[發明專利]一種模擬溫度梯度場和自動加載裝置及其使用方法

有效

• 申請號: 201710376566.8
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107271256B
• 公開（公告）日: 2019-08-30
• 發明（設計）人: 陳君;梁晗
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/02;G01D21/02
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明屬于巖土工程模型試驗技術領域，具體是指一種模擬溫度梯度場和自動加載裝置及其使用方法。

背景技術

隨著我國地下空間的日益發展和西部大開發戰略的全面實施，我國將不斷在多年凍土地區進行鐵路、公路、輸油管線、光纜、水利等重大工程設施的建設。寒區工程的修建會導致下部多年凍土融化沉降，嚴重影響工程的穩定性和正常運營。新建的寒區工程面臨著溫度接近0℃的高溫、高含冰凍土即體積含冰量超過30％的多年凍土、全球氣候變暖和多年凍土不斷退化的諸多難題。地下建筑物的施工越來越多，隨著深度增加，土受力特性和溫度均會發生顯著變化。目前在實驗室內進行試驗時往往很難同時控制不斷變化的溫度和應力這兩個條件，即使大型實驗室擁有實現近似條件的模擬也要很高的成本。

發明內容

為解決上述現有難題，本發明提供了一種可用于巖土工程模擬土中應力和溫度模型試驗的試驗裝置及試驗方法，該裝置通過把伺服壓力機和溫度控制系統結合起來，然后通過電腦控制系統統一進行調控，實現各種復雜應力狀態和溫度的模擬。本裝置完全實現了應力和溫度的隨時自我調整，有利于觀察各種因素對于土體應力的影響，為各種土體實驗探究提供了更加方便的儀器。同時本實驗儀器成本較低，而且能夠滿足大多數實驗所需要的精度，性價比很高。

本發明采取的技術方案如下：本發明一種模擬溫度梯度場和自動加載裝置，它包括烘箱、制熱系統、制冷系統、溫度傳感器、壓力傳感器、伺服壓力機、多梯度壓力供給裝置、實心鋼管、局部加壓鋼片和電腦控制系統，所述制熱系統和制冷系統均勻分布在烘箱內壁，溫度傳感器和壓力傳感器埋置在烘箱內部，伺服壓力機設于烘箱下方，伺服壓力機上部設有多梯度壓力供給裝置，實心鋼管設于多梯度壓力供給裝置下方，局部加壓鋼片設于烘箱內的試樣上方，伺服壓力機上部的多梯度壓力供給裝置通過實心鋼管和局部加壓鋼片將壓力傳遞到烘箱內的試樣中，電腦控制系統分別與制熱系統、制冷系統、溫度傳感器、壓力傳感器、伺服壓力機、多梯度壓力供給裝置電連接。

進一步地，所述制熱系統和制冷系統均為環形設置，所述制熱系統和制冷系統分別設有制熱管和制冷管，制熱管和制冷管均采用有機玻璃鋼材料制成。制熱系統和制冷系統兩套系統獨立工作，互不影響，由電腦控制系統統一控制。

進一步地，所述制熱系統和制冷系統隨烘箱高度相互交替布置，分別與外界熱量交換系統構成循環回路，制熱管和制冷管直徑均為10mm，制熱管和制冷管相互間平行距離在8mm-10mm之間，以各自充分發揮作用，減少相互影響。

進一步地，所述烘箱的內壁上設有凹槽，制熱管和制冷管分別緊貼于凹槽中，凹槽表面設有絕熱材料層。制熱系統和制冷系統最大的特點是附著在烘箱內壁上的每個環形制冷管或制熱管都是獨立存在和運行的，分別由多個控制器負責調解，這樣就可以根據設置的溫度梯度參數分別調節不同深度處的制冷管或制熱管工作，從而高效迅速的獲得相應的溫度梯度。

進一步地，所述溫度傳感器和壓力傳感器分別通過數據采集儀與電腦控制系統相連接。

本方案中使用的交流電源采用工頻全波整流方式的可調交流電源。

一種模擬溫度梯度場和自動加載裝置的使用方法，包括如下步驟：

(1)首先把將要進行研究的模型放到烘箱內；

(2)將溫度傳感器由下到上布置在模型外壁和土試樣中，并通過導線與數據采集儀相連，數據采集儀采集完數據后傳到電腦控制系統進行處理，反映土壤各位置溫度，以便于及時調整；

(3)將壓力傳感器由下到上布置在模型外壁和土試樣中，并通過導線與數據采集儀相連，數據采集儀采集完數據后傳到電腦控制系統進行處理，反映土壤各位置應力狀態，以便于及時調整；

(4)將土試樣上部整平并在其上部均勻放置局部加壓鋼片，伺服壓力機上部的多梯度壓力供給裝置通過實心鋼管和局部加壓鋼片將壓力傳遞到烘箱內的試樣中，使土試樣局部均勻受力，現有改進后的伺服壓力機可以實現多梯度加壓，使得每個局部加壓鋼片上受到不同數值的壓力，而且可以通過電腦隨時調整，這樣就可以模擬自然條件下復雜的土應力狀態；

(5)通過電腦控制系統啟動制熱系統和制冷系統，通過兩系統協調工作使烘箱內溫度達到預設溫度，同時啟動伺服壓力機并設置好壓力參數，溫度傳感器和壓力傳感器反饋信息，電腦控制系統接收信息控制兩系統進行反饋調節，兩系統同時獨立工作，所有過程由電腦控制系統自動控制，從而實現了烘箱內的溫度和應力模擬。

采用上述方案本發明取得的有益效果如下：