CN113671151A - 一种冰碛土聚冰演化过程室内模型试验*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，包括左试样筒、右试样筒、数据采集装置、制冷装置、给排水装置以及加压装置，可实现对冰碛土聚冰演化实时监测过程。左试样筒的侧壁、右试样筒的侧壁上均开设有多个插孔，土体中设置有多个压力盒。数据采集装置包括多个温湿度计和数据采集仪，左试样筒与右试样筒的结构相同，左试样筒包括上筒和下筒，上筒、下筒的外壁上均设置有箍环。制冷装置包括上冷浴盘、下冷浴盘。防止冰碛土原位冻胀力对传感器预留孔造成破坏，并产生连锁效应，试验效率及数据准确性高，可同时进行多组试验，提高了试验精度并极大的缩短了试验周期。
Description
技术领域
本发明涉及土体检测设备技术领域，尤其涉及一种冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***。
背景技术
我国多年冻土面积分布广泛，我国冻土区占全国面积的22.3％，季节性冻土区占53.5％。其中川藏铁路建设穿越高寒山地区，其沿线途径地质极为复杂的横断山脉、川西高原过渡区，季节性冻融现象明显，沿途含有大量分布的冰川冰碛堆积物，在高寒、高海拔等极端环境因素下，冰碛土界面型边坡冻胀失稳滑塌、冲刷、泥石流等灾害现象的发生日渐频繁。冰碛土作为介于均质土体和碎裂岩体之间的特殊地质体，使其明显有别于传统冻土，主要特点为：(1)物源来源为第四纪冰川作用形成的冰碛积物及碎屑堆积物，粒间结合性差、孔隙联通好、渗透性较强；(2)粒度组分不均，呈现典型“二粒相”组构特征，级配不连续。
在高寒山地区反复冻融作用下，表层冰碛土体不断向内部发生水热力交换，使冰碛土层内部产生富冰带，而在富冰带的低摩擦性及滞水润滑效应下，引发沿富冰带的界面型滑坡。因此，探究高寒山地区冰碛土的水热力迁移规律对研究冰碛土界面型滑坡灾变机制尤为重要。但是目前对于土体冻融试验模型多采用小尺寸的模型筒进行，并且由于冰碛土存在的较高渗透性导致冻胀力较大，采用常规的冻土试验装置容易在试样筒的孔洞位置附近产生冻胀连锁破坏，因而较难反映真实环境下冰碛土边坡聚冰演化的实时监测过程。即使有大型土体冻融循环试验，但是试验过程中存在装、卸样困难等问题，且通过钻孔取芯的方式容易对冻融后冰碛土产生较大扰动，影响后续试验结果的可靠性。并且单向冻融装置较多只能进行一组单向冻融循环试验，不能与多组试验共同进行，试验效率有待提高。同时受环境温度及地温等影响导致试验数据变化浮动大，测量结果有所偏差。
综上，现有技术存在的问题是：目前相关冻融试验装置较难解决高渗透性土产生的冻胀力对试样筒壁孔洞附近产生的连锁破坏；在试验过程中装卸样品困难，在对冰碛土样进行钻孔取芯取样时易造成较大扰动，影响试验可靠性；土体冻融试验装置不能多组试验共同进行，且环境温度及地温会影响冰碛土内部水热变化，造成数据变化浮动大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，通过加压装置、制冷装置、数据采集装置对左试样筒、右试样筒进行多组冻融试验。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，包括左试样筒、右试样筒、数据采集装置、制冷装置、给排水装置以及加压装置，左试样筒、右试样筒均设置在加压装置的底部，左试样筒与右试样筒之间存在距离。
数据采集装置分别与左试样筒、右试样筒以及给排水装置连接。制冷装置分别与左试样筒、右试样筒连接，左试样筒与右试样筒并联接入制冷装置中。
加压装置的上部分别与左试样筒的上部、右试样筒的上部连接，加压装置的底部分别与左试样筒的底部、右试样筒的底部连接。
给排水装置的一端分别与左试样筒的上部、右试样筒的上部连接，给排水装置的另一端穿过加压装置的底部，给排水装置的另一端分别与左试样筒的底部、右试样筒的底部连接。给排水装置用于分别向左试样筒、右试样筒补水、排水。制冷装置用于分别向左试样筒、右试样筒提供冷量。
左试样筒的侧壁、右试样筒的侧壁上均开设有多个插孔，多个插孔呈螺旋状设置在左试样筒的侧壁上、右试样筒的侧壁上。左试样筒、右试样筒均装有冰碛土体，土体中设置有多个压力盒，压力盒的数量与插孔的数量相等，压力盒与插孔位置对应。
数据采集装置包括多个温湿度计和数据采集仪，数据采集仪分别与多个温湿度计连接，每个温湿度计与每个插孔插接，每个温湿度接***冰碛土体中，温湿度计用于检测压力盒所在冰碛土体周围的温度和湿度。
左试样筒与右试样筒的结构相同，左试样筒包括上筒和下筒，上筒与下筒之间设置有法兰盘，法兰盘的顶面与上筒的底面连接，法兰盘的底面与下筒的顶面连接。上筒与下筒结构相同，上筒包括2个半圆筒，2个半圆筒的连接处粘接，上筒、下筒的外壁上均设置有箍环，箍环的内壁分别与上筒的外壁、下筒的外壁连接，箍环用于固定左试样筒、右试样筒。
制冷装置包括上冷浴盘、下冷浴盘，上冷浴盘设置在左试样筒的内壁上部、右试样筒的内壁上部，下冷浴盘设置在左试样筒的内壁下部、右试样筒的内壁下部。上冷浴盘分别设置有上溢水口、上出口、上探孔以及上进口，上冷浴盘用于分别给左试样筒的上部补水、排水，上冷浴盘用于分别给右试样筒的上部补水、排水。下冷浴盘分别设置有下补水口、下出口、下进口、下探孔、以及下溢水口，下冷浴盘用于分别给左试样筒的下部补水、排水，下冷浴盘用于分别给右试样筒的下部补水、排水。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.通过对大型冰碛土样内部分层布置温湿度计和压力盒，多个插孔采用螺旋式开设在左试样筒的侧壁、右试样筒的侧壁上。通过测试冰碛土在不同时刻、不同位置处的温湿度以及冻胀力大小，可反映冰碛土在冻融过程中不同时刻、不同位置处的聚冰冻胀效果。实现冰碛土样单向冻融过程中水热迁移及冻胀力实时监测，达到试验数据的自动检测和反馈作用。同时螺旋式的布设方式可防止原位冻胀力对试样筒上的传感器预留孔造成破坏，并产生的连锁效应，试验效率及数据准确性高。
2.用法兰盘、箍环、橡胶密封条等方式保证了左试样筒、右试样筒拼装后的密封效果，同时左试样筒、右试样筒均采用四半圆弧式结构方便对样品进行拆卸，可减少扰动，提高了试验数据的准确性。
3.通过上冷浴盘、下冷浴盘与给排水装置连接，实现补水、排水。通过上冷浴盘、下冷浴盘与制冷装置的连接，随时检测冷浴液及冰碛土样顶、底部的温度，可实现冰碛土体的快速降温并且可与温湿度计采集的数据相互验证，提高数据的可信度。通过设置左试样筒和右试样筒实现同时进行多组试验的目的。因此，整个试验装置数据均为自动化检测，且可同时进行多组试验，提高了试验精度并极大的缩短了试验周期。
进一步优选为：左试样筒的上部内壁、左试样筒的下部内壁、右试样筒的上部内壁以及右试样筒的下部内壁上均开设有凹槽，凹槽用于放置透水石。
采用上述技术方案，实现更好地放置和固定透水石，防止在试验过程中透水石发生位移。
进一步优选为：左试样筒、右试样筒均为四半圆弧式结构。
采用上述技术方案，通过2个玻璃筒的四四分之一圆弧拼接方式，能够快速实现冰碛土样的安装及拆卸工作，极大降低了对土样的扰动，方便后续对冰碛土样做进一步分析。
进一步优选为：加压装置包括框架、压力机以及气压泵，气压泵固定于框架的底面上，压力机的工作端穿过框架的顶部，压力机的工作端与上冷浴盘连接，气压泵的出口与压力机的连接，气压泵用于向压力机提供动力。
压力机的工作端连接有工作杆，工作杆与压力机的工作端固定连接，工作杆上套设有推盘，推盘与工作杆固定连接。推盘上设置有位移传感器。
框架上设置有支撑杆，支撑杆的上端穿过框架的顶部，支撑杆的上端与框架的顶部连接，支撑杆的下端连接有底板，底板的上表面与下冷浴盘连接。
框架的底部设置有2个底座，气压泵位于2个底座之间位置处。
采用上述技术方案，开启气压泵，通过气压泵向压力机提供压力，压力机工作后带动推盘移动，推盘移动将上冷浴盘推送至左试样筒、右试样筒中，实现对左试样筒、右试样筒做好接缝堵漏措施，使得整个试验模型均处于密封状态。
进一步优化为：底板与底座之间分别设置有多个滑锁，每个滑锁的顶面与底板的底面固定连接，滑锁的底面与底座滑动连接。
采用上述技术方案，通过滑锁和底板将左试样筒、右试样筒进行移动，能够快速实现冰碛土样的安装及拆卸工作，极大降低了多冰碛土样的扰动，方便后续对冰碛土样做进一步分析。
进一步优化为：制冷装置包括第一试验箱和第二试验箱，第一试验箱的出口与右试样筒的上冷浴盘的上进口连接，右试样筒的上冷浴盘的所述上出口与左试样筒的上冷浴盘的上进口连接，左试样筒的上冷浴盘的上出口与第一试验箱的进口连接。
第二试验箱的出口与左试样筒内的下冷浴盘的下进口连接，左试样筒内的下进口与右试样筒的下冷浴盘的下进口连接，右试样筒内的下冷浴盘的下出口与第二试验箱的进口连接。第一试验箱用于向左试样筒的上部、右试样筒的上部提供冷量，第二试验箱用于向左试样筒的下部、右试样筒的下部提供冷量。
采用上述技术方案，通过第一试验箱分别给左试样筒的上部、右试样筒的上部提供冷量，通过第二试验箱分别给左试样筒的下部、右试样筒的下部提供冷量，实现冷却装置通过上冷浴盘、下冷浴盘冷却并进行多组试验的目的。
进一步优化为：给排水装置包括上排水组件和下排水组件，上排水组件的数据输出端、下排水组件的数据输出端均与数据采集仪连接。
采用上述技术方案，通过上排水组件和下排水组件实现土体补水和排水时水量的实时监测，提高实验数据可靠性。
进一步优化为：上排水组件包括第一排水瓶和第一给水瓶，第一给水瓶的出口连接有第一给水阀，第一排水瓶的出口连接有第一排水阀，上溢水口分别与第一给水阀、第一排水阀连接。第一排水瓶的底部设置有第一重力传感器，第一重力传感器粘接在第一排水瓶的底部。第一给水瓶的底部设置有第二重力传感器，第二重力传感器粘接在第一给水瓶的底部。第一重力传感器、第二重力传感器均与数据采集仪数据连接。
采用上述技术方案，通过上排水组件实现对左试样筒的上部、右试样筒的上部进行补水和排水的作用，通过第一重力传感器和第二重力传感器实时测量补水和排水的水量。
进一步优化为：下排水组件包括第二排水瓶和第二给水瓶，第二给水瓶的出口连接有第二给水阀，第二给水阀的出口与下补水口连接，第二给水瓶的底部设置有第四重力传感器，第四重力传感器粘接在第二给水瓶的底部。第二排水瓶的出口连接有第二排水阀，第二排水阀的出口与下溢水口连接，第二排水瓶的底部设置有第三重力传感器，第三重力传感器粘接在第二排水瓶的底部。第三重力传感器、第四重力传感器均与数据采集仪数据连接。
采用上述技术方案，下排水组件实现对左试样筒的下部、右试样筒的下部进行补水和排水的作用，通过第三重力传感器和第四重力传感器实时监测排水和补水的水量。
进一步优选为：第一试验箱、第二试验箱均选用高低温试验箱。
采用上述技术方案，高低温试验箱的温度变化范围大，性能稳定，温度变化精准，温湿度的采集结果精准，可靠性强。
附图说明
图1为本实施例的结构示意图；
图2为本实施例中上玻璃筒的切面示意图；
图3为本实施例中下玻璃筒的切面示意图；
图4为本实施例中上冷浴盘的俯视图；
图5为图4中1-1剖面图；
图6为图4中1-2剖面图；
图7为本实施例中下冷浴盘的俯视图；
图8为图7中2-1的剖面图；
图9为图7中2-2的剖面图；
图10为本实施例中给排水装置示意图；
附图标记：1-制冷装置；11-第一试验箱；12-第二试验箱；13-透水石；14-下冷浴盘；141-下补水口；142-下出口；143-下进口；144-下探孔；145-下溢水口；15-上冷浴盘；151-上溢水口；152-上出口；153-上探孔；154-上进口；2-数据采集装置；21-主机；16-凹槽；22-显示器；23-数据采集仪；24-数据总线；25-温湿度计；3-给排水装置；31-上排水组件；311-第一排水瓶；312-第一给水瓶；313-第一给水阀；314-第一排水阀；315-第一重力传感器；316-第二重力传感器；32-下排水组件；321-第二排水瓶；322-第二给水瓶；323-第三重力传感器；324-第四重力传感器；325-第二给水阀；326-第二排水阀；4-加压装置；40-气压泵；401-开关；41-支撑杆；42-框架；43-压力机；44-位移传感器；45-工作杆；46-推盘；47-底板；48-底座；49-滑锁；6-右试样筒；7-左试样筒；70-保温棉；71-插孔；72-压力盒；73-法兰盘；74-箍环。
具体实施方式
以下结合附图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9以及图10对本发明作进一步详细介绍。
一种冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，如图1所示，包括左试样筒7、右试样筒6、数据采集装置2、制冷装置1、给排水装置3以及加压装置4，左试样筒7、右试样筒6均设置在加压装置4的底部，左试样筒7与右试样筒6之间存在距离。左试样筒7的外壁、右试样筒6的外壁均包覆有保温棉70，实现同时进行两组试验的效果。
数据采集装置2分别与左试样筒7、右试样筒6连接。制冷装置1分别与左试样筒7、右试样筒6连接，左试样筒7与右试样筒6并联接入制冷装置1中。这样就可以满足同时进行两组试验。
加压装置4的上部分别与左试样筒7的上部、右试样筒6的上部连接，加压装置4的底部分别与左试样筒7的底部、右试样筒6的底部连接。
给排水装置3的一端分别与左试样筒7的上部、右试样筒6的上部连接，给排水装置3的另一端穿过加压装置4的底部，给排水装置3的另一端分别与左试样筒7的底部、右试样筒6的底部连接。给排水装置3用于分别向左试样筒7、右试样筒6补水、排水。制冷装置1用于分别向左试样筒7、右试样筒6提供冷量。
左试样筒7的侧壁、右试样筒6的侧壁上均开设有多个插孔71，如图1、图2以及图3所示，多个插孔71呈螺旋状设置在左试样筒7的侧壁上、右试样筒6的侧壁上。左试样筒7、右试样筒6均装有冰碛土体，冰碛土体中设置有多个压力盒72，压力盒72的数量与插孔71的数量相等，压力盒72与插孔71位置对应。压力盒72内装有压力传感器，压力传感器将检测到的压力值传输给数据采集仪23。
数据采集装置2包括数据总线24、多个温湿度计25和数据采集仪23，如图1所示，数据采集仪23分别与多个温湿度计25连接，每个温湿度计25与每个插孔71插接，每个温湿度接***土体中，温湿度计25用于检测压力盒72所在土体周围的温度和湿度。由于冰碛土体冻胀产生裂纹后的冻胀力容易集中在最薄弱区，所以采用多个螺旋状分布的方式，在每个插孔71中都***了温湿度计25，防止对其他孔造成应力破坏。数据总线24的一端分别与多个温湿度计25连接，数总线的另一端与数据采集仪23连接。数据采集仪23连接有主机21，主机21连接有显示器22，通过主机21中的信息处理***对压力传感器检测到的压力值和温湿度计25检测的温度、湿度进行分析处理，得到结果信息，将结果信息在显示器22上显示，实现实时监控试验过程中冰碛土样内部的数据采集，反映了冰碛土内部的聚冰演化过程。
左试样筒7与右试样筒6的结构相同，左试样筒7包括上筒和下筒，如图1、图2以及图3所示，上筒与下筒之间设置有法兰盘73，法兰盘73的顶面与上筒的底面连接，法兰盘73的底面与下筒的顶面连接。上筒与下筒结构相同，上筒包括2个半圆筒，2个半圆筒的连接处粘接，具体是在连接处设置有橡胶密封条和凡士林，利用橡胶密封条及凡士林进行连接，上筒、下筒的外壁上均设置有箍环74、法兰盘73，上筒、下筒的连接处通过法兰盘73连接，箍环74的内壁分别与上筒的外壁、下筒的外壁连接，箍环74用于固定左试样筒7、右试样筒6。这样，有利于对冰碛土样进行装、卸样，方便后续对大型冰碛土样进行分层取样及后续X射线衍射分析等。该方法取样可减少扰动，提高了试验试验数据的准确性。
具体的，本实施例中左试样筒7、右试样筒6均为四半圆弧式结构，如图2和图3所示，通过2个玻璃筒的四分之一圆弧拼接方式，能够快速实现冰碛土样的安装及拆卸工作，方便对大型冰碛土样进行卸样，也方便后续对冰碛土样进行取样分析。极大降低了对冰碛土样的扰动，方便后续对冰碛土样做进一步分析。
制冷装置1包括上冷浴盘15、下冷浴盘14，如图1、图4、图5、图6、图7、图8以及图9所示，上冷浴盘15设置在左试样筒7的内壁上部、右试样筒6的内壁上部，下冷浴盘14设置在左试样筒7的内壁下部、右试样筒6的内壁下部。上冷浴盘15分别设置有上溢水口151、上出口152、上探孔153以及上进口154，上冷浴盘15用于分别给左试样筒7的上部补水、排水，上冷浴盘15用于分别给右试样筒6的上部补水、排水。下冷浴盘14分别设置有下补水口141、下出口142、下进口143、下探孔144、以及下溢水口145，下冷浴盘14用于分别给左试样筒7的下部补水、排水，下冷浴盘14用于分别给右试样筒6的下部补水、排水。这样，既满足了对左试样筒7和和右试样筒6降温效能，又能对冰碛土样表面温度进行测量，还能起到将冰碛土样内部水分及时溢水，防止了水分在冷浴盘处聚集，阻碍土体冻胀效果。
具体的，具有的特点是：1.通过对大型冰碛土样内部分层布置温湿度计25和压力盒72，多个插孔71采用螺旋式开设在左试样筒7的侧壁、右试样筒6的侧壁上，实现将温湿度计25以螺旋式穿过左试样筒7和右试样筒6与采集装置连接，可实现冰碛土样单向冻融过程中水热迁移及冻胀力实时监测，反映了冰碛土的聚冰演化过程，达到试验数据的自动检测和反馈作用，同时以防止原位冻胀力对传感器预留孔造成破坏并产生的连锁效应，试验效率及数据准确性高。
2.用法兰盘73、箍环74、橡胶密封条等方式保证左试样筒7、右试样筒6拼装后的密封效果，使试验数据可靠有效。
3.通过上冷浴盘15、下冷浴盘14与给排水装置3连接，实现补水、排水。通过上冷浴盘15、下冷浴盘14与制冷装置1的连接，随时检测冷浴液及冰碛土样顶、底部的温度，可实现冰碛土体的快速降温并且可与温度传感器数据相互验证，提高数据的可信度。通过设置左试样筒7和右试样筒6实现同时进行多组试验的目的。因此，整个试验装置数据均为自动化检测，且可同时进行多组试验，提高了试验精度并极大的缩短了试验周期。
具体的，本实施例中左试样筒7的上部内壁、左试样筒7的下部内壁、右试样筒6的上部内壁以及右试样筒6的下部内壁上均开设有凹槽16，凹槽16用于放置透水石13，实现更好地放置和固定透水石13，放置在试验过程中透水石13发生位移。
具体的，本实施例中加压装置4包括框架42、压力机43以及气压泵40，气压泵40固定于框架42的底面上，压力机43的工作端穿过框架42的顶部，压力机43的工作端与上冷浴盘15连接，气压泵40的出口与压力机43的连接，气压泵40用于向压力机43提供动力。气压泵40上设置有开关401，通过操作开关401开启气压泵40工作，向压力机43提供气源动力。
压力机43的工作端连接有工作杆45，工作杆45与压力机43的工作端固定连接，工作杆45上套设有推盘46，推盘46与工作杆45固定连接。推盘46上设置有位移传感器44。
框架42上设置有支撑杆41，支撑杆41的上端穿过框架42的顶部，支撑杆41的上端与框架42的顶部连接，支撑杆41的下端连接有底板47，底板47的上表面与下冷浴盘14连接。
框架42的底部设置有2个底座48，气压泵40位于2个底座48之间位置处。开启气压泵40，通过气压泵40向压力机43提供压力，压力机43工作后带动推盘46移动，推盘46移动将上冷浴盘15推送至左试样筒7、右试样筒6中，实现对左试样筒7、右试样筒6做好接缝堵漏措施，使得整个试验模型均处于密封状态。
具体的，本实施例中底板47与底座48之间分别设置有多个滑锁49，每个滑锁49的顶面与底板47的底面固定连接，滑锁49的底面与底座48滑动连接。通过滑锁49和底板47将左试样筒7、右试样筒6进行移动，能够快速实现冰碛土样的安装及拆卸工作，极大降低了对土样的扰动，方便后续对冰碛土样做进一步分析。
具体的，本实施例中制冷装置1包括第一试验箱11和第二试验箱12，第一试验箱11的出口与右试样筒6的上冷浴盘15的上进口154连接，右试样筒6的上冷浴盘15的所述上出口152与左试样筒7的上冷浴盘15的上进口154连接，左试样筒7的上冷浴盘15的上出口152与第一试验箱11的进口连接。
第二试验箱12的出口与左试样筒7内的下冷浴盘14的下进口143连接，左试样筒7内的下进口143与右试样筒6的下冷浴盘14的下进口143连接，右试样筒6内的下冷浴盘14的下出口142与第二试验箱12的进口连接。第一试验箱11用于向左试样筒7的上部、右试样筒6的上部提供冷量，第二试验箱12用于向左试样筒7的下部、右试样筒6的下部提供冷量。通过第一试验箱11分别给左试样筒7的上部、右试样筒6的上部提供冷量，通过第二试验箱12分别给左试样筒7的下部、右试样筒6的下部提供冷量，实现冷却装置通过上冷浴盘15、下冷浴盘14冷却并进行多组试验的目的。
具体的，本实施例中给排水装置3包括上排水组件31和下排水组件32，如图1和图10所示，上排水组件31的数据输出端、下排水组件32的数据输出端均与数据采集仪23连接。通过上排水组件31和下排水组件32实现土体补水和排水时水量的实时监测，提高实验数据可靠性。
具体的，本实施例中上排水组件31包括第一排水瓶311和第一给水瓶312，如图10所示，第一给水瓶312的出口连接有第一给水阀313，第一排水瓶311的出口连接有第一排水阀314，上溢水口151分别与第一给水阀313、第一排水阀314连接。第一排水瓶311的底部设置有第一重力传感器315，第一重力传感器315粘接在第一排水瓶311的底部。第一给水瓶312的底部设置有第二重力传感器316，第二重力传感器316粘接在第一给水瓶312的底部。第一重力传感器315、第二重力传感器316均与数据采集仪23数据连接。第一排水瓶311、第一给水瓶312均选用锥形瓶。通过上排水组件31实现对左试样筒7的上部、右试样筒6的上部进行补水和排水的作用，通过第一重力传感器315和第二重力传感器316实时测量补水和排水的水量。
具体的，本实施例中下排水组件32包括第二排水瓶321和第二给水瓶322，如图10所示，第二给水瓶322的出口连接有第二给水阀325，第二给水阀325的出口与下补水口141连接，二给水瓶的底部设置有第四重力传感器324，第四重力传感器324粘接在第二给水瓶322的底部。第二排水瓶321的出口连接有第二排水阀326，第二排水阀326的出口与下溢水口145连接，第二排水瓶321的底部设置有第三重力传感器323，第三重力传感器323粘接在第二排水瓶321的底部。第三重力传感器323、第四重力传感器324均与数据采集仪23数据连接。第二给水瓶322和第二排水瓶321均选用马氏瓶。下排水组件32实现对左试样筒7的下部、右试样筒6的下部进行补水和排水的作用，通过第三重力传感器323和第四重力传感器324实时监测排水和补水的水量。模拟试验过程：
请结合图1-图10，以下是在开放条件下冰碛土单向冻融过程中水、热、力及矿物元素迁移的模拟试验过程：
步骤1：用滑锁49将加压装置4移出，分别将左试样筒7、右试样筒6分成上下两部分进行拼装。具体是：从下往上依次放置下冷浴盘14、橡胶垫、透水石13、左试样筒7的下筒或右试样筒6的下筒。先在左试样筒7的下筒或右试样筒6的下筒的内壁均匀涂抹一层薄薄的凡士林，再将按要求配制好的冰碛土样分层装入左试样筒7或右试样筒6中，并等距离螺旋式***温湿度计25，安装压力盒72，用橡胶泥或玻璃胶涂抹温湿度计25与插孔71之间的间隙，进行完全密封。
步骤2：将左试样筒7的上筒与左试样筒7的下筒利用法兰盘73进行连接，继续进行分层装样，完成后在冰碛土体上方放入透水石13，然后将上冷浴盘15通过压力机43缓慢推入左试样筒7中，放置在透水石13上方。将右试样筒6的上筒与右试样筒6的下筒利用法兰盘73进行连接，继续进行分层装样，完成后在冰碛土体上方放入透水石13，然后将上冷浴盘15通过压力机43缓慢推入左试样筒7中，放置在透水石13上方。
步骤3：将模型筒缓慢推入加压装置4的底座48上，并根据模型架的高度自行设计所需箍环74数量及位置，并在推盘46上安装位移位移传感器44，并做好接缝堵漏措施，使得整个左试样筒7和右试样筒6均处于密封状态。
步骤4：将上冷浴盘15分别与第一排水瓶311和第一给水瓶312连接，下冷浴盘14分别与第二给水瓶322，打开第一给水阀313在试验开始前对冰碛土样进行饱水作用，试验开始后关闭上冷浴盘15第一给水阀313。
步骤5：分别将左试样筒7的上部、右试样筒6的上部与第一试验箱11连接，左试样筒7的下部、右试验筒的下部与第二试验箱12连接。
步骤6：用保温棉70分别包裹两个试验模型筒，并同时打开第二给水阀325和第二排水阀326，完成下冷浴盘14中管道内的排气操作，关闭第二排水阀326，通过下冷浴盘14的进水口对试样进行饱水操作，完成饱水后关闭第二给水阀325。
步骤7：将温湿度计25分别***插孔71中，并将温湿度计25通过数据线与数据采集仪23连接，确保连接线路正确无误。
步骤8：根据提前测量好的冰碛土体的冻结温度，在第一试验箱11和第二试验箱12中设定冰碛土体单向冻融试验时最低冻结温度，设定的冷端温度应低于冰碛土体的冻结温度，本试验设计下端为暖端、上端为冷端，开启第一试验箱11和第二试验箱12一段时间后，观察上冷浴盘15、下冷浴盘14中温度探针测量的温度值与仪器所设温度值是否一致，进一步达到相互验证的目的。
步骤9：在开始进行冻结试验前，打开下冷浴盘14中的第二给水阀325门，关闭出水口阀门。单向融化时关闭第二给水阀325，打开第二排水阀326门；由计算机处理器中的试验配制软件设置数据采集初始流速、信息采集间隔、进出水量差异等信息，达到数据信息的实时反馈作用。
步骤10：达到试验要求后，第一试验箱11、第二试验箱12、计算机以及数据采集仪23工作停止运行，快速用滑锁49将冰碛土样推出进行取样，将试样分层进行X射线衍射分析，可探究冰碛土样在不同位置的矿物元素迁移规律。本次大型冰碛土体单向冻融循环试验结束。
1.通过对大型冰碛土样内部分层布置温湿度计25和压力盒72，多个插孔71采用螺旋式开设在左试样筒7的侧壁、右试样筒6的侧壁上。通过测试冰碛土在不同时刻、不同位置处的温湿度以及冻胀力大小，可反映冰碛土在冻融过程中不同时刻、不同位置处的聚冰冻胀效果。实现冰碛土样单向冻融过程中水热迁移及冻胀力实时监测，达到试验数据的自动检测和反馈作用。同时螺旋式的布设方式可防止原位冻胀力对试样筒上的传感器预留孔造成破坏并产生的连锁效应，试验效率及数据准确性高。
2.用法兰盘73、箍环74、橡胶密封条等方式保证了左试样筒7、右试样筒6拼装后的密封效果，同时左试样筒7、右试样筒6均采用四半圆弧式结构方便对样品进行拆卸，可减少扰动，提高了试验数据的准确性。
3.通过上冷浴盘15、下冷浴盘14与给排水装置3连接，实现补水、排水的目的。通过上冷浴盘15、下冷浴盘14与制冷装置1的连接，随时检测冷浴液及冰碛土样顶、底部的温度，可实现冰碛土体的快速降温并且可与温湿度计采集的数据相互验证，提高数据的可信度。通过设置左试样筒7和右试样筒6也实现了同时进行多组试验的目的。因此，整个试验装置数据均为自动化检测，且可同时进行多组试验，提高了试验精度并极大的缩短了试验周期。
本具体实施例仅仅是对发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，其特征在于：包括左试样筒(7)、右试样筒(6)、数据采集装置(2)、制冷装置(1)、给排水装置(3)以及加压装置(4)，所述左试样筒(7)、所述右试样筒(6)均设置在所述加压装置(4)的底部，所述左试样筒(7)与所述右试样筒(6)之间存在距离；
所述数据采集装置(2)分别与所述左试样筒(7)、所述右试样筒(6)以及所述给排水装置(4)连接；所述制冷装置(1)分别与所述左试样筒(7)、所述右试样筒(6)连接，所述左试样筒(7)与所述右试样筒(6)并联接入所述制冷装置(1)中；
所述加压装置(4)的上部分别与所述左试样筒(7)的上部、所述右试样筒(6)的上部连接，所述加压装置(4)的底部分别与所述左试样筒(7)的底部、所述右试样筒(6)的底部连接；
所述给排水装置(3)的一端分别与所述左试样筒(7)的上部、所述右试样筒(6)的上部连接，所述给排水装置(3)的另一端穿过所述加压装置(4)的底部，所述给排水装置(3)的另一端分别与所述左试样筒(7)的底部、所述右试样筒(6)的底部连接；所述给排水装置(3)用于分别向所述左试样筒(7)、所述右试样筒(6)补水、排水；所述制冷装置(1)用于分别向所述左试样筒(7)、所述右试样筒(6)提供冷量；
所述左试样筒(7)的侧壁、所述右试样筒(6)的侧壁上均开设有多个插孔(71)，多个所述插孔(71)呈螺旋状分别设置在所述左试样筒(7)的侧壁上、所述右试样筒(6)的侧壁上；所述左试样筒(7)、所述右试样筒(6)均装有土体，所述土体中设置有多个压力盒(72)，所述压力盒(72)的数量与所述插孔(71)的数量相等，所述压力盒(72)与所述插孔(71)位置对应；
所述数据采集装置(2)包括多个温湿度计(25)和数据采集仪(23)，所述数据采集仪(23)分别与多个所述温湿度计(25)连接，每个温湿度计(25)与每个所述插孔(71)插接，每个所述温湿度接***所述土体中，所述温湿度计(25)用于检测所述压力盒(72)所在土体周围的温度和湿度；
所述左试样筒(7)与所述右试样筒(6)的结构相同，所述左试样筒(7)包括上筒和下筒，所述上筒与所述下筒之间设置有法兰盘(73)，所述法兰盘(73)的顶面与所述上筒的底面连接，所述法兰盘(73)的底面与所述下筒的顶面连接；所述上筒与所述下筒结构相同，所述上筒包括2个半圆筒，2个所述半圆筒的连接处粘接，所述上筒、所述下筒的外壁上均设置有箍环(74)，所述箍环(74)的内壁分别与所述上筒的外壁、所述下筒的外壁连接，所述箍环(74)用于固定所述左试样筒(7)、所述右试样筒(6)；
所述制冷装置(1)包括上冷浴盘(15)、下冷浴盘(14)，所述上冷浴盘(15)分别与所述左试样筒(7)的上部内壁、所述右试样筒(6)的上部内壁连接，所述下冷浴盘(14)分别所述左试样筒(7)的下部内壁、所述右试样筒(6)的下部内壁连接；所述上冷浴盘(15)分别设置有上溢水口(151)、上出口(152)、上探孔(153)以及上进口(154)，所述上冷浴盘(15)用于分别给所述左试样筒(7)的上部补水、排水，所述上冷浴盘(15)用于分别给所述右试样筒(6)的上部补水、排水；所述下冷浴盘(14)分别设置有下补水口(141)、下出口(142)、下进口(143)、下探孔(144)、以及下溢水口(145)，所述下冷浴盘(14)用于分别给所述左试样筒(7)的下部补水、排水，所述下冷浴盘(14)用于分别给所述右试样筒(6)的下部补水、排水。
2.根据权利要求1所述的冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，其特征在于：所述左试样筒(7)的上部内壁、所述左试样筒(7)的下部内壁、所述右试样筒(6)的上部内壁以及所述右试样筒(6)的下部内壁上均开设有凹槽(16)，所述凹槽(16)用于放置透水石(13)。
3.根据权利要求1所述的土体室内模型试验***，其特征在于：所述左试样筒(7)、所述右试样筒(6)均为四半圆弧式结构。
4.根据权利要求1所述的冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，其特征在于：所述加压装置(4)包括框架(42)、压力机(43)以及气压泵(40)，所述气压泵(40)固定于所述框架(42)的底面上，所述压力机(43)的工作端穿过所述框架(42)的顶部，所述压力机(43)的工作端与所述上冷浴盘(15)连接，所述气压泵(40)的出口与所述压力机(43)的连接，所述气压泵(40)用于向所述压力机(43)提供动力；
所述压力机(43)的工作端连接有工作杆(45)，所述工作杆(45)与所述压力机(43)的工作端固定连接，所述工作杆(45)上套设有推盘(46)，所述推盘(46)与所述工作杆(45)固定连接；所述推盘(46)上设置有位移传感器(44)；
所述框架(42)上设置有支撑杆(41)，所述支撑杆(41)的上端穿过所述框架(42)的顶部，所述支撑杆(41)的上端与所述框架(42)的顶部连接，所述支撑杆(41)的下端连接有底板(47)，所述底板(47)的上表面与下冷浴盘(14)连接；所述框架(42)的底部设置有2个底座(48)，所述气压泵(40)位于2个所述底座(48)之间位置处。
5.根据权利要求4所述的冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，其特征在于：所述底板(47)与所述底座(48)之间分别设置有多个滑锁(49)，每个所述滑锁(49)的顶面与所述底板(47)的底面固定连接，所述滑锁(49)的底面与所述底座(48)滑动连接。
6.根据权利要求1所述的冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，其特征在于：所述制冷装置(1)包括第一试验箱(11)和第二试验箱(12)，所述第一试验箱(11)的出口与所述右试样筒(6)的所述上冷浴盘(15)的所述上进口(154)连接，所述右试样筒(6)的所述上冷浴盘(15)的所述上出口(152)与所述左试样筒(7)的所述上冷浴盘(15)的所述上进口(154)连接，所述左试样筒(7)的所述上冷浴盘(15)的所述上出口(152)与所述第一试验箱(11)的进口连接；
所述第二试验箱(12)的出口与所述左试样筒(7)内的所述下冷浴盘(14)的所述下进口(143)连接，所述左试样筒(7)内的所述下进口(143)与所述右试样筒(6)的所述下冷浴盘(14)的所述下进口(143)连接，所述右试样筒(6)内的所述下冷浴盘(14)的所述下出口(142)与所述第二试验箱(12)的进口连接；所述第一试验箱(11)用于向所述左试样筒(7)的上部、所述右试样筒(6)的上部提供冷量，所述第二试验箱(12)用于向所述左试样筒(7)的下部、所述右试样筒(6)的下部提供冷量。
7.根据权利要求1所述的冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，其特征在于：所述给排水装置(3)包括上排水组件(31)和下排水组件(32)，所述上排水组件(31)的数据输出端、所述下排水组件(32)的数据输出端均与所述数据采集仪(23)连接。
8.根据权利要求7所述的冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，其特征在于：所述上排水组件(31)包括第一排水瓶(311)和第一给水瓶(312)，所述第一给水瓶(312)的出口连接有第一给水阀(313)，所述第一排水瓶(311)的出口连接有第一排水阀(314)，所述上溢水口(151)分别与所述第一给水阀(313)、所述第一排水阀(314)连接；所述第一排水瓶(311)的底部设置有第一重力传感器(315)，所述第一重力传感器(315)粘接在所述第一排水瓶(311)的底部；所述第一给水瓶(312)的底部设置有第二重力传感器(316)，所述第二重力传感器(316)粘接在所述第一给水瓶(312)的底部；所述第一重力传感器(315)、所述第二重力传感器(316)均与所述数据采集仪(23)数据连接。
9.根据权利要求7所述的冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，其特征在于：所述下排水组件(32)包括第二排水瓶(321)和第二给水瓶(322)，所述第二给水瓶(322)的出口连接有第二给水阀(325)，所述第二给水阀(325)的出口与所述下补水口(141)连接，所述二给水瓶的底部设置有第四重力传感器(324)，所述第四重力传感器(324)粘接在所述第二给水瓶(322)的底部；所述第二排水瓶(321)的出口连接有第二排水阀(326)，所述第二排水阀(326)的出口与所述下溢水口(145)连接，所述第二排水瓶(321)的底部设置有第三重力传感器(323)，所述第三重力传感器(323)粘接在所述第二排水瓶(321)的底部；第三重力传感器(323)、第四重力传感器(324)均与所述数据采集仪(23)数据连接。
10.根据权利要求所述的冰碛土聚冰演化过程室内模型试验***，其特征在于：所述第一试验箱(11)、所述第二试验箱(12)均选用高低温试验箱。
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