[发明专利]一种模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，包括恒温箱、设有若干个试样箱的总箱体、电液伺服压力机、基于单片机的智能水头控制系统、显微观测系统和数据采集系统；

所述总箱体为上下开口的立方体结构，且其设置在所述恒温箱内，所述总箱体通过至少一个竖向隔板将其均匀分成若干个试样箱，每个所述试样箱的上方均设有控温顶板，所述控温顶板与试验箱连接处的缝隙通过密封胶条密封，所述控温顶板内设有与循环冷浴一连接的冷液循环槽一，每个所述试样箱的下方均设有控温底板，所述控温底板与试验箱连接处的缝隙通过密封胶条密封，所述控温底板内设有与循环冷浴二连接的冷液循环槽二，所述控温底板还设有若干个通孔，所述控温底板的下方设有透水石，所述透水石的下方设有补水槽，所述补水槽内的水通过所述通孔进入到试样箱，所述补水槽设有进水阀门和出水阀门；

所述电液伺服压力机设置在恒温箱内，用于给试样箱内土体试样施加竖向压力；

所述基于单片机的智能水头控制系统通过进水管与补水槽的进水阀门连接，所述进水管上设有总进水阀门；

所述显微观测系统设置在所述恒温箱内，实时监测土体细观结构的演变；

所述数据采集系统包括水分传感器、热电偶和数据采集仪，所述水分传感器和热电偶均设置在土体试样内，且均与数据采集仪连接。

2.根据权利要求1所述的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，所述基于单片机的智能水头控制系统包括水头升降装置、电机和控制箱，所述控制箱的输出端与所述电机的输入端连接，所述电机的输出端与水头升降装置连接，所述水头升降装置中水槽的出水口与所述进水管连接。

3.根据权利要求1所述的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，所述电液伺服压力机包括底座和若干个多级液压缸，所述多级液压缸固定在底座上，所述底座与所述恒温箱固定连接，所述多级液压缸的数量与试样箱的数量相等，且每个多级液压缸与一个试样箱对应，每个多级液压缸对对应的试样箱内的土体试样逐级加压，且每级加压为0.1～0.2kPa。

4.根据权利要求1所述的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，所述显微观测系统包括放大倍数为10倍至220倍的奥林巴斯体显微镜和CCD摄像机，所述奥林巴斯体显微镜安装在CCD摄像机的摄像头上，实时监测水分迁移发展过程中土体细观结构的变化。

5.根据权利要求1所述的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，所述试样箱由有机玻璃制成，所述恒温箱由保温材料制成，所述控温顶板和控温底板均由金属材料制成，所述总箱体的四周采用保温材料包裹。

6.根据权利要求1所述的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，所述水分传感器和热电偶沿土体试样竖向均分别均匀设置若干个。

7.根据权利要求1所述的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，所述试样箱的侧壁沿竖向均匀设有若干个引线孔，所述水分传感器和热电偶的引线均通过对应的引线孔穿出，所述引线与引线孔之间的缝隙用环氧树脂密封。

8.根据权利要求1所述的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，所述循环冷浴一控制控温顶板的温度，所述控温顶板的温度范围为大于等于-40℃小于等于40℃，所述循环冷浴二控制控温底板的温度，所述控温底板的温度范围为大于等于0℃小于等于60℃。

9.根据权利要求1所述的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，所述总箱体设有若干个与竖向隔板对应的隔板槽，所述竖向隔板插入对应的隔板槽中，所述竖向隔板为有机玻璃板或者透水薄膜板。

10.一种模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置的试验方法，采用权利要求1所述的模拟路基工程冻融破坏现象的室内试验装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、试验准备，将控温底板和透水石安装到试样箱的底部，并将控温底板和透水石与试样箱底部之间的缝隙通过密封胶条密封，将试样箱的底部固定在补水槽上，竖向隔板为有机玻璃板；在需要试验的试样箱内分层均匀堆放土体，并分层埋设水分传感器和热电偶，水分传感器和热电偶的引线与数据采集仪连接，适当压实、平整，尽量还原土体的自然状态，然后将与循环冷浴一连接的控温顶板盖在试样箱的顶部，确保土体试样与控温顶板之间无缝隙，并将控温顶板与试样箱顶部之间的缝隙通过密封胶条密封；将所有引线孔用环氧树脂密封，减少试验过程中热量的损失；将水槽注满水，并与进水管连接，将电液伺服压力机、数据采集仪调零，将基于单片机的智能水头控制系统、奥林巴斯体显微镜和CCD摄像机关闭；打开总进水阀门、进水阀门和出水阀门，启动基于单片机的智能水头控制系统，待补水槽流出的水中无气泡时关闭出水阀门，然后关闭总进水阀门，关闭基于单片机的智能水头控制系统；调整恒温箱、控温顶板和控温底板温度至设定温度一，设定温度一为0～5℃，待土体试样内部温度稳定后，保持温度条件不变；开启电液伺服压力机，以设定加载速率对土体试样进行加载，待加载完成后，保持荷载条件不变，待轴向位移稳定后，接通基于单片机的智能水头控制系统的电源，打开总进水阀门；

步骤二、冻结试验，打开数据采集仪，调节循环冷浴一，迅速降低控温顶板温度至设定温度二，设定温度二小于0℃，在恒温箱、控温底板的温度及荷载条件保持不变情况下对各组土体试样进行单向冻结，开启奥林巴斯体显微镜和CCD摄像机，通过奥林巴斯体显微镜和CCD摄像机记录土体颗粒细观结构的变化情况，当土体试样发生水分迁移时，在土体试样某一位置出现冻结锋面，随着试验的进行，冻结锋面逐渐向下推移，观察电液伺服压力机的位移读数，当土体试样底层的热电偶的温度保持稳定或达到试验设定时间时，冻结试验结束；

步骤三、融化试验，调节循环冷浴一，将控温顶板温度升至设定温度三，在恒温箱、控温底板的温度及荷载条件保持不变情况下对各组土体试样进行单向融化试验，当达到试验设定的融化时间时，一个冻融循环结束；

步骤四、试验结束，将数据采集仪和电液伺服压力机的试验数据导出。