CN204882378U - 一种冻土中水分迁移过程追踪装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冻土中水分迁移过程追踪装置，其包括土样槽、上冷浴板和下冷浴槽，土样槽由有机玻璃宽板、有机玻璃窄板和下冷浴板组成，下冷浴板可连接外置马氏补水瓶模拟地下水补给，上冷浴板上设有冷冻液的进口和出口，下冷浴槽由有机玻璃板槽、蛇形铜管组成。实验时首先将荧光剂、水和土的混合料填充于土样槽内，然后将土样槽置于下冷浴槽内，上冷浴板置于土体的顶部，下冷浴板连接马氏补水瓶，采用连接外部降温装置的上冷浴板和下冷浴槽为土体进行单向降温，试验过程中开启紫光灯和数码相机，追踪土体冻结过程中的水分迁移过程。本实用新型结构简单、操作方便，可直观的观察冻土中的水分迁移过程。

Description

一种冻土中水分迁移过程追踪装置

技术领域

本实用新型涉及一种冻土中水分迁移过程追踪装置，属室内土工低温试验技术领域。

背景技术

冻土，作为工程中的一种特殊土质，广泛分布于我国东北、华北、西北等地区。随着我国经济的快速发展，冻土地区的铁路、道路、水利、管道等工程建设蓬勃推进，而冻土区土体在冻结过程中水分结晶成冰引起土颗粒位移而形成的冻胀，以及由此衍生出来的融陷、翻浆冒泥、冻拔等病害，一直以来都是困扰冻土区铁路、道路等工程建设的难题，亦是国内外冻土学者研究的焦点问题。

国内外研究学者普遍认为，土体的冻胀由原位冻胀和分凝冻胀组成，而分凝冻胀是土体冻胀的主要分量。分凝冻胀是由冻土中水分迁移并在土体中一定部位产生冰分凝而引起的，其中水分迁移的驱动力来自于温度梯度诱导的未冻水势梯度。由此可见，研究冻土中的水分迁移过程、冰晶的形成过程以及冻结锋面的形成过程，对揭示冻土冻胀孕育演化、成灾机理，提出有效的冻害防治措施具有十分重要的工程实际意义。然而，实验设备、实验技术、手段的匮乏一直以来都是冻土中水分迁移规律研究难以深入的瓶颈；国内外目前普遍采用两种方式研究土体冻结过程中的水分迁移规律，一是采用烘干法测试冻结前后不同高度位置土体含水量的方法，该方法仅能得到土体冻结前后的含水量分布状态，无法对水分迁移过程进行分析；二是采用水分传感器测试冻结过程中土体内含水量的变化，该方法虽能对水分迁移过程进行监测，但是缺乏可视性，同时含水量的测试也多为体积含水量。

因此迫切需要一种可方便的对冻土中水分迁移过程进行追踪的方法。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便、可视性强的冻土中水分迁移过程追踪装置。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种冻土中水分迁移过程追踪装置，其关键技术在于：其包括土样槽、上冷浴板以及下冷浴槽；

所述土样槽包括平行且对称设置的两有机玻璃宽板、平行且对称设置的有机玻璃窄板以及下冷浴板，所述有机玻璃宽板与机玻璃窄板垂直设置，所述有机玻璃宽板与机玻璃窄板围合成横截面为矩形的试样槽，该试样槽的底部为下冷浴板；所述有机玻璃宽板与机玻璃窄板经固定螺栓定位连接；所述有机玻璃宽板上设有若干个温度测孔；

所述下冷浴板上内设有补水通道，所述补水通道由连接补水口和排气口的主通道和连接土样底部的分通道组成，所述主通道和分通道连通；

所述上冷浴板包括一矩形管，所述矩形管上设有冷冻液进口和冷冻液出口；

所述下冷浴槽包括有机玻璃板槽和设置于有机玻璃板槽底部的蛇形铜管，所述有机玻璃板槽的冷冻液进口端和冷冻液出口端延伸至机玻璃板槽外部；

所述土样槽设于下冷浴槽内部，所述上冷浴板设于样槽内土体的上方。

优选的，所述有机玻璃宽板、有机玻璃窄板和下冷浴板借助密封胶和固定螺栓拼装为一体。

优选的，所述有机玻璃宽板的透光率至少为95%。

优选的，所述上冷浴板、下冷浴板均为不锈钢材质。

优选的，所述下冷浴槽的内部净高与下冷浴板的净高相同。

优选的，所述补水口和排气口与下冷浴板顶部齐平。

上述实验装置的实验方法为：首先将荧光剂、水和土的混合料填充于土样槽内，自土样槽上的温度测孔***温度传感器，然后将土样槽置于下冷浴槽内，将上冷浴板置于土样槽内的土体的顶部，连接补水口至马氏补水瓶，待补水通道内充满水后，关闭排气口，然后采用连接外部降温装置的上冷浴板和下冷浴槽为土体进行单向降温，试验过程中开启紫光灯和数码相机，追踪土体冻结过程中的水分迁移过程。

进一步的改进，为土体进行单向降温前需进行12h恒温处理，待土体内温度一致时，再开始降温并开启补水口。

上述方法中，在土体冻结过程中，上冷浴板的温度为负温，下冷浴槽的温度为+1°C，为自上而下的单向冻结模式。所述马氏补水瓶内为纯净水和荧光剂的混合物，所述荧光剂的掺量为每升水5g。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本实用新型设置了土样槽、上冷浴板以及下冷浴槽，其整体结构简单、成本低、操作方便、可视性强、自动化强、使用效果好，可直观的观测和分析冻土中的水分迁移过程、冰晶以及冻结锋面的形成过程，定性地分析地下水补给对冻土病害产生、发展机理。

2、由于设置了上冷浴板、下冷浴板和下冷浴槽，可以为土样槽内的土体进行单向（自上而下）降温，模拟现场土体的单向冻结模式；由于下冷浴板可连接外置马氏补水瓶为土样补水，模拟现场土体冻结过程中的地下水补给作用；由于土样槽采用高透光率的有机玻璃宽板，试验过程中可采用数码相机拍摄土样槽内土体冻结过程中水分迁移过程；由于利用紫光灯下的荧光剂在冻结前后显示不同颜色的特性，可更加直观的观察土体中冰晶的形成过程，并结合温度传感器，实时观测冻结锋面的形成、移动过程；由于实验过程中的土体温度变化、水分补给、数码相机拍照均为计算机控制，具有自动化程度高、可操作性强的特点，减少了人为干扰。

附图说明

图1是本实用新型土样槽的结构示意图；

图2是图1的A-A剖示意图；

图3是本土样槽的俯视示意图；

图4是上冷浴板的结构示意图；

图5是图4的C-C剖示意图；

图6是下冷浴槽的结构示意图；

图7是图6的俯视示意图；

其中，1、有机玻璃宽板，1-1、、温度测孔；2、有机玻璃窄板；3、下冷浴板，3-1、补水通道，3-2、补水口，3-3、排气口；4、固定螺栓；5、上冷浴板，5-1、矩形管，5-2、冷冻液进口，5-3、冷冻液出口；6、下冷浴槽，6-1、有机玻璃板槽，6-2、蛇形铜管，6-3、冷冻液进口端，6-4、冷冻液出口端；7、试样槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本装置包括土样槽、上冷浴板5以及下冷浴槽6。所述土样槽设于下冷浴槽6内部，所述上冷浴板5设于土样槽内土体的上方。

如附图1-附图3所示，所述土样槽包括两块有机玻璃宽板1和两块有机玻璃窄板2以及下冷浴板3，两块有机玻璃宽板1平行且对称，两块有机玻璃窄板2同样为平行且对称设置，所述有机玻璃宽板1与机玻璃窄板2垂直设置，所述有机玻璃宽板1与机玻璃窄板2围合成横截面为矩形的试样槽7，该试样槽7的底部安装有下冷浴板3；所述有机玻璃宽板1、有机玻璃窄板2和下冷浴板3借助密封胶和固定螺栓4拼装为一体。所述有机玻璃宽板2上设有若干个温度测孔1-1。所述下冷浴板3上内设有补水通道3-1，所述补水通道3-1由连接补水口3-2和排气口3-3的主通道和连接土样底部的分通道组成，所述主通道和分通道连通、且垂直设置。所述有机玻璃宽板2的透光率需达到95%。

如附图4和附图5所示，所述上冷浴板5包括一不锈钢矩形管5-1，所述矩形管5-1上设有冷冻液进口5-2和冷冻液出口5-3。所述上冷浴板5、下冷浴板3均为不锈钢板。

如附图6和附图7所示，所述下冷浴槽6包括有机玻璃板槽6-1和设置于有机玻璃板槽6-1底部的蛇形铜管6-2，所述有机玻璃板槽6-1的冷冻液进口端6-3和冷冻液出口端6-4延伸至有机玻璃板槽6-1外部；所述有机玻璃板槽6-1为矩形槽。所述下冷浴槽6的内部净高与下冷浴板3的净高相同。所述补水口3-2和排气口3-3与下冷浴板3顶部齐平。

下面通过两个实施例来说明本实用新型的实验过程。

实施例1

在封闭不补水条件下冻土中水分迁移过程追踪实施过程为：

根据含水量和干土质量得到土中水的含量，按照每升水5g的配比将荧光剂掺入到土中，并封闭养护一昼夜。将养护好的混合料填充于土样槽内，填充至设定位置后***温度传感器，然后将土样槽置于下冷浴槽6内，上冷浴板5置于土体顶部，将下冷浴槽6上的冷冻液进口端6-3和冷冻液出口端6-4以及上冷浴板5上的冷冻液进口5-2和冷冻液出口5-3分别连接至外部降温装置。关闭下冷浴板3的补水口3-2和排气口3-3，并将下冷浴槽6内充满防冻液，开启外部降温装置并均设定至同一温度（+1°C），开始对土体进行恒温。待土体内部温度达到一致时，调整连接上冷浴板5的外部降温装置至某一负温，连接下冷浴槽6的外部降温装置温度不变，并开启紫光灯和数码相机，追踪土体冻结过程中的水分迁移过程、冰晶形成过程和冻结锋面位置。

实施例2

在开敞补水条件下冻土中水分迁移过程追踪实施过程为：

根据含水量和干土质量配制土样，并封闭养护一昼夜。将养护好的混合料填充于土样槽内，填充至设定位置后***温度传感器，然后将土样槽置于下冷浴槽6内，上冷浴板5置于土体顶部，将下冷浴槽6上的冷冻液进口端6-3和冷冻液出口端6-4以及上冷浴板5上的冷冻液进口5-2和冷冻液出口5-3分别连接至外部降温装置。连接下冷浴板3的补水口至外置的马氏补水瓶，开启补水口3-1和排气口3-2，使下冷浴板3内的补水通道充满水和荧光剂的混合液，然后关闭补水口3-1和排气口3-2，其中马氏补水瓶内的混合液为每升水5g荧光剂。并将下冷浴槽6内充满防冻液，开启外部降温装置并均设定至同一温度（+1°C），开始对土体进行恒温。待土体内部温度达到一致时，开启下冷浴板3上的补水口3-1，并调整连接上冷浴板5的外部降温装置至某一负温，连接下冷浴槽6的外部降温装置温度不变，并开启紫光灯和数码相机，追踪土体冻结过程中的水分迁移过程、冰晶形成过程和冻结锋面位置。

Claims (6)

1.一种冻土中水分迁移过程追踪装置，其特征在于：其包括土样槽、上冷浴板（5）以及下冷浴槽（6）；

所述土样槽包括平行且对称设置的两有机玻璃宽板（1）、平行且对称设置的有机玻璃窄板（2）以及下冷浴板（3），所述有机玻璃宽板（1）与机玻璃窄板（2）垂直设置，所述有机玻璃宽板（1）与机玻璃窄板（2）围合成横截面为矩形的试样槽（7），该试样槽（7）的底部为下冷浴板（3）；所述有机玻璃宽板（1）与机玻璃窄板（2）经固定螺栓（4）定位连接；所述有机玻璃宽板（2）上设有若干个温度测孔（1-1）；

所述下冷浴板（3）上内设有补水通道（3-1），所述补水通道（3-1）由连接补水口（3-2）和排气口（3-3）的主通道和连接土样底部的分通道组成，所述主通道和分通道连通；

所述上冷浴板（5）包括一矩形管（5-1），所述矩形管（5-1）上设有冷冻液进口（5-2）和冷冻液出口（5-3）；

所述下冷浴槽（6）包括有机玻璃板槽（6-1）和设置于有机玻璃板槽（6-1）底部的蛇形铜管（6-2），所述有机玻璃板槽（6-1）的冷冻液进口端（6-3）和冷冻液出口端（6-4）延伸至机玻璃板槽（6-1）外部；

所述土样槽设于下冷浴槽（6）内部，所述上冷浴板（5）设于土样槽内土体的上方。

2.根据权利要求1所述的冻土中水分迁移过程追踪装置，其特征在于：所述有机玻璃宽板（1）、有机玻璃窄板（2）和下冷浴板（3）借助密封胶和固定螺栓（4）拼装为一体。

3.根据权利要求1所述的冻土中水分迁移过程追踪装置，其特征在于：所述有机玻璃宽板（2）的透光率至少为95%。

4.根据权利要求1所述的冻土中水分迁移过程追踪装置，其特征在于：所述上冷浴板（5）、下冷浴板（3）均为不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的冻土中水分迁移过程追踪装置，其特征在于：所述下冷浴槽（6）的内部净高与下冷浴板（3）的净高相同。

6.根据权利要求5所述的冻土中水分迁移过程追踪装置，其特征在于：所述补水口（3-2）和排气口（3-3）与下冷浴板（3）顶部齐平。