CN204789419U - 基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉试验装置，实现了在负温环境下，使土体单向冻结、单向融化；能够按照土工试验方法标准(JTG？E40-2007)的要求，在一台仪器上完成冻胀量试验和冻土融化压缩试验。整套仪器由散热/加热箱、试样盒、温度数据采集***、位移数据采集***、水分数据采集***、加压***和补水装置等组成。冻胀融沉仪试样盒采用有机玻璃制成，其尺寸为：内径79.8mm，高40.0mm，能够有效消除融沉时环刀对土样的摩阻力。可综合研究温度、含水率、冻结开放条件、干密度、荷载、冻融循环次数及融化温度对融沉系数的影响规律。通过土壤水分变送器、温度变送器、位移变送器检测这三个转换过程中的未冻水含量、温度、位移的变化，经下位机数据采集终端处理发送至计算机，计算机通过Labview分析数据建立数学模型(得到一个冻土温度及冻土未冻水含量与冻土形变量的数学模型)，形成数据样本集发送给下位机。下位机可以通过直接测量冻土温度或冻土变形量得到冻土未冻水含量。

Description

基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉试验装置

技术领域：

本实用新型涉及土工试验装置领域，具体地说是一种基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉特性试验装置。

背景技术：

冻土地区的工程建设，无论西部的高原冻土，中东部的季节冻土对于工程的影响都是不可忽略的。我国是世界第三冻土大国，多年冻土面积约占我国国土面积的21.5％，而季节冻土区则遍布纬度高于24°的地区，约占国土面积的53.5％。西部地区，特别是青藏高原的工程建设受到了学术界的特别关注，尤其是青藏铁路的建成克服了一系列高原冻土的工程难题。青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的铁路，经过连续多年冻土区550km左右。土在冻结过程、冻融循环过程中体积变化是冻土工程问题中的一个关键性基础问题。一般来说，土在冻结过程中，孔隙水的冻结膨胀会引起土体的膨胀。土体冻胀特性不仅受到孔隙水的影响。土作为一种复杂孔隙介质，其冻胀、冻融循环过程中体变特性存在着巨大差异。

目前关于冻土的融沉特性和预测方法虽然已有许多研究，但这些研究大多针对天然冻土进行，对重塑土在冻结模式、冻结周期冻结速度等方面与天然冻土有着本质区别。冻土的融沉对周围环境的影响要远大于冻胀的影响，冻土融沉过程涉及冻土融沉、土体本构关系变化、融土二次压缩和固结及屠体开挖卸载等过程，是一个高度非线性、时间相关和温度相关的复杂问题，准确进行融沉试验研究以及对冻土冻胀融沉过程中实现实时动态数据采集是进行冻土研究的重要环节，本实用新型的目的在于客服已有技术的不足，提供一种基于Labview冻土含水量、变形量的动态数据采集***，检测冻土水分包括对冻土的未冻水含量和含冰量的检测，以及冻土冻结融化过程中变形量大小检测。

发明内容：

基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉试验装置，该仪器能够在负温环境下，使土体单向冻结、单向融化；能够按照土工试验方法标准(JTGE40-2007)的要求，在一台仪器上完成冻胀量试验和冻土融化压缩试验，实现了在冻融循环全过程中对土样冻胀融沉的水分变化，温度变化，体积变化的监控量测。整套仪器由散热/加热箱、试样盒、温度数据采集***、位移数据采集***、水分数据采集***、加压***和补水装置等组成。其中冻胀融沉仪试样盒采用有机玻璃制成，其尺寸为：内径79.8mm，高40.0mm，能够有效消除融沉时环刀对土样的摩阻力。可综合研究温度、含水率、冻结开放条件、干密度、荷载、冻融循环次数及融化温度对融沉系数的影响规律。通过土壤水分变送器、温度变送器、位移变送器检测这三个转换过程中的未冻水含量、温度、位移的变化，经下位机数据采集终端处理发送至计算机，计算机通过Labview分析数据建立数学模型(得到一个冻土温度及冻土未冻水含量与冻土形变量的数学模型)，形成数据样本集发送给下位机。下位机可以通过直接测量冻土温度或冻土变形量得到冻土未冻水含量。

量测冻土水分含量、位移变形量、温度变化的硬件电路设计主要包含三部分：

(1)实验箱体检测与控制电路：通过土壤温度传感器FC-TRW、土壤水分传感器FC-TRS、直流差动变压器式位移传感器组成的传感器部分电路，以及由加热片和散热片组成的控制电路成为实验箱体检测与控制电路。

(2)中央控制电路：使用STM32系列的ARM处理器控制按键电路，通过串口实现下位机与上位机的通讯。

(3)LCD实时显示电路及上位机界面显示。

本实用新型由于采用上述结构，在进行冻土冻胀融沉实验过程中对含水量、温度、变形数据采集时可实现动态采集。

附图说明：

图1冻胀融沉仪原理示意图。

图2融沉仪试样盒结构图。

附图中:1为水分传感器及温度传感器,2为循环冷水进口，3为循环冷水出口，4为土样，5为试样盒，6为透水石，7为散热片/加热片，8为加压装置，9为温控器，10为恒温水槽，11为循环水泵，12为位移传感器，13为数据采集仪，14为下位机采集显示终端，15为计算机，16为补水装置。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。

如附图所示，一种冻胀融沉试验装置，包括散热/加热箱、试样盒、温度数据采集***、位移数据采集***、水分数据采集***、加压***和补水装置等。进行土体冻胀试验时，土样应按自然沉积方向防止，剥去蜡封和胶带，开启土样筒取出土样。用切土器将原状土样削成直径为79.8mm，高40.0mm的试样，称量确定密度并取余土测定初始含水率。在有机玻璃试样盒内壁涂上一层凡士林，放在底板上并放一张滤纸，然后将试样从顶装入盒内，让其自由滑落在底板上；在试样顶面上放一张滤纸，然后放上顶板，并稍稍加力，以使土柱与顶、底板接触紧密。将盛有试样的试样盒放入实验箱内，实验箱温度由STM32控制加热板和散热板保持恒温。试样周侧、顶、底板内***热内电阻温度计，土壤温度传感器FC-TRW，土壤水分传感器FC-TRS。试样周侧包裹60mm厚的泡沫塑料保温。连接顶底板冷夜循环管路及底板补水管路，供水并排出底板内气泡，调节供水装置水位。开启散热/加热箱，使箱内温度为1℃，试样恒温6h，并检测温度和变形。待试样初始温度均匀达到1℃以后，开始试验。冻胀试验结束后，通过位移数据采集装置读取冻胀变形量，通过水分数据采集***读取冻胀过程中的水分变化。

进行融化压缩试验时，在融化压缩容器内先放透水板，其上放置一张湿润滤纸。将装有试样的试样环放在滤纸上，套上护环。在试样上放滤纸和透水板，调节试验箱温度。放置融化压缩容器位于加压框架中。安装位移传感器。施加1Kpa压力，调平加压杠杆。调整百分表到零位。试样开始融沉时即开动秒表，分别记录1min、2min、5min、10min、30min、60min时的变形量。以后每2h观测记录一次，直至变形量在两小时内小于0.05mm时为止，并测记最后一次变形量。融沉稳定后，停止热水循环，并开始加荷进行压缩试验。加荷等级视实际工程需要确定，宜取50kpa、100kpa、200kpa、400kpa、800kpa，最后一级荷载应比土层的计算压力大100-200kpa。施加每级荷载后24h为稳定标准，并测量相应的压缩量。直至施加最后一级荷载压缩稳定为止。试验结束后迅速拆卸仪器各部件，取出试样。融化压缩实验结束后，通过位移数据采集装置读取融沉变形量，通过水分数据采集***读取荣臣过程中的水分变化。由于试验箱可实现控温，即可通过STM32控制电路改变加热片/散热片的温度来改变融化过程的温度，实现动态数据采集。

Claims (5)

1.基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉试验装置，实现了在负温环境下，使土体单向冻结、单向融化；能够按照土工试验方法标准(JTGE40-2007)的要求，在一台仪器上完成冻胀量试验和冻土融化压缩试验。整套仪器由散热/加热箱、试样盒、温度数据采集***、位移数据采集***、水分数据采集***、加压***和补水装置等组成。可综合研究温度、含水率、冻结开放条件、干密度、荷载、冻融循环次数及融化温度对融沉系数的影响规律。

2.按照权利要求1所述的基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉试验装置，其特征在于所述的冻胀融沉仪试样盒采用有机玻璃制成，其尺寸为：内径79.8mm，高40.0mm，能够有效消除融沉时环刀对土样的摩阻力。

3.按照权利要求1所述的基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉试验装置，其特征在于所述的试样控温装置可实现试样的单向冻结和单向融化。实现了冻胀试验和融沉试验在一台试验装置上进行。

4.按照权利要求1所述的基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉试验装置，其特征在于所述的土壤水分变送器、温度变送器、位移变送器可检测三个转换过程中的未冻水含量、温度、位移的变化。

5.按照权利要求1所述的基于Labview动态数据采集的冻土冻胀融沉试验装置，其特征在于所述的下位机数据采集终端处理发送至计算机，计算机通过Labview分析数据建立数学模型，形成数据样本集发送给下位机，下位机可以通过直接测量冻土温度或冻土变形量得到冻土未冻水含量。