CN108344850B - 冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种冻融环境下受荷载土体水‑热‑力‑位移实验***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***移监测单元。该***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。
Description
技术领域
本发明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***及方法。
背景技术
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***(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***[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***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***及试验方法[P].陕西：CN104749205A,2015-07-01.)；该实验***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***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***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。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验***及方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验***，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***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***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。
本发明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***的组装后，在底部低温恒温槽内装上纯净水，将数据采集箱与电脑连接；
2)开启电脑，通过数据采集箱监测土体的温度、水分、压力、土水势、土***移数据和土体受到的荷载数据；
3)打开排水排气止水夹，使排水排气管畅通，按照计划要对土体施加的荷载，手动控制机械千斤顶对土体进行加载固结，固结过程中土体的排水和排气通过排水排气管进行，直至土体的固结稳定，固结过程结束；
4)调节马氏瓶位置，使马氏瓶内玻璃管底部与粉细砂层顶部在一个水平面上，达到模拟恒定地下水位补给土体的目的；打开底部低温恒温槽，按照设计要模拟的地下水补给温度，设置底部低温恒温槽的工作温度，达到工作温度后，开启外部循环泵，通过底部恒温液流入管对马氏瓶内的水进行加热或降温，当测温仪的显示温度达到设计值时，打开补水止水夹进行供水，当排水排气管内的水位与马氏瓶内的玻璃管底部在一同一个水平面时，进行下一步骤；
5)在顶部低温恒温槽中加入恒温介质酒精，打开顶部低温恒温槽，按照设计要对土体进行冻结的温度设置顶部低温恒温槽的工作温度，达到工作温度后，开启外部循环泵，对土体进行冻结，当土体的温度、水分、压力、土水势、整体和分层位移数据，土体受到的荷载数据达到稳定时，结束冻结实验，进行下一步骤；
6)关闭顶部低温恒温槽，排出顶部恒温槽中的恒温介质酒精，加入水作为恒温介质；打开顶部低温恒温槽，按照设计要对土体进行融化的温度设置顶部低温恒温槽的工作温度，达到工作温度后，开启外部循环泵，对土体进行融化，当土体的温度达到冻结前的温度，土体的水分、压力、土水势、整体和分层位移数据，土体受到的荷载数据达到稳定时，结束融化实验；
7)数据采集箱将采集到的数据发送到电脑，对数据进行分析。
本发明提供的冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验***及方法具有以下有益效果：
1)引入的弹性单元使得受荷载土体在冻融试验中可进行冻胀融沉，结合现有传感器和数据采集技术，使得受荷载土体在冻融试验中的冻胀融沉过程中的土体的温度、水分、土水势、压力、位移和荷载数据可实时监测；该实验***相比以往土体冻融实验***更接近实际工程事实；
2)氮气弹簧作为引用的弹性单元，是一种以高压氮气为工作介质的新型弹性组件，它具有弹力大、体积小、行程长、工作平稳，使用寿命长，弹力曲线平缓等金属弹簧、橡胶和气垫等常规弹性组件不具有的优良性质，是一种具有柔性性能的新一代理想的弹性部件，而且氮气弹簧的制造工艺已经比较成熟，购买定制渠道很多，可根据不同的试验方案，选择它的体积、弹力和行程范围；
3)设计的恒温供水单元更真实的模拟了地下水对路基土基的恒水位和恒水温补给；
4)在容纳土体的承载筒***粘贴有PVC卷材保温板，可有效的减小了外部温度环境导致的试验误差；
5)设计的可调节水平载物试验台保证了承载筒和实验土体的竖直，保证了实验数据不受水平力的影响；
6)设计传感器电连接线保护单元通过在电连接线保护盒的内部盘绕一定长度的电连接线避免了土体冻胀融沉对传感器电连接线的破坏(拉伸或压缩)以及这种破坏可能导致的承载筒密封性破坏；
7)通过电脑与数据采集箱的结合，实现了试验数据的自动采集和储存。
附图说明
图1为本发明的实验***的竖截面结构示意图；
图2为传感器布置的平面示意图；
图3为顶部恒温板护板的平面结构示意图；
图4为顶部恒温板的平面结构示意图；
图5为底部恒温板护板的平面结构示意图；
图6为底部恒温板的平面和竖向截面结构示意图；
图7为氮气弹簧卡板平面结构示意图；
图8为冻融位移传递杆结构示意图；
图9为分层位移传递杆和它的套筒局部放大的结构示意图；
图10为电连接线保护盒的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验***，具体如图1所示，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***移监测单元。承载筒18用于容纳实验土体46，载物试验台用于放置承载筒18，上部恒温单元用于通过制冷或制热对实验土体46顶部进行冻结或融化处理，下部恒温单元用于保持土体46底部恒温，恒温供水单元用于模拟地下水补给，土体状态监测单元用于对土体46的温湿度、内部压力、水势等参数进行监测；
承载筒18设置在载物试验台上，承载筒18为上下开放的圆柱体钢筒，承载筒18外壁粘贴有PVC卷材保温层19，承载筒18顶部设置有环状的法兰47，承载筒18两侧均设置有螺杆4，螺杆4的上端和下端分别穿过法兰47和载物试验台并通过螺母5固定，承载筒18内侧底部铺有粉细砂层20；承载筒18侧壁和PVC卷材保温层19上开设有若干电连接线出口16，用于各传感器信号线的接出。
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，上部恒温单元设置在承载筒18外部右上角。顶部恒温板12内部装有顶部恒温盘管13，顶部恒温板12设置在承载筒18的上端入口处，顶部恒温板护板11设置在顶部恒温板12上面，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；顶部低温恒温槽48装有的恒温介质根据工作温度的不同分为酒精和水，顶部低温恒温槽48工作温度低于5℃时选用酒精作为恒温介质，顶部低温恒温槽48工作温度在5-80℃时选用纯净水。
进一步地，如图3和图4所示，顶部恒温板护板11和顶部恒温板12均为圆柱形，且半径比较承载筒18的半径略小，顶部恒温板护板11上设有供顶部恒温液流入管50穿入和顶部恒温液回流管49穿出的顶部恒温液流管出入孔58-1，固定氮气弹簧卡板51的氮气弹簧卡板螺丝穿孔58-4，供套管45穿过并可固定冻融位移传递杆10的带螺纹套管穿孔58-2，顶部恒温板12上设有放置顶部恒温盘管13的凹槽。
顶部恒温盘管13上设有供顶部恒温液流入管50和顶部恒温液回流管49连接的顶部恒温盘管起点59-1和顶部恒温盘管终点59-2，设有供套管45穿过的套管穿孔58-5，顶部恒温板护板11和顶部恒温板12由螺丝通过他们都设有的固定螺丝穿孔58-3进行连接。
本实施例中，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，下部恒温单元设置在承载筒18外部右下角。底部恒温板23内部装有底部恒温盘管24，底部恒温板护板22设置在底部恒温板23上面，底部恒温板护板22和底部恒温板23设置在承载筒18内并位于粉细砂层20下面，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，底部低温恒温槽39装有的恒温介质为纯净水；
进一步地，如图5和图6所示，底部恒温板护板22和底部恒温板23均为圆柱形，且半径比较承载筒18的半径略小；底部恒温板护板22上设有可与橡胶补水管30和排水排气管33连接的橡胶管连接孔58-9和放置透水石21的透水石放置凹槽60-1；底部恒温板23上设有设有供底部恒温液流入管32穿入和顶部恒温液回流管28穿出的底部恒温液流管出入孔58-6，供底部恒温液流入管32和底部恒温液回流管28连接的底部恒温盘管起点59-3和底部恒温盘管终点59-4，供橡胶补水管30和排水排气管33穿过的橡胶管穿孔58-7，还设有放置底部恒温盘管24的凹槽。
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，底部恒温液流入管32均匀盘绕在马氏瓶35上，测温仪探针40设置在马氏瓶35内，测温仪探针40上套接有玻璃管36，测温仪探针40的信号线与测温仪41连接，橡胶补水管30一端与粉细砂层20相连通，另一端马氏瓶35连通，排水排气管33一端与粉细砂层20连通，另一端位于承载筒18外。进一步地，本实施例中，通过测温仪41可监测马氏瓶35中水的温度。
土体状态监测单元包括数据采集箱17及设置在承载筒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均与数据采集箱17电连接，本实施例中土壤温湿传感器14、土压力传感器57和土水势传感器42均为8个；如图2所示，8个土壤温湿传感器14均布置在第一竖直面上，8个土水势传感器42均布置在第二竖直面上，8个土压力传感器57均布置在第三竖直面上，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°。
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，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顶部恒温板护板11上方，上部传力钢板3-1与反力钢板2通过固定螺丝1连接，螺杆4上端向上延伸依次穿过荷载传感器固定板53、千斤顶固定钢板54和反力钢板2并通过螺母5固定，机械千斤顶56的底座与上部传力钢板3-1抵接，机械千斤顶56的顶盘穿过千斤顶固定钢板54并与荷载传感器9抵接，荷载传感器9穿过荷载传感器固定板53，荷载传感器9与数据采集箱17电连接；
土***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，下部传力钢板3-2设置在顶部恒温板护板11上，氮气弹簧52上端与荷载传感器9抵接，氮气弹簧52下端与下部传力钢板3-2抵接，多个数显千分表6沿环状均匀设置在千斤顶固定钢板54上方，冻融位移传递杆10上端与数显千分表6抵接，冻融位移传递杆10下端穿入顶部恒温板护板11内，分层位移传递杆44上端与数显千分表6抵接，分层位移传递杆44下端伸入承载筒18内，数显千分表6与数据采集箱17电连接。
进一步地，反力钢板2、固定钢板54、荷载传感器固定板53、法兰47、承重钢板25和上部传力钢板3-1都为圆柱形状而且都为水平放置；
上部传力钢板3-1上都布置有供固定螺丝1对反力钢板2和上部传力钢板3-1进行连接的固定螺丝穿孔；固定钢板54上布置有机械千斤顶顶盘穿孔，辅助固定数显千分表6的数显千分表穿孔，另一个辅助固定数显千分表6的装置是图1中的数显千分表底座55；
荷载传感器固定板53上布置有固定荷载传感器9的荷载传感器固定孔；机械千斤顶56通过固定钢板上的机械千斤顶顶盘穿孔与下部荷载传感器9接触，且机械千斤顶56和荷载传感器9为竖直放置；反力钢板2，固定钢板54，荷载传感器固定板53和法兰都通过高强螺杆和螺母5与可调节水平的载物试验台固定连接；
如图9所示，分层位移传递杆44顶端不超过套管45顶部；数显千分表6在套管45内部与分层位移传递杆44相接触；分层位移传递杆44底部为十字结构44-1，套管45底部为三角形尖端45-1。氮气弹簧52在所受力小于它本身氮气产生的力时，氮气弹簧52伸长，在所受力大于它本身氮气产生的力时，氮气弹簧52收缩，氮气弹簧52进行伸长或收缩时，固定在顶部恒温板护板11上的冻融位移传递杆10进行相应的移动，土体46内的多个分层位移传递杆44也进行移动。
顶部恒温板护板11，下部传力钢板3-2和氮气弹簧卡板51上都布置有氮气弹簧卡板螺丝穿孔，如图7所示，氮气弹簧卡板51是两块半月型铁柱。
载物试验台包括承重钢板25及设置在承重钢板25底部两侧的承重支柱26和水平调节支撑脚轮27，承载筒18设置在承重钢板25上，螺杆4下端穿过承重钢板25并通过螺母5固定，承重支柱26上端与承重钢板25固定连接，承重支柱26下端与水平调节支撑脚轮27焊接，承重钢板25上设置有万向水准泡31。
进一步地，承重钢板25上布置有与承重支柱26进行连接的固定螺丝穿孔，供底部恒温液流入管32穿入和底部恒温液回流管28穿出的底部恒温液流管出入孔，供橡胶补水管30和排水排气管33穿过的橡胶管管穿孔，供高强螺杆4和螺母5对承重钢板25进行固定的螺杆穿孔，还布置有放置万向水准泡的万向水准泡放置凹槽和放置钢制筒18的钢制筒放置凹槽；承重支柱26上部带有带螺纹的凹槽，通过螺丝和承重钢板25上的固定螺丝穿孔58-3还有承重支柱26上部带有带螺纹的凹槽实现重钢板25和承重支柱26的连接。
为了对传感器的电连接线进行保护，本实施例在土壤温湿传感器14、土压力传感器57和土水势传感器42外均设置有电连接线保护盒15。如图10所示，保护盒15由带有储存空间和半月形状孔15-1的两个不带盖铁盒15-2通过螺丝和螺母连接，每个不带盖铁盒15-2上还设置有两个供螺丝和螺母固定用的固定螺丝穿孔。本实施例中顶部恒温盘管13和底部恒温盘管24均为铜质盘管。
本实施例中，承载筒18与承重钢板25的接触面之间设置有止水橡胶环38，橡胶补水管30和排水排气管33与粉细砂层20中间隔有透水石21，橡胶补水管30上设置有补水止水夹34-1，排水排气管33上设置有排水排气止水夹34-2。
进一步地，如图8所示，冻融位移传递杆10包括第一杆件10-1和多个第二杆件10-2，第一杆件10-1顶部具有空腔，第一杆件10-1和第二杆件10-2底部均具有凹槽，凹槽内壁具有内螺纹，凹槽外壁具有外螺纹，第二杆件10-2上端具有凸块，凸块外壁设置有与内螺纹配合的外螺纹，第一杆件10-1和多个第二杆件10-2依次螺接，第一杆件10-1顶部与数显千分表6抵接，第二杆件10-2下端与顶部恒温板护板11螺接。
本实施例提供的冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验***的组装步骤为：
1)组装与调平载物试验台：承重支柱26和水平调节支撑脚轮27由手弧焊焊接，承重钢板25和四个承重支柱26由螺丝通过承重钢板25上的四个固定螺丝穿孔58-3与四个承重支柱26分别进行固定连接，连接完成后，向承重钢板25上的万向水准泡放置凹槽60-2放置万向水准泡31，完成后，通过水平调节支撑脚轮27和万向水准泡31将承重钢板25调至水平；
2)装配保持土体46底部恒温的下部恒温单元：将底部恒温回流管28和底部恒温液流入管32通过底部恒温液流管出入孔58-6从承重钢板25底部穿过，穿过后，将底部恒温回流管28和底部恒温液流入管32与底部恒温板23中的底部恒温盘管24上的底部恒温盘管起点59-3和底部恒温盘管终点59-4相连接；将底部恒温板23与底部恒温板护板22放置在承重钢板25上，底部恒温板护板22放置在底部恒温板23的上面，放置范围为承重钢板25上的承载筒放置凹槽60-3的内径范围内，且底部恒温板护板22带有透水石放置凹槽60-1的一面在上面；
3)装配恒温供水单元：将橡胶补水管30和排水排气管33分别穿过承重钢板25和底部恒温板23上的橡胶管穿孔58-7，通过底部恒温板护板22上的橡胶管连接孔58-9实现底部恒温板护板22与橡胶补水管30和排水排气管33的连接，在橡胶补水管30上安装补水止水夹34-1，在排水排气管33上安装排水排气止水夹34-2；将马氏瓶35内装入纯净水，安装橡胶塞37和玻璃管36，将测温仪探针通过玻璃管36放入马氏瓶35内的水中，通过电连接线将测温仪探针和测温仪41相连接；将底部恒温液流入管32均匀盘绕在马氏瓶上，将底部低温恒温槽39与底部恒温液流入管32和底部恒温液回流管28连接；
4)装配承载筒：在承重钢板25上的承载筒放置凹槽60-3上放置止水橡胶环38，然后放置承载筒18，在承载筒18***粘贴PVC卷材保温层19，在承载筒18上放置法兰47，通过高强螺杆4、螺母5、法兰47，承重钢板25对承载筒18进行固定；
5)填砂，在底部恒温板护板22的两个透水石放置凹槽60-1上面放置透水石21，然后铺设粉细砂层20；
6)填土，埋设温度水分监测单元、压力监测单元、土水势监测单元、传感器电连接线保护单元埋设，承载筒密封：在粉细砂层20的上面按照“土工试验规程SL237-1999”分层填土，压实，直至到达设计的承载筒18和PVC卷材保温层19上的电连接线出口16位置，将土壤温湿传感器14、土水势传感器42和土压力传感器57和他们对应的电连接线连接好，放入承载筒18将电连接线从电连接线出口16引出，与数据采集箱17连接，布置时，这一层的三个传感器在同一个水平面上，并且他们之间的夹角为120°；在各传感器和电连接线出口16之间加入电连接线保护盒15，将电连接线盘绕几圈后，用两个带半月形状孔15-1的不带盖铁盒15-2扣上，用螺丝和螺母将两个不带盖铁盒15-2连接，如此，有足够长的电连接线储存在电连接线保护盒15内，土体冻融升降将不会对导致电连接线的破坏；在已经引出电连接线的承载筒18上电连接线出口16内灌胶，进行密封；
7)放置第一根分层位移传递杆44和套筒45，十字结构44-1为分层位移传递杆44下部，三角形尖端45-1为套筒45下部，然后放置固定钢板54,通过固定钢板54上的套管穿孔确定套管45的位置，进一步确定分层位移传递杆44的位置；确定好分层位移传递杆44的位置后，通过套筒45和分层位移传递杆44在它们下部的已经击实的土体上做标记，做好标记后，拿掉固定钢板54，在所在标记之上保持套筒45竖直，继续进行分层填土和击实，填土和击实时注意套筒45底部要比分层位移传递杆44高出2-3cm；直至击实至下一设计的承载筒18和PVC卷材保温层19上的电连接线出口16位置后，重复步骤6)和7)直至达到土体46的设计高度，注意顶层土体的上表面要求水平；
8)装配通过制冷或制热对实验土体46进行冻结或融化的上部恒温单元：将顶部恒温回流管49和顶部恒温液流入管通过顶部恒温液流管出入孔58-1从顶部恒温板护板11穿过，穿过后，将顶部恒温回流管49和顶部恒温液流入管50与顶部恒温板12中的顶部恒温盘管13上的顶部恒温盘管起点59-1和顶部恒温盘管终点59-2相连接，连接后，用螺丝通过顶部恒温板护板11和顶部恒温板12上的4个固定螺丝穿孔58-3将顶部恒温板护板11和顶部恒温板12连接，连接后，使已经埋设好的分层位移传递杆44和套管45穿过顶部恒温板12和顶部恒温板护板11，将顶部恒温板12和顶部恒温板护板11放置在土体46上；
9)装配氮气弹簧：将氮气弹簧卡板51放置在下部传力钢板3-2上，将氮气弹簧52放置在氮气弹簧卡板51中间，将下部传力钢板3-2放置在顶部恒温板护板11上，用螺丝通过氮气弹簧卡板51，下部传力钢板3-2和顶部恒温板护板11上的氮气弹簧卡板螺丝穿孔58-4实现氮气弹簧52的固定和氮气弹簧卡板51，下部传力钢板3-2，顶部恒温板护板11的连接；
10)装配冻融位移传递杆：根据顶部恒温板护板11距离氮气弹簧52顶部的高度高出2-3厘米的高度，确定第二杆件10-2的个数(第二杆件10-2的长度设计为2cm)，通过第一杆件10-1的底部螺纹和第二杆件10-2顶部螺纹连接第一杆件10-1和第二杆件10-2，通过第二杆件10-2底部螺纹和第二杆件10-2顶部螺纹连接多个第二杆件10-2最终组成冻融位移传递杆10，通过冻融位移传递杆10底部螺纹和顶部恒温板护板11上的带螺纹套管穿孔58-2固定冻融位移传递杆10；
11)装配土体46荷载监测单元和对土体46加载的单元：使冻融位移传递杆10和多个套管45通过荷载传感器固定板53上的套管穿孔，在比氮气弹簧52顶部高2-3厘米的高度上通过高强螺杆4和螺母5固定荷载传感器固定板53，将荷载传感器9放置在荷载传感器固定板53上的荷载传感器固定孔内，并使荷载传感器9与氮气弹簧52顶部接触；在比荷载传感器9顶部高2-3cm处通过高强螺杆4和螺母5固定机械千斤顶的固定钢板54，在固定钢板54上安装倒置的机械千斤顶56，调节机械千斤顶56使机械千斤顶56的顶盘通过固定钢板54上的机械千斤顶顶盘穿孔与荷载传感器9的顶部相连接；在固定钢板54上的多个数显千分表穿孔的上面放置多个数显千分表底座55，然后放置多个数显千分表6，确定数显千分表6的底部与分层位移传递杆44的顶部相接触，确定数显千分表6的底部与第一杆件10-1的顶部凹槽的底部相接触，通过电连接线将数显千分表6与数据采集箱17连接；在倒置的机械千斤顶56的顶部放置上部传力钢板3-1，在上部传力钢板3-1的上部放置反力钢板2，通过固定螺丝1将上部传力钢板3-1和反力钢板2连接；通过高强螺杆4和螺母5固定反力钢板2；
12)将数据采集箱17、通过电连接线与电脑连接。
本实施例还提供了基于该实验***的冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验，具体步骤如下：
1)完成实验***的组装后，在底部低温恒温槽39内装上纯净水，将数据采集箱17与电脑连接；
2)开启电脑，通过数据采集箱17监测土体46的温度、水分、压力、土水势、土***移数据和土体受到的荷载数据；
3)打开排水排气止水夹34-2，使排水排气管33畅通，按照计划要对土体46施加的荷载，手动控制机械千斤顶56对土体46进行加载固结，固结过程中土体46的排水和排气通过排水排气管33进行，直至土体46的固结稳定，固结过程结束；
4)调节马氏瓶35位置，使马氏瓶35内玻璃管36底部与粉细砂层20顶部在一个水平面上，达到模拟恒定地下水位补给土体46的目的；打开底部低温恒温槽39，按照设计要模拟的地下水补给温度，设置底部低温恒温槽39的工作温度，达到工作温度后，开启外部循环泵，通过底部恒温液流入管32对马氏瓶35内的水进行加热或降温，当测温仪41的显示温度达到设计值时，打开补水止水夹34-1进行供水，当排水排气管33内的水位与马氏瓶35内的玻璃管36底部在一同一个水平面时，进行下一步骤；
5)在顶部低温恒温槽48中加入恒温介质酒精，打开顶部低温恒温槽48，按照设计要对土体46进行冻结的温度设置顶部低温恒温槽48的工作温度，达到工作温度后，开启外部循环泵，对土体46进行冻结，当土体46的温度、水分、压力、土水势、整体和分层位移数据，土体受到的荷载数据达到稳定时，结束冻结实验，进行下一步骤；
6)关闭顶部低温恒温槽48，排出顶部恒温槽中的恒温介质酒精，加入水作为恒温介质；打开顶部低温恒温槽48，按照设计要对土体46进行融化的温度设置顶部低温恒温槽48的工作温度，达到工作温度后，开启外部循环泵，对土体46进行融化，当土体46的温度达到冻结前的温度，土体46的水分、压力、土水势、整体和分层位移数据，土体受到的荷载数据达到稳定时，结束融化实验；
7)数据采集箱17将采集到的数据发送到电脑，对数据进行分析。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种冻融环境下受荷载土体水-热-力-位移实验***，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***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***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；
所述载物试验台包括承重钢板(25)及设置在所述承重钢板(25)底部两侧的承重支柱(26)和水平调节支撑脚轮(27)，所述承载筒(18)设置在所述承重钢板(25)上，所述螺杆(4)下端穿过所述承重钢板(25)并通过螺母(5)固定，所述承重支柱(26)上端与所述承重钢板(25)固定连接，所述承重支柱(26)下端与所述水平调节支撑脚轮(27)焊接，所述承重钢板(25)上设置有万向水准泡(31)。
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***，其特征在于，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)的电连接线均设置有电连接线保护盒(15)。
3.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***，其特征在于，多个所述土壤温湿传感器(14)均布置在第一竖直面上，多个所述土水势传感器(42)均布置在第二竖直面上，多个所述土压力传感器(57)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°。
4.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***，其特征在于，所述承载筒(18)与所述承重钢板(25)的接触面之间设置有止水橡胶环(38)，所述橡胶补水管(30)和所述排水排气管(33)与所述粉细砂层(20)中间隔有透水石(21)，所述橡胶补水管(30)上设置有补水止水夹(34-1)，所述排水排气管(33)上设置有排水排气止水夹(34-2)。
5.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***，其特征在于，所述顶部恒温盘管(13)和所述底部恒温盘管(24)均为铜质盘管。
6.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***，其特征在于，所述冻融位移传递杆(10)包括第一杆件(10-1)和多个第二杆件(10-2)，所述第一杆件(10-1)顶部具有空腔，所述第一杆件(10-1)和所述第二杆件(10-2)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(10-2)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(10-1)和多个第二杆件(10-2)依次螺接，所述第一杆件(10-1)顶部与所述数显千分表(6)抵接，所述第二杆件(10-2)下端与所述顶部恒温板护板(11)螺接。
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