[發(fā)明專利]一種測(cè)定土體凍結(jié)溫度的試驗(yàn)裝置

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010546463.3
• 申請(qǐng)日: 2020-06-16
• 公開（公告）號(hào): CN113804716A
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 不公告發(fā)明人
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 周永毅
• 主分類號(hào): G01N25/06
• 分類號(hào): G01N25/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種測(cè)定土體凍結(jié)溫度的試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)特征在于使用高頻激振系統(tǒng)，為試樣提供高頻脈沖激振條件；使用控溫精度超過±0.01℃的協(xié)同控溫系統(tǒng)，為試樣提供降溫速率低于?0.1℃/min的緩慢線性降溫凍結(jié)條件。高頻脈沖激振可打破孔隙水凍結(jié)過程中的過冷狀態(tài)，避免土體達(dá)到超過冷狀態(tài)而無法測(cè)得有效的凍結(jié)溫度數(shù)據(jù)。緩慢線性降溫凍結(jié)模式可為試樣提供均勻降溫條件，從而保證整個(gè)試樣處于相同的熱狀態(tài)，避免不均勻凍結(jié)過程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。該裝置解決了凍結(jié)溫度試驗(yàn)中超過冷狀態(tài)和試樣尺寸效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響突出的問題，可以為研究土體凍結(jié)機(jī)理提供可靠的試驗(yàn)技術(shù)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及巖土工程試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)定土體凍結(jié)溫度的試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)

凍結(jié)溫度是土體由非凍結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)為凍結(jié)狀態(tài)的臨界溫度，是寒區(qū)施工以及人工凍結(jié)法施工過程中必須獲取的關(guān)鍵參數(shù)。在凍結(jié)過程中，孔隙水發(fā)生相變后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)處于冰水混合狀態(tài)，在溫度曲線上表現(xiàn)為一段與時(shí)間軸接近平行的曲線，該段曲線被稱為“穩(wěn)定凍結(jié)平臺(tái)”，此時(shí)的溫度即為凍結(jié)溫度。穩(wěn)定凍結(jié)平臺(tái)為獲取凍結(jié)溫度數(shù)據(jù)提供了條件，常用的方式包括使用溫度傳感器直接獲取凍結(jié)溫度以及使用頻域反射法間接獲取凍結(jié)溫度。

眾所周知，孔隙水受到毛細(xì)孔的約束作用突出，由此導(dǎo)致在凍結(jié)過程中水的過冷現(xiàn)象更為突出。如果過冷溫度太低，相變潛熱的釋放量會(huì)小于試驗(yàn)系統(tǒng)從試樣轉(zhuǎn)移的熱量，導(dǎo)致孔隙水處于冰水混合狀態(tài)的時(shí)間極短，在凍結(jié)曲線上表現(xiàn)為不存在穩(wěn)定凍結(jié)平臺(tái)，此現(xiàn)象被稱為“超過冷”，該現(xiàn)象一旦出現(xiàn)則無法獲得有效的凍結(jié)溫度（Kozlowski T . Somefactors affecting supercooling and the equilibrium freezing point in soil-water systems[J]. Cold Regions Science and Technology, 2009, 59(1):25-33.）。此外，當(dāng)前《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）中采用恒溫凍結(jié)的方式開展試驗(yàn)，即維持冷卻液溫度恒定、將試樣浸入冷卻液中凍結(jié)測(cè)溫。但在凍結(jié)過程中試樣可能出現(xiàn)表層凍結(jié)而內(nèi)部為正溫的情況，無法保證整個(gè)試樣在試驗(yàn)過程中都處于均勻降溫、均勻凍結(jié)的狀態(tài)。而差異凍結(jié)會(huì)影響到凍結(jié)溫度的測(cè)試結(jié)果，由此導(dǎo)致試樣的尺寸效應(yīng)突出。土體超過冷和尺寸效應(yīng)是影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的兩大因素，是當(dāng)前科研技術(shù)人員亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)定土體凍結(jié)溫度的試驗(yàn)裝置。該裝置能夠有效解決當(dāng)前凍結(jié)溫度試驗(yàn)中廣泛存在的超過冷現(xiàn)象和試樣尺寸效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響突出的問題。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種測(cè)定土體凍結(jié)溫度的試驗(yàn)裝置，包括高頻激振系統(tǒng)、頂/底部協(xié)同控溫系統(tǒng)、試驗(yàn)盒、保溫層、試驗(yàn)盒固定螺桿、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、反力加載系統(tǒng)、恒溫箱。高頻激振系統(tǒng)由激振器、激振控制模塊、激振板組成，激振器固定在激振板上，并使用數(shù)據(jù)線與激振控制模塊連接，所述高頻激振系統(tǒng)為處于負(fù)溫狀態(tài)的試樣提供頻率超過35kHz、振幅低于60μm的脈沖激振條件。

所述頂/底部協(xié)同控溫系統(tǒng)由頂部控溫板、底部控溫板、溫度傳感器、溫度控制模塊組成，頂部控溫板置于試樣頂部，底部控溫板置于試樣底部，溫度傳感器置于頂部控溫板、底部控溫板中，并使用數(shù)據(jù)線與溫度控制模塊連接，頂部控溫板和底部控溫板使用數(shù)據(jù)線與控溫模塊連接，所述協(xié)同控溫系統(tǒng)的控溫精度超過±0.01℃，為試樣提供降溫速率低于-0.1℃/min的緩慢線性降溫凍結(jié)條件。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是：

1、使用高頻脈沖激振，避免了凍結(jié)過程中土體超過冷狀態(tài)的出現(xiàn)，保證了孔隙水有較長(zhǎng)一段時(shí)間處于冰水混合狀態(tài)，以此獲取高質(zhì)量的凍結(jié)溫度數(shù)據(jù)，并且高頻脈沖激振對(duì)凍結(jié)溫度無影響，不會(huì)引入誤差。

2、由協(xié)同控溫系統(tǒng)提供的慢線性降溫凍結(jié)模式為試樣提供了均勻降溫條件，從而避免了試樣內(nèi)外部差異凍結(jié)的情況，克服了不均勻凍結(jié)過程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，由此解決了試樣尺寸效應(yīng)的問題。

附圖說明