[发明专利]用于土壤冻结试验的冷冻装置及以其制备冻土模型的方法

说明书

本发明是一种用于土壤冻结试验的冷冻装置及以其制备冻土模型的方法，其冷冻装置包括冷冻机，其特点是：还包括冷冻板，所述冷冻板的入口管与所述冷冻机的出口接头通过第一连接管连通，所述冷冻板的出口管与所述冷冻机的进口接头通过第二连接管连通形成制冷回路，制冷剂在制冷回路内流动，将与冷冻板接触的土壤冻结。制备冻土模型的方法包括以下步骤：制备土槽，在土槽内盛装未冻结的土壤；在土槽盛装的土壤内设置温度传感器和冻结深度计；制备与土槽相同尺寸的冷冻板；将冷冻板平放在土槽的上面；利用冷冻机将制冷剂冷却到试验温度，并使制冷剂在冷冻板里均匀循环，使其形成温度均匀恒定的冷场源，模拟天然冻土的形成过程，从而制得冻土模型。

技术领域

本发明属于土木工程领域，尤其涉及岩土技术领域，是一种用于土壤冻结试验的冷冻装置及以其制备冻土模型的方法。

背景技术

中国冻土分布广泛，多年冻土和季节性冻土分别占国土面积的21.5%和53.5%，冻土地区的地表层被一层冬冻夏融的冻结-融化层覆盖，冻土层的存在使均质场地变为双层地基或多层地基，改变了地基土的动力特性和卓越周期，从而直接影响着上部建筑物的抗震性能的稳定与安全。另外，土体的冻胀冻拔破坏也是季节性冻土地区结构冻胀破坏的主要形式之一，对生态环境和结构安全有着很大的影响。而国内外针对冻土对建筑结构影响的研究极为有限，缺少相关试验数据的支持。因此，开展室内冻土试验，获取有效可信数据，已经成为评估寒区建筑结构安全性能中不可或缺的内容，对于增强其抗震防灾能力和防治冻胀破坏都具有重要的意义。而开展以上研究，增强试验数据可靠度，明确冻土冻结深度变化规律并考虑冻土的物理性能对于冻结温度依存性，探索一种符合实际土体冻结规律的冻结方法至关重要。

近年来，开展室内冻土试验，制作冻土相关模型多采用恒温箱，即把融土模型放在恒温箱内，这样会使土体从四周向中心均匀冻结，不符合土体冻结锋面由地表逐渐下移的实际冻结规律，无法开展一定冻结深度的冻土试验。已有研究表明，冻土的物理性能和温度有很高的依存性，实际冻结环境下，冻土的温度由地表到冻结锋面温度呈梯度分布，即地表温度最低，随着深度的增加温度回升，冻结锋面温度为0℃。另外，我国幅员辽阔，不同区域环境差异较大。考虑冻土的刚度对温度的依存性至关重要。

目前，开发一种简单可靠、方便操作、能够准确模拟仿真低温下土壤冻结的冻土冻结装置和冻结方法已是岩土工程领域急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的缺点，提供一种用于土壤冻结试验的冷冻装置及以其制备冻土模型的方法，其结构简单、安全可靠、能够准确模拟仿真低温下土壤的冻结，冻结效率高，作为制冷剂的盐水不易泄露，土壤冻结由土层表面至土层以下均匀冻结，从而还原土壤真实冻结环境所达到的冻结效果。

本发明解决技术问题采用的方案之一是： 一种用于土壤冻结试验的冷冻装置，它包括冷冻机，其特征是：还包括冷冻板、第一连接管和第二连接管，所述冷冻板的入口管与所述冷冻机的出口接头通过所述第一连接管连通，所述冷冻板的出口管与所述冷冻机的进口接头通过所述第二连接管连通形成制冷回路，制冷剂在制冷回路内流动，从而将与冷冻板接触的土壤冻结。

所述冷冻板包括上板、下板、围板、冷冻管、入口管和出口管，所述上板和所述下板均为金属材质的平板，上板和下板平行水平设置，所述围板置于上板和下板之间并固连，所述若干个冷冻管均匀分布在上板和下板之间并固连，若干个冷冻管的一端均分别与入口管连通、另一端均分别与出口管连通，形成并联设置的冷冻管。

所述第一连接管和所述第二连接管均为软管，在软管外包覆隔热层。

所述制冷剂为盐水。