[发明专利]一种模拟温度梯度场和自动加载装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程模型试验技术领域，具体是指一种模拟温度梯度场和自动加载装置及其使用方法。

背景技术

随着我国地下空间的日益发展和西部大开发战略的全面实施，我国将不断在多年冻土地区进行铁路、公路、输油管线、光缆、水利等重大工程设施的建设。寒区工程的修建会导致下部多年冻土融化沉降，严重影响工程的稳定性和正常运营。新建的寒区工程面临着温度接近0℃的高温、高含冰冻土即体积含冰量超过30％的多年冻土、全球气候变暖和多年冻土不断退化的诸多难题。地下建筑物的施工越来越多，随着深度增加，土受力特性和温度均会发生显著变化。目前在实验室内进行试验时往往很难同时控制不断变化的温度和应力这两个条件，即使大型实验室拥有实现近似条件的模拟也要很高的成本。

发明内容

为解决上述现有难题，本发明提供了一种可用于岩土工程模拟土中应力和温度模型试验的试验装置及试验方法，该装置通过把伺服压力机和温度控制系统结合起来，然后通过电脑控制系统统一进行调控，实现各种复杂应力状态和温度的模拟。本装置完全实现了应力和温度的随时自我调整，有利于观察各种因素对于土体应力的影响，为各种土体实验探究提供了更加方便的仪器。同时本实验仪器成本较低，而且能够满足大多数实验所需要的精度，性价比很高。

本发明采取的技术方案如下：本发明一种模拟温度梯度场和自动加载装置，它包括烘箱、制热系统、制冷系统、温度传感器、压力传感器、伺服压力机、多梯度压力供给装置、实心钢管、局部加压钢片和电脑控制系统，所述制热系统和制冷系统均匀分布在烘箱内壁，温度传感器和压力传感器埋置在烘箱内部，伺服压力机设于烘箱下方，伺服压力机上部设有多梯度压力供给装置，实心钢管设于多梯度压力供给装置下方，局部加压钢片设于烘箱内的试样上方，伺服压力机上部的多梯度压力供给装置通过实心钢管和局部加压钢片将压力传递到烘箱内的试样中，电脑控制系统分别与制热系统、制冷系统、温度传感器、压力传感器、伺服压力机、多梯度压力供给装置电连接。

进一步地，所述制热系统和制冷系统均为环形设置，所述制热系统和制冷系统分别设有制热管和制冷管，制热管和制冷管均采用有机玻璃钢材料制成。制热系统和制冷系统两套系统独立工作，互不影响，由电脑控制系统统一控制。

进一步地，所述制热系统和制冷系统随烘箱高度相互交替布置，分别与外界热量交换系统构成循环回路，制热管和制冷管直径均为10mm，制热管和制冷管相互间平行距离在8mm-10mm之间，以各自充分发挥作用，减少相互影响。

进一步地，所述烘箱的内壁上设有凹槽，制热管和制冷管分别紧贴于凹槽中，凹槽表面设有绝热材料层。制热系统和制冷系统最大的特点是附着在烘箱内壁上的每个环形制冷管或制热管都是独立存在和运行的，分别由多个控制器负责调解，这样就可以根据设置的温度梯度参数分别调节不同深度处的制冷管或制热管工作，从而高效迅速的获得相应的温度梯度。

进一步地，所述温度传感器和压力传感器分别通过数据采集仪与电脑控制系统相连接。

本方案中使用的交流电源采用工频全波整流方式的可调交流电源。

一种模拟温度梯度场和自动加载装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)首先把将要进行研究的模型放到烘箱内；

(2)将温度传感器由下到上布置在模型外壁和土试样中，并通过导线与数据采集仪相连，数据采集仪采集完数据后传到电脑控制系统进行处理，反映土壤各位置温度，以便于及时调整；

(3)将压力传感器由下到上布置在模型外壁和土试样中，并通过导线与数据采集仪相连，数据采集仪采集完数据后传到电脑控制系统进行处理，反映土壤各位置应力状态，以便于及时调整；

(4)将土试样上部整平并在其上部均匀放置局部加压钢片，伺服压力机上部的多梯度压力供给装置通过实心钢管和局部加压钢片将压力传递到烘箱内的试样中，使土试样局部均匀受力，现有改进后的伺服压力机可以实现多梯度加压，使得每个局部加压钢片上受到不同数值的压力，而且可以通过电脑随时调整，这样就可以模拟自然条件下复杂的土应力状态；

(5)通过电脑控制系统启动制热系统和制冷系统，通过两系统协调工作使烘箱内温度达到预设温度，同时启动伺服压力机并设置好压力参数，温度传感器和压力传感器反馈信息，电脑控制系统接收信息控制两系统进行反馈调节，两系统同时独立工作，所有过程由电脑控制系统自动控制，从而实现了烘箱内的温度和应力模拟。

采用上述方案本发明取得的有益效果如下：