械千斤顶的顶盘穿过所述千斤顶固定钢板并与所述荷载传感器抵接，所述荷载传感器穿过所述荷载传感器固定板，所述荷载传感器与所述数据采集箱电连接；所述土体位移监测单元包括下部传力钢板、氮气弹簧、多个数显千分表、多个冻融位移传递杆和多个分层位移传递杆，所述下部传力钢板设置在所述顶部恒温板护板上，所述氮气弹簧上端与所述荷载传感器抵接，所述氮气弹簧下端与所述下部传力钢板抵接，多个所述数显千分表沿环状均匀设置在所述千斤顶固定钢板上方，所述冻融位移传递杆上端与所述数显千分表抵接，所述冻融位移传递杆下端穿入所述顶部恒温板护板内，所述分层位移传递杆上端与所述数显千分表抵接，所述分层位移传递杆下端伸入所述承载筒内，所述数显千分表与数据采集箱电连接。优选地，所述载物试验台包括承重钢板及设置在所述承重钢板底部两侧的承重支柱和水平调节支撑脚轮，所述承载筒设置在所述承重钢板上，所述螺杆下端穿过所述承重钢板并通过螺母固定，所述承重支柱上端与所述承重钢板固定连接，所述承重支柱下端与所述水平调节支撑脚轮焊接，所述承重钢板上设置有万向水准泡。优选地，所述土壤温湿传感器、土压力传感器和土水势传感器的电连接线均设置有电连接线保护盒。优选地，多个所述土壤温湿传感器均布置在第一竖直面上，多个所述土水势传感器均布置在第二竖直面上，多个所述土压力传感器均布置在第三竖直面上，所述第一竖直面、第二竖直面和第三竖直面两两之间的夹角为120°。优选地，所述承载筒与所述承重钢板的接触面之间设置有止水橡胶环，所述橡胶补水管和所述排水排气管与所述粉细砂层中间隔有透水石，所述橡胶补水管上设置有补水止水夹，所述排水排气管上设置有排水排气止水夹。优选地，所述顶部恒温盘管和所述底部恒温盘管均为铜质盘管。优选地，所述冻融位移传递杆包括第一杆件和多个第二杆件，所述第一杆件顶部具有空腔，所述第一杆件和所述第二杆件底部均具有凹槽，所述凹槽内壁具有内螺纹，所述凹槽外壁具有外螺纹，所述第二杆件上端具有凸块，所述凸块外壁设置有与所述内螺纹配合的外螺纹，所述第一杆件和多个第二杆件依次螺接，所述第一杆件顶部与所述数显千分表抵接，所述第二杆件下端与所述顶部恒温板护板螺接。本专利技术的另一目的在于提供一种冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验方法，包括以下步骤：1)完成实验系统的组装后，在底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冻融环境下受荷载土体水‑热‑力‑位移实验系统，其特征在于，包括承载筒(18)、载物试验台、上部恒温单元、下部恒温单元、恒温供水单元、土体状态监测单元、土体加载与荷载监测单元及土体位移监测单元；所述承载筒(18)设置在所述载物试验台上，所述承载筒(18)为上下开放的圆柱体钢筒，所述承载筒(18)外壁粘贴有PVC卷材保温层(19)，所述承载筒(18)顶部设置有环状的法兰(47)，所述承载筒(18)两侧均设置有螺杆(4)，所述螺杆(4)的上端和下端分别穿过所述法兰(47)和载物试验台并通过螺母(5)固定，所述承载筒(18)内侧底部铺有粉细砂层(20)；所述上部恒温单元包括顶部低温恒温槽(48)、顶部恒温板护板(11)、顶部恒温板(12)、顶部恒温液回流管(49)和顶部恒温液流入管(50)，所述顶部恒温板(12)内部装有顶部恒温盘管(13)，所述顶部恒温板(12)设置在所述承载筒(18)的上端入口处，所述顶部恒温板护板(11)设置在所述顶部恒温板(12)上面，所述顶部低温恒温槽(48)、顶部恒温液流入管(50)、顶部恒温盘管(13)、顶部恒温液回流管(49)、顶部低温恒温槽(48)依次连通形成循环通路；所述下部恒温单元包括底部低温恒温槽(39)、底部恒温板护板(22)、底部恒温板(23)、底部恒温液回流管(28)、底部恒温液流入管(32)，所述底部恒温板(23)内部装有底部恒温盘管(24)，所述底部恒温板护板(22)设置在所述底部恒温板(23)上面，所述底部恒温板护板(22)和底部恒温板(23)设置在所述承载筒(18)内并位于所述粉细砂层(20)下面，所述底部低温恒温槽(39)、底部恒温液流入管(32)、底部恒温盘管(24)、底部恒温液回流管(28)、底部低温恒温槽(39)依次连通形成循环通路；所述恒温供水单元包括橡胶补水管(30)、排水排气管(33)、马氏瓶(35)、测温仪探针(40)和测温仪(41)，所述底部恒温液流入管(32)均匀盘绕在所述马氏瓶(35)上，所述测温仪探针(40)设置在所述马氏瓶(35)内，所述测温仪探针(40)上套接有玻璃管(36)，所述测温仪探针(40)的信号线与所述测温仪(41)连接，所述橡胶补水管(30)一端与所述粉细砂层(20)相连通，所述橡胶补水管(30)另一端与所述马氏瓶(35)连通，所述排水排气管(33)一端与所述粉细砂层(20)相连通，另一端位于所述承载筒(18)外；所述土体状态监测单元包括数据采集箱(17)及设置在所述承载筒(18)内壁不同深度处的多个土壤温湿传感器(14)、多个土压力传感器(57)和多个土水势传感器(42)，多个所述土壤温湿传感器(14)、土压力传感器(57)和土水势传感器(42)均与所述数据采集箱(17)电连接；所述土体加载与荷载监测单元包括反力钢板(2)、上部传力钢板(3‑1)、荷载传感器(9)、荷载传感器固定板(53)、机械千斤顶(56)和千斤顶固定钢板(54)，所述荷载传感器固定板(53)、千斤顶固定钢板(54)、上部传力钢板(3‑1)和反力钢板(2)从下向上依次设置在所述顶部恒温板护板(11)上方，所述上部传力钢板(3‑1)与所述反力钢板(2)通过固定螺丝(1)连接，所述螺杆(4)上端向上延伸依次穿过所述荷载传感器固定板(53)、千斤顶固定钢板(54)和反力钢板(2)并通过螺母(5)固定，所述机械千斤顶(56)的底座与所述上部传力钢板(3‑1)抵接，所述机械千斤顶(56)的顶盘穿过所述千斤顶固定钢板(54)并与所述荷载传感器(9)抵接，所述荷载传感器(9)穿过所述荷载传感器固定板(53)，所述荷载传感器(9)与所述数据采集箱(17)电连接；所述土体位移监测单元包括下部传力钢板(3‑2)、氮气弹簧(52)、多个数显千分表(6)、多个冻融位移传递杆(10)和多个分层位移传递杆(44)，所述下部传力钢板(3‑2)设置在所述顶部恒温板护板(11)上，所述氮气弹簧(52)上端与所述荷载传感器(9)抵接，所述氮气弹簧(52)下端与所述下部传力钢板(3‑2)抵接，多个所述数显千分表(6)沿环状均匀设置在所述千斤顶固定钢板(54)上方，所述冻融位移传递杆(10)上端与所述数显千分表(6)抵接，所述冻融位移传递杆(10)下端穿入所述顶部恒温板护板(11)内，所述分层位移传递杆(44)上端与所述数显千分表(6)抵接，所述分层位移传递杆(44)下端伸入所述承载筒(18)内，所述数显千分表(6)与数据采集箱(17)电连接。...

【技术特征摘要】
1.一种冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验系统，其特征在于，包括承载筒(18)、载物试验台、上部恒温单元、下部恒温单元、恒温供水单元、土体状态监测单元、土体加载与荷载监测单元及土体位移监测单元；所述承载筒(18)设置在所述载物试验台上，所述承载筒(18)为上下开放的圆柱体钢筒，所述承载筒(18)外壁粘贴有PVC卷材保温层(19)，所述承载筒(18)顶部设置有环状的法兰(47)，所述承载筒(18)两侧均设置有螺杆(4)，所述螺杆(4)的上端和下端分别穿过所述法兰(47)和载物试验台并通过螺母(5)固定，所述承载筒(18)内侧底部铺有粉细砂层(20)；所述上部恒温单元包括顶部低温恒温槽(48)、顶部恒温板护板(11)、顶部恒温板(12)、顶部恒温液回流管(49)和顶部恒温液流入管(50)，所述顶部恒温板(12)内部装有顶部恒温盘管(13)，所述顶部恒温板(12)设置在所述承载筒(18)的上端入口处，所述顶部恒温板护板(11)设置在所述顶部恒温板(12)上面，所述顶部低温恒温槽(48)、顶部恒温液流入管(50)、顶部恒温盘管(13)、顶部恒温液回流管(49)、顶部低温恒温槽(48)依次连通形成循环通路；所述下部恒温单元包括底部低温恒温槽(39)、底部恒温板护板(22)、底部恒温板(23)、底部恒温液回流管(28)、底部恒温液流入管(32)，所述底部恒温板(23)内部装有底部恒温盘管(24)，所述底部恒温板护板(22)设置在所述底部恒温板(23)上面，所述底部恒温板护板(22)和底部恒温板(23)设置在所述承载筒(18)内并位于所述粉细砂层(20)下面，所述底部低温恒温槽(39)、底部恒温液流入管(32)、底部恒温盘管(24)、底部恒温液回流管(28)、底部低温恒温槽(39)依次连通形成循环通路；所述恒温供水单元包括橡胶补水管(30)、排水排气管(33)、马氏瓶(35)、测温仪探针(40)和测温仪(41)，所述底部恒温液流入管(32)均匀盘绕在所述马氏瓶(35)上，所述测温仪探针(40)设置在所述马氏瓶(35)内，所述测温仪探针(40)上套接有玻璃管(36)，所述测温仪探针(40)的信号线与所述测温仪(41)连接，所述橡胶补水管(30)一端与所述粉细砂层(20)相连通，所述橡胶补水管(30)另一端与所述马氏瓶(35)连通，所述排水排气管(33)一端与所述粉细砂层(20)相连通，另一端位于所述承载筒(18)外；所述土体状态监测单元包括数据采集箱(17)及设置在所述承载筒(18)内壁不同深度处的多个土壤温湿传感器(14)、多个土压力传感器(57)和多个土水势传感器(42)，多个所述土壤温湿传感器(14)、土压力传感器(57)和土水势传感器(42)均与所述数据采集箱(17)电连接；所述土体加载与荷载监测单元包括反力钢板(2)、上部传力钢板(3-1)、荷载传感器(9)、荷载传感器固定板(53)、机械千斤顶(56)和千斤顶固定钢板(54)，所述荷载传感器固定板(53)、千斤顶固定钢板(54)、上部传力钢板(3-1)和反力钢板(2)从下向上依次设置在所述顶部恒温板护板(11)上方，所述上部传力钢板(3-1)与所述反力钢板(2)通过固定螺丝(1)连接，所述螺杆(4)上端向上延伸依次穿过所述荷载传感器固定板(53)、千斤顶固定钢板(54)和反力钢板(2)并通过螺母(5)固定，所述机械千斤顶(56)的底座与所述上部传力钢板(3-1)抵接，所述机械千斤顶(56)的顶盘穿过所述千斤顶固定钢板(54)并与所述荷载传感器(9)抵接，所述荷载传感器(9)穿过所述荷载传感器固定板(53)，所述荷载传感器(9)与所述数据采集箱(17)电连接；所述土体位移监测单元包括下部传力钢板(3-2)、氮气弹簧(52)、多个数显千分表(6)、多个冻融位移传递杆(10)和多个分层位移传递杆(44)，所述下部传力钢板(3-2)设置在所述顶部恒温板护板(11)上，所述氮气弹簧(52)上端与所述荷载传感器(9)抵接，所述氮气弹簧(52)下端与所述下部传力钢板(3-2)抵接，多个所述数显千分表(6)沿环状均匀设置在所述千斤顶固定钢板(54)上方，所述冻融位移传递杆(10)上端与所述数显千分表(6)抵接，所述冻融位移传递杆(10)下端穿入所述顶部恒温板护板(11)内，所述分层位移传递杆(44)上端与所述数显千分表(6)抵接，所述分层位移传递杆(44)下端伸入所述承载筒(18)内，所述数显千分表(6)与数据采集箱(17)电连接。2.根据权利要求1所述的冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏海斌，李清林，王富玉，张仰鹏，韩雷雷，李子奇，张继，陈昭，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22