一种模拟冻土自然形成过程的制样装置及制样方法
【专利摘要】本发明公开了一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，包括温控系统、制样系统、压实系统和计算机控制系统；所述温控系统包括保温箱、冷浴装置和循环制冷管道；所述循环制冷管道包括依次贯通的输送冷却液管道、螺旋式制冷管道和回收冷却液管道；所述制样系统包括制样室和制样模具；所述螺旋式制冷管道呈螺旋状环绕在制样室外周面上；所述压实系统包括加载架和压头；所述压头的加载压实速率和进程深度均由计算机控制系统控制。本发明还提供了制样方法，特别适用于利用该制样装置在常温实验室制得不同冻结速率以及不同冻结与压实先后顺序的冻土试样，为研究冻结速率以及压实与冻结顺序对土的力学强度特性的影响的试验提供真实可靠的试样。
【专利说明】一种模拟冻土自然形成过程的制样装置及制样方法
【技术领域】
[0001]本发明是涉及一种适用于模拟冻土自然形成过程的制样装置及制样方法，具体地说是涉及通过控制制备试样的冻结速率以及根据需要选择冻结与压实这两种制样操作的先后顺序，从而模拟冻土在多种自然工况下形成过程的制样装置及不同的制样方法。
【背景技术】
[0002]随着西部大开发战略的持续进行，季节性冻土地区甚至多年冻土地区的基础设施建设正在不断地开展，为了确保该地区工程的安全性与经济性，有必要对多种自然工况下的冻土力学强度特性进行深入研究。三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验在冻土力学性质的研究中有着极为广泛的应用。在进行这两种试验时，制作圆柱形试样是第一步，制得试样的好坏直接决定着试验结果的正确与否，不同的制样方法也将得到不同的试验结果。
[0003]在以往的冻土研究和人工冻土物理力学性能试验MT规范中，冻土的三轴压缩和无侧限抗压强度试样的制作方法通常是:先制得一定含水率条件下的常温试样，然后连同制样模具一起放入低于_30°C的恒温箱中速冻4-6小时，最后将试样在所需试验温度下脱模，并用修土刀修整，装入塑料袋中密封，在试验温度下养护待用。在这种制样过程中，一定含水率的土首先经过压实成为常温状态下的圆柱形土样，然后试样从常温降低到_30°C，土样中的水分完成冻结，形成试验所需要的冻结试样。
[0004]然而，冻土地区的季节性冻融实际上是温度由正温经过数月缓慢变化到负温的过程及其逆过程，而昼夜冻融和气候骤变造成的冻融则是温度由正温经过较短时间迅速变化到负温的过程及其逆过程，因此研究冻结速率对冻土工程稳定的影响具有一定的理论意义和工程价值。
[0005]此外，不同地区的冻土形成方式也有差别，有些地区的冻土是由常温土经过天然沉降固结再遇低温气候冻结而成的，这与规范中所规定的先压实再冻结的制样方法类似；但有些地区的冻土是由蓬松的自然土经过冻结后再人工压实形成的，或者由已冻结的土经开挖后再填筑而形成的，这种冻土在高寒地区填筑工程中比较常见；另外，在某些实际工程中，土的填筑过程就伴随着温度的降低。而且，土的冻结与压实的先后顺序将会影响冰的形成，也影响冰颗粒与土颗粒的胶结形式与胶结程度，最终势必影响冻土的力学性质。因此，在制备试样的过程中考虑试样冻结与压实的先后顺序将有很大的现实意义。
[0006]目前，参阅冻土方面的相关文献，有关冻结速率以及冻结与压实先后顺序对冻土力学性质的影响尚未见报道，有关考虑这两种因素的制样装置及制样方法还未有人提及。因此，研发一种可以考虑这两种因素，从而模拟不同自然工况下冻土形成过程的制样装置及制样方法，对深入开展冻土力学性质研究具有重要意义。
【发明内容】
[0007]本发明的主要目的在于，克服现有技术制备装置对于制备试样所考虑因素上存在偏差而未能制备出更符合不同自然工况下冻土形成过程的试样等方面的不足，提供一种模拟冻土自然形成过程的制样装置及制样方法，特别适用于利用该装置在常温实验室制得不同冻结速率以及不同冻结与压实先后顺序的冻土试样，以使研究试样与自然条件形成下的冻土更符合。
[0008]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，包括温控系统、制样系统、压实系统和计算机控制系统。
[0009]其中，所述温控系统包括保温箱、冷浴装置和循环制冷管道，所述保温箱通过循环制冷管道与冷浴装置相连；所述循环制冷管道包括依次贯通的输送冷却液管道、螺旋式制冷管道和回收冷却液管道；所述输送冷却液管道和回收冷却液管道均分布在保温箱和冷浴装置之间；所述螺旋式制冷管道位于保温箱内部；所述输送冷却液管道上设置有流量控制器。
[0010]同时，所述制样系统包括制样室和制样模具，所述制样室直立型设置在保温箱内部，制样室的上端开口位于保温箱上端面；所述制样模具可匹配式安装进制样室容腔中；所述制样室的底面可拆卸式设置有钢块，所述钢块中设置有通过连接线与计算机控制系统电连接的温度传感器；所述螺旋式制冷管道呈螺旋状环绕在制样室外周面上。
[0011]并且，所述压实系统包括加载架和压头；所述加载架可拆卸式设置在保温箱上端面上；所述压头通过压杆与加载架相连分布在制样室上端开口的正上方，并可竖直压入保温箱内部所设制样室容腔内的制样模具中；所述压头的加载压实速率和进程深度均由计算机控制系统控制。
[0012]本发明的制样装置进一步设置为:所述压实系统还包括绝热板和限位器；所述绝热板设在压头底部并与压头底部尺寸相同；所述加载架包括立式门架、与保温箱上端面接触的底块；所述底块分别分布在保温箱上端面的两端边；所述加载架可通过其底块底部设有的滚轮而沿着保温箱上端面作来回移动；所述限位器设在保温箱上端面上，用于对加载架的来回移动轨迹进行限位。
[0013]本发明的制样装置更进一步设置为:所述制样室钢块底部安装有千斤顶，所述千斤顶用于将完成制样后的制样模具连同所制试样一起顶出；所述钢块底部与千斤顶顶部之间设置有与钢块底部尺寸相同的隔热板；所述钢块和隔热板可一体成型后设置在千斤顶顶部。
[0014]本发明的制样装置更进一步设置为:所述制样室为圆柱形，所述制样模具为圆柱形三开模；所述圆柱形制样室的内径与三开模的外径相同；所述制样室和三开模的高度均为所需制的试样高度的2倍。
[0015]本发明的制样装置更进一步设置为:所述保温箱内部填充有聚氨酯泡沫的保温材料。
[0016]本发明还提供了一种模拟冻土自然形成过程的制样方法，包括如下步骤:
(1)、组装好制备试样所需的模拟冻土自然形成过程的制样装置；
(2)、将位于制样装置中保温箱上方的加载架和压头从制样室上端开口的正上方移开，使制样室的上端开口处于无遮挡状态；
(3)、在制样室圆柱形的容腔底部铺上一层滤纸，再将制样模具三开模的内表面均匀涂上一层娃油后安装进制样室容腔中； (4)、将事先混合拌好的蓬松的土样倒入进制样模具三开模中；
(5)、移回加载架和压头,使压头分布在制样室上端开口的正上方并处于加载压实操作的初始状态；然后通过计算机控制系统控制压头的加载压实速率和进程深度使压头盖住三开模上端口，此时压头处于准压状态，同时压头底部的绝热板可对制样室进行保温；
(6)、根据需要制备不同自然形成过程的冻土试样而采取不同的制样条件和制样顺序进行制备，所述制样条件包括试样所需温度、冻结速率，所述制样顺序包括冻结与压实这两种制样操作的先后顺序；
(7)、待模拟冻土自然形成过程的试样制备好后，将压头从压实状态拉出、并连同加载架从制样室上端开口的正上方移开；
(8)、将制备有试样的制样模具三开模连同所制试样一起从制样室的容腔中取出，将所制试样从制样模具三开模中取出，再放入恒温箱进行恒温保养后待用。
[0017]进一步的，所述步骤(6)的制样顺序为先压实再冻结，或者先冻结再压实，或者边冻结边压实。
[0018]进一步的，所述步骤(6)中的冻结制样操作包括，通过输送冷却液管道上的流量控制器来调节从冷浴装置输送入螺旋式制冷管道的冷却液流量大�。蒲＞呷Ｖ械耐裂薪滴拢煌ü爰扑慊刂葡低诚嗔奈露却衅髁私馔裂露龋辈饬康降奈露任榷ㄔ谑匝栉露仁保慈衔滴陆崾瓿啥辰幔笨杉扑愠鍪匝钠骄辰崴俾�。
[0019]进一步的，所述步骤(6)中的压实制样操作包括，通过计算机控制系统来控制压头的加载压实速率和进程深度，使得制样模具三开模中原有蓬松的土样在压头的压力作用下慢慢地被压实到计算机控制系统所预先设定好的试样高度，从而完成压实。
[0020]进一步的:所述步骤(8)可通过设置在制样室底部的千斤顶将制备有试样的制样模具三开模连同所制试样一起从制样室容腔中顶出；将所制试样从三开模中分离出来后再放入恒温箱进行恒温保养48小时。
[0021 ] 与现有技术相比，本发明一种模拟冻土自然形成过程的制样装置及制样方法具有的有益效果有:
1、与冷浴装置相连的循环制冷管道包括依次贯通的输送冷却液管道、螺旋式制冷管道和回收冷却液管道，所述螺旋式制冷管道呈螺旋状环绕在制样室外周面上，可以保证处于制样室容腔中的制样模具三开模内土样在制备试样过程中，土样的上中下各个部位均能得以均匀降温、快速降温，因而降温效率高、所耗能源少。
[0022]2、通过在输送冷却液管道上设置流量控制器，来实现调节冷浴装置输送入螺旋式制冷管道中冷却液流量大小的目的，从而达到对不同制样土样可采用不同降温速率的可控需求；通过在制样室底面的钢块中设置与计算机控制系统电连接的温度传感器，来及时了解制备过程中的土样温度，当测量到的温度稳定在试样所需温度时，即认为降温结束；而且可根据降温时间计算出试样的平均冻结速率，有利于对冻结操作实现定量化控制。
[0023]3、压实系统和温控系统是相互独立的，可通过采取不同的制样条件和制样顺序进行制备不同的冻土试样；具体可采用先压实再冻结或者先冻结再压实或者边冻结边压实等不同的制样顺序，来模拟不同自然工况下冻土的形成过程，从而制备出符合不同研究所需的真实可靠的试样。
[0024]4、通过计算机控制系统来实现制备试样的自动化控制操作，达到数据反应准确、快速，执行操作有序、可靠，制样过程顺畅、可控等诸多目的，而确保试样制备成功、符合标准。
[0025]5、本发明还具有结构简单、安装方便、牢固可靠、制作成本低、利用率高等优点，一个制样装置即可模拟多种不同自然工况下冻土形成过程来完成不同试样的制备，可大幅降低实验室制备试样的成本支出。
[0026]上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明一种模拟冻土自然形成过程的制样装置的结构示意图；
图2为本发明一种模拟冻土自然形成过程的制样装置的保温箱的剖面结构示意图；
图3为本发明一种模拟冻土自然形成过程的制样装置的制样模具的结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
[0029]如图1、图2及图3所示，一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，包括温控系统、制样系统、压实系统和计算机控制系统。
[0030]其中，所述温控系统包括保温箱1、冷浴装置2和循环制冷管道，所述保温箱I通过循环制冷管道与冷浴装置2相连，所述保温箱I内部填充有聚氨酯泡沫的保温材料；所述循环制冷管道包括依次贯通的输送冷却液管道21、螺旋式制冷管道22和回收冷却液管道23 ；所述输送冷却液管道21和回收冷却液管道23均分布在保温箱I和冷浴装置2之间；所述螺旋式制冷管道22位于保温箱I内部；所述输送冷却液管道21上设置有流量控制器24。
[0031]所述制样系统包括制样室3和制样模具4，所述制样室3为圆柱形，所述制样模具4为圆柱形三开模；所述圆柱形制样室3的内径与三开模的外径相同；所述制样室3和三开模的高度均为所需制的试样高度的2倍。所述制样室3直立型设置在保温箱I内部，制样室3的上端开口位于保温箱I上端面；所述制样模具4可匹配式安装进制样室3容腔中；所述制样室3的底面可拆卸式设置有钢块31，所述钢块31中设置有通过连接线50与计算机控制系统5连接的温度传感器32 ;所述螺旋式制冷管道22呈螺旋状环绕在制样室3外周面上；所述制样室钢块31底部安装有千斤顶33，所述千斤顶33用于将完成制样后的制样模具4连同所制试样一起顶出；所述钢块31底部与千斤顶33顶部之间设置有与钢块31底部尺寸相同的隔热板34 ;所述钢块31和隔热板34可一体成型后设置在千斤顶33顶部。
[0032]所述压实系统包括加载架6和压头7 ;所述加载架6可拆卸式设置在保温箱I上端面上；所述压头7通过压杆70与加载架6相连分布在制样室3上端开口的正上方，并可竖直压入保温箱I内部所设制样室3容腔内的制样模具4中；所述压头7的加载压实速率和进程深度均由计算机控制系统5控制。所述压实系统还包括绝热板71和限位器72 ;所述绝热板71设在压头7底部并与压头7底部尺寸相同；所述加载架6包括立式门架61、与保温箱I上端面接触的底块62 ;所述底块62分别分布在保温箱I上端面的两端边；所述加载架6可通过其底块62底部设有的滚轮63而沿着保温箱I上端面作来回移动；所述限位器72设在保温箱I上端面上，数量为四个，用于对加载架6的来回移动轨迹进行限位。
[0033]根据图1、图2和图3所示的制样装置可以制备不同自然形成过程的冻土试样，具体制样方法的步骤为:先将加载架6通过底块62底部的滚轮63滑移至保温箱I上端面一侦牝使得制样室3的上端开口处于无遮挡状态，此时的限位器72可以防止加载架6滑移过度翻落；再在制样室3圆柱形的容腔底部铺上一层滤纸，将制样模具三开模的内表面均匀涂上一层硅油后安装进制样室3容腔中；然后将事先混合拌好的蓬松的土样倒入进制样模具三开模中；接着移回加载架6和压头7，使压头7分布在制样室3上端开口的正上方并处于加载压实操作的初始状态；后通过计算机控制系统5控制压头7的加载压实速率和进程深度，使压头7盖住制样模具4的上端口，此时压头7处于准压状态，同时压头7底部的绝热板71可对制样室3进行保温。
[0034]再根据需要制备不同自然形成过程的冻土试样而采取不同的制样条件和制样顺序进行制备，所述制样条件包括试样所需温度、冻结速率，所述制样顺序包括冻结与压实这两种制样操作的先后顺序；然后等待模拟冻土自然形成过程的试样制备好后，将压头7从压实状态拉出、并连同加载架6从制样室3上端开口的正上方移开；最后可通过设置在制样室3底部的千斤顶33将制备有试样的制样模具4连同所制试样一起从制样室3容腔中顶出；将所制试样脱离三开模，再放入恒温箱进行恒温保养48小时后待用。
[0035]根据需要制备不同自然形成过程的冻土试样可采取的制样顺序有先压实再冻结，或者先冻结再压实，或者边冻结边压实等顺序。
[0036]采用先压实再冻结的制样顺序具体体现在:先通过计算机控制系统5来控制压头7的加载压实速率和进程深度，使得制样模具三开模中原有蓬松的土样在压头的压力作用下慢慢地被压实到计算机控制系统5所预先设定好的试样高度，从而完成压实。然后通过输送冷却液管道21上的流量控制器24来调节从冷浴装置2输送入螺旋式制冷管道22的冷却液流量大�。蒲＞呷�4中的土样进行降温；同时，通过与计算机控制系统5相连的温度传感器32 了解土样温度，当测量到的温度稳定在试样所需温度时，即认为降温结束，从而完成冻结。最后将制备有试样的制样模具4连同所制试样一起从制样室3的容腔中取出，将所制试样脱离三开模，再放入恒温箱进行恒温保养后待用。
[0037]采用先冻结再压实的制样顺序具体体现在:先通过输送冷却液管道21上的流量控制器24来调节从冷浴装置2输送入螺旋式制冷管道22的冷却液流量大�。蒲＞呷�4中的土样进行降温；同时，通过与计算机控制系统5相连的温度传感器32 了解土样温度，当测量到的温度稳定在试样所需温度时，即认为降温结束，从而完成冻结。然后通过计算机控制系统5来控制压头7的加载压实速率和进程深度，使得制样模具三开模中原有蓬松的土样在压头的压力作用下慢慢地被压实到计算机控制系统5所预先设定好的试样高度，从而完成压实。最后将制备有试样的制样模具4连同所制试样一起从制样室3的容腔中取出，将所制试样脱离三开�：螅俜湃牒阄孪浣泻阄卤Ｑ蟠�。
[0038]采用边冻结边压实的制样顺序具体体现在:通过输送冷却液管道21上的流量控制器24来调节从冷浴装置2输送入螺旋式制冷管道22的冷却液流量大�。蒲＞呷�4中的土样进行降温；与此同时，通过计算机控制系统5来控制压头7的加载压实速率和进程深度，使得制样模具三开模中原有蓬松的土样在压头的压力作用下慢慢地被压实到计算机控制系统5所预先设定好的试样高度。期间，通过与计算机控制系统5相连的温度传感器32 了解土样温度，当测量到的温度稳定在试样所需温度时，即认为降温结束，同时完成冻结和压实。最后将制备有试样的制样模具4连同所制试样一起从制样室3的容腔中取出，将所制试样脱离三开�：螅俜湃牒阄孪浣泻阄卤Ｑ蟠�。
[0039]本发明的创新点在于，压实系统和温控系统是相互独立的，可通过采取不同的制样条件和制样顺序进行制备不同的冻土试样，为研究冻结速率以及压实与冻结顺序对土的力学强度特性的影响的试验提供真实可靠的试样；而且，螺旋式制冷管道和流量控制器的设置更可保证制样模具三开模内土样在制备试样过程中，土样的上中下各个部位均能得以均匀降温、快速降温、可控性降温，从而实现高效降温、低能耗制样，大幅降低实验室制备试样的成本支出。
[0040]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，其特征在于:包括温控系统、制样系统、压实系统和计算机控制系统； 所述温控系统包括保温箱、冷浴装置和循环制冷管道，所述保温箱通过循环制冷管道与冷浴装置相连；所述循环制冷管道包括依次贯通的输送冷却液管道、螺旋式制冷管道和回收冷却液管道；所述输送冷却液管道和回收冷却液管道均分布在保温箱和冷浴装置之间；所述螺旋式制冷管道位于保温箱内部；所述输送冷却液管道上设置有流量控制器； 所述制样系统包括制样室和制样模具，所述制样室直立型设置在保温箱内部，制样室的上端开口位于保温箱上端面；所述制样模具可匹配式安装进制样室容腔中；所述制样室的底面可拆卸式设置有钢块，所述钢块中设置有通过连接线与计算机控制系统连接的温度传感器；所述螺旋式制冷管道呈螺旋状环绕在制样室外周面上； 所述压实系统包括加载架和压头；所述加载架可拆卸式设置在保温箱上端面上；所述压头通过压杆与加载架相连分布在制样室上端开口的正上方，并可竖直压入保温箱内部所设制样室容腔内的制样模具中；所述压头的加载压实速率和进程深度均由计算机控制系统控制。
2.根据权利要求1所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，其特征在于:所述压实系统还包括绝热板和限位器；所述绝热板设在压头底部并与压头底部尺寸相同；所述加载架包括立式门架、与保温箱上端面接触的底块；所述底块分别分布在保温箱上端面的两端边；所述加载架可通过其底块底部设有的滚轮而沿着保温箱上端面作来回移动；所述限位器设在保温箱上端面上，用于对加载架的来回移动轨迹进行限位。
3.根据权利要求1所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，其特征在于:所述制样室钢块底部安装有千斤顶，所述千斤顶用于将完成制样后的制样模具连同所制试样一起顶出；所述钢块底部与千斤顶顶部之间设置有与钢块底部尺寸相同的隔热板；所述钢块和隔热板可一体成型后设置在千斤顶顶部。
4.根据权利要求1所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，其特征在于:所述制样室为圆柱形，所述制样模具为圆柱形三开模；所述圆柱形制样室的内径与三开模的外径相同；所述制样室和三开模的高度均为所需制的试样高度的2倍。
5.根据权利要求1所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，其特征在于:所述保温箱内部填充有聚氨酯泡沫的保温材料。
6.一种模拟冻土自然形成过程的制样方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)、组装好制备试样所需的模拟冻土自然形成过程的制样装置； (2)、将位于制样装置中保温箱上方的加载架和压头从制样室上端开口的正上方移开，使制样室的上端开口处于无遮挡状态； (3)、在制样室圆柱形的容腔底部铺上一层滤纸，再将制样模具三开模的内表面均匀涂上一层娃油后安装进制样室容腔中； (4)、将事先混合拌好的蓬松的土样倒入进制样模具三开模中； (5)、移回加载架和压头,使压头分布在制样室上端开口的正上方并处于加载压实操作的初始状态；然后通过计算机控制系统控制压头的加载压实速率和进程深度使压头盖住三开模上端口，此时压头处于准压状态，同时压头底部的绝热板可对制样室进行保温； (6)、根据需要制备不同自然形成过程的冻土试样而采取不同的制样条件和制样顺序进行制备，所述制样条件包括试样所需温度、冻结速率，所述制样顺序包括冻结与压实这两种制样操作的先后顺序； (7)、待模拟冻土自然形成过程的试样制备好后，将压头从压实状态拉出、并连同加载架从制样室上端开口的正上方移开； (8)、将制备有试样的制样模具三开模连同所制试样一起从制样室的容腔中取出，将所制试样从制样模具三开模中取出，再放入恒温箱进行恒温保养后待用。
7.根据权利要求6所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样方法，其特征在于:所述步骤(6)的制样顺序为先压实再冻结，或者先冻结再压实，或者边冻结边压实。
8.根据权利要求6所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样方法，其特征在于:所述步骤(6)中的冻结制样操作包括，通过输送冷却液管道上的流量控制器来调节从冷浴装置输送入螺旋式制冷管道的冷却液流量大小，进而给制样模具三开模中的土样进行降温；通过与计算机控制系统相连的温度传感器了解土样温度，当测量到的温度稳定在试样所需温度时，即认为降温结束，完成冻结，同时可计算出试样的平均冻结速率。
9.根据权利要求6所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样方法，其特征在于:所述步骤(6)中的压实制样操作包括，通过计算机控制系统来控制压头的加载压实速率和进程深度，使得制样模具三开模中原有蓬松的土样在压头的压力作用下慢慢地被压实到计算机控制系统所预先设定好的试样高度，从而完成压实。
10.根据权利要求6所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样方法，其特征在于:所述步骤(8 )可通过设置在制样室底部的千斤顶将制备有试样的制样模具三开模连同所制试样一起从制样室容腔中顶出；将所制试样从三开模中分离出来后再放入恒温箱进行恒温保养48小时。
【文档编号】G01N1/28GK104297030SQ201410544992
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】许雷, 鲁洋, 刘斯宏, 李卓, 王柳江, 谢浩, 樊科伟 申请人:河海大学
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