[发明专利]一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：包括测试装置主体、框体结构和承载装置（19），测试装置主体设置在上方和下方两个承载装置（19）之间，所述承载装置（19）为框体结构上下中心相对设置的两个基座，测试装置主体设置在下方承载装置（19）上，并与上方承载装置（19）之间设有约束装置（18），并通过约束装置（18）将测试装置主体垂直固定住；

所述测试装置主体包括多个叠放在一起的半圆形透明玻璃筒（5），最下方的半圆形透明玻璃筒（5）底部设有结构匹配的低温冷板（8），低温冷板（8）下方设有底座（9），上下相邻叠放的两个半圆形透明玻璃筒（5）之间设有用以测试冻结土体内部冻胀压力的不透水柔性压力测试薄膜（12），通过柔性压力测试薄膜（12）将所有半圆形透明玻璃筒（5）分隔为独立的封闭空间，每个半圆形透明玻璃筒（5）侧面均连接有一个水平布置的水平盘管（10），所述每个半圆形透明玻璃筒（5）内分别装满待测试的土体，并与水平盘管（10）相连，用以显示封闭空间内土体在不同冻结阶段的排水量和吸水量，土体内不同水平位置设有轻质荧光标识点（17），最顶部的半圆形透明玻璃筒（5）内部在土体上设有与半圆形透明玻璃筒（5）结构匹配的上恒温冷板（4）；

所述测试装置主体外侧设有多点光源，同时设有图像采集系统用以采集测试装置主体内土样位移变化信息，所述图像采集系统包括数码相机（16）和照明灯（13）。

2.权利要求1所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：所述半圆形透明玻璃筒（5）包括设有竖向刻度尺（14）的平面结构和弧面结构，其中刻度尺（14）用以判断添加在土体内的轻质荧光标识点（17）的竖向位移变化情况，从而实现不同位置土体冻胀位移的精细测试。

3.权利要求1所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：上下两个相邻的半圆形透明玻璃筒（5）的顶部设有凹凸槽（6）、底部设有凹凸口（7）匹配连接，且位于最底部的半圆形透明玻璃筒（5）底部通过凹凸槽（6）与低温冷板（8）上方的凹凸口（7）连接。

4.权利要求3所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：上恒温冷板（4）设置在最顶部位置的半圆形透明玻璃筒（5）内，上恒温冷板（4）上设有用于检测上恒温冷板（4）在土样冻结过程中位移情况的位移传感器（11），利用位移传感器（11）获得测试装置主体内土样的总冻胀量。

5.权利要求4所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：所述测试装置主体上内设有约束装置，所述约束装置包括在底座（9）上设置的多条可伸缩柔性带（2），可伸缩柔性带（2）的端头上设有弹簧扣（1），多个半圆形透明玻璃筒（5）以及低温冷板（8）组装后通过弹簧扣（1）与顶部半圆形透明玻璃筒（5）上设置的卡接口（3）卡扣连接，从而固定测试装置主体结构，防止冻结过程中测试装置主体产生竖向移动。

6.权利要求1所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：所述半圆形透明玻璃筒（5）上沿螺旋形位置上设有多个温度传感器测孔（15），温度传感器通过温度传感器测孔（15）插入半圆形透明玻璃筒（5）内的土体中。

7.一种使用上述任一权利要求所述全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置的测试方法，其特征在于步骤如下：

a将底座（9）放置在承载装置（19）上并固定，将下低温冷板（8）放在底座（9）上后，将第一个半圆形透明玻璃筒（5）通过凹凸槽（6）和锥形凹凸口（7）与下低温冷板（8）进行拼装；

b将提前制作好的待测试土样分层填入半圆形透明玻璃筒（5）内并压实，使土样高度与半圆形透明玻璃筒（5）的高度一致，分层填入时在土样中不同深度的侧面间隔布置2~3个荧光标识点（17）；

c土样填入完成后在土样顶部放置柔性压力测试薄膜（12），并将第二个半圆形透明玻璃筒（5）通过凹凸口（7）和凹凸槽（6）向第一个半圆形透明玻璃筒（5）上拼装；

d根据测试需求重复步骤b和步骤c依次组合多个半圆形透明玻璃筒（5）并保证两个相邻的半圆形透明玻璃筒（5）之间均放置柔性压力测试薄膜（12），完成测试所需所有半圆形透明玻璃筒（5）的拼装；

e在最顶部的半圆形透明玻璃筒（5）内部的土样顶部放置上恒温冷板（4），拉伸可伸缩柔性带（2）至最顶部的半圆形透明玻璃筒（5）的卡接口（3）处，利用弹簧扣（1）与卡接口（3）进行卡接，完成对整个测试装置主体进行约束固定；

f将装有部分水的水平盘管（10）分别与每个半圆形透明玻璃筒（5）相连形成无压补水系统，利用水平盘管（10）内水量的增减量实现不同分段内补水量和排水量的测试；

g在测试装置顶部的上恒温冷板（4）上设置位移传感器（11），并在所有半圆形透明玻璃筒（5）的温度传感器测孔（15）内插入温度传感器，将位移传感器（11）、温度传感器与柔性压力测试薄膜（12）的数据线与计算机相连，实现冻胀位移、温度和冻胀压力的实时动态测试与记录；

h利用低温冷板（8）对设置在其上半圆形透明玻璃筒（5）中的土样进行低温冷冻，同时利用上恒温冷板（4）保证最顶部半圆形透明玻璃筒（5）中的土样表面温度的恒定，冻结过程中，同时开启补水系统、图像采集系统和计算机，利用图像采集系统采集冻结过程中测试装置主体中各层半圆形透明玻璃筒（5）中土样的水分迁移量，通过对荧光标识点的位置变化获得不同半圆形透明玻璃筒（5）分段内土样的位移量，同时利用位移传感器（11）获得总位移量，而不同分段内的分层冻胀力通过不透水压力薄膜检测并将数据传输至计算机中获得，最后利用温度传感器获得不同土样位置的温度数据；

i通过测试数据获得各层半圆形透明玻璃筒（5）在冻结全过程中土样的水分迁移及分层冻胀的演变特征信息。