[发明专利]可模拟冻土区地下水热效应及渗流效应的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁路领域的一种室内试验装置，具体地，涉及可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置及方法。

背景技术

地球上冻土区的面积约占陆地总面积的50％。其中多年冻土区占陆地总面积25％。在我国，多年冻土区分布自青藏高原、大小兴安岭、天山、祁连山、长白山等地区，季节冻土区则分布整个北方。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰、地下水。而冻土区地下水热效应及热效应与渗流效应的耦合作用造成的问题一直是轨道交通中的一项重大问题，特别是近年来铁路的高速化和重载化，使的这类问题造成的影响更为突出，大大增加了线路的运行和维护成本，严重影响列车运行的安全性和舒适性，造成了巨大的人力和物力损失。因此，研究冻土区地下水热效应及热效应与渗流效应的耦合作用，对于保证轮轨的稳定性、安全性以及延长其使用寿命具有重要的现实和经济意义。

由于冻土区地下水热效应及热效应与渗流效应耦合作用是多种因素共同作用的结果，其机理非常复杂，数值分析方法难以实现对复杂工况下的定量分析。因此，为了更好地研究地下水对路基沉降影响的关系，揭示不同工况对沉降的影响，进行试验研究是非常必要且可行的方法。目前，现有的试验方法只能模拟热效应，虽然比较接近实际情况，但对热效应与渗流效应的耦合作用却没有考虑，很难定性的模拟冻土区地下水热效应与渗流效应耦合作用下的影响。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置及方法，以实现高效率、精度高、维护费用小和花费时间短的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置，主要包括集成温控系统、水量控制系统、工程塑料水箱、双通道复合碳化硅管道组件、冻土区土层模拟系统和温度传感系统；

所述集成温控系统，用以控制水路管道内水流的温度；

所述水量控制系统，用以控制工程塑料水箱内的水流入双通道复合碳化硅管道内的量和速度；

所述工程塑料水箱，用以存放试验用的水；

所述双通道复合碳化硅管道组件，是水流的通道，其一部分埋入冻土层，埋入冻土层的双通道复合碳化硅管道上开有能将水渗透入土层的小孔；

所述冻土层模拟系统，是试验用冻土层及其应变测量、温度测量装置；

所述温度传感系统，是用以测量地下水温度、土层温度的试验装置。

进一步地，所述集成温控系统与水量控制系统的配合，对循环水流进行精准控制，可实现恒温、定速的水流输出。

进一步地，所述水量控制系统包括水量传感器、PID智能调节仪和电动比例调节阀，可以精准地控制水流流速。

进一步地，所述集成温控系统包括加热控流系统、工程塑料水箱、水泵、管道连接件、球型转换阀门、双通道复合碳化硅管道、通水管、连接线、温度仪和温度传感器。

进一步地，所述加热控流系统采用微波加热方式，具有加热均匀、加热效率高的特点，可实现温度升降的快速、准确控制。

进一步地，所述双通道复合碳化硅管道数目可以为多个，可实现同时进行多个冻土区地层模拟部位的试验，通过组合管道可适应各种大小的冻土区地层模拟装置；管道之间可以组合连接，可使该设备满足各种大小的冻土区地层模拟装置。

进一步地，所述双通道复合碳化硅管道为内外两层管壁构成，双通道复合碳化硅管道内壁布置热敏电阻，是为了在进行热效应与渗流效应共同作用的试验的过程中，可观察管内水的温度是否符合要求；

双通道复合碳化硅管道外壁布置热敏电阻，是为了在进行热效应试验的过程中，可观察管外壁的温度是否符合要求。

进一步地，所述双通道复合碳化硅管道壁均匀螺旋分布渗水孔，再用精密特级滤网包裹渗水孔，渗水孔采用螺旋式环绕均匀分布，使其可以更好的模拟水流流入土体的实际状况。

进一步地，所述双通道复合碳化硅管道口采用三个小球连接的球阀式阀门，通过调节球形阀门来转换水流路径，实现内管道注水可模拟冻土区地下水的热效应与渗流效应的耦合作用，可简单有效的控制水流输入双通道复合管道的位置，方便热效应试验与热效应与渗流效应耦合作用试验地相互转换。

进一步地，可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应方法，具体包括：

步骤1：根据试验要求组装双通道复合碳化硅管道，将其埋入冻土区土层模拟系统中的预定位置；

步骤2：使用连接器连接集成温控系统、水量控制系统、工程塑料水箱、双通道复合碳化硅管道组件、冻土区土层模拟系统、温度传感系统；

步骤3：根据试验种类选择不同的球型阀门开关；