重塑土成土與凍結試驗設備的制造方法
【專利摘要】一種重塑土成土與凍結試驗設備，成土凍結桶的頂部設有密封蓋，成土凍結桶的桶壁分為四層，由內而外分別為高分子復合層、彈性材料層、絕熱材料層和外層，彈性材料層內環繞布置冷凝管，成土凍結桶的底部設有過濾層，過濾層的底部設有排水通道，成土凍結桶的內壁設有溫度傳感器；冷凝管的一端與制冷液循環設備的出口連通，冷凝管的另一端與制冷液循環設備的入口連通，溫度傳感器與用于控制凍結溫度與凍結時間的控溫設備連接；排水通道與真空水罐的內腔連通，真空水罐的內腔設有水位感應器和負壓傳感器，真空水罐的底部設有排水閥，真空水罐設有真空抽氣管道，真空抽氣管道與真空泵連接。本實用新型簡化步驟、減少用時、精確度較高。
【專利說明】
重塑土成土與凍結試驗設備
技術領域
[0001] 本實用新型涉及土木工程土工試驗領域的一種重塑土成土與凍結試驗設備。
【背景技術】
[00〇2] 人工凍結技術起源于19世紀90年代，最早運用于礦井加固。1886年瑞典首次在城市土木工程中運用人工凍結法，成功挖掘了一條24m的人行隧道。后美國、德國、日本均成功使用人工凍結法建造隧道。到上世紀60年代，液氮凍結法開始出現并用于地層加固。人工凍結法形成的凍土墻由于良好的強度、密封性和化學穩定使其成為目前最有效的隔絕處理技術。
[0003] 現有地鐵工程采用人工凍結法改變軟黏土性質使工程便于施工并得到了一定的推廣。施工后殘留在隧道底的凍土將發生融化現象，尤其是列車開通后，其土的力學性狀會發生顯著變化，進而影響地鐵運營安全。經過凍融以后土體性質有了明顯的改變，通過對原狀土和凍融土的物理、力學性能的試驗研究，得知土凍結融化后其物理、力學性能發生了很大的改變:孔隙比、壓縮系數、滲透性明顯增大，單軸和三軸抗剪強度等明顯降低。而在地鐵等列車循環荷載作用下又會對土體造成擾動，對土體的動力性質造成一定的影響。
[0004] 為了保證試驗參數的準確性，就需要進行原位測試或者采集原狀土進行試驗分析，但由于土體本身的不均一性、多相性，加之取土對土體產生的擾動進一步導致原狀土的取樣困難。因此為了讓試樣保證整體性質均一和平行試樣的有效性，對采取的土樣進行的重塑土制樣是土體性狀的重要技術手段。現行室內制樣技術大致可分為兩類擊實法和固結法兩類。其中固結法則可分為靜載固結和真空固結。靜載固結是對土體施加靜載壓力加速土體固結，主要是在軟土地基中設置排水系統，在地基土上覆不透氣的密封膜，通過對排水系統的抽氣使地基土中形成真空負壓，在密封膜內外壓差的作用下達到排水固結的目的。 真空固結制樣過程較為繁瑣，對制樣設備要求較高，如果想得到含水量分布比較均勻的理想試樣，必須逐步施加靜載，且固結時間較長。
[0005] 目前重塑土制取設備和凍結設備不斷在改進，但還未有將兩者融合的設備提出， 導致試驗步驟繁瑣、用時長，影響工作、試驗進度。
【發明內容】
[0006] 為了克服已有重塑土制取和凍結方式的步驟繁瑣、用時長、精確度較低的不足，本實用新型提供一種簡化步驟、減少用時、精確度較高的重塑土成土與凍結試驗設備。
[0007] 本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0008] —種重塑土成土與凍結試驗設備，包括一個成土凍結桶、一個制冷液循環設備、一個真空水罐和一個真空栗，所述成土凍結桶的頂部設有密封蓋，所述成土凍結桶的桶壁分為四層，由內而外分別為高分子復合層、彈性材料層、絕熱材料層和外層，所述彈性材料層內環繞布置冷凝管，所述成土凍結桶的底部設有過濾層，所述過濾層的底部設有排水通道， 所述成土凍結桶的內壁設有溫度傳感器；
[0009] 所述冷凝管的一端與所述制冷液循環設備的出口連通，所述冷凝管的另一端與所述制冷液循環設備的入口連通，所述溫度傳感器與用于控制凍結溫度與凍結時間的控溫設備連接；
[0010] 所述排水通道與真空水罐的內腔連通，所述真空水罐的內腔設有水位感應器和負壓傳感器，所述真空水罐的底部設有排水閥，所述真空水罐設有真空抽氣管道，所述真空抽氣管道與真空栗連接。
[〇〇11]進一步，所述成土凍結桶為圓柱型鋼桶，所述成土凍結桶開口處設有第一旋鈕密封蓋，所述第一旋鈕密封蓋上設有第一排氣閥和第一真空度表;所述成土凍結桶內部為高分子復合制內桶，內桶底部設有過濾層，其中過濾層上覆蓋100目土工織布。
[0012] 再進一步，所述控溫設備與制冷液循環設備為一整體，所述控溫設備呈長方體盒裝通過鋼管支撐于制冷液循環設備上方。
[0013] 更進一步，所述真空水罐為圓柱型鋼桶，所述真空水罐開口處為設有第二旋鈕密封蓋，其中第二旋鈕密封蓋上設有第二排氣閥和第二真空度表，所述密封蓋上設有真空管道與真空栗相連接。
[0014] 本實用新型的技術構思為:成土方面使用真空預壓法固結土體，通過控制土樣含水量、粘粒含量及液塑限指數等土性指標，獲得與原狀飽和軟粘土性質相仿且均勻性良好的重塑飽和軟粘土樣。凍結方面采用壓縮式凍結:蒸發器中低溫低壓的制冷液吸熱成為低溫低壓的制冷氣體，制冷氣體被壓縮機吸入轉化為高溫高壓的制冷氣體，氣體通過冷凝器熱量被交換轉換成高壓常溫的制冷液，接著制冷液通過節流閥轉化為低溫低壓的制冷液， 低溫低壓制冷液再次進入蒸發器內形成循環;冷凝循環管中主要為水，通過熱交換將制冷氣體轉化為液體，水再與大氣進行熱交換恢復常溫完成循環;冷媒劑一般為鹽溶液(氯化鈉溶液)并實際參與凍結土體，充滿冷媒劑的冷凝管環繞成土桶進行凍結。
[0015] 本實用新型適合于制備凍融土動力特性試驗動三軸等所需的重塑土，對于實際工程中難以取得原狀土作為土工試驗的工程，使用該實用新型根據原狀土的土性指標制得大量凍融重塑軟粘土。運用該方法制備凍融重塑軟粘土，減少土體擾動，提高試驗精確度，適用于各類凍融土試驗研究。
[0016] 本實用新型的有益效果主要表現在:(1)、將重塑土制土與凍結設備相結合，制土完成后即可馬上凍結土體，降低取土擾動，提高試驗精確度；(2)、可自主選擇凍融次數與設定凍融時間，計時完成會計算機會發出提醒(3)、簡化試驗步驟，僅需將泥漿倒入制土桶內， 試驗完成后即是凍融后重塑土；(4)、采用計算機智能控制，實時監控土體狀況，設定真空負壓、凍結溫度以及凍結時間后，計算機自動運行設備，若運行出現問題則發出警報；(5)、成土凍結桶采用高分子復合材料內殼，具有一定彈性且抗低溫能力好，能夠較好適應負壓以及低溫環境；(6)、設備一體化，將控溫與制冷液循環設備、成土凍結桶、真空水罐以及真空栗整合在一起，減少設備占地體積；(7)采用壓縮式凍結，冷媒劑充滿管中，制冷速度快，制冷設備使用壽命長。
【附圖說明】
[0017] 圖1是成土凍結桶結構示意圖。
[0018] 圖2是真空水罐結構示意圖。
[0019] 圖3是控溫與制冷液循環設備示意圖。
[0020] 圖4是真空栗示意圖。
[0021] 圖5是設備結構主視圖。
[〇〇22]圖6是設備結構俯視圖。
[〇〇23]圖7是設備外觀主視圖。
[〇〇24]圖8是設備外觀俯視圖。
[〇〇25]圖9是設備外觀左視圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。
[〇〇27] 參照圖1?圖9,一種重塑土成土與凍結試驗設備，包括一個成土凍結桶、一個制冷
液循環設備、一個真空水罐和一個真空栗22,所述成土凍結桶的頂部設有密封蓋4,所述成土凍結桶的桶壁分為四層，由內而外分別為高分子復合層6、彈性材料層7、絕熱材料層8和外層15,所述彈性材料層7內環繞布置冷凝管9,所述成土凍結桶的底部設有過濾層10,所述過濾層10的底部設有排水通道11，所述成土凍結桶的內壁設有溫度傳感器23;
[0028] 所述冷凝管9的一端與所述制冷液循環設備21的出口連通，所述冷凝管9的另一端與所述制冷液循環設備21的入口連通，所述溫度傳感器23與用于控制凍結溫度與凍結時間的控溫設備連接；
[0029] 所述排水通道11與真空水罐的內腔連通，所述真空水罐的內腔設有水位感應器16 和負壓傳感器24,所述真空水罐的底部設有排水閥14,所述真空水罐設有真空抽氣管道13， 所述真空抽氣管道13與真空栗11連接。
[0030] 進一步，所述成土凍結桶為圓柱型鋼桶，所述成土凍結桶頂部開口處設有第一旋鈕密封蓋，所述第一旋鈕密封蓋上設有第一排氣閥2、第一真空度表3;所述成土凍結桶內部為高分子復合制內桶，內桶底部設有過濾層10,其中過濾層10上覆蓋100目土工織布。
[0031] 再進一步，所述控溫設備與制冷液循環設備為一整體，所述控溫設備呈長方體盒裝通過鋼管支撐于制冷液循環設備上方。
[0032] 更進一步，所述真空水罐為圓柱型鋼桶，所述真空水罐開口處為設有第二旋鈕密封蓋104,其中第二旋鈕密封蓋上設有第二排氣閥102,所述有第二旋鈕密封蓋104上設有真空管道與真空栗11相連接。
[〇〇33]參見圖1、圖5，所述成土凍結桶開口處設有第一旋鈕密封蓋4，所述密封蓋上設有第一提手1、第一排氣閥2、第一真空度表3，所述密封蓋底部設有磁性密封條5與絕熱材料層層8;所述成土凍結桶外部為不銹鋼外殼15,外殼與內桶之間嵌有絕熱材料層8與彈性材料層7，其中冷凝管9鋪設于彈性材料層中；所述成土凍結桶內部為高分子復合制內桶6，所述內桶桶壁內設有溫度傳感器23,內桶底部設有過濾層10,其中過濾層上覆蓋100目土工織布;所述過濾層10底部為排水通道11;所述排水通道11與真空水罐相連接；
[0034]參見圖2、圖4，所述真空水罐開口處設有第二旋鈕密封蓋104，所述密封蓋上設有第二提手101、第二排氣閥102、第二真空度表103;所述真空水罐為不銹鋼桶15,桶內內壁上設有水位感應器16、負壓傳感器24;所述真空水罐底部設有排水通道，所述排水通道上設有排水閥14;所述真空水罐一側有真空抽氣管道13與真空栗22鏈接。各個構件如下:1為第二提手;2為第二排氣閥；3為第二真空表;4為第二旋鈕密封蓋；12為真空水罐空腔；13為抽氣管道;14為為排水閥門；15為不銹鋼外殼;16為水位傳感器;24為壓力傳感器，22為真空栗。 [〇〇35] 參照圖3,所述控溫設備由智能計算機和顯示器兩部分組成，所述智能計算機與溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器相連接。控溫與制冷液循環設備構件如下:17為轉換按鈕;18為顯示器;19為電源開關;20為支撐鋼管;21為制冷液循環設備。
[〇〇36]本實施例中，所述成土桶外殼與真空水罐為不銹鋼圓桶，其中成土桶頂部直徑為 450mm，高為600mm，真空水罐直徑300mm，高400mm;所述不銹鋼桶頂部設有直徑為10mm的排氣閥；所述成土桶冷凝管上設有溫度傳感器。所述真空水罐頂部設有一與大氣連通的排氣閥門；所述真空水罐側身底部設有一直徑50mm的排水閥門；所述真空水罐側壁安裝有壓力傳感器和水位傳感器。通常采用的負壓為〇.8MPa。
[0037]所述智能計算機與溫度傳感器、負壓傳感器、水位傳感器相連。上述真空水罐內壓力傳感器和水位傳感器與智能計算機連接，所述壓力傳感器可感應真空水罐內部壓力值， 所述水位傳感器可感應真空水罐內部水位，當達到警戒線時發出警報并需打開閥門放水。 所述溫度傳感器可感應冷凝管溫度并反饋給智能計算機，通過智能計算實時監控并調整凍結溫度。所述智能計算機各項數據可在外部顯示器顯示，并通過按鈕轉換數據(負壓值、凍結溫度)；所述智能計算機可自動計時并設定凍結時間;所述智能顯示控制系統可根據土樣成土凍結桶工作指示燈的開啟狀況確定設備是否正常工作。
【主權項】
1.一種重塑土成土與凍結試驗設備，其特征在于:包括一個成土凍結桶、一個制冷液循 環設備、一個真空水罐和一個真空栗，所述成土凍結桶的頂部設有密封蓋，所述成土凍結桶 的桶壁分為四層，由內而外分別為高分子復合層、彈性材料層、絕熱材料層和外層，所述彈 性材料層內環繞布置冷凝管，所述成土凍結桶的底部設有過濾層，所述過濾層的底部設有 排水通道，所述成土凍結桶的內壁設有溫度傳感器； 所述冷凝管的一端與所述制冷液循環設備的出口連通，所述冷凝管的另一端與所述制 冷液循環設備的入口連通，所述溫度傳感器與用于控制凍結溫度與凍結時間的控溫設備連 接； 所述排水通道與真空水罐的內腔連通，所述真空水罐的內腔設有水位感應器和負壓傳 感器，所述真空水罐的底部設有排水閥，所述真空水罐設有真空抽氣管道，所述真空抽氣管 道與真空栗連接。2.如權利要求1所述的重塑土成土與凍結試驗設備，其特征在于:所述成土凍結桶為圓 柱型鋼桶，所述成土凍結桶開口處設有第一旋鈕密封蓋，所述第一旋鈕密封蓋上設有第一 排氣閥和第一真空度表;所述成土凍結桶內部為高分子復合制內桶，內桶底部設有過濾層， 其中過濾層上覆蓋100目土工織布。3.如權利要求1或2所述的重塑土成土與凍結試驗設備，其特征在于:所述控溫設備與 制冷液循環設備為一整體，所述控溫設備呈長方體盒裝通過鋼管支撐于制冷液循環設備上 方。4.如權利要求1或2所述的重塑土成土與凍結試驗設備，其特征在于:所述真空水罐為 圓柱型鋼桶，所述真空水罐開口處為設有第二旋鈕密封蓋，其中第二旋鈕密封蓋上設有第 二排氣閥和第二真空度表，所述密封蓋上設有真空管道與真空栗相連接。
【文檔編號】G01N1/42GK205719702SQ201620587163
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】丁智, 鄭勇, 魏新江
【申請人】浙江大學城市學院