[发明专利]基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪，特别是涉及冻胀融沉温度的调节及应力自动监测加载，实现冻胀力、有无荷载下冻胀融沉、水分迁移试验测试等功能的一体化。

背景技术

目前冻胀融沉试验仪的冻胀和融沉试验外部温度调节多采用空间环境箱体制冷或者多路水浴循环进行温度控制。环境制冷属于三维冻融，不符合一维冻融方式，水浴循环温度控制的冻胀融沉试验仪的冻胀和融沉试验温度调节模块设计多在试样下部，造成冻胀融沉都与实际土壤的冻胀或融沉方向相反（实际是由上到下，目前试验仪是由下到上的），不能真实模拟土层在气温变化后的冻融反应；而且水浴循环由于采用外部的水浴温度控制造成对实际土体受冷面温度控制的即时性、精确性存在不足，尤其不能实现冻胀融沉试验测试功能的一体化、自动化。目前的补水方式存在随意性，有通过定量滴定的方式进行补水，甚至是通过人眼观察手工补水，土工测试规范及煤炭部人工冻土试验标准中都没有对于补水进行准确说明，造成与实际自然环境的补水过程有较大差距，尤其补水量较难准确计量，影响了试验的可信度。为了模拟土体冻结过程中由于温度梯度而产生的水分迁移现象，本试验的补水系统采用了马氏瓶的工作原理，实现补水面的恒压稳流条件，并根据差压原理实现了补水量的自动跟踪采集。加载控制以及力的测试方面，目前对于冻胀融沉测试（有无荷载条件）和冻胀力的测量是分开进行的，且加载一般多是砝码加载，无法实现自动连续加载；融沉排水问题，本次融沉（有无荷栽）排水的设计采用补水的逆向过程，这里不仅考虑到排水量的实时监测，同时也考虑了排水过程中孔隙水压力的变化跟踪监测。控制采集方面，充分解决当前冻胀融沉系统各部分数据采集和各项控制集成智能度不高的现状。以上这些方法都是从试验仪器或条件的角度出发来搭建试验仪器的。

发明内容

本发明提出的是一种基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验仪，其目的旨在解决最大限度模拟自然条件下土壤真实冻胀融沉的试验模拟---冻胀融沉温度变化从土壤试验上部开始直到下部（与自然条件下的冻胀融沉一致）；解决根据试样含水率的变化实现自动补水和排水，补水量和排水孔压力的精确检测计量；针对加载和冻胀力及位移测量分散的问题，进行整合实现二者合一并实现连续无级加载；使用BC++ 进行软件编程，借助板卡实现对试验过程的智能化控制和数据的自动采集，实现功能的模块化的有效集成。

本发明的技术解决方案：其结构包括试验仪的主体、采集控制装置、补水装置、加载装置，其中补水装置与试验仪的主体的底部补水槽体相接，采集控制装置与试验仪主体中负责监测试样温度梯度变化的A类温度传感器、位移传感器、液压传感器以及补水装置中的水势差压传感器对应相接以实现各物理量的采集，采集控制装置与半导体制冷体内的B类温度传感器、液压体积控制器相接以实现对制冷体温度和加载压力的控制。加载装置由设在试验仪的主体中的压力室内液压囊与外部的液压体积控制器组成。

本发明的有益效果：能够最大限度模拟自然条件下土壤真实冻胀融沉的试验仪器---冻胀融沉温度变化从土壤试验上部开始直到下部（与自然条件下的冻胀融沉一致）；温度的控制方式采用半导体电制冷，并可以高温低温同时控制（半导体两面性）；根据试验含水量自动对试验从下部进行自动补水和排水，可对补水量进行精确计量；对排水过程孔压实现监测。针对加载和冻胀力测量的问题，进行整合实现二者合一并实现连续无级加载；加载设计在腔体内部，实现无极连续自动加载以及锁定体积后冻胀力的测试，完成冻融与冻胀力的实验功能集成使用BC++ 进行软件编程，借助板卡实现对试验过程的智能化控制和数据的自动采集。提高了试验室冻胀融沉试验对自然条件的模拟真实度，使得试验精度大大提高。通过BC++ 和 硬件板卡的软硬件集成使用，使得试验效率大大提高的同时降低了试验的劳动强度。

附图说明

图1是基于热电制冷控制的土壤冻胀融沉试验的结构示意图。

图中的1是补水装置、2是补水槽体、3是A类温度传感器、4是位移传感器、5是液压传感器、6是B类温度传感器、7是压力室、8是保温空心底板、9是保温试样载桶、10是T型半导体制冷头、11是外罩、12是水势差压传感器、13是马氏瓶、14是补水管路、15是试样、16是液压体积控制器、17是加压管路。

具体实施方式