[实用新型]时变覆盖效应冻融循环模拟仪器

说明书

本实用新型公开了一种时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，包括温湿度控制箱组件、土样容器、数据采集组件。温湿度控制箱组件用于模拟自然真实温湿度环境；土样容器放置在控制箱组件中，通过温湿度控制箱组件对时变覆盖效应情况下土样顶部温度、水分蒸发边界进行控制，土样容器内自下向上布置有下温控压头和储水室，下温控压头的顶部与储水室的底部接触，储水室的顶部设有孔板；数据采集组件用于采集土样容器中土样顶部的位移以及土样内部不同深度处的压力、温度和湿度，并进行数据分析处理。本实用新型能模拟自然环境的一年四季不同温湿度情况，能对土样冻胀量和冻胀力、温度和湿度进行测量和分析，可以进行时变覆盖效应的水热力室内模拟实验。

技术领域

本实用新型涉及时变覆盖效应冻融循环模拟技术领域，尤其是涉及一种时变覆盖效应冻融循环模拟仪器。

背景技术

我国冻土区域面积广阔，其中大部分为季节性冻土。季节冻土的冻胀和融沉变形会对建于其上的工程设施造成严重危害。随着高速公路、高速铁路的兴建，由于这类设施对路基变形更为敏感，冻融变形的分析与控制成为工程科技人员必须高度重视的问题。针对公路路基，其不透水道面下方的水气迁移将造成水分的积聚，学界称其为“覆盖效应”。而受冻胀困扰较大的铁路路基，在浅层土体冻结之前，一般铁路路基表层的渗透性并非很低，表现出弱覆盖或不覆盖的特性，但当浅层因雨季降水等因素残留水分时，在冬季随冻结发生，路基表层由于含冰量增多，由不覆盖转为弱覆盖，甚至强覆盖，这种顶部透气透水条件随时间变化从而影响路基内水分迁移状况的现象，可视作更为一般性的覆盖效应，可称为“时变覆盖效应”。

对覆盖效应与时变覆盖效应的研究，需要考虑水-气-热-力多场耦合。这一问题的理论模型仍处在研究发展阶段，而实验研究有助于加深对覆盖效应与时变覆盖效应机理的认识，探究其引起冻胀等灾害的规律。国内外自上世纪以来已针对冻土进行了大量的实验，现已有了不少不同规格的冻土实验仪器。但目前仅有少量针对覆盖效应的实验仪器，也就是对实验土柱体的上下边界设定不同的温度，同时下侧补水而上侧不透水，从而实现在温度梯度下的水气向上迁移与积聚。但针对时变覆盖效应的研究还未有专门的仪器面世。需要发展研制顶部水热边界条件与实际相符的实验仪器，才能更好地以室内模型实验反映工程实际问题，对铁路路基时变覆盖的现象进行复现，并探究其机理和规律。

目前已有的相关方案，如北京航空航天大学的冻融循环实验仪器，只能实现模拟覆盖效应的功能。其技术方案为：在有机玻璃桶内装填土样，在土样底部补水或不补水，并控制土样上下边界的温度，在实验过程中利用预先埋设的温度、湿度传感器，记录土体水分、温度随时间的变化过程。用两个恒温冷浴箱连接两个铁制圆形温控压头，来实现对土样上下两侧的温度的控制。实验过程中试样装置直接放于室内环境，还需要在有机玻璃桶外侧做隔热处理。

现有技术的缺点如下：其一、由于土体顶部控温需要与土样完全贴合的温度控制压头，此温控压头也兼做不透水边界，因此当控温进行冻结实验时，顶部只能是不透水的，也就是只能用于模拟覆盖效应，不能用于时变覆盖效应的模拟。其二、现有仪器往往关注实验土样的温度边界与水分边界，但对其力学边界条件考虑不够。当土样顶部无力学约束时冻胀变形能自由发展，而土样顶部有力学约束时将产生冻胀力；现有的仪器不能对冻胀量和冻胀力进行测量和分析。其三、现有仪器对实验的一维性没有很好验证。现有的冻融循环实验仪器往往尺寸较小(直径甚至可能低于10cm)，而温湿度传感器的尺寸往往较大(长度3cm)，有可能影响水分迁移，使实验不满足水分迁移的一维性。当仪器可测量冻胀量时，需注意由于土样冻结区水分冻结，试样容器侧壁将与土体粘连，给土样侧面很大的摩擦力，使实验不满足位移的一维性。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，能模拟自然环境的一年四季不同温湿度情况，能对土样冻胀量和冻胀力、温度和湿度进行测量和分析，可以进行时变覆盖效应的水热力室内模拟实验。

根据本实用新型实施例的时变覆盖效应冻融循环模拟仪器，包括：