[发明专利]一种模拟冻土自然形成过程的制样装置及制样方法

权利要求书

1.一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，其特征在于：包括温控系统、制样系统、压实系统和计算机控制系统；

所述温控系统包括保温箱、冷浴装置和循环制冷管道，所述保温箱通过循环制冷管道与冷浴装置相连；所述循环制冷管道包括依次贯通的输送冷却液管道、螺旋式制冷管道和回收冷却液管道；所述输送冷却液管道和回收冷却液管道均分布在保温箱和冷浴装置之间；所述螺旋式制冷管道位于保温箱内部；所述输送冷却液管道上设置有流量控制器；

所述制样系统包括制样室和制样模具，所述制样室直立型设置在保温箱内部，制样室的上端开口位于保温箱上端面；所述制样模具可匹配式安装进制样室容腔中；所述制样室的底面可拆卸式设置有钢块，所述钢块中设置有通过连接线与计算机控制系统连接的温度传感器；所述螺旋式制冷管道呈螺旋状环绕在制样室外周面上；

所述压实系统包括加载架和压头；所述加载架可拆卸式设置在保温箱上端面上；所述压头通过压杆与加载架相连分布在制样室上端开口的正上方，并可竖直压入保温箱内部所设制样室容腔内的制样模具中；所述压头的加载压实速率和进程深度均由计算机控制系统控制；

所述压实系统还包括绝热板和限位器；所述绝热板设在压头底部并与压头底部尺寸相同；所述加载架包括立式门架、与保温箱上端面接触的底块；所述底块分别分布在保温箱上端面的两端边；所述加载架可通过其底块底部设有的滚轮而沿着保温箱上端面作来回移动；所述限位器设在保温箱上端面上，用于对加载架的来回移动轨迹进行限位。

2.根据权利要求1所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，其特征在于：所述制样室钢块底部安装有千斤顶，所述千斤顶用于将完成制样后的制样模具连同所制试样一起顶出；所述钢块底部与千斤顶顶部之间设置有与钢块底部尺寸相同的隔热板；所述钢块和隔热板可一体成型后设置在千斤顶顶部。

3.根据权利要求1所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，其特征在于：所述制样室为圆柱形，所述制样模具为圆柱形三开模；所述圆柱形制样室的内径与三开模的外径相同；所述制样室和三开模的高度均为所需制的试样高度的2倍。

4.根据权利要求1所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样装置，其特征在于：所述保温箱内部填充有聚氨酯泡沫的保温材料。

5.一种模拟冻土自然形成过程的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）、组装好制备试样所需的模拟冻土自然形成过程的制样装置；

（2）、将位于制样装置中保温箱上方的加载架和压头从制样室上端开口的正上方移开，使制样室的上端开口处于无遮挡状态；

（3）、在制样室圆柱形的容腔底部铺上一层滤纸，再将制样模具三开模的内表面均匀涂上一层硅油后安装进制样室容腔中；

（4）、将事先混合拌好的蓬松的土样倒入进制样模具三开模中；

（5）、移回加载架和压头，使压头分布在制样室上端开口的正上方并处于加载压实操作的初始状态；然后通过计算机控制系统控制压头的加载压实速率和进程深度使压头盖住三开模上端口，此时压头处于准压状态，同时压头底部的绝热板可对制样室进行保温；

（6）、根据需要制备不同自然形成过程的冻土试样而采取不同的制样条件和制样顺序进行制备，所述制样条件包括试样所需温度、冻结速率，所述制样顺序包括冻结与压实这两种制样操作的先后顺序；

（7）、待模拟冻土自然形成过程的试样制备好后，将压头从压实状态拉出、并连同加载架从制样室上端开口的正上方移开；

（8）、将制备有试样的制样模具三开模连同所制试样一起从制样室的容腔中取出，将所制试样从制样模具三开模中取出，再放入恒温箱进行恒温保养后待用。

6.根据权利要求5所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样方法，其特征在于：所述步骤（6）的制样顺序为先压实再冻结，或者先冻结再压实，或者边冻结边压实。

7.根据权利要求5所述的一种模拟冻土自然形成过程的制样方法，其特征在于：所述步骤（6）中的冻结制样操作包括，通过输送冷却液管道上的流量控制器来调节从冷浴装置输送入螺旋式制冷管道的冷却液流量大小，进而给制样模具三开模中的土样进行降温；通过与计算机控制系统相连的温度传感器了解土样温度，当测量到的温度稳定在试样所需温度时，即认为降温结束，完成冻结，同时可计算出试样的平均冻结速率。