多功能冻胀试验系统及其试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多功能冻胀试验系统及其试验方法，所述试验系统包括支撑架，设置于所述支撑架上用于存放土样的试验桶体，控制所述土样温度的温度控制系统，通过所述试验桶体顶部、择一给所述土样施加恒定压力或无穷刚度的施力系统，通过所述试验桶体下部向土样内补水的无压补水系统以及检测系统。本发明专利技术可进行多条件耦合试验，集成度高。集成度高。集成度高。

【技术实现步骤摘要】
多功能冻胀试验系统及其试验方法


[0001]本专利技术涉及冻土研究
，特别是涉及一种多功能冻胀试验系统及其试验方法。

技术介绍

[0002]具有负温或零温并含有冰的土类和岩石称之为冻土。当土中水变成冰时，体积增大9％，称为土中水的冻胀，当土中水的体积膨胀足以引起土颗粒间的相对位移时就形成冻结时土的体积膨胀，称为土的冻胀。冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀两种类型。在封闭系统中，土中主要发生原位冻胀。而在有水分补给的开放系统中，水分在驱动机制的作用下迁移到某个位置冻结，称为分凝冻胀，其冻胀量较大。当冻土中发生盐渍化现象时，复杂的土-水-盐相互作用改变了原有的冻胀及水分迁移机制，在周期性温变条件下，加剧了建(构)筑物的破坏。
[0003]目前对土壤水-热-盐-力所做的研究主要集中在室内模型试验方面，对单一土层进行研究时，从上到下需要维持柱状土样的温度均一，对多土层进行研究时，提供从上到下温度梯度变化的环境，模拟地下水的影响时，需要给土样进行无压补水，除此之外，还需要模拟不同约束条件对冻土的影响，现有技术的试验装置集成度低，不能进行以上多种条件下的耦合试验。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的冻胀试验装置不能满足多方面研究需求的缺陷，而提供一种多功能冻胀试验系统。
[0005]本专利技术的另一个目的是提供所述多功能冻胀试验系统的试验方法。
[0006]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0007]一种多功能冻胀试验系统，包括支撑架，设置于所述支撑架上用于存放土样的试验桶体，控制所述土样温度的温度控制系统，通过所述试验桶体顶部、择一给所述土样施加恒定压力或无穷刚度的施力系统，通过所述试验桶体下部向土样内补水的无压补水系统以及检测系统，其中：
[0008]所述试验桶体包括用于存放土样的内试样桶以及设置于所述内试样桶周向外壁上的冷却部；
[0009]所述温度控制系统包括所述冷却部、固定于所述试验桶体底部的下冷板、可匹配进入与所述内试样桶内且与其内壁密封连接的上控温板，所述上控温板受所述施力系统的作用给所述土样施加载荷，所述内试样桶的底部与所述下冷板的顶部密封连接；
[0010]所述施力系统包括杠杆施力装置、助力杆、上部反力梁，所述助力杆上设有可拆卸的量力环，当所述上部反力梁与所述支撑架固定连接时且助力杆上不安装量力环时，上部反力梁通过固定上控温板的位置以模拟无限刚度条件，当上部反力梁与所述支撑架固定连接时且助力杆上安装量力环时，模拟柔性边界条件；
[0011]所述无压补水系统包括设置于所述试验桶体底部的补水腔体以及给所述补水腔体供水的连通器结构，所述补水腔体上设有朝向土样的补水孔；
[0012]所述检测系统包括设置于量力环上的位移传感器和/或设置于所述助力杆上的应力传感器和/或用于测量土样温度的温度传感器和/或用于测量土样在竖直方向上位移的位移传感器探针和/或用于测量补水量和补水速率的补水计量装置。
[0013]在上述技术方案中，所述支撑架包括下底板和固定于所述下底板上的导向杆，所述下底板的底部固定有支撑腿，所述下冷板固定于所述下底板上，所述上部反力梁与所述导向杆的上部滑动连接，且所述上部反力梁可通过紧固连接件紧固于所述导向杆上。
[0014]在上述技术方案中，所述试验桶体外侧设置保温套，保温套的底部固定于下冷板或支撑架上，所述试验桶体的顶部设有可密封保温套开口的所述上顶板，所述上顶板通过第一拉杆固定于下冷板或支撑架上，所述上顶板上形成供所述助力杆穿出的通孔，助力杆与该通孔之间密封连接。
[0015]在上述技术方案中，所述杠杆施力装置包括杠杆组件、受力板、固定于所述支撑架底部的支点块，其中所述杠杆组件包括杠杆、可选择性装配于所述杠杆一端的砝码，所述杠杆的中部铰接于受力板上，所述受力板与位于所述支撑架下方的导向杆滑动连接，所述支点块的底部支点与所述杠杆相接触，所述受力板通过第二拉杆固定于所述上部反力梁上。
[0016]在上述技术方案中，所述杠杆的另一端设有可沿其长度方向调节的平衡块，平衡块与砝码分别位于所述杠杆的两端。
[0017]在上述技术方案中，位移传感器探针朝下固定于所述上顶板上，所述助力杆上固定有一测量块，所述位移传感器探针探测与所述测量块之间的间距测量土样的位移；
[0018]所述温度传感器包括穿过所述上控温板竖直插入所述土样内的第一温度传感器和/或穿过所述试验桶体的侧壁水平插入所述土样内的一个或多个第二温度传感器；
[0019]在上述技术方案中，所述试验桶体包括可替换的第一试验桶体和第二双层桶体，其中所述第一试验桶体包括所述的内试样桶以及设置于所述内试样桶周向外壁上的冷却部，所述第二双层桶体包括内试样桶和外试样桶，内试样桶的底部与下冷板密封连接，所述外试样桶滑动套接于所述内试样桶外，所述外试样桶的侧壁上形成供第二温度传感器插入的小孔，所述内试样桶的侧壁上形成供所述第二温度传感器穿入的条形孔，所述条形孔的长度大于所述小孔的孔径。
[0020]在上述技术方案中，所述检测系统还包括多个用于测试盐分的盐分传感器，所述盐分传感器插接于所述第二双层桶体的不同高度，所述第二双层桶体的内试样桶的侧壁上固定有加强筋。
[0021]在上述技术方案中，所述助力杆的顶部固定于所述上部反力梁的底部，底部固定有施力圆盘，所述施力圆盘同轴心固定于所述上控温板的顶面上。
[0022]在上述技术方案中，所述助力杆包括固定于所述上部反力梁底部的定位套、固定穿套于所述定位套内的受力轴和固定于所述上控温板顶部的上控温板反力杆，其中所述上控温板反力杆的顶部形成有凹槽，所述凹槽内固定所述应力传感器，所述受力轴可匹配插入所述凹槽内直接或间接作用于所述应力传感器；
[0023]所述量力环的顶部设有可匹配插入所述定位套内的凸起，所述量力环的底部固定有固定块以匹配插入所述凹槽内直接或间接作用于所述应力传感器。
[0024]在上述技术方案中，所述冷却部为设置于所述内试样桶外的冷却夹套或冷却盘管；
[0025]所述上控温板和下冷板包括用于存放冷却液的空腔以及与所述空腔相连通的冷板循环液进管和冷板循环液出管；或者所述上控温板和下冷板均包括上下设置的上冷却板和下冷却板，所述下冷却板内设置螺旋形开槽，所述上冷却板盖合于所述下冷却板时，密封所述螺旋形开槽形成螺旋形冷却液通道，所述螺旋形冷却液通道两端分别与冷板循环液出液管和冷板循环液进液管相连通。
[0026]在上述技术方案中，所述上控温板的周向侧壁上设有密封圈。
[0027]在上述技术方案中，所述补水板与下冷板围合形成补水腔体，所述补水腔体上设有两个进水口，其中一进水口通过补水管连接马氏瓶，另一进水口连接连通软管以和所述马氏瓶构成连通器结构；
[0028]所述补水计量装置包括置于所述马氏瓶下方的称重装置和装配于所述补水管上的压差计。
[0029]在上述技术方案中，所述补水板与设置于所述下冷板上的环形凸缘形成补水腔体，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多功能冻胀试验系统，其特征在于，包括支撑架，设置于所述支撑架上用于存放土样的试验桶体，控制所述土样温度的温度控制系统，通过所述试验桶体顶部、择一给所述土样施加恒定压力或无穷刚度的施力系统，通过所述试验桶体下部向土样内补水的无压补水系统以及检测系统，其中：所述试验桶体包括用于存放土样的内试样桶以及设置于所述内试样桶周向外壁上的冷却部；所述温度控制系统包括所述冷却部、固定于所述试验桶体底部的下冷板、可匹配进入与所述内试样桶内且与其内壁密封连接的上控温板，所述上控温板受所述施力系统的作用给所述土样施加载荷，所述内试样桶的底部与所述下冷板的顶部密封连接；所述施力系统包括杠杆施力装置、助力杆、上部反力梁，所述助力杆上设有可拆卸的量力环，当所述上部反力梁与所述支撑架固定连接时且助力杆上不安装量力环时，上部反力梁通过固定上控温板的位置以模拟无限刚度条件，当上部反力梁与所述支撑架固定连接时且助力杆上安装量力环时，模拟柔性边界条件；所述无压补水系统包括设置于所述试验桶体底部的补水腔体以及给所述补水腔体供水的连通器结构，所述补水腔体上设有朝向土样的补水孔；所述检测系统包括设置于量力环上用于检测其竖直方向位移的位移传感器和/或设置于所述助力杆上的应力传感器和/或用于测量土样温度的温度传感器和/或用于测量土样在竖直方向上位移的位移传感器探针和/或用于测量补水量和补水速率的补水计量装置。2.如权利要求1所述的多功能冻胀试验系统，其特征在于，所述支撑架包括下底板和固定于所述下底板上的导向杆，所述下底板的底部固定有支撑腿，所述下冷板固定于所述下底板上，所述上部反力梁与所述导向杆的上部滑动连接，且所述上部反力梁可通过紧固连接件紧固于所述导向杆上。3.如权利要求1所述的多功能冻胀试验系统，其特征在于，所述试验桶体外侧设置保温套，保温套的底部固定于下冷板或支撑架上，所述试验桶体的顶部设有可密封保温套开口的上顶板，所述上顶板通过第一拉杆固定于下冷板或支撑架上，所述上顶板上形成供所述助力杆穿出的通孔，助力杆与该通孔之间密封连接。4.如权利要求1所述的多功能冻胀试验系统，其特征在于，所述杠杆施力装置包括杠杆组件、受力板、固定于所述支撑架底部的支点块，其中所述杠杆组件包括杠杆、可选择性装配于所述杠杆一端的砝码，所述杠杆的中部铰接于受力板上，所述受力板与位于所述支撑架下方的导向杆滑动连接，所述支点块的底部支点与所述杠杆相接触，所述受力板通过第二拉杆固定于所述上部反力梁上。5.如权利要求4所述的多功能冻胀试验系统，其特征在于，所述杠杆的另一端设有可沿其长度方向调节的平衡块，平衡块与砝码分别位于所述杠杆的两端。6.如权利要求3所述的多功能冻胀试验系统，其特征在于，位移传感器探针朝下固定于所述上顶板上，所述助力杆上固定有一测量块，所述位移传感器探针探测与所述测量块之间的间距测量土样的位移；所述温度传感器包括穿过所述上控温板竖直插入所述土样内的第一温度传感器和/或穿过所述试验桶体的侧壁水平插入所述土样内的一个或多个第二温度传感器。7.如权利要求1所述的多功能冻胀试验系统，其特征在于，所述试验桶体包括可替换的
第一试验桶体和第二双层桶体，其中所述第一试验桶体包括所述的内试样桶以及设置于所述内试样桶周向外壁上的冷却部，所述第二双层桶体包括内试样桶和外试样桶，内试样桶的底部与下冷板密封连接，所述外试样桶滑动套接于所述内试样桶外，所述外试样桶的侧壁上形成供第二温度传感器插入的小孔，所述内试样桶的侧壁上形成供所述第二温度传感器穿入的条形孔，所述条形孔的长度大于所述小孔的孔径。8.如权利要求7所述的多功能冻胀试验系统，其特征在于，所述检测系统还包括多个用于测试盐分的盐分传感器，所述盐分传感器插接于所述第二双层桶体的不同高度，所述第二双层桶体的内试样桶的侧壁上固定有加强筋。...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹亚鹏，李国玉，周志伟，王新斌，柴明堂，张军，郭腾，
申请(专利权)人：中国科学院西北生态环境资源研究院，
类型：发明
国别省市：