一种土体冻结融化的试验仪

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，特别涉及一种土体冻结融化的试验仪。

背景技术

寒区路基工程多以路堤形式修筑，其沿线路方向的变形可忽略不计，只沿路基断面横纵向变形，可认为路堤处于平面应变受力状态。土体在冻结和融化过程中会发生水-热-变形的耦合作用，引起土体的冻胀和融沉等变形，对路基服役和列车运行产生不利影响。

国内外已经面世的多种冻胀融沉仪，尽管能够考虑交通动静荷载的影响，对土体的水分、温度、应力和变形等多指标进行试验研究，但这些设备多为一维变温冻胀融沉试验设备，无法对路基填料经历冻融过程中的平面应变问题进行试验分析，无法满足现阶段更高要求的科学研究。

发明内容

为解决上述技术问题中的至少之一，本发明提供一种土体冻结融化的试验仪，所采用的技术方案如下：

本发明所提供的土体冻结融化的试验仪包括试样盒、制冷装置、监测采集装置和多个加载装置，所述试样盒的左侧壁、右侧壁、顶壁和底壁设置有制冷腔，所述制冷装置用于与所述试样盒之间实现制冷液循环，所述加载装置用于对所述试样盒的左侧壁、右侧壁和顶部加载压力，所述加载装置包括加载托盘、加载杠杆和加载施力部，所述加载施力部设置在所述加载杠杆上，所述加载托盘与所述加载杠杆连接，所述加载托盘用于放置砝码，所述加载施力部用于向所述试样盒施加压力，所述监测采集装置包括第一感应器和第二感应器，所述第一感应器设置在所述试样盒的后板上，所述第一感应器用于监测试样的水分、温度和应力变化，所述第二感应器设置在所述试样盒上加载压力的左侧壁、右侧壁和顶壁上，所述第二感应器用于监测冻融过程试样的变形。

本发明的某些实施例中，所述试样盒的底部设置有补水层，所述补水层与所述试样盒内腔连通。

本发明的某些实施例中，所述试样盒包括透水板，所述透水板设置在所述补水层和所述试样盒内腔之间，所述补水层通过所述透水板的通孔与所述试样盒内腔连通。

本发明的某些实施例中，试验仪包括马氏瓶，所述马氏瓶用于向所述补水层补水。

本发明的某些实施例中，试验仪包括PIV装置，所述试样盒的前板设置为透明材质，所述PIV装置透过所述试样盒的前板对所述试样盒中的试样进行拍照。

本发明的某些实施例中，所述第一感应器设置在所述试样盒的后板上。

本发明的某些实施例中，所述试样盒的前板和后板的间距恒定。

本发明的实施例至少具有以下有益效果：冻融试验中，试验仪通过对试样的左右、顶部和底部加载压力、控制温度，并监测水分、温度和应力变化以及试样的变形，实现平面应变状态下土体多维冻融特性的试验研究。本发明可广泛应用于土工试验技术领域。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为试验仪的结构示意图；

图2为加载装置、试样盒装配在工作台上的结构示意图；

图3为图2中结构的侧视图；

图4为图2中结构的俯视图；

图5为图2中结构的剖视图；

图6为图5中结构的侧视图；

图7为试样盒的结构示意图；

图8为试样盒的侧视图；

图9为试样盒后板的结构示意图；

图10为试样盒的剖视图。

具体实施方式

下面结合图1至图10详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“中心”、“中部”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。限定有“第一”、“第二”的特征是用于区分特征名称，而非具有特殊含义，此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明涉及一种土体冻结融化的试验仪，试验仪包括试样盒100，试样盒100设置为长方体结构，作为试样的土体在试样盒100中压实。进一步地，试验仪包括制冷装置300，制冷装置300用于与试样盒100之间实现制冷液循环，以将冷量传递至试样，具体地，试样盒100的左侧壁、右侧壁、顶壁和底壁设置有制冷腔，制冷腔设置有进水口和出水口，制冷装置300的出水口与制冷腔的进水口连接，制冷装置300的进水口与制冷腔的出水口连接。

结合附图，试样盒100包括后板103、基座104、前板108、左板105、右板106和顶板107，后板103和基座104设置为一体结构，前板108、左板105和右板106通过螺钉与后板103、基座104安装，顶板107通过螺钉安装在试样盒100的顶部，其中前板108和后板103的间距保持恒定。可以理解的是，左板105、右板106、顶板107和基座104中设置有制冷腔，具体地，左板105设置有左循环腔，右板106设置有右循环腔，顶板107设置有顶循环腔，基座104设置有底制冷液腔。制冷装置300的数量设置为多台，以便实现试验过程中复杂温度边界的控制。

试样盒100的底部设置有补水层101，补水层101与试样盒100内腔连通，具体地，试样盒100包括透水板102，透水板102设置在补水层101和试样盒100内腔之间，补水层101通过透水板102的通孔与试样盒100内腔连通。进一步地，试验仪包括马氏瓶500，马氏瓶500用于向补水层101补水，马氏瓶500通过管道与补水层101的进水口连接。

试验仪包括多个加载装置，加载装置用于对试样盒100的左侧壁、右侧壁和顶部加载压力，设置多个加载装置以便实现左板105、右板106和顶板107的复杂应力边界控制。加载装置包括加载托盘、加载杠杆和加载施力部，加载施力部设置在加载杠杆上，加载施力部设置为加载球端，加载托盘与加载杠杆连接，加载托盘用于放置砝码，加载施力部用于向试样盒100施加压力。可以理解的是，试验仪包括工作台700，试样盒100、加载装置设置在工作台700上，具体地，加载装置的数量设置为三个，分别为左侧加载装置201、右侧加载装置202和顶部加载装置。

结合附图，左侧加载装置201包括左侧托盘、左侧杠杆和左侧施力部，左侧托盘通过传导绳与左侧杠杆连接，左侧杠杆设置为L形杆，L形杆的拐点设置为铰接点，工作台700上设置有左侧承载板，L形杆铰接设置在左侧承载板上，左侧承载板上设置有滑轮，滑轮用于传导绳转向，试样盒100的左板105设置有左侧加载块，左侧施力部作用于左侧加载块上以向试样加载压力。

右侧加载装置202包括右侧托盘203、右侧杠杆204和右侧施力部205，右侧托盘203通过传导绳与右侧杠杆204连接，右侧杠杆204设置为L形杆，L形杆的拐点设置为铰接点，工作台700上设置有右侧承载板，L形杆铰接设置在右侧承载板上，右侧承载板上设置有滑轮，滑轮用于传导绳转向，试样盒100的右板106设置有右侧加载块209，右侧施力部205作用于右侧加载块209上以向试样加载压力。

顶部加载装置包括垂压托盘206、垂压杠杆207和顶部施力部，进一步地，顶部加载装置包括反力架208，垂压托盘206通过连接杆210铰接在垂压杠杆207的一端，垂压杠杆207的另一端铰接设置在工作台700上，反力架208与垂压杠杆207铰接，顶部施力部设置在反力架208上，试样盒100的左板105设置有顶部加载块，顶部施力部作用于顶部加载块上以向试样加载压力。

具体地，垂压杠杆207的一端与连接杆210铰接，垂压杠杆207的另一端与工作台700铰接，反力架208底部与垂压杠杆207铰接，垂压托盘206上砝码的重力带动垂压杠杆207产生的力矩和反力架208的力矩平衡后，垂压托盘206上的重力通过顶部加载部作用于顶部加载块上。

试验仪包括监测采集装置400，监测采集装置400包括第一感应器，第一感应器设置在试样盒100的后板上，第一感应器用于监测试样的水分、温度和应力变化，具体地，第一感应器包括温度传感器、水分传感器和应力传感器，应力传感器监测试验过程中前板、后板之间的应力变化。结合附图，第一感应器设置在试样盒100的后板103上，具体地，后板103设置有安装孔。

进一步地，试验仪包括第二感应器，第二感应器设置在试样盒100上加载压力的左侧壁、右侧壁和顶壁上，第二感应器用于监测冻融过程试样的变形。第二感应器设置为百分表，百分表的数量设置为六个，分别设置在左板105、右板106和顶板107上，可以理解的是，试样在宽度方向的变形为零，试样左侧、右侧和顶面变形分别通过百分表测得，获取三个侧面的线性变形。

结合附图，试验仪包括PIV装置600，PIV装置600具有高速相机，PIV装置600用于对试样进行拍照。具体地，试样盒100的前板108设置为透明材质，PIV装置600透过前板108对试样盒100中的试样进行拍照，记录试验呈中分凝冰形成及土体的横纵向冻胀特性，获取试样平面的平面变形特征，并可与百分表所测得的线性变形进行对比。

本发明所涉及的试验仪中，试样盒100中的试样前后两面为完全约束，左右两面为恒应力或无限刚度约束，顶面为无限刚度约束，底面也可实现恒应力或无限刚度约束。如此，便可实现冻融过程中试样的平面应力受力状态，克服了现有技术中仅可实现K

在试验过程中对试样施加了平面应变式应力状态，即试样在宽度方向不发生变形，长度和高度方向施加相应的应力，允许试样在该两个方向发生变形。试验仪对试样的水分、温度、试样沿高度和长度方向的点变形、PIV技术获得的试样长高面上二维变形、分凝冰生成与发展特征、开放系统补水量等试验数据进行监测。试验仪实现了平面应力受力状态下，复杂温度与应力边界条件下的土样在冻结或融化过程中平面变形-水-热三场特征的试验研究。本发明中所涉及的宽度为前后方向的尺寸，长度为左右方向的尺寸。

试验过程中，可对试样的顶面和左右两面进行变温控制，对试样进行多面冻结或融化，对试样底部进行正温恒温控制和外界无压水补充，试样前后两面进行保温。在长方体试样的后面布置温度传感器、水分传感器和应力传感器，试样的顶面、左右两面设置百分表，监测试验过程中试样的平面冻胀融沉变形。采用高清相机对试样的正面进行拍照，捕捉典型颗粒位移特征、并采用PIVl ab软件处理，获取平面应变状态下土样的分层变形特征。

试验仪能够综合现有土体冻结和融化过程中土体物理变化的监测手段，对能够实现模拟平面应变状态下冻结与融化过程中路基填料水-热-力-变形等多场效应的室内试验。

试验仪进行冻结试验的过程如下：

D-1，装配试样盒100。

D-2，在试样盒100中将土体分层击实，将一定含水率的土样按照特定的干密度制成长方体试样。

D-3，将水分传感器、温度传感器通过安装孔插入至已经制备好的试样中，将百分表安装在试样盒100上，三个加载装置分别向试样盒100施加所需的应力，同时对左板105、右板106、顶板107和基座104施加试验所需的正温。

D-4，待试样内部温度分布均匀、试样在平面应变状态下的变形稳定后，降低顶板107的温度至试验负温，通过监测采集装置400对试验过程中试样不同位置处温度、水分、平面应变变形量、补水量进行监测，保存并可视化于计算机系统中，PIV装置600则对试样进行连续拍照。

D-5，开放系统试验，记录马氏瓶500补给试样水量的时程曲线。

D-6，待百分表、温度传感器、水分传感器、马氏瓶500补水量等指标恒定时，可认为当前负温条件下试验完成，可终止试验，或逐级降低顶板107负温，重复步骤D-4和D-5。

D-7，收集和整理各点温度、水分、变形和补水量等数据。

试验仪进行融化试验的过程如下：

R-1，冻结试验中步骤D-4完成后，将左板105、右板106、顶板107和基座104处的边界温度进行变化，改为正温后，通过监测采集装置400对试验过程中试样不同位置处温度、水分、平面应变变形量进行监测，保存并可视化于计算机系统中，PIV装置600对试样进行连续拍照。

R-2，待百分表、温度传感器、水分传感器、马氏瓶500补水量等指标恒定时，可认为当前正温和应力条件下试验完成，可终止试验，或改变边界应力条件，重复步骤R-1和R-2。

R-3，收集和整理各点温度、水分和变形等数据。

在本说明书的描述中，若出现参考术语“一个实施例”、“一些实例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。