可視化土體凍融過程試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可視化土體凍融過程試驗(yàn)裝置，控溫箱與外部壓縮機(jī)相接，控溫箱內(nèi)，半圓柱體試樣罐置于控溫底板上，控溫底板上刻有凹槽，凹槽上設(shè)密封圈與半圓柱體試樣罐底面接觸，控溫底板上有孔，一孔通過導(dǎo)水管與馬廖特瓶相連，另一孔與水頭調(diào)節(jié)管相連，控溫底板上放置濾紙和土樣，土樣頂部與控溫頂板接觸，控溫頂板上有把手；位移傳感器固定于支架上，并與控溫頂板頂面接觸；溫度傳感器通過試樣罐壁面上探頭孔插入土樣中，位移傳感器和溫度傳感器通過引線與數(shù)據(jù)采集儀相連；可調(diào)光源置于照相機(jī)兩側(cè)，照相機(jī)置于半圓柱體試樣罐正面，并通過引線與電子計(jì)算機(jī)連接。本發(fā)明研究土體凍結(jié)過程中土的凍結(jié)速率、水分遷移速率、冰晶生長(zhǎng)速度、分凝冰厚度、凍脹速度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程，直觀的看到試驗(yàn)土柱中凍結(jié)鋒面移動(dòng)及凍結(jié)緣的發(fā)育過程，為揭示土的凍結(jié)與融化機(jī)理提供技術(shù)保證。
【專利說明】可視化土體凍融過程試驗(yàn)裝置
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種室內(nèi)對(duì)土體凍融過程研究的試驗(yàn)裝置。利用此裝置，既可以測(cè)得 土在某一溫度梯度作用下凍結(jié)時(shí)，各層土溫、水分遷移量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，也可以較為直 觀的看到試驗(yàn)土柱中水流運(yùn)移的過程、凍結(jié)鋒面移動(dòng)的過程以及凍結(jié)緣的發(fā)育過程，為進(jìn) 一步闡明土的凍脹與融沉機(jī)制研究提供技術(shù)支撐。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004] 土的凍結(jié)與融化過程，是一種常見的自然界現(xiàn)象。當(dāng)氣溫下降使表土層或土工構(gòu) 筑物中的溫度低于土壤水冰點(diǎn)時(shí)，一方面地表土層中孔隙水凍結(jié)成冰，體積膨脹；另一方面 則在負(fù)溫梯度作用下，下部未凍土層中的水分源源不斷向上部?jī)鼋Y(jié)區(qū)遷移、聚集而形成多 晶體、透鏡體、冰夾層等形式的冰侵入體，引起土體體積增大，導(dǎo)致地表不均勻上升，產(chǎn)生凍 脹。反之，當(dāng)氣溫升高，凍結(jié)后的土體融化，一方面伴隨著土體中冰侵入體消融成水，其體積 減??；另一方面在自重和外荷載作用下，融化的孔隙水排出，導(dǎo)致土體壓縮，即融沉現(xiàn)象。土 體在凍結(jié)與融化過程中產(chǎn)生的凍脹與融沉是寒區(qū)工程建設(shè)所面臨的兩大主要災(zāi)害，如何預(yù) 報(bào)并提出行之有效的工程對(duì)策是寒區(qū)工程穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的前提，而合理措施的提出卻離不開 對(duì)土體凍結(jié)與融化過程的正確認(rèn)識(shí)。
[0005] 目前對(duì)土凍結(jié)與融化過程的試驗(yàn)研究方法一般有兩類：室內(nèi)模擬研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí) 測(cè)。室內(nèi)模擬研究由于試驗(yàn)邊界條件可控、操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，常成為研究工作者 認(rèn)識(shí)自然規(guī)律必不可少的研究方法。對(duì)土體凍結(jié)與融化過程的研究也一樣，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室雖 然有較為成熟的測(cè)試技術(shù)，但這些測(cè)試技術(shù)一般只能測(cè)量土在凍結(jié)過程中各個(gè)剖面溫度的 變化、土在凍結(jié)過程中水分遷移量隨時(shí)間的變化以及土的凍脹總量隨時(shí)間的變化，對(duì)于土 凍結(jié)過程中冰分凝的位置、凍結(jié)鋒面的前進(jìn)速度、凍結(jié)緣的厚度等進(jìn)一步認(rèn)識(shí)凍結(jié)過程的 關(guān)鍵因素，只能通過測(cè)定試樣不同層面的土溫來確定，或者在低溫狀態(tài)下通過對(duì)試后試樣 的縱剖面制作復(fù)形膜，然后利用圖像數(shù)字化技術(shù)對(duì)復(fù)形膜處理后統(tǒng)計(jì)每一層分凝冰厚度和 位置，進(jìn)行反演分析，獲得試驗(yàn)期間每一層分凝冰形成的時(shí)間、位置和溫度等資料。但是這 樣的研究方法，是在假定土體每個(gè)時(shí)間段分凝凍脹量等于該時(shí)間分凝冰層厚度的基礎(chǔ)上進(jìn) 行的，對(duì)分凝冰形成的時(shí)間、位置和溫度的確定是根據(jù)已知資料推算而得，其結(jié)果是否準(zhǔn)確 反映土的真實(shí)凍結(jié)過程還無法確定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于上述，本發(fā)明的目的在于提供一種可視化土體凍融過程試驗(yàn)裝置，可監(jiān)測(cè)分 凝冰動(dòng)態(tài)形成的過程。該裝置可進(jìn)行凍結(jié)過程染色示蹤試驗(yàn)，在監(jiān)測(cè)土柱各層面溫度動(dòng)態(tài) 變化的同時(shí)，利用高分辨率照相機(jī)，對(duì)凍結(jié)過程中遷移水分的運(yùn)動(dòng)過程和分凝冰的形成動(dòng) 態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并定時(shí)采集圖像，最后，通過對(duì)所采集的圖像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、灰度變換、幾何失 真校正、去除反光、圖像分割選取閾值等數(shù)字化處理，獲取土的凍結(jié)速率、水分遷移速率、冰 晶生長(zhǎng)速度、分凝冰厚度、凍脹速度等參數(shù)。為進(jìn)一步揭示土的凍結(jié)與融化機(jī)理提供必要的 技術(shù)保證。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)： 一種可視化土體凍融過程試驗(yàn)裝置，包括馬廖特瓶、支架、位移傳感器、把手、控溫頂 板、探頭孔、溫度傳感器、密封圈、水位調(diào)節(jié)管、導(dǎo)水管、控溫底板、濾紙、半圓柱體試樣罐、土 樣、高分辨率照相機(jī)、控溫箱、可調(diào)光源、數(shù)據(jù)采集儀、電子計(jì)算機(jī)、循環(huán)槽?？販叵鋬?nèi)，半圓 柱體試樣罐置于控溫底板之上，控溫底板上刻有凹槽，凹槽上設(shè)密封圈與半圓柱體試樣罐 底面接觸，控溫底板上開有兩個(gè)小孔，其中一孔通過導(dǎo)水管與馬廖特瓶相連，另一孔與水頭 調(diào)節(jié)管相連，控溫底板上依次放置濾紙和土樣，土樣頂部與控溫頂板接觸，控溫頂板上開有 循環(huán)槽，頂板上安裝把手；位移傳感器固定于支架之上，并與控溫頂板頂面接觸；溫度傳感 器通過試樣罐壁面上探頭孔插入土樣中，位移傳感器和溫度傳感器通過引線與數(shù)據(jù)采集儀 相連；可調(diào)光源置于高分辨率照相機(jī)兩側(cè)，高分辨率照相機(jī)置于半圓柱體試樣罐正面，并通 過引線與電子計(jì)算機(jī)連接。
[0008] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是： 1、 本發(fā)明充分利用厚有機(jī)玻璃強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差的特點(diǎn)，使其既滿足研究土體凍融過 程試驗(yàn)時(shí)，土對(duì)管壁壓力的要求，又可以減小控溫箱內(nèi)環(huán)境溫度對(duì)研究土樣溫度的干擾； 2、 在有機(jī)玻璃管壁開設(shè)小孔，將溫度傳感器植入土體后，用密封膠將小孔密封，這樣， 即可較為方便的獲得溫度數(shù)據(jù)，又減少了裝樣過程中布設(shè)溫度探頭后，對(duì)試樣的擾動(dòng)； 3、 制作半圓形有機(jī)試樣罐，可以方便觀測(cè)，還可以減少物體表面彎曲對(duì)拍攝過程的影 響。由于罐體平面部分可拆卸，不僅有利于在裝樣過程中布置溫度探頭，而且保證了試樣的 均勻性，并便于最后對(duì)試后試樣在不同層面的含水量進(jìn)行測(cè)定。
[0009] 4、在土體凍融過程試驗(yàn)中，以亮藍(lán)溶液作為示蹤劑，可較為清晰的掌握土凍融過 程中，水分的運(yùn)動(dòng)軌跡，為更為準(zhǔn)確的揭示凍脹與融沉的機(jī)理提供理論依據(jù)。
[0010] 5、高分辨率照相機(jī)與電子計(jì)算機(jī)相連接，并在計(jì)算機(jī)中安裝一軟件，運(yùn)行本軟件， 使計(jì)算機(jī)來控制照相機(jī)的曝光頻率，并將所獲得高分辨率照片直接存入計(jì)算機(jī)，克服相機(jī) 內(nèi)存不足的局限性。
[0011] 6、通過對(duì)原有凍融過程試驗(yàn)裝置中壓頭的改進(jìn)，使其能滿足半圓形試驗(yàn)罐的要 求，并通過對(duì)冷浴循環(huán)路徑的改造，保證冷浴循環(huán)過程中，試樣與上、下壓頭接觸面溫度的 均勻性； 7、 在控溫箱內(nèi)，安裝無影的可調(diào)冷光源，一來保證光源不發(fā)熱，即使發(fā)熱，也不至影響 恒溫箱的溫度；二來可避免周圍物體(譬如數(shù)據(jù)線）的影子對(duì)拍照效果的影響； 8、 可利用現(xiàn)有的制冷設(shè)備和控溫裝置，就可對(duì)土體實(shí)行凍融過程試驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土 凍融過程中，溫度、吸排水量的自動(dòng)測(cè)量； 9、 可利用現(xiàn)有的可控制力值大小的任何材料試驗(yàn)機(jī)，就可給土體加載，從而實(shí)現(xiàn)高壓 力作用下對(duì)土體凍融過程的研究。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明正視圖。
[0013] 圖中： 1.馬廖特瓶2.支架3.位移傳感器4.把手5.控溫頂板6.探頭孔 7.溫度傳感器8.密封圈9.水位調(diào)節(jié)管10.導(dǎo)水管11.控溫底板 12.濾紙13.半圓柱體試樣罐14. 土樣15.高分辨率照相機(jī)16.控溫箱 17.可調(diào)光源18.數(shù)據(jù)采集儀19.電子計(jì)算機(jī)20.循環(huán)槽 圖2為本發(fā)明俯視圖。
[0014] 圖3為圖1中控溫頂板正視圖。
[0015] 圖4為圖3中控溫頂板后視圖。
[0016] 圖5為圖3側(cè)斷面示意圖。
[0017] 圖6為圖1中控溫底板正視圖。
[0018] 圖7為圖6中控溫底板后視圖。
[0019] 圖8為圖6側(cè)斷面示意圖。
[0020] 圖9為本發(fā)明在粘土凍結(jié)試驗(yàn)開始時(shí)所拍的照片。
[0021] 圖10為本發(fā)明在粘土凍結(jié)試驗(yàn)7小時(shí)后所拍的照片。
[0022] 圖11為本發(fā)明在粘土凍結(jié)試驗(yàn)3天后所拍的照片。
[0023] 圖12為本發(fā)明在粘土凍結(jié)試驗(yàn)5天后所拍的照片。
[0024]

【具體實(shí)施方式】
[0025] 結(jié)合附圖，本發(fā)明通過實(shí)測(cè)事例再做進(jìn)一步的詳述： 如圖1-8所示，一種可視化土體凍融過程試驗(yàn)裝置，包括1.馬廖特瓶2.支架3.位 移傳感器4.把手5.控溫頂板6.探頭孔7.溫度傳感器8.密封圈9.水位調(diào)節(jié)管 10.導(dǎo)水管11.控溫底板12.濾紙13.半圓柱體試樣罐14. 土樣15.高分辨率照 相機(jī)16.控溫箱17.可調(diào)光源18.數(shù)據(jù)采集儀19.電子計(jì)算機(jī)20.循環(huán)槽?？販?箱16與外部壓縮機(jī)連接，通過壓縮機(jī)對(duì)控溫箱16內(nèi)溫度進(jìn)行控制，使箱體溫度達(dá)到試驗(yàn)所 需要的環(huán)境溫度并保持穩(wěn)定；控溫箱16內(nèi)，半圓柱體試樣罐13置于控溫底板11之上，控溫 底板11上刻有凹槽，凹槽上設(shè)密封圈8與半圓柱體試樣罐13底面接觸，從而保證試驗(yàn)過程 中罐體的密封性；控溫底板11上開有兩個(gè)小孔，其中一孔通過導(dǎo)水管10與馬廖特瓶1相 連，另一孔與水頭調(diào)節(jié)管9相連，試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)水頭調(diào)節(jié)管9使馬廖特瓶1中的氣壓、水 壓、外部大氣壓以及土樣14底面壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)補(bǔ)水條件的控制；控 溫底板11上依次放置濾紙12和土樣14, 土樣14頂部與控溫頂板5接觸，控溫頂板5上開 有循環(huán)槽20,頂板上安裝把手4,從而可以方便的移動(dòng)控溫頂板5 ;控溫頂板5和控溫底板 11均由上、下蓋板組成（如圖3所示），蓋板上刻有循環(huán)槽20,循環(huán)槽20與外部冷浴連接， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣14端面溫度的控制；控溫頂板5、試樣罐13和控溫底板11通過支架2連 為一體，位移傳感器3固定于支架2之上，并與控溫頂板5頂面接觸；溫度傳感器7通過試 樣罐13壁面上探頭孔6插入土樣14中，試驗(yàn)時(shí)，溫度傳感器7和位移傳感器3通過引線與 數(shù)據(jù)采集儀18相連，從而可獲得試驗(yàn)過程中土樣14軸向溫度及位移隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過 程；可調(diào)光源17置于高分辨率照相機(jī)15兩側(cè)，通過調(diào)節(jié)可調(diào)光源17 -方面可保證高分辨 率照相機(jī)15采集圖像的質(zhì)量，另一方面也可增強(qiáng)不同試驗(yàn)之間的可比性；高分辨率照相機(jī) 15置于半圓柱體試樣罐13正面，鏡頭垂直于半圓柱體試樣罐13壁面，高分辨率照相機(jī)15 通過引線與電子計(jì)算機(jī)19連接，試驗(yàn)時(shí)，通過電子計(jì)算機(jī)19可對(duì)高分辨率照相機(jī)15采集 圖像的格式及采樣間隔進(jìn)行控制。
[0026] 室內(nèi)對(duì)含水量為20%的粘土進(jìn)行開放系統(tǒng)條件下單向凍結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為 120h。試驗(yàn)之前，調(diào)整控溫箱體及控溫頂、底板溫度為1°C并恒溫保持6h_8h，待土樣內(nèi)部溫 度分布均勻后保持控溫箱及控溫底板溫度不變，迅速降低控溫頂板溫度至-15°C進(jìn)行單向 凍結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中所采集的凍結(jié)過程圖片如圖9-12所示。圖9-12表明，隨著單向凍結(jié) 時(shí)間的延續(xù)，土體的凍結(jié)鋒面逐漸下移，含冰區(qū)域逐漸擴(kuò)大，土中水分的重分布現(xiàn)象比較明 顯，圖9-12中可以看出土體在單向凍結(jié)過程中土體內(nèi)部冰層的發(fā)育全過程。圖9為試樣初 始狀態(tài)；圖10為對(duì)試樣冷端施加負(fù)溫后，土體凍結(jié)初期，凍結(jié)鋒面快速下移，土體內(nèi)部部分 水分相變成冰；圖11和圖12為隨著凍結(jié)持續(xù)時(shí)間的增加，土體凍結(jié)鋒面的下移速度降低， 土體內(nèi)部更多的水分相變成冰，從而在土體內(nèi)部產(chǎn)生明顯的冰層，進(jìn)而引起土體體積膨脹， 產(chǎn)生凍脹。
[0027] 本發(fā)明結(jié)合試驗(yàn)所獲得的試樣在不同層面溫度的變化過程及土的總變形，通過對(duì) 圖像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、灰度變換、幾何失真校正、去除反光、圖像分割選取閾值等數(shù)字化處理， 就可獲取土的凍結(jié)速率、水分遷移速率、冰晶生長(zhǎng)速度、分凝冰厚度、凍脹速度等參數(shù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種可視化土體凍融過程試驗(yàn)裝置，包括馬廖特瓶（1)、支架（2)、位移傳感器（3)、 把手（4)、控溫頂板（5)、探頭孔（6)、溫度傳感器（7)、密封圈（8)、水位調(diào)節(jié)管（9)、導(dǎo)水管 (10)、控溫底板（11)、濾紙（12)、半圓柱體試樣罐（13)、土樣（14)、高分辨率照相機(jī)（15)、控 溫箱（16)、可調(diào)光源（17)、數(shù)據(jù)采集儀（18)、電子計(jì)算機(jī)（19)、循環(huán)槽（20)，其特征是半 圓柱體試樣罐（13)置于是控溫箱（16)內(nèi)控溫底板（11)之上，控溫底板（11)上刻有凹槽， 凹槽上設(shè)密封圈（8)與半圓柱體試樣罐（13)底面接觸，控溫底板（11)上開有兩個(gè)小孔，一 孔通過導(dǎo)水管（10)與馬廖特瓶（1)相連，另一孔與水頭調(diào)節(jié)管（9)相連，控溫底板（11)上 依次放置濾紙（12)和土樣（14)，土樣（14)頂部與控溫頂板（5)接觸，控溫頂板（5)上開 有循環(huán)槽（20)，頂板上安裝把手（4);位移傳感器（3)固定于支架（2)之上，并與控溫頂板 (5)頂面接觸；溫度傳感器（7)通過試樣罐壁面上探頭孔（6)插入土樣（14)中，位移傳感 器（3)和溫度傳感器（7)分別通過引線與數(shù)據(jù)采集儀（18)相連；可調(diào)光源（17)置于高分 辨率照相機(jī)（15)兩側(cè)，高分辨率照相機(jī)（15)置于半圓柱體試樣罐（13)正面，并通過引線 與電子計(jì)算機(jī)（19)連接。
【文檔編號(hào)】G01N17/00GK104215566SQ201310216526
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2013年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月4日
【發(fā)明者】顧同欣, 王大雁, 關(guān)輝, 馬巍, 溫智, 王永濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所