一种多功能冻土模型试验装置及其试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种多功能冻土模型试验装置及其试验方法，包括：箱体单元、监测单元，以及位于箱体单元中心的加载单元；所述箱体单元包括底板和开拆卸的安装在底板四周的围护板，用于填筑地基，并将试验基础构件放置在地基中；所述加载单元的一端固定在围护板上，另一端与试验基础构件连接，用于在垂直方向上对试验基础构件施加下压和上拔的力；在围护板的内侧设置有制冷单元，所述制冷单元外接低温冷浴器，所述监测单元分别与箱体单元内的地基、加载单元和制冷单元连接。本发明专利技术提供的试验装置由底板和围护板组合而成，各构件重量轻，便于搬运，同时将制冷单元直接箱体单元本体内，通过调节制冷单元满足试验对环境条件的要求。

A multifunctional frozen soil model test device and its test method

【技术实现步骤摘要】
一种多功能冻土模型试验装置及其试验方法
本专利技术涉及冻土工程
，具体涉及一种多功能冻土模型试验装置及其试验方法。
技术介绍
冻土是指0℃以下并含有冰的各种土壤和疏松岩石，是一个由岩土颗粒、未冻水、冰、空气及盐分等组成的多相体系统。由于土中水在固相和液相时的密度不同，相同质量的水在固相时的体积比液相时大9％，由于孔隙冰的存在，冻土表现出明显的流变性和温度依赖性。那么，对于季节性冻土，伴随地表一定深度范围内土体温度的季节性变化，土体在冬季负温状态下会出现膨胀现象。对于多年冻土，土中冰融化会引起地表的沉陷现象。当在上述地区进行工程建设时，由于地基冻胀融沉的自然属性，地基中的基础结构及上部建筑物会随之产生变形稳定性问题，甚至出现破坏现象。以电网工程为例，架空输电线路中的杆塔基础除承受下压荷载外，同时还承受上拔荷载。冻土地基中的杆塔基础，在施工完成的冻结期，会承受冻土施加于基础的冻胀力，对基础的稳定和强度会产生一定的影响；在输电线路的运行期，杆塔基础是在冻胀力与外界荷载双重作用下工作，因此其受力状态以及承载性能较常规条件下的杆塔基础要复杂的多。为控制冻土地基上建筑物或构筑物的变形破坏，基础结构的合理与否影响重大，因此开发与验证不同基础结构的力学承载性能和设计施工方法对于工程实践有较强的指导意义。但是，由于冻土区基础设施及施工条件的限制，对基础结构进行现场试验的难度及代价过大，因此同比例的模型试验是当今地基与基础工程领域的一种有效研究方法。目前，已有的模型试验装置主要针对常规岩土问题开发，主要面向融土的地基基础工程、边坡工程等方面研究。由于冻土地基涉及温度场、水分场、应力场等多场耦合演化，一方面，冻土地基及基础结构试验对试验装置的尺寸要求较高，尺寸过小无法准确模拟冻土地基温度变化及水分迁移对试验基础构件的影响，而过大的试验装置又不便于运输及使用；另一方面，冻土地基及基础结构试验对环境条件的要求相比融土要更加严格，尤其对冷量输配功率的要求较高，因此目前还缺乏较为完善的大型冻土模型试验装置。随着越来越多的交通、电力工程途径冻土地区，冻土地基的稳定性问题日趋严重，开发新型基础结构的需求日趋紧迫。所以，亟需一种更为有效和便捷的大型冻土模型试验装置来满足冻土地基及基础结构试验需求。
技术实现思路
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本专利技术提供一种多功能冻土模型试验装置，包括：可拼接的箱体单元、监测单元，以及位于箱体单元中心的加载单元；所述箱体单元用于填筑地基(26)，并将试验基础构件(27)放置在地基(26)中；所述加载单元的一端固定在所述箱体单元的顶端，另一端与试验基础构件(27)连接，用于在垂直方向上对试验基础构件(27)施加下压和上拔的力进行加载试验；在所述箱体单元的内侧设置有制冷单元，所述制冷单元用于控制地基(26)的温度进行冻结试验；所述监测单元分别与箱体单元内的地基(26)、加载单元和制冷单元连接，用于监测试验数据。优选的，所述箱体单元包括底板(1)和通过螺栓固定在底板(1)四周的围护板；所述底板(1)和围护板分别包括多块矩形钢板(5)，各矩形钢板(5)的外侧面设置有肋条(6)，且在拼接成围护板的矩形钢板上设置肋条(6)时，在同一端留出与肋条(6)同宽的钢板；各矩形钢板(5)之间通过螺栓将靠近的肋条(6)固定连接成底板(1)和围护板；所述围护板之间通过螺栓将肋条(6)和与肋条(6)同宽的钢板固定连接。优选的，所述围护板包括：I型围护板(2)、II型围护板(3)和III型围护板(4)；箱体单元的一个对称面分别包括一块I型围护板(2)，所述箱体单元的另一个对称面分别包括两块II型围护板(3)，以及位于两块II型围护板(3)中间的一块III型围护板(4)；所述I型围护板(2)呈与箱体单元等长等高的矩形，所述II型围护板(3)呈与箱体单元等高的矩形，所述III型围护板(4)呈比箱体单元的高更高的条形。优选的，所述加载单元包括反力梁、加载柱(15)、拉力测力计(17)和液压加载装置；所述反力梁架在III型围护板(4)上，所述液压加载装置和所述加载柱(15)的一端与所述反力梁连接，所述加载柱(15)的另一端与试验基础构件(27)连接；所述拉力测力计(17)固定在所述加载柱(15)上，用于测量所述液压加载装置通过加载柱(15)加载到试验基础构件(27)的力的大小。优选的，所述反力梁包括上梁(13)和下梁(14)；所述上梁(13)放置在导轨槽(12)中，所述导轨槽(12)对称设置在两块III型围护板(4)的顶端，用于使所述上梁(13)可在垂直方向上移动；所述下梁(14)固定设置在两块III型围护板(4)远离上梁(13)的一端。优选的，所述液压加载装置包括千斤顶(18)和油泵(19)，所述千斤顶(18)和油泵(19)通过油管(20)连接；所述下梁(14)中心的下部依次连接有千斤顶(18)、拉力测力计(17)和所述加载柱(15)的一端，所述加载柱的另一端与试验基础构件(27)连接，用于通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，向试验基础构件(27)输出下压荷载。优选的，所述液压加载装置包括千斤顶(18)和油泵(19)，所述千斤顶(18)和油泵(19)通过油管(20)连接；所述千斤顶(18)对称位于上梁(13)和下梁(14)之间的两侧，所述加载柱(15)的一端与所述上梁(13)的中心固定连接，所述加载柱(13)中间放置拉力测力计(17)，所述加载柱的另一端穿过下梁(14)与试验基础构件(27)连接，用于通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，使得上梁(13)沿导轨槽(12)向上移动，加载柱(15)在上梁(13)的拖带作用下向上移动，向试验基础构件(27)输出上拔荷载。优选的，所述加载单元还包括：圆形垫片(16)；所述加载柱(15)的一端伸出所述上梁(13)中心设置的加载柱孔(21)，通过圆形垫片(16)固定在上梁(13)的顶部。优选的，所述制冷单元包括隔热板(23)、冷媒管(25)和低温冷浴器(22)，所述隔热板(23)安置在围护板的内侧，在所述隔热板(23)的内壁上循环设置有冷媒管槽路(24)，所述冷媒管(25)放置在冷媒管槽路(24)内并与地基(26)接触，冷媒管(25)的进口与出口分别与低温冷浴器(22)的出口与入口相连接，形成闭合的循环回路，用于通过冷媒管(25)内部传热介质的循环，将冷量传递给地基(26)，使其降温冻结。优选的，所述监测单元包括：温度传感器、水分传感器、位移传感器、应变传感器、土压力传感器。基于同一专利技术构思本专利技术还提供了对所述多功能冻土模型试验装置的试验方法，包括：拼接箱体单元并在箱体单元的内侧安装制冷单元，以及按照荷载输出模式将加载单元安装在拼装好的箱体单元上；在拼装好的箱体单元中填筑地基(26)，并将制作好的试验基础构件(27)与加载单元连接后放置在地基(26)中；启动所述制冷单元进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能冻土模型试验装置，其特征在于，包括：可拼接的箱体单元、监测单元，以及位于箱体单元中心的加载单元；/n所述箱体单元用于填筑地基(26)，并将试验基础构件(27)放置在地基(26)中；/n所述加载单元的一端固定在所述箱体单元的顶端，另一端与试验基础构件(27)连接，用于在垂直方向上对试验基础构件(27)施加下压和上拔的力进行加载试验；/n在所述箱体单元的内侧设置有制冷单元，所述制冷单元用于控制地基(26)的温度进行冻结试验；/n所述监测单元分别与箱体单元内的地基(26)、加载单元和制冷单元连接，用于监测试验数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种多功能冻土模型试验装置，其特征在于，包括：可拼接的箱体单元、监测单元，以及位于箱体单元中心的加载单元；
所述箱体单元用于填筑地基(26)，并将试验基础构件(27)放置在地基(26)中；
所述加载单元的一端固定在所述箱体单元的顶端，另一端与试验基础构件(27)连接，用于在垂直方向上对试验基础构件(27)施加下压和上拔的力进行加载试验；
在所述箱体单元的内侧设置有制冷单元，所述制冷单元用于控制地基(26)的温度进行冻结试验；
所述监测单元分别与箱体单元内的地基(26)、加载单元和制冷单元连接，用于监测试验数据。


2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述箱体单元包括底板(1)和通过螺栓固定在底板(1)四周的围护板；所述底板(1)和围护板分别包括多块矩形钢板(5)，各矩形钢板(5)的外侧面设置有肋条(6)，且在拼接成围护板的矩形钢板上设置肋条(6)时，在同一端留出与肋条(6)同宽的钢板；
各矩形钢板(5)之间通过螺栓将靠近的肋条(6)固定连接成底板(1)和围护板；
所述围护板之间通过螺栓将肋条(6)和与肋条(6)同宽的钢板固定连接。


3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述围护板包括：I型围护板(2)、II型围护板(3)和III型围护板(4)；
箱体单元的一个对称面分别包括一块I型围护板(2)，所述箱体单元的另一个对称面分别包括两块II型围护板(3)，以及位于两块II型围护板(3)中间的一块III型围护板(4)；
所述I型围护板(2)呈与箱体单元等长等高的矩形，所述II型围护板(3)呈与箱体单元等高的矩形，所述III型围护板(4)呈比箱体单元的高更高的条形。


4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述加载单元包括反力梁、加载柱(15)、拉力测力计(17)和液压加载装置；
所述反力梁架在III型围护板(4)上，所述液压加载装置和所述加载柱(15)的一端与所述反力梁连接，所述加载柱(15)的另一端与试验基础构件(27)连接；所述拉力测力计(17)固定在所述加载柱(15)上，用于测量所述液压加载装置通过加载柱(15)加载到试验基础构件(27)的力的大小。


5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述反力梁包括上梁(13)和下梁(14)；所述上梁(13)放置在导轨槽(12)中，所述导轨槽(12)对称设置在两块III型围护板(4)的顶端，用于使所述上梁(13)可在垂直方向上移动；
所述下梁(14)固定设置在两块III型围护板(4)远离上梁(13)的一端。


6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述液压加载装置包括千斤顶(18)和油泵(19)，所述千斤顶(18)和油泵(19)通过油管(20)连接；
所述下梁(14)中心的下部依次连接有千斤顶(18)、拉力测力计(17)和所述加载柱(15)的一端，所述加载柱的另一端与试验基础构件(27)连接，用于通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，向试验基础构件(27)输出下压荷载。


7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述液压加载装置包括千斤顶(18)和油泵(19)，所述千斤顶(18)和油泵(19)通过油管(20)连接；
所述千斤顶(18)对称位于上梁(13)和下梁(14)之间的两侧，所述加载柱(15)的一端与所述上梁(13)的中心固定连接，所述加载柱(13)中间放置拉力测力计(17)，所述加载柱的另一端穿过下梁(14)与试验基础构件(27)连接，用于通过油泵(19)的荷载输出和下梁(14)的反力作用，使得上梁(13)沿导轨槽(12)向上移动，加载柱(15)在上梁(13)的拖带作用下向上移动，向试验基础构件(27)输出上拔荷载。


8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述加载单元还包括：圆形垫片(16)；
所述加载柱(15)的一端伸出所述上梁(13)中心设置的加载柱孔(21)，通过圆形垫片(16)固定在上梁(13)的顶部。


9.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述制冷单元包括隔热板(23)、冷媒管(25)和低温冷浴器(22)，所述隔热板(23)安置在围护板的内侧，在所述隔热板(23)的内壁上循环设置有冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔强，程永锋，王卫东，丁士君，刘华清，杨文智，满银，朱照清，张永珍，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，国家电网有限公司，国网湖北省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11