用于研究冻土局部变形特征的测验装置的制作方法

1.本实用新型属于实验设备技术领域，更具体地说，是涉及一种用于研究冻土局部变形特征的测验装置。


背景技术：

2.冻土泛指温度低于0℃且含有冰的各类土体。由于冻土是复杂的冰，水，气，固四相体，因此外荷载作用下，冰水反复相变会导致冻土内部原有的孔隙重分布，宏观表现为冻土的塑性大变形。因此，冻土较普通土具有更为复杂的变形特性。孔隙冰冻融分凝是季冻区工程产生病害的主要原因，分凝冰冻融导致的冻土体变对季冻区的铁路、公路等线性工程危害更大，严重威胁着建筑物的安全与稳定。其中季冻土在我国分布广泛，跨越了我国国土面积的一半。随着我国交通运输的快速发展，我国寒区工程建设蓬勃兴起。经调查统计，季节性冻区由于土质、水分及冻结条件的不均匀，土体会产生不均匀冻胀。冻胀的发育不仅会造成建筑物不均匀隆起、轨道不平顺、路面冻裂等一系列工程病害，还会引起土体内部结构的反复变化，因此导致土体内部力学性能的变化；加之列车重、超载现象严重，季节性冻土区的路基在冻融循环及重载车辆协同作用下出现的翻浆冒泥、热融塌陷等灾害较以往更严重、原因更复杂、经济损失更大，严重威胁列车的运营安全。因此，研究季冻土的冻胀变形特性显得尤为重要。
3.目前土体的冻胀变形研究主要集中在已冻土或冻融循环后的融化土，鲜有研究荷载作用下正冻土的变形规律。对于荷载作用下土体冻胀的研究目前只包括温度、水分补给及试样整体冻胀量的变化过程，未能与试样冻胀过程中局部变形(已冻区冻胀过程和未冻区压缩过程)和整体冷生构造演化有机地结合起来。一维正冻土的变形一般随时间可分为三个阶段：初始快速膨胀阶段，减速膨胀段和趋于稳定段。在初始快速膨胀阶段，冻结锋面逐渐下移，冻胀主要以孔隙水的原位冻胀为主；减速膨胀段，冻结锋面逐渐稳定，冻胀形式逐渐从原位冻胀过渡到分凝冻胀；在稳定阶段，冻胀形式主要为孔隙水的迁移冻胀。上述三个阶段会形成不同的冷生剖面，目前缺乏一种测验设备，可以定量测量不同荷载工况下冻土一维变形过程中，不同深度土体的局部变形特征。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种用于研究冻土局部变形特征的测验装置，旨在解决现有的冻土变形测验设备不能方便直观的测量冻土在不同荷载工况下一维变形过程中不同深度土体的局部变形特征的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种用于研究冻土局部变形特征的测验装置，包括：
6.温度调节箱体，用于维持恒定的实验环境；
7.试样筒，设置在温度调节箱体内，所述试样筒的侧壁上设置有沿试样筒长度方向设置的测量刻度尺，所述试样筒的侧壁上设置有多个用于测量试样数据的感应单元的小
孔，多个所述感应单元沿试样筒的高度方向依次间隔布置；
8.底板，设置在所述温度调节箱体内部，且位于所述试样筒的底部，所述底板内部还设置有用于维持试样的温度变化的第一温控结构；
9.补水板体，附着设置在所述底板上方，且位于所述试样筒靠近所述底板的端部，所述补水板体内部还设置有与补水系统相互管路连通的补水管道；
10.顶板，设置在所述试样筒内，位于试样筒的顶部处，且覆盖在试样筒内的试样顶部，用于将试样压紧在补水板体与顶板之间的区域，所述顶板的内部还也设置有用于维持试样的温度变化的第二温控结构；
11.压力单元，设置在所述温度调节箱体内部，所述压力单元的驱动端位于所述顶板的上方，用于通过所述顶板对所述试样筒内部的试样施加压力；
12.图像采集单元，设置在所述试样筒的侧面，用于监测试样的变形；
13.数据处理单元，与所述图像采集单元电性连接，且与所述试样筒上的多个感应单元均电性连接，用于接收图像采集单元与感应单元采集的信号并处理。
14.作为本技术另一实施例，所述第一温控结构为设置在底板内部的蛇形通道，所述第二温控结构也为设置在顶板内部的蛇形通道，所述蛇形通道均与外部冷浴装置通过管路连通。
15.作为本技术另一实施例，所述补水板体包括支撑基层、以及设置在所述支撑基层靠近试样一侧上的储水层，所述补水管道均设置在所述支撑基层上且贯穿所述支撑基层设置。
16.作为本技术另一实施例，所述试样筒的内壁与所述补水板体之间还设置有密封垫圈，所述密封垫圈套设在所述补水板体的周圈，所述补水板体的周圈上还设置有容纳凹槽。
17.作为本技术另一实施例，所述压力单元包括底座、设置在所述底座上的支撑架体、活动设置在所述支撑架体上的载荷动作器、以及用于驱动所述载荷动作器运动的加载装置。
18.作为本技术另一实施例，所述底座上还设置有四个与所述试样筒平行设置的支撑杆，所述试样筒的顶部还设置有用于固定试样筒的法兰，两所述支撑杆一端贯穿法兰设置另一端穿过底座设置，所述支撑杆的端部设置有用于压紧法兰和底座的限位螺母。
19.作为本技术另一实施例，所述试样筒的上方还设置有用于监测试样宏观变形的位移传感器，所述位移传感器设置在所述法兰上，所述位移传感器与数据处理单元电性连接。
20.本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的有益效果在于：在进行冻土局部变形测量实验时，首先将试样放置在位于温度调节箱体内部的补水板体上，于试样筒内分层击实，然后在试样的采集侧表面铺设一定厚度和宽度的示踪粒子，再进行下层土样的击实和粒子铺设直至所需试样高度，所制备的试样是分层击实，分层铺设示踪粒子的。最后将顶板放置在试样筒内试样的上方完成安装。然后压力单元可通过顶板按照实验要求对试样施加一定载荷后，图像采集单元间隔拍照并将拍摄的图像传递到数据处理单元，通过归一化图像互相关算法，对采集的示踪粒子图像区域进行图像卷积。通过图像卷积得到的相关峰位置结果，反算测量面的位移场(单位：pixel)。根据刻度尺和位移计的测量结果，对原始位移场进行换算，可得到不同时刻，不同深度正冻土的全场变形结果。其中补水板体与补水系统可以补充在冻结过程中试样由于下部水分在负温吸力作用下向上迁移
而损失的水分，保证试样内水分的稳定。本实用新型用于研究冻土局部变形特征的测验装置，通过构建土体的表面纹理并用图像采集单元间隔拍照，分析试样表面纹理的变化规律，通过间隔图片序列的相关性分析，可以实时追踪冻土的局部变形。有效解决了原始piv技术在冻土试验中的应用无法应用。提出的试样纹理构建方法可以有效增强冻土的表面纹理特征，降低了冰水相变导致的灰度相关性误差，使得piv方法可以应用于冻土测试；解决了传统实验仅能获取试样总变形量，无法获取局部变形量的缺陷；实现了荷载作用下，定量角度的冻胀过程解耦合分析。将温度场、水分场和位移场解耦合，实现了影响冻胀的各因素的分别量化。可以方便直观的测量冻土在不同荷载工况下一维变形过程中不同深度土体的局部变形特征。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本实用新型实施例提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的结构示意图；
23.图2为本实用新型实施例所采用的底板与补水板体的剖视结构图。
24.图3为本实用新型实施例所采用的底板的结构示意图；
25.图4为本实用新型实施例所采用的试样筒的结构示意图；
26.图5为本实用新型实施例所采用的顶板的结构示意图；
27.图6为本实用新型实施例所采用的顶板的剖视结构示意图；
28.图中：1、温度调节箱体；2、底座；3、照明单元；4、支撑杆；5、底板；6、补水板体；61、支撑基层；62、储水层；7、水分传感器；8、温度传感器；9、试样；10、图像采集单元；11、补水系统；12、试样筒；13、保温层；14、顶板；15、法兰；16、限位螺母；17、位移传感器；18、载荷动作器；19、支撑架体；20、第一温控结构；21、第二温控结构；22、蛇形通道；23、数据处理单元；24、数据采集单元；25、冷浴装置；26、加载装置。
具体实施方式
29.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
30.请一并参阅图1及图2，现对本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置进行说明。用于研究冻土局部变形特征的测验装置，包括温度调节箱体1、底板5、试样筒12、补水板体6、顶板14、压力单元、数据处理单元23以及图像采集单元10。温度调节箱体1用于维持恒定的实验环境；试样筒12设置在温度调节箱体1内，试样筒12的侧壁上设置有沿试样筒12长度方向设置的测量刻度尺，试样筒12的侧壁上设置有多个用于测量试样9数据的感应单元的小孔，多个感应单元沿试样筒12的高度方向依次间隔设置布置；底板5设置在温度调节箱体4内部，且位于试样筒12的底部，底板5内部还设置有用于维持试样的温度变
化的第一温控结构20；补水板体6附着设置在底板5上方，且位于试样筒12靠近底板5的端部，补水板体6内部还设置有与补水系统11相互管路连通的补水管道；顶板14设置在试样筒12内，位于试样筒12的顶部处，且覆盖在试样筒12内部的试样9的顶部，用于将试样9压紧在补水板体6与顶板14之间的区域；顶板14的内部还也设置有用于维持试样的温度变化的第二温控结构21，压力单元设置在温度调节箱体1内部，压力单元的驱动端位于顶板14的上方，用于通过顶板14对试样筒12内部的试样9施加压力；图像采集单元10设置在试样筒12的侧面，用于监测试样9的变形；数据处理单元23与图像采集单元10电性连接，且与试样筒12上的多个感应单元均电性连接，用于接收图像采集单元10与感应单元采集的信号并处理。
31.本实施例提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置，与现有技术相比，与现有技术相比，在进行冻土局部变形测量实验时，取一定量的土样与示踪粒子，首先将土样放置在试样筒内部，通过击实锤于试样筒内分层击实，然后在试样9的采集侧表面铺设一定厚度和宽度的示踪粒子，然后再进依次行下层土样的击实和粒子铺设直至所需试样高度，所制备的试样是分层击实，分层铺设示踪粒子的，最后将顶板14放置在试样筒12内试样9的上方完成安装。然后通过压力单元可通过顶板14按照实验要求对试样9施加一定载荷后，通过图像采集单元10间隔拍照并将拍摄的图像传递到数据处理单元23，通过归一化图像互相关算法，对采集的示踪粒子图像区域进行图像卷积。通过图像卷积得到的相关峰位置结果，反算测量面的位移场(单位：pixel)。根据刻度尺和位移计的测量结果，对原始位移场进行换算，可得到不同时刻，不同深度正冻土的全场变形结果。其中补水板体6与补水系统11可以补充由于试样9底部水分在负温吸力作用下迁移上去而损失的水分，保证试样9底部水分的稳定，并且可模拟地下水补给下土体的冻胀变形。本实用新型用于研究冻土局部变形特征的测验装置，通过构建土体的表面纹理并用图像采集单元10间隔拍照，分析试样9表面纹理的变化规律，通过间隔图片序列的相关性分析，可以实时追踪冻土的局部变形。有效解决了原始piv技术在冻土试验中的应用无法应用。提出的式样方法可以有效增强冻土的表面纹理特征，降低了冰水相变导致的灰度相关性误差，使得piv方法可以应用于冻土测试；解决了传统实验仅能获取试样9总变形量，无法获取局部变形量的缺陷；实现了荷载作用下，定量角度的冻胀过程解耦合分析。将温度场、水分场和位移场解耦合，实现了影响冻胀的各因素的分别量化。可以方便直观的测量冻土在不同荷载工况下时冻土在一维变形过程中不同深度土体的局部变形特征。
32.本实施例中，作为一种优选的实施方式，其中温度调节箱体1一般采用冻融试验箱，在进行实验时整个实验装置均位于冻融试验箱内，防止外界环境的干扰并且还可以维持实验环境中温度的稳定。图像采集单元10优选的采用调整工业相机，并且型号为mv-em510c工业相机，可以长时间的进行间隔拍照，并且使拍照清晰度更高，提高了图像的拍摄效果，可使检测的数据更准确。
33.本实施例中，作为一种优选的实施方式，感应单元包括温度传感器8和水分传感器7，温度传感器8和水分传感器7均通过设置在试样筒12侧壁上的安装孔深入到试样9内部一定的深度。可以实时监测土体的位移场、温度场、水分场、冷生构造的变化及关系。其中温度传感的数量为多个，多个温度传感器8沿试样筒12的长度方向依次间隔设置，两个温度传感器8之间的间隔为2cm。多个温度传感器8在试样筒12的外壁上呈螺旋状分布。水分传感器7的数量为多个，多个水分传感器7沿试样筒12的长度方向依次间隔设置，多个水分传感器7
在试样筒12的外壁上呈螺旋状分布。所制备的试样9直径为15cm，高度20cm，两个温度传感器8之间自上而下间隔2cm布置在试样9中心，两个水分传感器7之间相互间隔4cm布置在试样筒12上。温度传感器8为热敏铂电阻型pt100传感器；位移传感器17采用精度较高的分体式位移计。数据处理单元23为电脑即可，在数据处理单元23与各个电气元件之间还设置有数据采集，数据采集仪的型号优选的为datataker dt85。
34.本实施例中，作为一种优选的实施方式，在试样筒12的侧面还设置有照明单元3，照明单元3为led灯数量为两个，分别设置在试样筒12的上端和下端处。
35.piv(粒子图像测速)技术是一种基于数组图像相关性分析的非接触式全场位移测量技术。最初被广泛用于流场的测定。一些学者将土体看作低速流体，将piv岩土工程测量。piv技术虽在岩土工程中应用广泛，但将piv技术应用于冻土变形量测试验装置的较少，尤其是荷载作用下正冻土的变形量测。分析其原因主要有：(1)对于颜色单一的土体，需选取合适的示踪粒子，构建试样9的表面纹理；(2)冰水相变作用会改变冻融前后图像的灰度范围，降低图像的灰度相关性，导致位移相关性搜索失效；(3)在应力场和温度场耦合作用下，孔隙冰的冻融分凝，孔隙水的迁移冻结，会导致土体发生塑性大变形。土体的变形更加复杂，难以捕捉冻土局部的变形状态。借助piv技术，可以精确分析土体的局部变形特征，并将实现荷载作用下正冻土变形特征进行可视化展示。为进一步探究正冻土的局部变形机理，研发一种用于研究荷载作用下正冻土可视化变形量测试验装置及方法是非常必要的。
36.作为本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的一种具体实施方式，请一并参阅图3，底板5内设置有用于维持试样筒12内的试样9温度的第一温控结构20，顶板14的内部也设置有用于维持试样筒12内的试样9温度的第二温控结构21，第一温控结构20与第二温控结构21均与冷浴装置25通过管路相互连通。第一温控结构20与第二温控结构21均通过管路与冷浴装置25连通形成温控系统，可以保证试样筒12内试样9两端处的温度恒定，从而排除在实验过程中温度变化对数据的影响，使冻土局部变形特征的测量更准确，也使温度调节更方便。
37.作为本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的一种具体实施方式，请参阅图2及图3，第一温控结构20为设置在底板5内部的蛇形通道22，第二温控结构21也为设置在顶板14内部的蛇形通道22，蛇形通道22均与冷浴装置25管路连通。冷浴装置25优选的采用冷浴机，蛇形通道22通过与冷浴机连通，可以使冷浴机内的制冷液进入到蛇形通道22内部，可以方便的调节底板5与顶板14处的温度，进一步模拟土体的单向冻结。
38.本实施例中，作为一种优选的实施方式，顶板14和底板5均采用铝合金材料制成，具有导热性大、重量轻、刚度大的特点。顶板14尺寸为直径148mm，高度为40mm的圆盘，蛇形通道22均为蛇形的沟槽，保证冷冻液的循环制冷。顶板14上表面中心设置凸台，可借压力单元施加不同形式的荷载。底板5上共布设了四个管口，其中两个管口分别为进水口和排气口，另外两个管口与冷浴机相连，从而保证循环制冷并可以方便的实现试样9底部温度恒定。
39.本实施例中，作为一种优选的实施方式，顶板14采用双层板结构，通过在底部板的顶面上加工出蛇形的沟槽，然后将顶部板盖设在底部板的顶面上并通过螺钉进行紧固，使沟槽形成密封的蛇形通道22。在顶部板上还设置有用于将蛇形通道22与外部连通的连通孔，并且为了密封顶部板与底部板之间还设置有橡胶密封圈。加载凸台设置在顶部板上使
顶板14与载荷动作器18的连接更加方便。
40.本实施例中，可以通过补水系统11与补水管道相互连通为试样底部进行补水，更好的模拟地下水的补给。试样筒12的底部处还铺设有透水板，透水板可以防止试样9制备时土颗粒堵塞补水孔影响试样的补水效果。
41.作为本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的一种具体实施方式，请参阅图2及图3，试样筒12的内壁与补水板体6之间还设置有密封垫圈，密封垫圈套设在补水板体6的周圈，补水板体6的周圈上还设置有容纳凹槽。密封垫圈的设置可以保证补水板体6与试样筒12接触面处的密封性。
42.作为本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的一种具体实施方式，请参阅图2及图3，压力单元包括底座2、设置在底座2上的支撑架体19、活动设置在支撑架体19上的载荷动作器18、以及用于驱动载荷动作器18运动的加载装置26。底座2与支撑架体19的设置使载荷动作器18的安装更加方便，其中加载装置26通过荷载作动器18可施加不同形式下的荷载，通过控制力或位移进行加载，加载系统的载荷动作器18上装有位移元件，可以进一步测试试样9的宏观变形，进一步验证和校正土体的分层冻胀变形量测系统。加载装置是由20kn主机、10l油源22、微机系统、控制系统组成。荷载的控制方式有力、位移、速度、变形等，同时将信息反馈给电脑，可实现任意控制模式的平滑无扰动切换。并且可以通过加载装置26施加不同形式的荷载，将土体冻胀和荷载作用耦合联系在一起，更好的模拟实际路基的受力情况，使实验数据的测量更加多样性。
43.作为本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的一种具体实施方式，请参阅图2及图3，底座2上还设置有四个与试样筒12平行设置的支撑杆4，试样筒12的端部还设置有用于固定试样筒12的法兰15，支撑杆4一端贯穿法兰15设置另一端穿过底座2设置，支撑杆4的端部还设置有用于压紧法兰15和底座2的限位螺母16。在进行试验测量前将底板5放置在底座2上，然后将试样筒12与补水板体6放置在底板5上，然后将法兰15盖设在试样筒12的口部上，使支撑杆4穿过法兰15上的过孔，然后使用限位螺母16将法兰15压紧固定，使试样筒12的安装固定更加牢固。
44.作为本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的一种具体实施方式，请参阅图2及图3，试样筒12的上方还设置有用于监测试样位移的的位移传感器17，位移传感器17位于驱动端的侧面，位移传感器17与数据处理单元23电性连接。位移传感器17固定在法兰15上，能精确的读取土体的冻胀变形，可以测试试样9的宏观冻胀，进一步验证和校正土体的分层冻胀变形量测系统，保证实验数据的准确，极大的提高了试验中效率和实验的准确性。
45.作为本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的一种具体实施方式，请参阅图2及图3，试样筒12为透明材质制件，试样筒12的外部周圈还设置有保温层13。试样筒12外部设有保温材料进行保温隔热，避免了外界环境温度对试验结果的影响，减小了试验误差。试样筒12为透明材质制件可以方便图像采集单元10对试样筒12内试样9的拍照监测，相机面对的采集侧不铺设保温层，保温层13也可以采用透明的保温材料进行保温隔热，避免了外界环境温度对试验结果的影响，减小了试验误差，使实验数据更加准确。
46.作为本实用新型提供的用于研究冻土局部变形特征的测验装置的一种具体实施方式，请参阅图2及图3，补水系统11为马氏瓶，马氏瓶与补水管道通过补水管连通。补水管
一端连接底板5上的进水口，一端与马氏瓶连接，马氏瓶上设有球阀来控制补水开关。由于试样9在冻结过程中会产生水分迁移，试样9下部水分在负温吸力作用下向冻结区迁移。为了更好地模拟实际地下水向试样的迁移，通过调节马氏瓶位置，对试样9进行无压补水。
47.以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。