CN112730801A - 一种适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置；包括：底座、有机玻璃管、给水***、集水***、温度控制***、数据采集***；所述温度控制***设置在所述有机玻璃管的两端面；所述给水***与所述集水***分别与所述温度控制***连接，所述数据采集***与所述有机玻璃管连接。本发明采用有机玻璃管作为试验试筒，体积较大，忽略粗颗粒土尺寸效应的影响；利用给水***可以实现水分的定时定量补给，节省了人力；利用温度控制***实现盐渍土柱在常温、单向冻结和双向冻结等多种条件下的试验，满足不同工况的需求。本发明适用于开放***下的大体积试件，适应范围广、自动化程度高、测试结果较准确。

Description

一种适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置

技术领域

本发明属于自动化试验装置领域；尤其涉及一种适用于多环境可控温的水盐迁移自动 化试验装置。

背景技术

随着盐渍土地区公路网等级和密度的不断提高，盐渍土路基 工程病害问题也日益严重。无论是工程上还是室内试验、常温下 还是冻融循环下都需要一个能够验证隔断层设置合理性的试验设 备。而传统仪器所用的有机玻璃管内径较小(直径4.0cm)，与实 际路基中的迁移通道差别较大，不能忽略粗颗粒土的尺寸效应， 且所装土样要求风干，不便于控制土的密度，无法达到要求的压 实度，不便于模拟公路路基各层的实际压实度，温度控制实施较 困难，没有办法直接测试冻融循环作用下毛细管水上升高度，无 法模拟盐渍土在常温、单向冻结和双向冻结等多种自然环境条件 下的水盐迁移高度。而且，传统仪器所需人工干预较多，监测过 程操作量大，试验结果离散性较大，测试精度较差。

因此，传统试验得到的结果满足不了不同等级公路路基设计的要求，对工程建设的 参考价值有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供了一种适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，包括：底座10、安装 在所述底座10上的有机玻璃管2、给水***、集水***、温度控制***、数据采集***；所述 温度控制***设置在所述有机玻璃管2的两端面；所述给水***与所述集水***分别与所述温 度控制***连接，所述数据采集***与所述有机玻璃管2连接；

所述给水***，包括：补水槽(6)、储水桶(19)、定时器(20)、流量阀(21)；

所述集水***为集水槽(12)；

所述集水***为集水槽12，所述集水槽12通过软管11与所述温度控制***连接；所述 集水槽12通过出水口7与补水槽6相通，实现水分的收集与循环；盐渍土柱4的下端与由补水槽 6、出水口7、储水桶19、定时器20、流量阀21和进水口22组成的给水***连接，给水***通 过进水口22接入补水槽6与有机玻璃管2下端的有机玻璃管下端进水口8相联通，实现水分补 给。

所述温度控制***，包括：上端制冷装置1、下端制冷装置9、上端低温恒温槽(5)和下端低温恒温槽(23)；上端制冷装置1设有上端制冷液进口27，通过上端循环软管25与所述上端低温恒温槽5连接；所述上端低温恒温槽5通过连接上端循环软管25为盐渍土柱4的上端提 供冷源传导；所述下端制冷装置9设有下端制冷液进口29，通过下端循环软管24与所述下端低 温恒温槽23连接；上端制冷装置1的上端制冷液进口27与上端循环软管25连接，上端制冷装置 内腔26与上端制冷液进口27相通。

所述上端制冷装置1和下端制冷装置9均包括相互密封扣合的上盖和下盖以及中间的橡 胶密封圈，下盖设有制冷液体流通的空腔。

所述下端制冷装置9连接下端低温恒温槽23，下端低温恒温槽23通过连接下端循环软管 24为盐渍土柱4的下端提供冷源传导。所述下端制冷装置9的下端制冷液进出口29和部分给水 ***与底座10一体化，下端制冷液进出口29与下端循环软管24连接，下端制冷装置内腔28与 下端制冷液进出口29相通。

所述数据采集***，包括：数据采集器16和计算机17。

优选地，所述底座10与下端制冷装置9一体化。

优选地，所述有机玻璃管2的内部设有盐渍土柱4，其外表面包裹有隔热保温层3，所述有 机玻璃管2和隔热保温层3均设有匹配的传感探头安装孔18。

优选地，所述数据采集***设置有传感探头，其传感探头的一端埋设在盐渍土柱4内；传 感探头分别为：温度传感探头13、水分传感探头14和盐分传感探头15。

优选地，所述传感探头通过数据采集器16连接计算机17。

优选地，所述盐渍土柱4的下端分别与补水槽6、下端低温恒温槽23、储水桶19连接。

优选地，所述上端制冷装置1连接上端低温恒温槽5，所述上端低温恒温槽5通过连接上端 循环软管25为所述盐渍土柱4的上端提供冷源传导。

优选地，所述上端制冷装置1的上端制冷液进出口27与上端循环软管25连接，上端制冷装 置内腔26与上端制冷液进出口27相通；

所述下端制冷装置9连接下端低温恒温槽23，所述下端低温恒温槽23通过连接下端循环软 管24为盐渍土柱4的下端提供冷源传导。

优选地，所述下端制冷液进出口29与底座10一体化，下端制冷液进出口29与下端循环 软管24连接，下端制冷装置内腔28与下端制冷液进出口29相通。

本发明的整体设计理念为：本发明所涉及的装置包括底座、安装在所述底座上的有机玻 璃管、给水***、集水***和温度控制***，所述底座与下端制冷装置一体化，方便与给水 ***的连接和下端的温度控制；所述有机玻璃管内设有盐渍土柱，所述有机玻璃管外侧包裹 有隔热保温层，所述有机玻璃管和隔热保温层均设匹配的数个传感探头安装孔，不仅供温度、 水分和盐分传感探头的安装，还为试验完成之后的分层取样提供方便；所述温度、水分和盐 分传感探头均埋入盐渍土柱内，所述温度、水分和盐分传感探头均可以通过数据采集器连接 计算机，能较好的实现盐渍土水盐迁移试验温度、水分和盐分的实时监测及数据采集；所述 给水***可根据不同的地下水位高度进行调整，所述给水***连接有定时器和流量阀，可实 现水分的自动定时定量补给；所述集水***可收集多余水分，实现循环重复利用；所述温度 控制***包括上端制冷装置和下端制冷装置，可通过开关控制实现常温、单向冻结和双向冻 结等不同要求下的水盐迁移试验。

本发明具有以下优点：

本发明采用有机玻璃管作为试验试筒，体积较大，可以考虑忽略粗颗粒土尺寸效应 的影响，与实际情况较接近，同时可以控制温度；有机玻璃管壁可以埋设若干个温度、水分和盐分传感探头，实时动态监测土样内部温度、水分和盐分的变化；利用给水*** 可以实现水分的定时定量补给，节省了人力；利用集水***可以实现多余水分的收集与 循环利用，节约资源；利用温度控制***可以实现盐渍土柱在常温、单向冻结和双向冻 结等多种条件下的试验，满足不同工况的需求。从而通过本发明可测试开放***下室内、 现场等多种环境以及不同温度条件下的毛细水上升高度和速度，并实现温度、水分和盐 分的实时自动化监测与数据采集；可实现按照不同压实度和含水率要求控制土样装填的 目的，能更加有效的模拟路基填料所处的多种含水率和密度状态，能够测定不同含水率 和密度下土样的水分和盐分迁移高度；能够测试多种条件下盐渍土路基内部隔断层设置 位置的合理性；能够测试盐渍土在降雨入渗等条件下的溶陷性；安装位移测试探头后， 还可以用作不同工况下盐渍土盐胀性和冻土冻胀性评价指标的测试。本发明能够进行多 种工况条件下粗颗粒盐渍土的毛细水上升等相关试验，装置体积较大，可以忽略粗颗粒 土的尺寸效应，与实际情况相接近，试验数据参考价值大，具有较强的实用性，且具有 适应范围广、自动化程度高和测试结果准确等优点，能够应用于因季节或昼夜温度变化 使得盐渍土地区路基填料发生水盐迁移的相关测试，还能够应用于非盐渍土地区路基由 于温度改变引起土体强度变化和冻胀性的评价指标测定。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明有机玻璃管下端进水孔的结构放大图；

图3中3a是上端铝合金制冷装置纵剖面构造图，3b是上端铝合金制冷装置下盖的结构 示意图，3c是上端铝合金制冷装置上盖的结构示意图；

图4中4a是下端铝合金制冷装置纵剖面构造图，4b是下端铝合金制冷装置下盖的结构 示意图，4c是下端铝合金制冷装置上盖的结构示意图；

其中，1上端制冷装置、2有机玻璃管、3隔热保温层、4盐渍土柱、5上端低温恒温槽、6补水槽、7出水口、8有机玻璃管下端进水口、9下端制冷装置、10底座、11软管、12集 水槽、13温度传感探头、14水分传感探头、15盐分传感探头、16数据采集器、17计算机、 18传感探头安装孔、19储水桶、20定时器、21流量阀、22进水口、23下端低温恒温槽、24 下端循环软管、25上端循环软管、26上端制冷装置内腔、27上端制冷液进出口、28下端制 冷装置内腔、29下端制冷液进出口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本 发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。

实施例

本实施例涉及一种适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，如图1所示，包括： 底座10、安装在所述底座10上的有机玻璃管2、给水***、集水***、温度控制***、数据 采集***；所述温度控制***设置在所述有机玻璃管2的两端面；所述给水***与所述集水 ***分别与所述温度控制***连接，所述数据采集***与所述有机玻璃管2连接；本实施例 中的底座10由铝合金制成。

所述给水***，包括：补水槽6、储水桶19、定时器20、流量阀21；所述给水***可以保持地下水位高度恒定，从而得到不同地下水位对路基稳定性的影响。

所述集水***为集水槽12，所述集水槽12通过软管11与所述温度控制***连接；所述 集水槽12通过出水口7与补水槽6相通，实现水分的(收集)与循环；盐渍土柱4的下端与由补 水槽6、出水口7、储水桶19、定时器20、流量阀21和进水口22组成的给水***连接，给水系 统通过进水口22接入补水槽6与有机玻璃管2下端的有机玻璃管下端进水口8相联通，实现水分 补给。

所述温度控制***，包括：上端制冷装置1、上端低温恒温槽5、下端制冷装置9和下端 低温恒温槽23；上端制冷装置1设有上端制冷液进口27，通过上端循环软管25与所述上端低温 恒温槽5连接；所述上端低温恒温槽5通过连接上端循环软管25为盐渍土柱4的上端提供冷源传 导；所述下端制冷装置9设有下端制冷液进口29，通过下端循环软管24与所述下端低温恒温槽 23连接；上端制冷装置1的上端制冷液进口27与上端循环软管25连接，上端制冷装置内腔26 与上端制冷液进口27相通。

如图3(3a是上端铝合金制冷装置纵剖面构造图，3b是上端铝合金制冷装置下盖的结构 示意图，3c是上端铝合金制冷装置上盖的结构示意图；)所示：所述上端制冷装置1和下端 制冷装置9均包括相互密封扣合的上盖和下盖以及中间的橡胶密封圈，下盖设有制冷液体流 通的空腔。

如图4(4a是下端铝合金制冷装置纵剖面构造图，4b是下端铝合金制冷装置下盖的结构 示意图，4c是下端铝合金制冷装置上盖的结构示意图)所示：所述下端制冷装置9连接下端低 温恒温槽23，下端低温恒温槽23通过连接下端循环软管24为盐渍土柱4的下端提供冷源传导。 所述下端制冷装置9的下端制冷液进出口29和部分给水***与底座10一体化，下端制冷液进出 口29与下端循环软管24连接，下端制冷装置内腔28与下端制冷液进出口29相通。

所述数据采集***，包括：数据采集器16和计算机17。

所述底座10与下端制冷装置9一体化。

所述有机玻璃管2的内部设有盐渍土柱4，其外表面包裹有隔热保温层3，所述有机玻璃管 2和隔热保温层3均设有匹配的传感安装孔18；所述有机玻璃管2：内径20cm、高度150cm、厚 度1cm、自下而上前80cm每隔5cm开一1cm安装孔18、后70cm每隔10cm开一1cm传感探头安装孔 18；如图2所示：有机玻璃管2下端沿圆周方向每隔1cm开一0.5cm的(进水口8)，为水分进入 土柱提供通道。

所述数据采集***设置有传感探头，其传感探头的一端埋设在盐渍土柱4内；传感探头分 别为：温度传感探头13、水分传感探头14和盐分传感探头15。

所述传感探头通过数据采集器16连接计算机17。

所述盐渍土柱4的下端分别与补水槽6、下端低温恒温槽23、储水桶19连接。

所述上端制冷装置1连接上端低温恒温槽5，所述上端低温恒温槽5通过连接上端循环软管 25为所述盐渍土柱4的上端提供冷源传导。

所述上端制冷装置1的上端制冷液进出口27与上端循环软管25连接，上端制冷装置内腔26 与上端制冷液进出口27相通；

所述下端制冷装置9连接下端低温恒温槽23，所述下端低温恒温槽23通过连接下端循环软 管24为盐渍土柱4的下端提供冷源传导。

所述下端制冷液进出口29与底座10一体化，下端制冷液进出口29与下端循环软管24 连接，下端制冷装置内腔28与下端制冷液进出口29相通。

本发明的整体设计理念为：本发明所涉及的装置包括底座、安装在所述底座上的有机玻 璃管、给水***、集水***和温度控制***，所述底座与下端制冷装置一体化，方便与给水 ***的连接和下端的温度控制；所述有机玻璃管内设有盐渍土柱，所述有机玻璃管外侧包裹 有隔热保温层，所述有机玻璃管和隔热保温层均设匹配的数个温度传感安装孔，不仅供温度、 水分和盐分传感探头的安装，还为试验完成之后的分层取样提供方便；所述温度、水分和盐 分传感探头均埋入盐渍土柱内，所述温度、水分和盐分传感探头均可以通过数据采集器连接 计算机，能较好的实现盐渍土水盐迁移试验温度、水分和盐分的实时监测及数据采集；所述 给水***可根据不同的地下水位高度进行调整，所述给水***连接有定时器和流量阀，可实 现水分的自动定时定量补给；所述集水***可收集多余水分，实现循环重复利用；所述温度 控制***包括上端制冷装置和下端制冷装置，可通过开关控制实现常温、单向冻结和双向冻 结等不同要求下的水盐迁移试验。

本发明所涉及的试验装置的使用步骤：

(1)常温条件下水盐迁移高度试验

工况：土样为放置在有机玻璃管内部的一定高度的圆柱状盐渍土土样。土样含水率、含 盐量、压实度和隔断层的设置等均可以根据试验要求和目标进行相应调整。

步骤：试验开始前，先将有机玻璃管2、给水***和集水***组装起来。根据试验设定 的含水率配置盐渍土，然后密封闷料24h；试验装置组装完毕后，采用击实装置对重塑盐渍 土进行分层击实，同时在击实过程中将水分和盐分传感探头埋入土样中，击实效果通过压实 度和体积来控制，在进行下一层击实时，为避免土样分层的影响，需进行凿毛；整个土样击 实完成后，把给水***的软管和进水口连接，然后进行设定浓度卤水的补给，使补水槽6中 的水位高度保持恒定，然后设定定时器20的时间和流量阀21的流量；最后将传感探头与数 据采集器16连接，并接入计算机17，动态监测土柱中水分和盐分的变化，观察水盐迁移高 度，并进行记录。

(2)冻融循环条件下水盐迁移高度试验

工况：土样为放置在有机玻璃管内部的一定高度的圆柱状盐渍土土样。土样含水率、含 盐量、压实度、冻融循环的控温模式和隔断层的设置等均可以根据试验要求和目标进行相应 调整。

步骤：试验开始前，先将有机玻璃管、给水***、集水***和温度控制***组装起来。 根据试验设定的含水率配置盐渍土，然后密封闷料24h；试验装置组装完毕后，采用击实装 置对重塑盐渍土进行分层击实，同时在击实过程中将温度、水分和盐分传感探头埋入土样中， 击实效果通过压实度和体积来控制，在进行下一层击实时，为避免土样分层的影响，需进行 凿毛；整个土样击实完成后，将上端制冷装置放置在土柱上端，把给水***的软管和进水口 连接，然后进行设定浓度卤水的补给，使补水槽6中的水位高度保持恒定，然后设定定时器 20的时间和流量阀21的流量；最后将传感探头与数据采集器连接，并接入计算机，动态监 测土柱中水分、盐分和温度的变化，并进行记录。

土柱装填完毕后，在有机玻璃管外侧包裹一定厚度的隔热保温层，将上端制冷装置放置 在土柱上端，然后连接低温恒温槽，设置低温恒温槽预设温度并开启，待低温恒温槽温度稳 定后，进行冻融循环条件下的水盐迁移试验，通过对上下端低温恒温槽温度的控制，实现盐 渍土柱的单向冻结或双向冻结，建立水盐迁移所需的温度梯度；土柱冻结24h、融化24h为 一个完整的冻融循环，在冻融循环过程中定时监测土样温度、水分和盐分的变化，观察水盐 迁移高度，并进行记录。

(3)常温及冻融循环条件下盐渍土路及内部隔断层位置设置的合理性

工况：土样为放置在有机玻璃管内部的一定高度的圆柱状盐渍土土样。土样含水率、含 盐量、压实度、冻融循环的控温模式和隔断层的设置等均可以根据试验要求和目标进行相应 调整。

步骤：在分层击实土样的时候，预先在土柱中一定深度处埋设一定厚度的隔断层，按要 求继续进行击实，然后按照(1)、(2)中介绍的试验步骤继续进行常温或者冻融循环条件 下的水盐迁移高度试验，即可得到设有隔断层时盐渍土的水分和盐分迁移高度；同样地，通 过改变隔断层的位置和形式，也可以得到不同位置和不同形式隔断层下盐渍土的水分和盐分 迁移高度，从而获得隔断层设置的最佳位置和形式。

(4)冻融循环条件下盐渍土盐胀性及冻土冻胀性评价指标测试

工况：土样为放置在有机玻璃管内部的一定高度的圆柱状盐渍土土样。土样含水率、含 盐量、压实度、冻融循环的控温模式和隔断层的设置等均可以根据试验要求和目标进行相应 调整。

步骤：在上端制冷装置表面固定百分表或者位移传感器，然后按照(2)中介绍的试验步 骤进行冻融循环条件下的盐渍土盐胀性或冻土冻胀性测试试验，土柱冻结24h、融化24h为 一个完整的冻融循环，在冻融循环过程中定时监测土样温度、水分和盐分的变化，观察百分 表的读数变化或位移传感器的记录，并进行记录，从而获得盐渍土盐胀性或冻土冻胀性的评 价指标。

(5)常温及冻融循环条件下降雨入渗盐渍土溶陷性试验

工况：土样为放置在有机玻璃管内部的一定高度的圆柱状盐渍土土样。土样含水率、含 盐量、压实度、冻融循环的控温模式和隔断层的设置等均可以根据试验要求和目标进行相应 调整。

步骤：增加从盐渍土柱上端补给水分，然后按照(1)、(2)中介绍的试验步骤进行常温及冻融循环条件下的盐渍土溶陷性试验，定时监测土样温度、水分和盐分的变化，通过盐分的变化预测盐渍土的溶陷性，并进行记录。

本发明采用有机玻璃管作为试验试筒，体积较大，可以考虑忽略粗颗粒土尺寸效应 的影响，与实际情况较接近，同时可以控制温度；有机玻璃管壁可以埋设若干个温度、水分和盐分传感探头，实时动态监测土样内部温度、水分和盐分的变化；利用给水*** 可以实现水分的定时定量补给，节省了人力；利用集水***可以实现多余水分的收集与 循环利用，节约资源；利用温度控制***可以实现盐渍土柱在常温、单向冻结和双向冻 结等多种条件下的试验，满足不同工况的需求。从而通过本发明可测试开放***下室内、 现场等多种环境以及不同温度条件下的毛细水上升高度和速度，并实现温度、水分和盐 分的实时自动化监测与数据采集；可实现按照不同压实度和含水率要求控制土样装填的 目的，能更加有效的模拟路基填料所处的多种含水率和密度状态，能够测定不同含水率 和密度下土样的水分和盐分迁移高度；能够测试多种条件下盐渍土路基内部隔断层设置 位置的合理性；能够测试盐渍土在降雨入渗等条件下的溶陷性；安装位移测试探头后， 还可以用作不同工况下盐渍土盐胀性和冻土冻胀性评价指标的测试。本发明能够进行多 种工况条件下粗颗粒盐渍土的毛细水上升等相关试验，装置体积较大，可以忽略粗颗粒 土的尺寸效应，与实际情况相接近，试验数据参考价值大，具有较强的实用性，且具有 适应范围广、自动化程度高和测试结果准确等优点，能够应用于因季节或昼夜温度变化 使得盐渍土地区路基填料发生水盐迁移的相关测试，还能够应用于非盐渍土地区路基由 于温度改变引起土体强度变化和冻胀性的评价指标测定。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特 定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (9)

1.一种适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，其特征在于，包括：底座(10)、安装在所述底座(10)上的有机玻璃管(2)、给水***、集水***、温度控制***、数据采集***；所述温度控制***设置在所述有机玻璃管(2)的两端面；所述给水***与所述集水***分别与所述温度控制***连接，所述数据采集***与所述有机玻璃管(2)连接；

所述给水***，包括：补水槽(6)、储水桶(19)、定时器(20)、流量阀(21)；

所述集水***为集水槽(12)；

所述温度控制***，包括：上端制冷装置(1)、上端低温恒温槽(5)、下端制冷装置(9)和下端低温恒温槽(23)；

所述数据采集***，包括：数据采集器(16)和计算机(17)。

2.如权利要求1所述的适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，其特征在于，所述底座(10)与下端制冷装置(9)一体化。

3.如权利要求1所述的适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，其特征在于，所述有机玻璃管(2)的内部设有盐渍土柱(4)，其外表面包裹有隔热保温层(3)，所述有机玻璃管(2)和隔热保温层(3)均设有匹配的传感探头安装孔(18)。

4.如权利要求1所述的适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，其特征在于，所述数据采集***设置有传感探头，其传感探头的一端埋设在盐渍土柱(4)内；传感探头分别为：温度传感探头(13)、水分传感探头(14)和盐分传感探头(15)。

5.如权利要求1所述的适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，其特征在于，所述传感探头通过数据采集器(16)连接计算机(17)。

6.如权利要求3所述的适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，其特征在于，所述盐渍土柱(4)的下端分别与补水槽(6)、下端低温恒温槽(23)、储水桶(19)连接。

7.如权利要求3所述的适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，其特征在于，所述上端制冷装置(1)连接上端低温恒温槽(5)，所述上端低温恒温槽(5)通过连接上端循环软管(25)为所述盐渍土柱(4)的上端提供冷源传导。

8.如权利要求1所述的适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，其特征在于，所述上端制冷装置(1)的制冷液进出口(27)与上端循环软管(25)连接，上端制冷装置(1)的内腔(26)与制冷液进出口(27)相通；

所述下端制冷装置(9)连接下端低温恒温槽(23)，所述下端低温恒温槽(23)通过连接下端循环软管(24)为盐渍土柱(4)的下端提供冷源传导。

9.如权利要求1所述的适用于多环境可控温的水盐迁移自动化试验装置，其特征在于，所述下端制冷装置(9)的制冷液进出口(29)与底座(10)一体化，制冷液进出口(29)与下端循环软管(24)连接，下端制冷装置(9)的内腔(28)与制冷液进出口(29)相通。

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