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一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置及制樣方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置，包括溫控系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)、壓實(shí)系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)；所述溫控系統(tǒng)包括保溫箱、冷浴裝置和循環(huán)制冷管道；所述循環(huán)制冷管道包括依次貫通的輸送冷卻液管道、螺旋式制冷管道和回收冷卻液管道；所述制樣系統(tǒng)包括制樣室和制樣模具；所述螺旋式制冷管道呈螺旋狀環(huán)繞在制樣室外周面上；所述壓實(shí)系統(tǒng)包括加載架和壓頭；所述壓頭的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度均由計算機(jī)控制系統(tǒng)控制。本發(fā)明還提供了制樣方法，特別適用于利用該制樣裝置在常溫實(shí)驗室制得不同凍結(jié)速率以及不同凍結(jié)與壓實(shí)先后順序的凍土試樣，為研究凍結(jié)速率以及壓實(shí)與凍結(jié)順序?qū)ν恋牧W(xué)強(qiáng)度特性的影響的試驗提供真實(shí)可靠的試樣。
【專利說明】一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置及制樣方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是涉及一種適用于模擬凍土自然形成過程的制樣裝置及制樣方法，具體地說是涉及通過控制制備試樣的凍結(jié)速率以及根據(jù)需要選擇凍結(jié)與壓實(shí)這兩種制樣操作的先后順序，從而模擬凍土在多種自然工況下形成過程的制樣裝置及不同的制樣方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)進(jìn)行，季節(jié)性凍土地區(qū)甚至多年凍土地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在不斷地開展，為了確保該地區(qū)工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性，有必要對多種自然工況下的凍土力學(xué)強(qiáng)度特性進(jìn)行深入研究。三軸壓縮試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗在凍土力學(xué)性質(zhì)的研究中有著極為廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行這兩種試驗時，制作圓柱形試樣是第一步，制得試樣的好壞直接決定著試驗結(jié)果的正確與否，不同的制樣方法也將得到不同的試驗結(jié)果。
[0003]在以往的凍土研究和人工凍土物理力學(xué)性能試驗MT規(guī)范中，凍土的三軸壓縮和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣的制作方法通常是:先制得一定含水率條件下的常溫試樣，然后連同制樣模具一起放入低于_30°C的恒溫箱中速凍4-6小時，最后將試樣在所需試驗溫度下脫模，并用修土刀修整，裝入塑料袋中密封，在試驗溫度下養(yǎng)護(hù)待用。在這種制樣過程中，一定含水率的土首先經(jīng)過壓實(shí)成為常溫狀態(tài)下的圓柱形土樣，然后試樣從常溫降低到_30°C，土樣中的水分完成凍結(jié)，形成試驗所需要的凍結(jié)試樣。
[0004]然而，凍土地區(qū)的季節(jié)性凍融實(shí)際上是溫度由正溫經(jīng)過數(shù)月緩慢變化到負(fù)溫的過程及其逆過程，而晝夜凍融和氣候驟變造成的凍融則是溫度由正溫經(jīng)過較短時間迅速變化到負(fù)溫的過程及其逆過程，因此研究凍結(jié)速率對凍土工程穩(wěn)定的影響具有一定的理論意義和工程價值。
[0005]此外，不同地區(qū)的凍土形成方式也有差別，有些地區(qū)的凍土是由常溫土經(jīng)過天然沉降固結(jié)再遇低溫氣候凍結(jié)而成的，這與規(guī)范中所規(guī)定的先壓實(shí)再凍結(jié)的制樣方法類似；但有些地區(qū)的凍土是由蓬松的自然土經(jīng)過凍結(jié)后再人工壓實(shí)形成的，或者由已凍結(jié)的土經(jīng)開挖后再填筑而形成的，這種凍土在高寒地區(qū)填筑工程中比較常見；另外，在某些實(shí)際工程中，土的填筑過程就伴隨著溫度的降低。而且，土的凍結(jié)與壓實(shí)的先后順序?qū)绊懕男纬桑灿绊懕w粒與土顆粒的膠結(jié)形式與膠結(jié)程度，最終勢必影響凍土的力學(xué)性質(zhì)。因此，在制備試樣的過程中考慮試樣凍結(jié)與壓實(shí)的先后順序?qū)⒂泻艽蟮默F(xiàn)實(shí)意義。
[0006]目前，參閱凍土方面的相關(guān)文獻(xiàn)，有關(guān)凍結(jié)速率以及凍結(jié)與壓實(shí)先后順序?qū)鐾亮W(xué)性質(zhì)的影響尚未見報道，有關(guān)考慮這兩種因素的制樣裝置及制樣方法還未有人提及。因此，研發(fā)一種可以考慮這兩種因素，從而模擬不同自然工況下凍土形成過程的制樣裝置及制樣方法，對深入開展凍土力學(xué)性質(zhì)研究具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)制備裝置對于制備試樣所考慮因素上存在偏差而未能制備出更符合不同自然工況下凍土形成過程的試樣等方面的不足，提供一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置及制樣方法，特別適用于利用該裝置在常溫實(shí)驗室制得不同凍結(jié)速率以及不同凍結(jié)與壓實(shí)先后順序的凍土試樣，以使研究試樣與自然條件形成下的凍土更符合。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置，包括溫控系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)、壓實(shí)系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)。
[0009]其中，所述溫控系統(tǒng)包括保溫箱、冷浴裝置和循環(huán)制冷管道，所述保溫箱通過循環(huán)制冷管道與冷浴裝置相連；所述循環(huán)制冷管道包括依次貫通的輸送冷卻液管道、螺旋式制冷管道和回收冷卻液管道；所述輸送冷卻液管道和回收冷卻液管道均分布在保溫箱和冷浴裝置之間；所述螺旋式制冷管道位于保溫箱內(nèi)部；所述輸送冷卻液管道上設(shè)置有流量控制器。
[0010]同時，所述制樣系統(tǒng)包括制樣室和制樣模具，所述制樣室直立型設(shè)置在保溫箱內(nèi)部，制樣室的上端開口位于保溫箱上端面；所述制樣模具可匹配式安裝進(jìn)制樣室容腔中；所述制樣室的底面可拆卸式設(shè)置有鋼塊，所述鋼塊中設(shè)置有通過連接線與計算機(jī)控制系統(tǒng)電連接的溫度傳感器；所述螺旋式制冷管道呈螺旋狀環(huán)繞在制樣室外周面上。
[0011]并且，所述壓實(shí)系統(tǒng)包括加載架和壓頭；所述加載架可拆卸式設(shè)置在保溫箱上端面上；所述壓頭通過壓桿與加載架相連分布在制樣室上端開口的正上方，并可豎直壓入保溫箱內(nèi)部所設(shè)制樣室容腔內(nèi)的制樣模具中；所述壓頭的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度均由計算機(jī)控制系統(tǒng)控制。
[0012]本發(fā)明的制樣裝置進(jìn)一步設(shè)置為:所述壓實(shí)系統(tǒng)還包括絕熱板和限位器；所述絕熱板設(shè)在壓頭底部并與壓頭底部尺寸相同；所述加載架包括立式門架、與保溫箱上端面接觸的底塊；所述底塊分別分布在保溫箱上端面的兩端邊；所述加載架可通過其底塊底部設(shè)有的滾輪而沿著保溫箱上端面作來回移動；所述限位器設(shè)在保溫箱上端面上，用于對加載架的來回移動軌跡進(jìn)行限位。
[0013]本發(fā)明的制樣裝置更進(jìn)一步設(shè)置為:所述制樣室鋼塊底部安裝有千斤頂，所述千斤頂用于將完成制樣后的制樣模具連同所制試樣一起頂出；所述鋼塊底部與千斤頂頂部之間設(shè)置有與鋼塊底部尺寸相同的隔熱板；所述鋼塊和隔熱板可一體成型后設(shè)置在千斤頂頂部。
[0014]本發(fā)明的制樣裝置更進(jìn)一步設(shè)置為:所述制樣室為圓柱形，所述制樣模具為圓柱形三開模；所述圓柱形制樣室的內(nèi)徑與三開模的外徑相同；所述制樣室和三開模的高度均為所需制的試樣高度的2倍。
[0015]本發(fā)明的制樣裝置更進(jìn)一步設(shè)置為:所述保溫箱內(nèi)部填充有聚氨酯泡沫的保溫材料。
[0016]本發(fā)明還提供了一種模擬凍土自然形成過程的制樣方法，包括如下步驟:
(1)、組裝好制備試樣所需的模擬凍土自然形成過程的制樣裝置；
(2)、將位于制樣裝置中保溫箱上方的加載架和壓頭從制樣室上端開口的正上方移開，使制樣室的上端開口處于無遮擋狀態(tài)；
(3)、在制樣室圓柱形的容腔底部鋪上一層濾紙，再將制樣模具三開模的內(nèi)表面均勻涂上一層娃油后安裝進(jìn)制樣室容腔中； (4)、將事先混合拌好的蓬松的土樣倒入進(jìn)制樣模具三開模中；
(5)、移回加載架和壓頭,使壓頭分布在制樣室上端開口的正上方并處于加載壓實(shí)操作的初始狀態(tài)；然后通過計算機(jī)控制系統(tǒng)控制壓頭的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度使壓頭蓋住三開模上端口，此時壓頭處于準(zhǔn)壓狀態(tài)，同時壓頭底部的絕熱板可對制樣室進(jìn)行保溫；
(6)、根據(jù)需要制備不同自然形成過程的凍土試樣而采取不同的制樣條件和制樣順序進(jìn)行制備，所述制樣條件包括試樣所需溫度、凍結(jié)速率，所述制樣順序包括凍結(jié)與壓實(shí)這兩種制樣操作的先后順序；
(7)、待模擬凍土自然形成過程的試樣制備好后，將壓頭從壓實(shí)狀態(tài)拉出、并連同加載架從制樣室上端開口的正上方移開；
(8)、將制備有試樣的制樣模具三開模連同所制試樣一起從制樣室的容腔中取出，將所制試樣從制樣模具三開模中取出，再放入恒溫箱進(jìn)行恒溫保養(yǎng)后待用。
[0017]進(jìn)一步的，所述步驟(6)的制樣順序為先壓實(shí)再凍結(jié)，或者先凍結(jié)再壓實(shí)，或者邊凍結(jié)邊壓實(shí)。
[0018]進(jìn)一步的，所述步驟(6)中的凍結(jié)制樣操作包括，通過輸送冷卻液管道上的流量控制器來調(diào)節(jié)從冷浴裝置輸送入螺旋式制冷管道的冷卻液流量大小，進(jìn)而給制樣模具三開模中的土樣進(jìn)行降溫；通過與計算機(jī)控制系統(tǒng)相連的溫度傳感器了解土樣溫度，當(dāng)測量到的溫度穩(wěn)定在試樣所需溫度時，即認(rèn)為降溫結(jié)束，完成凍結(jié)，同時可計算出試樣的平均凍結(jié)速率。
[0019]進(jìn)一步的，所述步驟(6)中的壓實(shí)制樣操作包括，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)來控制壓頭的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度，使得制樣模具三開模中原有蓬松的土樣在壓頭的壓力作用下慢慢地被壓實(shí)到計算機(jī)控制系統(tǒng)所預(yù)先設(shè)定好的試樣高度，從而完成壓實(shí)。
[0020]進(jìn)一步的:所述步驟(8)可通過設(shè)置在制樣室底部的千斤頂將制備有試樣的制樣模具三開模連同所制試樣一起從制樣室容腔中頂出；將所制試樣從三開模中分離出來后再放入恒溫箱進(jìn)行恒溫保養(yǎng)48小時。
[0021 ] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置及制樣方法具有的有益效果有:
1、與冷浴裝置相連的循環(huán)制冷管道包括依次貫通的輸送冷卻液管道、螺旋式制冷管道和回收冷卻液管道，所述螺旋式制冷管道呈螺旋狀環(huán)繞在制樣室外周面上，可以保證處于制樣室容腔中的制樣模具三開模內(nèi)土樣在制備試樣過程中，土樣的上中下各個部位均能得以均勻降溫、快速降溫，因而降溫效率高、所耗能源少。
[0022]2、通過在輸送冷卻液管道上設(shè)置流量控制器，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)冷浴裝置輸送入螺旋式制冷管道中冷卻液流量大小的目的，從而達(dá)到對不同制樣土樣可采用不同降溫速率的可控需求；通過在制樣室底面的鋼塊中設(shè)置與計算機(jī)控制系統(tǒng)電連接的溫度傳感器，來及時了解制備過程中的土樣溫度，當(dāng)測量到的溫度穩(wěn)定在試樣所需溫度時，即認(rèn)為降溫結(jié)束；而且可根據(jù)降溫時間計算出試樣的平均凍結(jié)速率，有利于對凍結(jié)操作實(shí)現(xiàn)定量化控制。
[0023]3、壓實(shí)系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，可通過采取不同的制樣條件和制樣順序進(jìn)行制備不同的凍土試樣；具體可采用先壓實(shí)再凍結(jié)或者先凍結(jié)再壓實(shí)或者邊凍結(jié)邊壓實(shí)等不同的制樣順序，來模擬不同自然工況下凍土的形成過程，從而制備出符合不同研究所需的真實(shí)可靠的試樣。
[0024]4、通過計算機(jī)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)制備試樣的自動化控制操作，達(dá)到數(shù)據(jù)反應(yīng)準(zhǔn)確、快速，執(zhí)行操作有序、可靠，制樣過程順暢、可控等諸多目的，而確保試樣制備成功、符合標(biāo)準(zhǔn)。
[0025]5、本發(fā)明還具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、牢固可靠、制作成本低、利用率高等優(yōu)點(diǎn)，一個制樣裝置即可模擬多種不同自然工況下凍土形成過程來完成不同試樣的制備，可大幅降低實(shí)驗室制備試樣的成本支出。
[0026]上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置的保溫箱的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置的制樣模具的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0029]如圖1、圖2及圖3所示，一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置，包括溫控系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)、壓實(shí)系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)。
[0030]其中，所述溫控系統(tǒng)包括保溫箱1、冷浴裝置2和循環(huán)制冷管道，所述保溫箱I通過循環(huán)制冷管道與冷浴裝置2相連，所述保溫箱I內(nèi)部填充有聚氨酯泡沫的保溫材料；所述循環(huán)制冷管道包括依次貫通的輸送冷卻液管道21、螺旋式制冷管道22和回收冷卻液管道23 ；所述輸送冷卻液管道21和回收冷卻液管道23均分布在保溫箱I和冷浴裝置2之間；所述螺旋式制冷管道22位于保溫箱I內(nèi)部；所述輸送冷卻液管道21上設(shè)置有流量控制器24。
[0031]所述制樣系統(tǒng)包括制樣室3和制樣模具4，所述制樣室3為圓柱形，所述制樣模具4為圓柱形三開模；所述圓柱形制樣室3的內(nèi)徑與三開模的外徑相同；所述制樣室3和三開模的高度均為所需制的試樣高度的2倍。所述制樣室3直立型設(shè)置在保溫箱I內(nèi)部，制樣室3的上端開口位于保溫箱I上端面；所述制樣模具4可匹配式安裝進(jìn)制樣室3容腔中；所述制樣室3的底面可拆卸式設(shè)置有鋼塊31，所述鋼塊31中設(shè)置有通過連接線50與計算機(jī)控制系統(tǒng)5連接的溫度傳感器32 ;所述螺旋式制冷管道22呈螺旋狀環(huán)繞在制樣室3外周面上；所述制樣室鋼塊31底部安裝有千斤頂33，所述千斤頂33用于將完成制樣后的制樣模具4連同所制試樣一起頂出；所述鋼塊31底部與千斤頂33頂部之間設(shè)置有與鋼塊31底部尺寸相同的隔熱板34 ;所述鋼塊31和隔熱板34可一體成型后設(shè)置在千斤頂33頂部。
[0032]所述壓實(shí)系統(tǒng)包括加載架6和壓頭7 ;所述加載架6可拆卸式設(shè)置在保溫箱I上端面上；所述壓頭7通過壓桿70與加載架6相連分布在制樣室3上端開口的正上方，并可豎直壓入保溫箱I內(nèi)部所設(shè)制樣室3容腔內(nèi)的制樣模具4中；所述壓頭7的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度均由計算機(jī)控制系統(tǒng)5控制。所述壓實(shí)系統(tǒng)還包括絕熱板71和限位器72 ;所述絕熱板71設(shè)在壓頭7底部并與壓頭7底部尺寸相同；所述加載架6包括立式門架61、與保溫箱I上端面接觸的底塊62 ;所述底塊62分別分布在保溫箱I上端面的兩端邊；所述加載架6可通過其底塊62底部設(shè)有的滾輪63而沿著保溫箱I上端面作來回移動；所述限位器72設(shè)在保溫箱I上端面上，數(shù)量為四個，用于對加載架6的來回移動軌跡進(jìn)行限位。
[0033]根據(jù)圖1、圖2和圖3所示的制樣裝置可以制備不同自然形成過程的凍土試樣，具體制樣方法的步驟為:先將加載架6通過底塊62底部的滾輪63滑移至保溫箱I上端面一偵牝使得制樣室3的上端開口處于無遮擋狀態(tài)，此時的限位器72可以防止加載架6滑移過度翻落；再在制樣室3圓柱形的容腔底部鋪上一層濾紙，將制樣模具三開模的內(nèi)表面均勻涂上一層硅油后安裝進(jìn)制樣室3容腔中；然后將事先混合拌好的蓬松的土樣倒入進(jìn)制樣模具三開模中；接著移回加載架6和壓頭7，使壓頭7分布在制樣室3上端開口的正上方并處于加載壓實(shí)操作的初始狀態(tài)；后通過計算機(jī)控制系統(tǒng)5控制壓頭7的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度，使壓頭7蓋住制樣模具4的上端口，此時壓頭7處于準(zhǔn)壓狀態(tài)，同時壓頭7底部的絕熱板71可對制樣室3進(jìn)行保溫。
[0034]再根據(jù)需要制備不同自然形成過程的凍土試樣而采取不同的制樣條件和制樣順序進(jìn)行制備，所述制樣條件包括試樣所需溫度、凍結(jié)速率，所述制樣順序包括凍結(jié)與壓實(shí)這兩種制樣操作的先后順序；然后等待模擬凍土自然形成過程的試樣制備好后，將壓頭7從壓實(shí)狀態(tài)拉出、并連同加載架6從制樣室3上端開口的正上方移開；最后可通過設(shè)置在制樣室3底部的千斤頂33將制備有試樣的制樣模具4連同所制試樣一起從制樣室3容腔中頂出；將所制試樣脫離三開模，再放入恒溫箱進(jìn)行恒溫保養(yǎng)48小時后待用。
[0035]根據(jù)需要制備不同自然形成過程的凍土試樣可采取的制樣順序有先壓實(shí)再凍結(jié)，或者先凍結(jié)再壓實(shí)，或者邊凍結(jié)邊壓實(shí)等順序。
[0036]采用先壓實(shí)再凍結(jié)的制樣順序具體體現(xiàn)在:先通過計算機(jī)控制系統(tǒng)5來控制壓頭7的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度，使得制樣模具三開模中原有蓬松的土樣在壓頭的壓力作用下慢慢地被壓實(shí)到計算機(jī)控制系統(tǒng)5所預(yù)先設(shè)定好的試樣高度，從而完成壓實(shí)。然后通過輸送冷卻液管道21上的流量控制器24來調(diào)節(jié)從冷浴裝置2輸送入螺旋式制冷管道22的冷卻液流量大小，進(jìn)而給制樣模具三開模4中的土樣進(jìn)行降溫；同時，通過與計算機(jī)控制系統(tǒng)5相連的溫度傳感器32 了解土樣溫度，當(dāng)測量到的溫度穩(wěn)定在試樣所需溫度時，即認(rèn)為降溫結(jié)束，從而完成凍結(jié)。最后將制備有試樣的制樣模具4連同所制試樣一起從制樣室3的容腔中取出，將所制試樣脫離三開模，再放入恒溫箱進(jìn)行恒溫保養(yǎng)后待用。
[0037]采用先凍結(jié)再壓實(shí)的制樣順序具體體現(xiàn)在:先通過輸送冷卻液管道21上的流量控制器24來調(diào)節(jié)從冷浴裝置2輸送入螺旋式制冷管道22的冷卻液流量大小，進(jìn)而給制樣模具三開模4中的土樣進(jìn)行降溫；同時，通過與計算機(jī)控制系統(tǒng)5相連的溫度傳感器32 了解土樣溫度，當(dāng)測量到的溫度穩(wěn)定在試樣所需溫度時，即認(rèn)為降溫結(jié)束，從而完成凍結(jié)。然后通過計算機(jī)控制系統(tǒng)5來控制壓頭7的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度，使得制樣模具三開模中原有蓬松的土樣在壓頭的壓力作用下慢慢地被壓實(shí)到計算機(jī)控制系統(tǒng)5所預(yù)先設(shè)定好的試樣高度，從而完成壓實(shí)。最后將制備有試樣的制樣模具4連同所制試樣一起從制樣室3的容腔中取出，將所制試樣脫離三開模后，再放入恒溫箱進(jìn)行恒溫保養(yǎng)后待用。
[0038]采用邊凍結(jié)邊壓實(shí)的制樣順序具體體現(xiàn)在:通過輸送冷卻液管道21上的流量控制器24來調(diào)節(jié)從冷浴裝置2輸送入螺旋式制冷管道22的冷卻液流量大小，進(jìn)而給制樣模具三開模4中的土樣進(jìn)行降溫；與此同時，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)5來控制壓頭7的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度，使得制樣模具三開模中原有蓬松的土樣在壓頭的壓力作用下慢慢地被壓實(shí)到計算機(jī)控制系統(tǒng)5所預(yù)先設(shè)定好的試樣高度。期間，通過與計算機(jī)控制系統(tǒng)5相連的溫度傳感器32 了解土樣溫度，當(dāng)測量到的溫度穩(wěn)定在試樣所需溫度時，即認(rèn)為降溫結(jié)束，同時完成凍結(jié)和壓實(shí)。最后將制備有試樣的制樣模具4連同所制試樣一起從制樣室3的容腔中取出，將所制試樣脫離三開模后，再放入恒溫箱進(jìn)行恒溫保養(yǎng)后待用。
[0039]本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于，壓實(shí)系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，可通過采取不同的制樣條件和制樣順序進(jìn)行制備不同的凍土試樣，為研究凍結(jié)速率以及壓實(shí)與凍結(jié)順序?qū)ν恋牧W(xué)強(qiáng)度特性的影響的試驗提供真實(shí)可靠的試樣；而且，螺旋式制冷管道和流量控制器的設(shè)置更可保證制樣模具三開模內(nèi)土樣在制備試樣過程中，土樣的上中下各個部位均能得以均勻降溫、快速降溫、可控性降溫，從而實(shí)現(xiàn)高效降溫、低能耗制樣，大幅降低實(shí)驗室制備試樣的成本支出。
[0040]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置，其特征在于:包括溫控系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)、壓實(shí)系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)； 所述溫控系統(tǒng)包括保溫箱、冷浴裝置和循環(huán)制冷管道，所述保溫箱通過循環(huán)制冷管道與冷浴裝置相連；所述循環(huán)制冷管道包括依次貫通的輸送冷卻液管道、螺旋式制冷管道和回收冷卻液管道；所述輸送冷卻液管道和回收冷卻液管道均分布在保溫箱和冷浴裝置之間；所述螺旋式制冷管道位于保溫箱內(nèi)部；所述輸送冷卻液管道上設(shè)置有流量控制器； 所述制樣系統(tǒng)包括制樣室和制樣模具，所述制樣室直立型設(shè)置在保溫箱內(nèi)部，制樣室的上端開口位于保溫箱上端面；所述制樣模具可匹配式安裝進(jìn)制樣室容腔中；所述制樣室的底面可拆卸式設(shè)置有鋼塊，所述鋼塊中設(shè)置有通過連接線與計算機(jī)控制系統(tǒng)連接的溫度傳感器；所述螺旋式制冷管道呈螺旋狀環(huán)繞在制樣室外周面上； 所述壓實(shí)系統(tǒng)包括加載架和壓頭；所述加載架可拆卸式設(shè)置在保溫箱上端面上；所述壓頭通過壓桿與加載架相連分布在制樣室上端開口的正上方，并可豎直壓入保溫箱內(nèi)部所設(shè)制樣室容腔內(nèi)的制樣模具中；所述壓頭的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度均由計算機(jī)控制系統(tǒng)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置，其特征在于:所述壓實(shí)系統(tǒng)還包括絕熱板和限位器；所述絕熱板設(shè)在壓頭底部并與壓頭底部尺寸相同；所述加載架包括立式門架、與保溫箱上端面接觸的底塊；所述底塊分別分布在保溫箱上端面的兩端邊；所述加載架可通過其底塊底部設(shè)有的滾輪而沿著保溫箱上端面作來回移動；所述限位器設(shè)在保溫箱上端面上，用于對加載架的來回移動軌跡進(jìn)行限位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置，其特征在于:所述制樣室鋼塊底部安裝有千斤頂，所述千斤頂用于將完成制樣后的制樣模具連同所制試樣一起頂出；所述鋼塊底部與千斤頂頂部之間設(shè)置有與鋼塊底部尺寸相同的隔熱板；所述鋼塊和隔熱板可一體成型后設(shè)置在千斤頂頂部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置，其特征在于:所述制樣室為圓柱形，所述制樣模具為圓柱形三開模；所述圓柱形制樣室的內(nèi)徑與三開模的外徑相同；所述制樣室和三開模的高度均為所需制的試樣高度的2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬凍土自然形成過程的制樣裝置，其特征在于:所述保溫箱內(nèi)部填充有聚氨酯泡沫的保溫材料。
6.一種模擬凍土自然形成過程的制樣方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)、組裝好制備試樣所需的模擬凍土自然形成過程的制樣裝置； (2)、將位于制樣裝置中保溫箱上方的加載架和壓頭從制樣室上端開口的正上方移開，使制樣室的上端開口處于無遮擋狀態(tài)； (3)、在制樣室圓柱形的容腔底部鋪上一層濾紙，再將制樣模具三開模的內(nèi)表面均勻涂上一層娃油后安裝進(jìn)制樣室容腔中； (4)、將事先混合拌好的蓬松的土樣倒入進(jìn)制樣模具三開模中； (5)、移回加載架和壓頭,使壓頭分布在制樣室上端開口的正上方并處于加載壓實(shí)操作的初始狀態(tài)；然后通過計算機(jī)控制系統(tǒng)控制壓頭的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度使壓頭蓋住三開模上端口，此時壓頭處于準(zhǔn)壓狀態(tài)，同時壓頭底部的絕熱板可對制樣室進(jìn)行保溫； (6)、根據(jù)需要制備不同自然形成過程的凍土試樣而采取不同的制樣條件和制樣順序進(jìn)行制備，所述制樣條件包括試樣所需溫度、凍結(jié)速率，所述制樣順序包括凍結(jié)與壓實(shí)這兩種制樣操作的先后順序； (7)、待模擬凍土自然形成過程的試樣制備好后，將壓頭從壓實(shí)狀態(tài)拉出、并連同加載架從制樣室上端開口的正上方移開； (8)、將制備有試樣的制樣模具三開模連同所制試樣一起從制樣室的容腔中取出，將所制試樣從制樣模具三開模中取出，再放入恒溫箱進(jìn)行恒溫保養(yǎng)后待用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種模擬凍土自然形成過程的制樣方法，其特征在于:所述步驟(6)的制樣順序為先壓實(shí)再凍結(jié)，或者先凍結(jié)再壓實(shí)，或者邊凍結(jié)邊壓實(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種模擬凍土自然形成過程的制樣方法，其特征在于:所述步驟(6)中的凍結(jié)制樣操作包括，通過輸送冷卻液管道上的流量控制器來調(diào)節(jié)從冷浴裝置輸送入螺旋式制冷管道的冷卻液流量大小，進(jìn)而給制樣模具三開模中的土樣進(jìn)行降溫；通過與計算機(jī)控制系統(tǒng)相連的溫度傳感器了解土樣溫度，當(dāng)測量到的溫度穩(wěn)定在試樣所需溫度時，即認(rèn)為降溫結(jié)束，完成凍結(jié)，同時可計算出試樣的平均凍結(jié)速率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種模擬凍土自然形成過程的制樣方法，其特征在于:所述步驟(6)中的壓實(shí)制樣操作包括，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)來控制壓頭的加載壓實(shí)速率和進(jìn)程深度，使得制樣模具三開模中原有蓬松的土樣在壓頭的壓力作用下慢慢地被壓實(shí)到計算機(jī)控制系統(tǒng)所預(yù)先設(shè)定好的試樣高度，從而完成壓實(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種模擬凍土自然形成過程的制樣方法，其特征在于:所述步驟(8 )可通過設(shè)置在制樣室底部的千斤頂將制備有試樣的制樣模具三開模連同所制試樣一起從制樣室容腔中頂出；將所制試樣從三開模中分離出來后再放入恒溫箱進(jìn)行恒溫保養(yǎng)48小時。
【文檔編號】G01N1/28GK104297030SQ201410544992
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】許雷, 魯洋, 劉斯宏, 李卓, 王柳江, 謝浩, 樊科偉 申請人:河海大學(xué)