一种用于冻融循环试验的模型试验系统

1.本发明属于冻融循环试验技术领域，具体涉及一种用于冻融循环试验的模型试验系统。


背景技术：

2.冻融试验在材料抗冻性检测、寒区工程结构基础冻害预测、新药品包装和运输等领域有着非常广泛的应用背景。其中就包括路基在有液态水存在时就会在温度下降过程中发生冻胀，温度升高时路基发生融沉，加之我国作为世界第三冻土大国，冻土区的路基工程更占据了很大的比例，路基的病害尤其是寒区路基的病害成为影响交通正常运营的一大难题，仅以青藏公路的路基病害为例，窦明健等发表于《冰川冻土》的“青藏公路多年冻土段路基病害分布规律”一文中就提到青藏公路长达633km的冻土段路基出现道路沉陷病害。马立峰等发表于《岩土工程学报》的“既有东北铁路多年冻土区路基病害整治效果研究”一文提到由于东北地区铁路沿线冻土的退化导致路基的冻胀融沉等病害持续发生。因此，观察寒区路基的破坏特征，深入研究温度变化及水分迁移等因素对路基冻融机理的影响，将为寒区路基的精确分析及合理设计的提供理论依据。
3.路基冻融循环过程中的温度变化、水分迁移是造成其产生冻胀和融沉的关键因素，温度、水分及位移的实时变化情况的测定需要有效的测量工具和完整的试验系统。目前国内外对冻融循环过程中路基水热特征参数变化的研究大多是现场冻融循环试验和室内环境模型箱内进行的，现场冻融循环试验虽可以最大限度的还原现场环境，排除边界效应及人为干扰，然而，由于现场冻融循环试验往往采用1:1原尺模型，同时，一个天然的冻融循环就需要一年的时间，这使得现场冻融循环试验往往周期长、成本高、效率低，试验实施过程中不可控因素多。室内环境模型箱内进行路基冻融循环试验虽然克服了周期长的缺陷但由于环境模型箱需要专业的厂家制作造成了成本较高，并且这种环境模型箱机动性较差且空间有限。目前由于路基冻融循环试验环境场地的限制和设备成本高、试验周期长、模型箱机动性较差等缺陷的存在，难以满足众多科研的需要。
4.因此，为了摆脱上述试验设备的缺陷，并且能够真实模拟野外路基温度环境，实现温度控制，有效测定试验过程中温度变化、水分迁移及冻涨融沉量实时监控和有效测定。设计合理有效的冻融循环的路基模型试验箱，完成试验过程中物理参数的有效测定是非常有必要的，同时对深入研究寒区路基的冻融循环机理具有非常重要的意义。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于冻融循环试验的模型试验系统，具有特点结构简单、运输方便、环境适应力强、动作灵活。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于冻融循环试验的模型试验系统，包括主体：模型箱主体、制冷系统、数据采集系统和辅助系统，所述的模型箱主体包括模型箱前侧板、模型箱左侧板、模型箱后侧
板、模型箱右侧板、中间隔板、模型箱底板、底板卡槽及保温材料组成。通过将模型箱前侧板、模型箱左侧板、模型箱后侧板、模型箱右侧板和中间隔板插入位于模型箱底板上的底板卡槽内，模型箱内壁铺设保温材料后构成模型箱主体，底板卡槽由底板卡槽内侧板和底板卡槽外侧板组成，模型箱侧板、中间隔板、底板卡槽内侧板、底板卡槽外侧板和模型箱底板均由10mm钢板制成，底板卡槽内侧板和底板卡槽外侧板焊接于模型箱底板上的空腔；所述的制冷系统包括模型箱顶板、顶板卡槽、顶板卡槽内侧板、顶板卡槽外侧板、制冷管、制冷管吊钩、冷冻液入口管和冷冻液出口管组成，顶板卡槽内侧板和顶板卡槽外侧板垂直焊接于模型箱顶板的底面组成顶板卡槽，保温材料铺设于顶板卡槽内侧板内壁四周和模型箱顶板底部，制冷管通过制冷管吊钩悬挂于模型箱顶板底部，冷冻液通过冷冻液入口管进入制冷管内部循环一周后通过冷冻液出口流出并进入外部制冷设备，模型箱顶板底部及顶板卡槽内侧板，顶板卡槽内部放置橡胶密封圈；所述的数据采集系统包括温度传感器、水分传感器、位移传感器、温度传感器引线、水分传感器引线、位移传感器引线、传感器引线孔、数据采集设备和计算机组成。将温度传感器和水分传感器埋设于路基模型内部的设计位置，位移传感器安装于路基模型顶面，最后通过温度传感器引线、水分传感器引线、位移传感器引线分别与温度传感器、水分传感器和位移传感器连接后通过位于模型箱前侧板上的传感器引线孔引出。温度传感器引线、水分传感器引线、位移传感器引线与数据采集设备连接后，通过计算机实现数据的采集和存储，位移传感器安装于位移传感器支架上，位移传感器支架焊接于位移传感器支架底座上，位移传感器支架底座固定于模型箱底板上。为确保模型箱的保温隔热效果，在温度传感器引线、水分传感器引线和位移传感器引线引出模型箱前侧板后，采用保温材料密封传感器引线孔的空隙；所述的辅助系统包括橡胶密封圈、制冷管出入孔和锚固螺栓孔、浴霸灯泡组成，锚固螺栓孔位于模型箱前侧板、模型箱左侧板、模型箱后侧板、模型箱右侧板和中间隔板上，将模型箱前侧板、模型箱左侧板、模型箱后侧板、模型箱右侧板和中间隔板插入底板卡槽的空腔后，上部借助锚固螺栓孔将其锚固形成整体，橡胶密封圈密贴于顶板卡槽的空腔内壁，用于隔绝模型箱内外温度的交换，制冷管出入孔位于模型箱后侧板上，用于引出冷冻液入口管和冷冻液出口管。
7.作为本发明的一种用于冻融循环试验的模型试验系统优选技术方案，4个浴霸灯泡悬挂于模型箱顶板底部。
8.作为本发明的一种用于冻融循环试验的模型试验系统优选技术方案，冷冻液入口管和冷冻液出口管采用橡胶管制成，其长度为30cm。
9.作为本发明的一种用于冻融循环试验的模型试验系统优选技术方案，制冷管采用铜管制成，并借助制冷管吊钩悬挂于模型箱顶板底部。
10.作为本发明的一种用于冻融循环试验的模型试验系统优选技术方案，空腔组成为高300mm宽15mm。
11.本发明的有益效果是：1、本发明主体是由各个侧板、中间隔板嵌插于底板处底板卡槽内，上部借助锚固螺栓孔将其锚固形成整体，具备可拆卸功能克服了传统环境模型箱机动性差的缺点。通过模型箱顶板底部悬挂浴霸灯泡可以实现模拟实际地表与大气环境形成温差的效果。
12.2、本发明通过箱体内置冷却管路系统和外接制冷循环系统（冷浴）的连接，实现试验箱内部环境的温度智能控制，达到模拟寒区路基环境温度变化的目的。
13.3、本发明试验箱内部内置温度传感器、水分传感器、位移传感器，可监测路基模型不同部位的温度变化、水分变化和路基模型顶部的冻胀融沉变形量。
14.4、本发明试验箱内壁、卡槽空腔和与外部相通的引线孔均设置了保温材料，可有效隔绝试验箱内外热量的交换，进而达到提高降温效果的目的。
附图说明
15.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是本发明结构俯视图；图2是本发明外观侧视图；图3是本发明制冷系统俯视图；图4是本发明结构立面图；图5是本发明实测控温曲线；图6是本发明实测含水量变化曲线；图7是本发明实测冻结时间段冻胀变形时程曲线；图中：1、模型箱前侧板；2、模型箱左侧板；3、模型箱后侧板；4、模型箱右侧板；5、中间隔板；6、模型箱底板；7、底板卡槽；8、底板卡槽内侧板；9、底板卡槽外侧板；10、保温材料；11、模型箱顶板；12、顶板卡槽；13、顶板卡槽内侧板；14、顶板卡槽外侧板；15、制冷管；16、制冷管吊钩；17、冷冻液入口管；18、冷冻液出口管；19、温度传感器；20、水分传感器；21、位移传感器；22、温度传感器引线；23、水分传感器引线；24、位移传感器引线；25、传感器引线孔；26、数据采集设备；27、计算机；28、位移传感器支架；29、位移传感器支架底座；30、路基模型；31、橡胶密封圈；32、制冷管出入孔；33、锚固螺栓孔；34、浴霸灯。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.请参阅图1-图4，本发明提供以下技术方案：如图1-4所示，一种用于冻融循环试验的模型试验系统包括模型箱主体、制冷系统、数据采集系统和辅助系统四部分。模型箱主体由模型箱前侧板1、模型箱左侧板2、模型箱后侧板3、模型箱右侧板4、中间隔板5、模型箱底板6、底板卡槽7及保温材料10组成，其特征是模型箱前侧板1、模型箱左侧板2、模型箱后侧板3、模型箱右侧板4和中间隔板5插入位于模型箱底板6上的底板卡槽7内，底板卡槽7由底板卡槽内侧板8和底板卡槽外侧板9组成，模型箱内壁铺设保温材料10后构成模型箱主体。
18.模型箱侧板1-4、中间隔板5、底板卡槽内侧板8、底板卡槽外侧板9和模型箱底板6均由10mm钢板制成，底板卡槽内侧板8和底板卡槽外侧板9焊接于模型箱底板6上组成高300mm宽15mm的空腔底板卡槽7，为确保模型箱的保温隔热效果，保温材料10采用厚度为
100mm的保温板。
19.制冷系统由模型箱顶板11、顶板卡槽12、顶板卡槽内侧板13、顶板卡槽外侧板14、制冷管15、制冷管吊钩16、冷冻液入口管17和冷冻液出口管18组成。其特征是顶板卡槽内侧板13和顶板卡槽外侧板14垂直焊接于模型箱顶板11的底面组成顶板卡槽12，保温材料铺设于顶板卡槽内侧板13内壁四周和模型箱顶板11底部，制冷管15通过吊钩16悬挂于模型箱顶板11底部，冷冻液通过冷冻液入口管17流入制冷管15内部循环一周后通过冷冻液出口管18流出并进入外部制冷设备冷浴。为确保制冷系统的保温隔热效果，保温材料10采用厚度为100mm的保温板，模型箱顶板11底部及顶板卡槽内侧板13内壁四周的保温板采用万能胶粘贴于钢板上，顶板卡槽12的高度不小于100mm而且卡槽内部放置橡胶密封圈31。
20.为提高传热效果，制冷管15采用铜管制成，并借助制冷管吊钩16悬挂于模型箱顶板11底部。为便于模型箱内外制冷管的连接，冷冻液入口管17和冷冻液出口管18采用橡胶管制成，其长度以30cm为宜。
21.数据采集系统由温度传感器19、水分传感器20、位移传感器21、温度传感器引线22、水分传感器引线23、位移传感器引线24、传感器引线孔25、数据采集设备26和计算机27组成，其特征是将温度传感器19和水分传感器20埋设于路基模型30内部的设计位置，位移传感器21安装于路基模型30顶面，最后通过温度传感器引线22、水分传感器引线23、位移传感器引线24分别将温度传感器19、水分传感器20和位移传感器21连接后通过位于模型箱前侧板1上的传感器引线孔25引出，温度传感器引线22、水分传感器引线23、位移传感器引线24与数据采集设备26连接后，通过计算机27实现数据的采集和存储。位移感器21安装于位移传感器支架28上，位移传感器支架28焊接于位移传感器支架底座29上，位移传感器支架底座29固定于模型箱底板6上。
22.为确保模型箱的保温隔热效果，在温度传感器引线22、水分传感器引线23和位移传感器引线24引出模型箱前侧板1后，采用保温材料密封传感器引线孔25。辅助系统由橡胶密封圈31、制冷管出入孔32和锚固螺栓孔33组成，其特征是锚固螺栓孔33位于模型箱前侧板1、模型箱左侧板2、模型箱后侧板3、模型箱右侧板4和中间隔板5上，将模型箱前侧板1、模型箱左侧板2、模型箱后侧板3、模型箱右侧板4和中间隔板5插入底板卡槽7的空腔后，上部借助锚固螺栓孔33将其锚固形成整体，橡胶密封圈31密贴于顶板卡槽12的空腔内壁，用于隔绝模型箱内外温度的交换，制冷管出入孔32位于模型箱后侧板3上，用于引出冷冻液入口管17和冷冻液出口管18。冷冻液入口管17和冷冻液出口管18引出制冷管出入孔32后采用保温材料密封制冷管出入孔32的空隙。
23.实施过程中，首先根据试验方案在模型箱内部填装土样，填装过程按照规范要求分层压密的方法进行，在装填过程中将温度传感器19、水分传感器20按试验方案预埋位置进行埋设。土样可根据试验所需按土质类别、不同粒径等一种或者多种组合。然后将位移计传感器21通过位移支架28安装到预定位置。并且将温度传感器引线22、水分传感器引线和位移传感器引线24通过模型箱前侧板1上的传感器引线孔25引出后与数据采集设备26连接后将传感器引线孔25采用保温材料密封以保证模型箱保温性能。制冷管15通过吊钩16悬挂于顶板11底部，试验开始前打开浴霸灯泡34，试验开始后连接电源，打开外部制冷设备，冷冻液通过冷冻液入口管17进入制冷管15循环一周后通过冷冻液出口管18进入外部制冷设备实现制冷或制热。并将数据采集设备26与计算机27连接设置好采集频率后可实现数据的
自动采集和存储。
实施例
24.本试验所用兰州黄土。按照《土工试验方法标准》对试验黄土土样进行了物理参数测定。土颗粒最大干密度为1.95/cm3，土体最优含水率分别为9.65%和16%。
25.模型试验箱的外部尺寸（长
×
宽
×
高为3.0m
×
2.0m
×
2.0m，其中路基模型尺寸为上边为1m，下边长为1.8m，坡度为1:1.5的直角梯形。路基模型初始含水率约为24%。首先接通电源，将路基模型进行20℃恒温，使其内部温度均一后，对路基模型进行预定方案进行冻融循环试验。数据采集时间间隔为20分钟，试验主要是对路基模型的温度、水分以及冻胀等要素进行了测定。
26.图5给出了恒温后路基模型空气温度和路基表面温度变化曲线，由图5可以看出控温曲线为15天一个循环，其变化呈三角函数变化规律，与预定温度吻合较好。路基表面与空气温度变化规律相似但前者温度略高于后者，可见用浴霸灯泡来模拟地温与空气温度差异的效果较好。温度直接反映了热量分布情况，这一曲线充分体现了冻融循环试验过程中温度变化特征。
27.图6给出了冻结期间水分的变化曲线（仅取2个予以说明，该曲线包含了路基模型内部2个不同深度在冻结过程中未冻水含量的变化。可有效反映土地冻结过程中路基模型内部水分随冻结时间变化特性。具体体现在因为地表距离温度冷源较近，温度从上往下降，地表温度下降较快，土体内部温度下降较慢，造成s1处水分快速冻结，含水量下降较快。并且随着冻结锋面下移，距s2位置减小，导致该处温度梯度增大，温度下降速率增大，导致s2处含水量变化幅度增大，含水量下降速率增大，从图6上可以看出曲线出现反弯点。该水分变化曲线为土体冻融过程中的水分特征规律研究提供了最为直接的依据。
28.图7给出了首次冻融循环冻结期间路基模型温度-冻胀时程曲线，该曲线反映了冻结过程中路基模型的冻胀变形随冻结时间的变化规律。由图7可以看出冻胀变形随时间变化存在4个阶段，第一阶段为恒温阶段，没有变形。第二阶段为快速冻缩阶段，这是由于地表温度快速下降导致地表表层的水分快速冻结使得地表以极快的速率发生冻胀，但没有未冻水的补充从而发生冻缩。第三阶段为冻胀变形较快阶段，这一阶段未冻水向冻结锋面迁移，导致冻胀增大速率较快。第四阶段为冻胀变形缓慢增长，这是由于路基模型内部温度下降速率降低导致冻胀变形增长缓慢。