一种冻胀仪

1.一种冻胀仪，包括支撑部分、温度控制部分、土工试验部分和数据采集部分；其特征是所述支撑部分包括底板、固定在底板上的两根导向柱、设在所述导向柱上部的连接板、设在连接板上的限位部件；所述土工试验部分包括土样装置和砝码加载装置，其中土样装置包括设在所述底板上的下温盘、设在下温盘上的玻璃试样筒、设在玻璃试样筒顶上的上温盘、设在玻璃试样筒外围的保温罩、通入下温盘内用于模拟调节土样中地下水位高度的补水装置，所述补水装置包括通过水管通入下温盘内，且可调节高度的马氏瓶量筒，砝码加载装置包括位于所述限位部件下方且套在所述两根导向柱上可上下运动的活动板、与所述活动板连接的砝码盘；所述温度控制部分包括分别与上温盘和下温盘连接且可调节温度的温度控制系统；所述数据采集部分包括设在所述玻璃试样筒上的温度探头和含水率探头、设在所述上温盘与所述活动板之间的压力传感器、设在所述砝码加载装置和所述支撑部分之间的位移传感器。
2.根据权利要求1所述的冻胀仪，其特征是所述保温罩为铰接在所述导向柱上的两片弧形罩。
3.根据权利要求2所述的冻胀仪，其特征是所述连接板和活动板上分别设有相互配合的挂钩和吊环。
4.根据权利要求3所述的冻胀仪，其特征是所述玻璃试样筒上设有竖直布置的若干温度测量孔和含水率测量孔、与温度测量孔和含水率测量孔配套的插销，所述温度探头和含水率探头的数量及尺寸分别与所述温度测量孔和含水率测量孔相适配。
5.根据权利要求4所述的冻胀仪，其特征是所述玻璃试样筒外侧设有凹槽。
6.根据权利要求5所述的冻胀仪，其特征是所述位移传感器采用磁环传感器，包括设在所述导向柱上的固定部分和设在所述活动板上的活动部分。
7.根据权利要求6所述的冻胀仪，其特征是所述压力传感器采用S形压力传感器。

一种冻胀仪\n技术领域\n[0001] 本发明属于路基测量设备。具体涉及一种冻胀仪。\n背景技术\n[0002] 冻胀是由于土中水的冻结和冰体（特别是凸镜状冰体）的增长引起土体膨胀、地表不均匀隆起的作用。由于我国北方覆盖了大量季节性冻土，随着工程建设飞速发展与规模不断扩大，铁路以及公路路基冻胀已经成为一个不可忽视亟待解决的工程问题，冻胀现象严重损害工程质量甚至危机到结构安全，研究冻胀的问题的实质即为研究土中水分迁移以及结冻过程。研究表明，在冬季外界温度足够低的情况下，列车通过路基时会产生一定频率（10-30HZ）的动荷载，动荷载施加在路基土体时会产生超孔隙水压，使得土体中水份往上迁移至冻结锋面（温度为0°C的位置）与冰透镜体接触完成冻结过程，进一步加深冻胀。其中现有理论已经完善地论证了循环动荷载与超空隙水压的数值关系（盛岱超, 张升, 李希“高速列车与路基冻胀相互作用机理” [J]. 《岩土工程学报》, 2013, 35(12): 2186-2191），即可将循环动荷载折算为对应的地下水位水头高度。一般认为土体的冻胀力大小、冻胀位移等力学参数与土壤种类，外界环境温度，上覆压力，以及水头高度（等价于循环动荷载产生的超空隙水压作用）有关。因此，在铁路特别是高速铁路施工中需要借助专门测量设备获取沿线路基冻胀以及水分迁移的情况，为工程实践提供理论支撑与可靠依据。现有测量路基冻胀的设备存在功能少、精度不高、适用性不广、使用不方便等不足，已不能适应铁路快速发展的需要。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种功能多、精度高、适用性广、使用方便的冻胀仪。\n[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：\n[0005] 本发明提供的冻胀仪，包括支撑部分、温度控制部分、土工试验部分和数据采集部分；所述支撑部分包括底板、固定在底板上的两根导向柱、设在所述导向柱上部的连接板、设在连接板上的限位部件；所述土工试验部分包括土样装置和砝码加载装置，其中土样装置包括设在所述底板上的下温盘、设在下温盘上的玻璃试样筒、设在玻璃试样筒顶上的上温盘、设在玻璃试样筒外围的保温罩、通入下温盘内的补水装置，砝码加载装置包括位于所述限位部件下方且套在所述两根导向柱上可上下运动的活动板、与所述活动板连接的砝码盘；所述温度控制部分包括分别与上温盘和下温盘连接的温度控制系统；所述数据采集部分包括设在所述玻璃试样筒上的温度探头和含水率探头、设在所述上温盘与所述活动板之间的压力传感器、设在所述砝码加载装置和所述支撑部分之间的位移传感器。\n[0006] 所述保温罩为铰接在所述导向柱上的两片弧形罩。\n[0007] 所述玻璃试样筒外侧设有凹槽。\n[0008] 所述补水装置采用可调节高度的马氏瓶量筒。\n[0009] 所述连接板和活动板上分别设有相互配合的挂钩和吊环。\n[0010] 所述玻璃试样筒上设有竖直布置的若干温度测量孔和含水率测量孔、与温度测量孔和含水率测量孔配套的插销，所述温度探头和含水率探头的数量及尺寸分别与所述温度测量孔和含水率测量孔相适配。\n[0011] 所述位移传感器采用磁环传感器，包括设在所述导向柱上的固定部分和设在所述活动板上的活动部分。\n[0012] 所述压力传感器采用S形压力传感器。\n[0013] 本发明的有益效果：\n[0014] 本发明能真实地反映冻结与融化全过程中路基土层的水分迁移及冻胀与融沉规律，可设置不同的温度梯度、上覆压力以及水位高度等外界条件以此观察土样在其不同环境下的冻胀力大小或者冻胀位移及探究土样中水分迁移情况，且能实时测出相关试验数据，包括冻胀位移、冻胀力大小、土样各点含水率以及土样的温度分布，可由PC机及编译程序实时绘制出相关曲线。具有功能多、测量精度高、适用性广、使用方便等优点。其特点如下：\n[0015] 1、更高的温度控制范围与控制精度，通过温度控制系统可使上温盘和下温盘的温度各自在-30至90度范围内调节，精度为0.1°C。\n[0016] 2、通过砝码加载装置加载砝码，可现实上覆压力的模拟，探究不同上覆压力条件下对土的冻胀力及冻胀位移的影响。\n[0017] 3、可以通过压力传感器测出冻胀力的大小。\n[0018] 4、保温罩能够保持玻璃试样筒内土样温度的稳定性。\n[0019] 5、通过补水装置可模拟调节土样中地下水位高度，探究不同地下水位高度条件下对土的冻胀力及冻胀位移的影响。\n[0020] 6、通过含水率探测器可测出土中各点的含水率，观察出温度梯度下含水率变化的情况，从而探究水分迁移的过程。\n[0021] 7、通过位移传感器可测出冻胀位移量。\n[0022] 8、玻璃试样筒在装土样前先在温度测量孔中插上插销，装样压实等工作完成后，将插销抽出，再插入温度探头，这样防止了土样被击实后，温度探头无法插入的情况。\n[0023] 9、可通过玻璃试样筒两侧的凹槽，在试验结束后，较为方便地将玻璃试样筒从底座撬出。\n[0024] 10、可在上温盘和下温盘设置目标温度时间曲线，温度控制系统在既定温度曲线下工作。\n[0025] 11、试验过程中温度，含水率，冻胀力，冻胀位移均可实时记录，用于绘制图标。\n[0026] 下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。\n附图说明\n[0027] 图1是本发明的结构示意图。\n[0028] 图2是本发明中的数据采集部分示意图。\n[0029] 图3是本发明中的补水装置示意图。\n具体实施方式\n[0030] 如图1—图3所示，冻胀仪包括支撑部分、温度控制部分、土工试验部分和数据采集部分；所述支撑部分包括固定在实验装置A上的底板22、通过螺母25固定在底板22上的左右两根导向柱14、通过螺母9固定在导向柱14上部的连接板11、设在连接板11上的限位螺杆10和挂钩12；所述土工试验部分包括土样装置和砝码加载装置，所述土样装置包括下温盘23、上温盘15、玻璃试样筒20、保温罩4和补水装置27，下温盘23通过过支撑脚24固定在底板22上，下温盘23中间设有一圈凹槽2301，玻璃试样筒20设在下温盘23的凹槽2301内位于下温盘23和上温盘15之间，通过压环16及三套蝶形螺母6和螺杆6´将玻璃试样筒20与下温盘23固定成一体，上温盘15从压环16内放在玻璃试样筒20的顶部，保温罩4设在玻璃试样筒20外围，采用两片弧形罩铰接在导向柱14上，保温罩4内填充有保温棉，保持温度稳定，玻璃试样筒20与下温盘23之间设有橡皮密封圈2303，实验完后为便于拿出玻璃试样筒20，在玻璃试样筒20外侧设有凹槽2302，所述补水装置27包括固定在实验装置A上的高度调节滑轨2701和马氏瓶量筒2703，高度调节滑轨2701上设有滑动槽孔2702，马氏瓶量筒2703固定在滑块\n2706上，滑块2706通过螺钉2704固定在高度调节滑轨2701的滑动槽孔2702上，并通过水管\n2705通入下温盘23内；所述砝码加载装置包括位于所述限位螺杆10下方且套在所述两根导向柱14上可上下滑动的活动板8、设在活动板8上的吊环13、通过连接杆17与活动板8连接的横杆1和设在横杆1上的砝码盘2；所述温度控制部分包括分别与上温盘15和下温盘23连接的温度控制系统28、29；所述数据采集部分包括设在所述玻璃试样筒20上的温度探头21和和含水率探头26、设在所述上温盘15与所述活动板8之间的压力传感器7、设在所述砝码加载装置和所述支撑部分之间的位移传感器，其中玻璃试样筒20上设有竖直布置的若干温度测量孔5和含水率测量孔、与温度测量孔5和含水率测量孔配套的插销（图中未示出），温度探头21的数量及尺寸均与所述温度测量孔5相适配，和含水率探头26的数量及尺寸均与含水率测量孔相适配，压力传感器7采用S形压力传感器，位移传感器采用磁环传感器，包括设在所述导向柱14上的固定部分19和与所述活动板8连接的位移磁环18。\n[0031] 数据采集部分中的温度探头21、含水率探头26、压力传感器和位移传感器均与单片机连接，通过编译程序可在试验过程中测出土体的温度分布，冻胀力大小以及冻胀位移。\n其中：温度探头21采用PT100温度传感器，其为铂热电阻，应用广泛，它的阻值会随着温度的变化而改变，其测量范围为-50°C-300°C，精度为0.1°C，仪器共有10个温度探头21并连接其单片机的10个通道，可实时记录土样各点温度情况，温度控制系统28、29可采用天津比朗实验仪器制造有限公司生产的BL-WD-504B温度控制箱；含水率探头26采用EC-5土壤水分传感器。其内部主要是由方波信号发生电路，RC充放放电电路，时间电压转换电路组成，其中传感部件电容C以耐腐蚀的PCB为极板，待测土壤为电介质，土壤介电常数ε随水分的变化表现为电容量的变化。压力传感器采用电桥式S型传感器，测量范围为0-5000N，精度为0.1N，通过单片机可测出冻胀力实时大小；位移传感器可采用菲尔斯特传感器有限公司生产的 ‍FST-RH-S1-0150M-H60-D01-C型产品，其通过将电磁波反馈的时间差测算出位移，精度为\n0.1mm.，通过单片机亦可实时读出；单片机采用8051单片机，拥有数值计算、逻辑计算、数据采集等功能，通过C语言编写的操控程序可实现通过电磁阀来设置目标温度曲线，并可实时记录实际温度冻胀力以及冻胀位移，观察出温度梯度下含水率变化的情况，产生的数据可直接导出格式为xls的数据库。\n[0032] 工作原理：\n[0033] 将土样a装入玻璃试样筒20，将玻璃试样筒20安装在下温盘23和上温盘15之间，插好温度探头21、含水率探头26，并将温度探头21、含水率探头26、压力传感器7和位移传感器均与单片机连接，即可开始测试。\n[0034] 影响冻胀程度的因素通常有4点，土样种类，地下水位高度，上覆压力，温度梯度。\n本发明均可以对以上因素进行调节和测试。\n[0035] 1、上覆压力的调节和测试：可通过砝码加载装置实现，调节范围为0-50KG。\n[0036] 2、地下水位调节：地下水位的调节是通过补水装置27中马氏瓶量筒2703的高度变化来实现，松开螺钉2704即可通过上下滑动滑块2706来调节马氏瓶量筒2703的高度，调节范围为-20——20cm。\n[0037] 3、温度调节和测量：可通过温度控制系统28、29分别控制上温盘15及下温盘23模拟玻璃试样筒20中土样的温度，温度调节范围为-30至90度，精度为0.1°C，实验中，下温盘\n23主要模拟高温，上温盘15主要模拟低温；通过温度探头21可检测土样的温度分布，制作温度曲线以及通过含水率探头26测出土样各点含水率在试验过程中的变化，绘制相关曲线，探究不同温度梯度下，土体中水分迁移的情况。\n[0038] 4、冻胀力的测量：在玻璃试样筒20装好土样a并安装在上温盘15和下温盘23之间， 旋紧限位螺杆10顶住活动板8，将保温罩4闭合在玻璃试样筒20上，开始试验，通过补水装置\n27模拟土样的地下水位，通过温度控制部分模拟土样的温度，试验过程中，土样由于冻胀会将冻胀力通过压力传感器7传递到活动板8，由于活动板8在紧限位螺杆10限位下不能移动，因此土样产生的冻胀力大小可由压力传感器7读出，本发明最大可承受相当于5000N的冻胀力。在冻胀力测量时，不放砝码3。\n[0039] 5、冻胀量的测量：松开限位螺杆10，从吊环13上移开挂钩12，在砝码盘2加载砝码3将重量作用活动板8，活动板8沿导向柱14向下滑动并作用压力传感器7，压力传感器7通过上温盘15将力作用到玻璃试样筒20中的土样上，加压的力可从压力传感器7上读出，位移磁环18会在竖直方向上的移动，以此测出土样中所发生冻胀位移，位移大小可由位移传感器读出，位移测量精度为0.01cm。\n[0040] 测量完毕，应将吊环13挂在挂钩12上，以免砝码加载装置下落对仪器造成损伤。