变角度水热力耦合实验装置

1.本发明涉及冻土研究相关设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种变角度水热力耦合实验装置。

背景技术：

2.目前我国对冻土区的开发利用越来越广泛，在冻土区经常会出现路面鼓包凸起，渠道开裂，围墙倾斜，房屋地基不稳等现象。究其原因是土体在低温状态下冻结，受到地下水分迁移以及荷载压力等因素的作用，土体中冰颗粒结晶逐渐增多，土体体积变大膨胀，导致建筑物由于冻胀现象而遭到破坏。
3.为减少因土体冻胀导致建筑设施破坏的现象，需要对土体产生冻胀现象的机理以及相关影响因素等方面进行研究。
4.以往的冻胀实验装置主要是对土壤试样进行竖向加载，仅局限于模拟一个方向上的冻胀现象，这就导致传统冻胀实验装置适用性较差的问题。另外，现有技术中的冻胀实验装置通常都是采用导管对土壤试样进行补水，这就导致试样补水均匀度较差，无法很好地模拟土壤真实状况。

技术实现要素：

5.综上所述，如何提供一种具有多角度加载功能的新型冻胀实验装置，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.本发明提供了一种变角度水热力耦合实验装置，该变角度水热力耦合实验装置包括：
8.支架；
9.试样仓，所述试样仓铰接于所述支架上，所述试样仓的一端为制冷端，所述制冷端开设有制冷窗口，所述试样仓的另一端为补水端，所述补水端开设有补水窗口，于所述补水窗口上设置有用于封闭所述补水窗口的透水石；
10.密封水箱，所述密封水箱气密性地罩设于所述补水端，所述透水石与所述密封水箱之间形成有用于装载补水剂的补水空间；
11.水泵加压装置，所述水泵加压装置通过管路与所述补水空间连通，用于向所述补水空间提供压力可调的补水剂；
12.导热板，所述导热板罩设于所述制冷端，用于在所述制冷端向所述试样仓内的土壤试样释放冷量。
13.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，于所述密封水箱的外端面上设置有防水的位移传感器，所述位移传感器与所述透水石连接，用于检测所述透水石的位移量。
14.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，于所述导热板的内侧
面上并与所述制冷窗口相对设置有用于与所述试样仓内的土壤试样接触的应力传感器。
15.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，于所述导热板的外端面上设置有具有保温功能的保温板；于所述试样仓的内侧面上覆盖有具有保温功能的保温层。
16.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，所述导热板具有导热板仓；还包括有制冷系统，所述制冷系统与所述导热板仓连通并形成有用于制冷剂循环流动的制冷循环通道。
17.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，于所述试样仓上开设有温度检测孔以及水分检测孔，于所述温度检测孔中设置有用于对所述试样仓内的土壤试样进行温度检测的温度传感器，于所述水分检测孔中设置有用于对所述试样仓内的土壤试样进行水分检测的水分传感器。
18.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，所述温度检测孔设置有多个并沿所述试样仓的轴向等间隔设置。
19.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，所述水分检测孔设置有多个并沿所述试样仓的轴向等间隔设置。
20.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，所述支架包括有底架以及竖直设置在所述底架上的支臂，所述支臂设置有两个，两个所述支臂间隔设置；于所述试样仓的外侧设置有铰接轴，所述铰接轴与所述支臂转动连接。
21.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，其中至少一个所述支臂上设置有仰角刻度。
22.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，所述试样仓为长直圆筒形结构；所述试样仓的制造材料为亚克力材料；所述试样仓为一体式结构。
23.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，所述密封水箱以及所述导热板设置于所述试样仓上并通过长螺栓固定连接。
24.优选地，在本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置中，所述长螺栓设置有至少两个，全部的所述长螺栓绕所述试样仓的轴线于所述试样仓的外侧面等间隔设置。
25.与现有技术相比，本技术的有益效果如下：
26.本发明提供了一种变角度水热力耦合实验装置，该变角度水热力耦合实验装置包括：支架；试样仓，所述试样仓铰接于所述支架上，所述试样仓的一端为制冷端，所述制冷端开设有制冷窗口，所述试样仓的另一端为补水端，所述补水端开设有补水窗口，于所述补水窗口上设置有用于封闭所述补水窗口的透水石；密封水箱，所述密封水箱气密性地罩设于所述补水端，所述透水石与所述密封水箱之间形成有用于装载补水剂的补水空间；水泵加压装置，所述水泵加压装置通过管路与所述补水空间连通，用于向所述补水空间提供压力可调的补水剂；导热板，所述导热板罩设于所述制冷端，用于在所述制冷端向所述试样仓内的土壤试样释放冷量。本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置，其设计目的主要是模拟在低温条件下不同方向水压力对土体产生冻胀的现象，该变角度水热力耦合实验装置可以进行旋转以调节实验所需要的角度，达到从不同方向对土体加压及补水进行实验的目的，从而测量出土体的冻胀位移、含水率、温度、以及冻胀应力等参数，进行冻胀机理的探究及影响因素的分析。
附图说明
27.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1为本发明实施例中变角度水热力耦合实验装置的整体结构示意图；
29.图2为本发明实施例中变角度水热力耦合实验装置的拆分图；
30.图3为本发明实施例中密封水箱的结构示意图；
31.图4为本发明实施例中密封水箱的剖视图；
32.图5为本发明实施例中支臂的局部结构示意图。
33.在图1至图5中部件名称与附图标记的对应关系为：
34.保温板1、导热板2、应力传感器3、试样仓4、透水石5、密封水箱6、长螺栓7、钢架底座8、带刻度支臂9、大螺母10、短螺栓11、小螺母12、位移传感器13、圆弧面14、刻度15。
具体实施方式
35.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述
36.为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
37.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
38.请参考图1至图5，其中，图1为本发明实施例中变角度水热力耦合实验装置的整体结构示意图；图2为本发明实施例中变角度水热力耦合实验装置的拆分图；图3为本发明实施例中密封水箱的结构示意图；图4为本发明实施例中密封水箱的剖视图；图5为本发明实施例中支臂的局部结构示意图。
39.本发明提供了一种变角度水热力耦合实验装置，该变角度水热力耦合实验装置包括支架、试样仓4、密封水箱6以及导热板2，其中，试样仓4具有用于装载土壤试样的仓室，密封水箱6以及导热板2分设在试样仓4的两端，密封水箱6用于供给补水剂(补水剂由水泵加压装置泵送，补水剂具有一定的水压，且水压可调)，导热板2用于提供冷量，从而使得土壤试样冻结，支架用于安装试样仓4，从而改变试样仓4的仰角角度，以更加真实地模拟土壤冻胀过程。
40.本发明提供的变角度水热力耦合实验装置主要应用于岩土以及人工冻土研究领域，是一种能够模拟在低温环境下地下水冻结过程中对岩土作用的实验装置，本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置可以对土壤试样进行不同方向的加压以及补水，并且能同时测量土壤冻胀的各种参数。
41.具体地，试样仓4采用长直筒状(或者称之为管状)结构，优选为长直圆筒结构。试
样仓4采用硬质材料制造而成，优选为亚克力材料，也可以采用不锈钢等金属材料。
42.试样仓4在采用长直圆筒结构设计中，在其轴向中间位置设置有铰接轴(铰接轴设置在试样仓4的外侧面上)，铰接轴设置有两个，两个铰接轴同轴设置并分设于试样仓4的两侧，铰接轴的轴线与试样仓4的轴线交叉。试样仓4可以通过铰接轴铰接于支架(支架的支臂)上，铰接轴设置有外螺纹，在支臂的顶端设置有圆孔结构(圆孔结构设置在支臂上)，铰接轴装配在支臂的圆孔结构中，在铰接轴上螺纹连接有螺母，从而使得试样仓4可靠地安装在支臂上而不发生脱落。
43.由上述可知，试样仓4铰接于支架上，从而可以调整其(试样仓4)仰角角度。沿试样仓4的轴向，试样仓4的一端为制冷端，制冷端开设有制冷窗口(制冷窗口优选为圆形口结构)，试样仓4的另一端为补水端，补水端开设有补水窗口(补水窗口优选为圆形口结构)，于补水窗口上设置有用于封闭补水窗口的透水石5。在试样仓4的外侧并靠近制冷端设置有试样仓连接耳，试样仓连接耳设置有至少两个(在本发明的一个优选实施例中，试样仓连接耳设置有两个)全部的试样仓连接耳在试样仓4的外侧面绕试样仓4的轴线等间隔设置(优选为：在试样仓4水平放置时，试样仓4的最高点设置一个试样仓连接耳，试样仓4的最低点设置一个试样仓连接耳)。
44.进一步地，试样仓4采用一体式结构设计，铰接轴以及试样仓连接耳可以独立设置(后期再固定到试样仓4的表面)，铰接轴以及试样仓连接耳也可以一体成型在试样仓4上。
45.本发明在试样仓4填装有土壤试样时，为了在实验过程中获得土壤试样的温度以及含水量，本发明在试样仓4上开设了温度检测孔以及水分检测孔，于温度检测孔中设置有用于对试样仓4内的土壤试样进行温度检测的温度传感器，于水分检测孔中设置有用于对试样仓4内的土壤试样进行水分检测的水分传感器。
46.进一步地，温度检测孔设置有多个并沿试样仓4的轴向等间隔设置。
47.进一步地，水分检测孔设置有多个并沿试样仓4的轴向等间隔设置。
48.优选地，在试样仓4水平放置时，试样仓4的最高点设置温度检测孔，试样仓4的最低点设置水分检测孔。
49.在本发明中，透水石5是一种可透水的部件，透水石5可模拟地层中岩石层等地层结构，用于使得密封水箱6中的补水剂可以缓慢且可控(透水石5的透水率恒定，当增加密封水箱6中补水剂的水压则能够加快补水剂的渗透速度，当减小密封水箱6中补水剂的水压则能够降低补水剂的渗透速度)地渗透到土壤试样中。在本发明中，透水石5为具有一定厚度的片状结构，透水石5根据试样仓4上补水窗口的形状进行设计，以使得透水石5能够刚好卡装到补水窗口上。
50.具体地，密封水箱6是一个壳体结构件，密封水箱6能够罩设到试样仓4的补水端(密封水箱6能够扣在试样仓4的补水端外侧)，密封水箱6与补水端之间为气密性连接结构，透水石5(透水石5装载补水窗口上，透水石5的外侧面)与密封水箱6(密封水箱6扣在试样仓4上，密封水箱6的内侧面以及内侧底面)之间形成有用于装载补水剂的补水空间。
51.试样仓4的外部设置有补水剂容器，补水剂容器中装载补水剂，本发明还设置有水泵加压装置，由水泵加压装置泵送补水剂，水泵加压装置可对补水剂进行加压，并可调控补水剂的水压。本发明在密封水箱6上设置有进水口，通过软管将水泵加压装置、密封水箱6以及补水剂容器连接，从而形成一个补水剂补充通路，将补水剂容器内的补水剂通过水泵加
压装置泵送到密封水箱6中，之后再透过透水石5渗透到试样仓4内的土壤试样中。
52.密封水箱6应当具备一定的承压能力，因此，密封水箱6优选为不锈钢材料制造而成，密封水箱6采用一体式结构，这样能够提高密封水箱6自身的密封性，密封水箱6安装到试样仓4上，其连接部位应当设置密封结构(例如设置密封层等)，用于提高密封水箱6与试样仓4之间连接的气密性。
53.进一步地，本发明在密封水箱6的外侧面上设置有密封水箱连接耳，密封水箱连接耳的设置数量与试样仓连接耳的设置数量相同，并且，在试样仓4的轴向，密封水箱连接耳的设置数量与试样仓连接耳一一对应设置。
54.透水石5设置在试样仓4的补水端，在土壤试样水分增加并随着土壤试样温度的不断降低，土壤试样中补水剂会凝结成冰从而使得土壤试样膨胀，透水石5受到土壤试样膨胀作用会在试样仓4中发生位移。为了获得精准的透水石5移动量，本发明在密封水箱6内设置有防水的位移传感器13，位移传感器13与透水石5连接，通过位移传感器13就能够准确获得透水石5的位移量。进一步地，位移传感器13设置有两个，两个位移传感器13在密封水箱6内以试样仓4的轴线为对称轴对称设置。
55.相对于试样仓4，本发明在试样仓4外部设置有两套系统，一套是补水系统，用于提供补水剂，另一套是制冷系统，用于提供冷量。
56.在补水系统中，本发明设置有水泵加压装置，水泵加压装置为设置有压力表的水泵加压装置，通过压力表实时显示泵送补水剂的压力(该压力值就是补水剂的水压)，水泵加压装置通过管路(透明软管)与补水空间(密封水箱6与透水石5形成的空间结构)连通，用于向补水空间提供压力可调(提高水泵加压装置运行功率，则能够提高补水剂的水压，降低水泵加压装置运行功率，则能够降低补水剂的水压)的补水剂。
57.具体地，导热板2是本发明中向土壤试样释放冷量的结构装置。导热板2为盖结构，导热板2具有一个导热板仓(空腔结构)，在导热板2的外侧面(外侧端面)设置有短管结构(短管结构与用于输送制冷剂的管路连接)，同时本发明还提供了制冷系统，制冷系统能够产生冷量，冷量由制冷剂携带运送，制冷系统与导热板仓连通并形成有用于制冷剂循环流动的制冷循环通道，制冷剂接受冷量温度降低后可以输送到导热板2内，将一部分冷量释放后，再循环回制冷系统中获取冷量。
58.导热板2罩设于制冷端，即导热板2像盖子一样扣在试样仓4的制冷端，制冷端上设置有制冷窗口，试样仓4内的土壤试样与导热板2的内侧面接触，低温制冷剂(含有大量冷量的制冷剂)能够流入到导热板2中，通过导热板2内侧面的传递，能够在制冷端向试样仓4内的土壤试样释放冷量。
59.进一步地，本发明于导热板2的内侧面上并与制冷窗口相对设置有用于与试样仓4内的土壤试样接触的应力传感器3，应力传感器3的形状与制冷窗口的形状吻合并且尺寸小于制冷窗口，这样能够使得应力传感器3完全与试样仓4中的土壤试样接触，从而获得准确的土壤试样应力信息。
60.在本发明中，导热板2设置在试样仓4上，在试样仓4的另一端设置了透水石5，当试样仓4内的土壤试样发生冻胀变形时，导热板2固定不动，则透水石5会发生移动，由位移传感器13获取透水石5的位移量，就可以推算出土壤试样的膨胀量，并且，由于导热板2相对于试样仓4固定不动，因此，可以由应力传感器3获得准确的应力数据。
61.由于需要对土壤试样释放冷量，从而实现土壤试样的冻胀，为了使得实验顺利进行，要求土壤试样的冷量流失速度越低越好(越低则土壤试样温度越恒定)，因此，为了降低冷量流失，本发明于导热板2的外端面上设置有具有保温功能的保温板1，同时，本发明于试样仓4的内侧面上覆盖有具有保温功能的保温层。
62.支架是一个用于安装试样仓4并可调节试样仓4仰角角度的架体结构。具体地，支架包括有底架(底架为矩形框架结构)以及竖直设置在底架(底架长度方向上的中间位置)上的支臂，底架由金属材料制造而成，支臂由金属材料制造而成，支臂设置有两个，两个支臂间隔设置。其中，两个支臂分别为固定支臂以及可拆支臂，固定支臂设置在底架的一个长侧边上，在底架的另一个长侧边上设置有连接板，可拆支臂则通过螺栓固定设置到连接板上。在两个支臂的顶端设置有支臂圆孔，于试样仓4的外侧设置有铰接轴，铰接轴与支臂转动连接。通过上述对支臂的结构设计(将其中一个支臂设计为可拆支臂结构)，方便试样仓4在支架上的安装。
63.具体地，本发明在其中至少一个支臂上设置有仰角刻度，这样可以非常方便地对试样仓4的仰角角度进行调整。
64.本发明在试样仓4上设置有导热板2以及密封水箱6，相对于试样仓4固定设置有保温板1，导热板2、密封水箱6以及保温板1均相对于试样仓4固定设置。具体地，本发明将密封水箱6(密封水箱6上设置有密封水箱连接耳)、导热板2(导热板2上设置有导热板连接耳，)以及保温板1(保温板1上设置有保温板1连接耳)组装好以后，穿过保温板1连接耳、导热板连接耳、试样仓连接耳以及密封水箱连接耳设置有一个长螺栓7，然后通过设置小螺母12将长螺栓7拉紧，从而实现保温板1、导热板2以及密封水箱6在试样仓4上的固定安装。
65.进一步地，长螺栓7设置有至少两个(优选为两个)，全部的长螺栓7绕试样仓4的轴线于试样仓4的外侧面等间隔设置，通过增加长螺栓7的设置个数，能够提高各个部件在试样仓4上设置的稳定性与牢固程度。
66.本发明在试样仓4中装填有土壤试样，同时，本发明在试样仓4的一端设置了密封水箱6，由密封水箱6提供具有一定压力的补水剂，本发明具体提供了可调节加压方向系统，可调节加压方向系统包括导管、补水剂、密封水箱6。密封水箱6装配在试样仓4(亚克力试样仓4)的一端，水泵加压装置与导管连接，导管与密封水箱6连接，在部件之间的连接处采用生胶带缠绕加强密封，防止漏水，水箱装载补水剂。由于土壤在地层中可能受到不同方向的水压力，因此在实验过程中需要模拟土壤某一个方向受到水压力的情况，这就需要根据实验方案所需水压力选择加压方向，调节试样仓4的旋转角度(仰角角度)与带刻度支臂9上的刻度相对应，旋紧大螺母10(大螺母10与铰接轴螺纹连接，旋紧后可以实现试样仓4姿态的固定)，根据水泵加压装置仪表参数调节控制好补水剂的水压压力，启动水泵加压装置对水箱进行加压。可调节加压方向系统具有以下功能：通过水泵加压装置对密封水箱6进行加压，可以对实验装置提供水压力的作用。补水剂装载到密封水箱6中，透水石5安装在试样仓4中，试样仓4整体与密封水箱6连接。通过调节试样仓4的倾斜角度与带刻度支臂9上的刻度相对应，随后拧紧大螺母10可以控制试样仓4倾斜的方向，进而改变补水方向，密封水箱6中的水在水泵加压装置压力的作用下通过透水石5可以对土壤试样进行补水。
67.具体地，带刻度的支臂9上开设有用于圆孔结构(安装孔)，在试样仓4的两侧设置有铰接轴，试样仓4通过铰接轴安装到支臂9上。支臂9的顶端端面为圆弧面14，该圆弧面14
与支臂9上的圆孔结构同心设置，在圆弧面14上设置有刻度15(试样仓4水平时对应的刻度为0
°
，试样仓4竖直时对应的刻度为90
°
)，同时在试样仓4上设置有指示标识，指示标识与支臂9上的刻度15配合使用，用于显示试样仓4当前的倾斜角度。
68.本发明设置有试样仓4，在试样仓4内设置有薄膜，薄膜为塑料薄膜，其作用为防止热量散失。将试样仓4与密封水箱6进行连接，薄膜内附在试样仓4的内壁上，可以防止温度流失，具有保温作用。设置了试样仓4可提供试样装置环境，不同类型的传感器通过试样仓4上设置的孔洞插入土壤试样中进行数据测量。
69.本发明还设置了保温板1、导热板2、长螺栓7、钢架底座8(支架的底座结构)、带刻度的支臂、小螺母12、短螺栓11。将两个长螺栓7分别穿过保温板1、导热板2、装载过土壤试样并放置过应力传感器3和透水石5的试样仓4、密封水箱6并且用上下共六个小螺母12进行固定。随后将上述整体通过试样仓4外一侧设置的螺柱(铰接轴)插接在钢架底座8的支臂上，将带刻度的支臂穿过试样仓4外另一侧的螺柱，并通过两对短螺栓11与小螺母12和支臂连接。最后根据所需角度调整试样仓4上刻线与带刻度支臂9上刻度对齐，拧紧大螺母10使得试样仓4固定。本发明整体不松动，简单可靠。
70.本发明还设置有制冷系统，制冷系统包括导热板2、保温板1、导管(用于输送制冷剂的导管)、制冷剂进出孔(上下两端)。利用两根导管一端与制冷剂进出孔连接，另一端与制冷机器连接，导热板2与保温板1以及试样仓4之间通过长螺栓7连接，导热板2朝向试样仓4的一侧装配应力传感器3。本发明通过制冷机器循环导热板2中的制冷剂，将其中的温度降低至实验所需的温度即可实验，保温板1可以防止温度流失。
71.本发明还提供有数据采集系统，数据采集系统包括计算机、应力传感器3、温度传感器、水分传感器、具有防水功能的位移传感器13、数据采集仪。将温度传感器与水分传感器分别安装至试样仓4上、下面(温度传感器设置在试样仓4上侧面，水分传感器设置在试样仓4下侧面；或者，温度传感器设置在试样仓4下侧面，水分传感器设置在试样仓4上侧面)的水分检测孔和温度检测孔，孔端利用橡胶膜包裹，位移传感器13安装固定在密封水箱6的两个支座上，实验过程中通过传感器及时将数据采集起来，传输到电脑当中。数据采集系统具有以下功能：通过电脑能够及时记录实验过程中的实验数据，采用计算机进行实验数据分析，计算结果更精确，减少人工测量读取实验数据的误差。
72.本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置相对于一般冻胀测量实验装置而言，本实验装置能够模拟土壤试样自左向右(或者自右向左)的单向冻结，试样仓4整体增加了可旋转调节控制(仰角控制)能力，这样在不同方向上，由水泵加压装置进行定向加压补水，补水剂的水压通过水泵加压装置控制调节，其压力数值可通过仪表读取，利用水泵加压装置对水箱中的水进行加压，能够更好的模拟自然界不同方向的地下水情况，补水系统方面采用透水石5补水，有效均匀地提供水分迁移，并且采用水泵加压装置控制水压力，能够较好的控制不同水压力对土壤试样的冻胀情况，通过调节角度盘，模拟不同方向的地下水，更贴近实际情况。
73.本发明还可以同时测量出试样的补水量、含水率、冻胀应力、冻胀量、温度等参数。
74.在试样仓4内部铺有薄膜，可以对土壤试样起到保温作用和防止水分流失的作用，导热板2附有保温板1，可以防止温度散失，试样仓4安装在带有角度刻度的支臂上，带刻度支臂9与钢架底座8进行连接，整个固定装置系统保证了实验装置的稳定性。
75.本发明整体设计合理，结构清晰，制作简单，可以模拟低温条件下不同方向水压力对土体的作用，以及不同方向对土体补水，测量出土体的冻胀位移、含水率、温度、以及冻胀应力等参数，便于对冻胀机理的分析与影响因素的探究。
76.具体地，本发明中，变角度水热力耦合实验装置的整体由钢架和亚克力材料组成，钢架的承载能力较强，稳定性较好，在受到外界作用力时不易变形，钢架主要应用于该实验装置的外部框架系统(用于制作支架)，起稳定和固定试样仓4的作用。亚克力材料板具有韧性好，密封性能强，不易破损，具有良好的加工性能，并且亚克力材料的导热系数较差，故可用于作为试样仓4的制作材料。
77.在试样仓4的上下两侧分别有孔洞，便于插入水分检测和温度检测传感器，测出土壤试样的含水率与温度冻胀参数。试样仓4两侧有铰接轴，一侧铰接轴可直接插接的支架的支臂上，另一侧铰接轴通过带有刻度盘的支臂以及螺栓组件固定于底座上，确定好试样仓4的旋转角度后将大螺母10拧紧以固定试样仓4，具体样式见角度盘旋转装置(即带有刻度的支臂9)如图5所示。支臂与底座连接，可固定整个冻胀实验装置(试样仓4)。在受到补水剂压力的作用时，能够保证实验装置的稳定，提高实验数据的精度，减少实验误差。
78.试样仓4的一端与一块导热板2相连接，导热板2上安装防水的应力传感器3。
79.导热板2利用长螺栓7与试样仓4相连接，导热板2上设置有与循环管道连接的进孔与出孔，导热板2的内部有循环管道(或者仓室结构)，灌入制冷剂使其在管道中循环，可以使得导热板2降低至实验所需的温度且保持恒定。将两根导管的一端分别与两孔相连，另一端连接制冷机器，制冷机器可以保证实验所需要的温度，导热板2的左侧再通过长螺栓7连接一个保温板1，防止导热板2上的温度流失。
80.本发明在透水石5的侧面安装两个防水的位移传感器13，以此确保位移测量的准确度，应力传感器3安装在导热板2的右侧，在实验过程中，通过应力传感器3采集数据，检测土壤试样在低温冻结情况下的应力变化情况，同样安装多个应力传感器3以确保实验应力测量的精确度。水分传感器放置在试样仓4的上侧，等间距布置多个水分传感器，测量不同土层的即时水分，以便及时补水；温度传感器放置在试样仓4的下侧，等间距布置多个温度传感器，测量不同土层的即时温度；且所有的温度检测孔和水分检测孔都用橡胶塞(或者橡胶膜)连接传感器插入其中，防止温度散失，所有的传感器最终都与电脑相连接，以便检测和统计各传感器的实验数据。
81.本发明可以模拟低温条件下不同方向的地下水对岩土的压力作用；本发明可以进行不同方向的冻胀模拟，而现有的冻胀测量装置大多数是只能进行竖向冻胀模拟，本发明由于可以进行角度方向调节，以此模拟不同方向的地下水压力和水分迁移过程，综合考虑冻胀影响因素，及时检测冻胀参数变化情况，最终测量出温度、含水率、冻胀应力和冻胀位移等参数数值，因此发明能够更加真实地模拟冻胀现象，提供更为可靠、可信的实验数据。
82.通过上述结构设计，本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置与现有技术相比，至少具有如下有益效果：
83.1、本发明设计合理，结构清晰，加工制作方便，与试样相接触的地方均采用亚克力材料板，亚克力材料易加工且导热性差，可以防止温度的散失。本发明提供了制冷系统，利用制冷机器向导热板2提供冷量，在导热板2内循环制冷剂，可以调节实验所需温度，导热板2外部利用保温层包裹，保证温度恒定，实验环境得到保证，模拟出的数据更具参考性。
84.2、本发明实验数据误差较小，结果更加精确。对于需要测量的实验参数都是经过各种传感器传输到电脑上，避免了人工测量和读取数据时存在的误差，在温度传感器和水分传感器与亚克力板连接方面，采用橡胶包裹，试样仓4内采用薄膜包裹，避免了温度和水分流失，各个导管连接出均采用生胶带缠绕，防止漏水，完善了实验细节，减少实验误差。
85.3、本发明设置有透水石5补水，有效均匀的提供水分迁移，并且采用水泵加压装置控制水压力，能够较好的控制不同水压力对土壤试样的冻胀情况，通过调节角度盘，模拟不同方向的地下水，更符合实际。
86.4、支架设计合理，通过支架安装试样仓4，保证了实验装置的稳定性。其中装置中的可旋转角度盘设计新颖，实验装置室通过支撑钢架托起，支撑钢架与钢架底座8相连接，整个固定装置系统占据空间较小，稳定性强。
87.本发明的具体实施步骤：
88.第一步：
89.试样的制备，利用取样工具进行现场取样，取出土壤试样后晒干，测出土的参数指标：重度，干密度，含水率，液限，塑限等参数。根据实验需求配置所需要土的含水率，将土壤试样用塑料保险膜包好(防止水分流失)，将试样放置恒定低温箱中，进行试样的养护，达到实验所需温度要求。
90.第二步：
91.取出恒定低温箱子中的试样，将试样室内部的薄膜抹平，分层放置于试样仓4中并且利用小锤子振捣压实，目的保证土壤之间的孔隙率足够小，防止出现断层的现象，在此过程中，将温度传感器与水分传感器用橡胶膜包裹插入土中，目的不影响土的密实度，右侧安装好透水石5。
92.第三步：
93.将实验仪器按照说明书进行组装，首先将冷冻液装入导热板2，接着将导热板2与亚克力试样仓4进行安装同时安装好多个应力传感器3，连接好导热板2与制冷机器，开启制冷机器，提前将冷冻液温度下降。
94.第四步：调节亚克力试样仓4的倾斜角度使刻线与带刻度支臂9上的刻度相对应以满足实验方案中需要模拟的地下水加压方向和补水方向，旋紧大螺母10与钢架底座8固定。
95.第五步：在水箱内安装好两个防水位移传感器13，调节好测量位置。将试样仓4与密封水箱6相连接，接口密封处用生料带缠绕，防止水箱漏水。
96.第六步：连接好右侧水箱导管，接入水泵加压装置，将水箱放满水，待制冷机将冷冻液降至实验方案所需温度逐渐开始冻胀实验，此时通过计算机软件界面可以观察到通过传感器检测到冻土试样的水分、温度、冻胀位移、水分迁移情况和冻胀应力并且及时记录，待冻胀应力稳定后，停止记录各参数实验数据。
97.第七步：拆除实验装置，取出试样，分析试样的冻胀情况并且拍照存档，记录整理最终实验数据，进行分析总结，得出结论。
98.本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置，其设计目的主要是模拟在低温条件下不同方向水压力对土体产生冻胀的现象，该变角度水热力耦合实验装置可以进行旋转以调节实验所需要的角度，达到从不同方向对土体加压及补水进行实验的目的，从而测量出土体的冻胀位移、含水率、温度、以及冻胀应力等参数，进行冻胀机理的探究及影响因素的
分析。
99.以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，包括：支架；试样仓，所述试样仓铰接于所述支架上，所述试样仓的一端为制冷端，所述制冷端开设有制冷窗口，所述试样仓的另一端为补水端，所述补水端开设有补水窗口，于所述补水窗口上设置有用于封闭所述补水窗口的透水石；密封水箱，所述密封水箱气密性地罩设于所述补水端，所述透水石与所述密封水箱之间形成有用于装载补水剂的补水空间；水泵加压装置，所述水泵加压装置通过管路与所述补水空间连通，用于向所述补水空间提供压力可调的补水剂；导热板，所述导热板罩设于所述制冷端，用于在所述制冷端向所述试样仓内的土壤试样释放冷量。2.根据权利要求1所述变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，于所述密封水箱的外端面上设置有防水的位移传感器，所述位移传感器与所述透水石连接，用于检测所述透水石的位移量。3.根据权利要求1所述变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，于所述导热板的内侧面上并与所述制冷窗口相对设置有用于与所述试样仓内的土壤试样接触的应力传感器。4.根据权利要求1所述变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，于所述导热板的外端面上设置有具有保温功能的保温板；于所述试样仓的内侧面上覆盖有具有保温功能的保温层。5.根据权利要求1所述变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，所述导热板具有导热板仓；还包括有制冷系统，所述制冷系统与所述导热板仓连通并形成有用于制冷剂循环流动的制冷循环通道。6.根据权利要求1所述变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，于所述试样仓上开设有温度检测孔以及水分检测孔，于所述温度检测孔中设置有用于对所述试样仓内的土壤试样进行温度检测的温度传感器，于所述水分检测孔中设置有用于对所述试样仓内的土壤试样进行水分检测的水分传感器；优选地，所述温度检测孔设置有多个并沿所述试样仓的轴向等间隔设置；优选地，所述水分检测孔设置有多个并沿所述试样仓的轴向等间隔设置。7.根据权利要求1所述变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，所述支架包括有底架以及竖直设置在所述底架上的支臂，所述支臂设置有两个，两个所述支臂间隔设置；于所述试样仓的外侧设置有铰接轴，所述铰接轴与所述支臂转动连接。8.根据权利要求7所述变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，其中至少一个所述支臂上设置有仰角刻度。9.根据权利要求1至8任一项所述变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，所述试样仓为长直圆筒形结构；所述试样仓的制造材料为亚克力材料；
所述试样仓为一体式结构。10.根据权利要求1所述变角度水热力耦合实验装置，其特征在于，所述密封水箱以及所述导热板设置于所述试样仓上并通过长螺栓固定连接；优选地，所述长螺栓设置有至少两个，全部的所述长螺栓绕所述试样仓的轴线于所述试样仓的外侧面等间隔设置。

技术总结

本发明提供了一种变角度水热力耦合实验装置，属于冻土研究相关设备技术领域。包括：支架；试样仓，试样仓铰接于支架上，试样仓内设置有透水石；密封水箱，密封水箱气密性罩设于补水端，透水石与密封水箱之间形成补水空间；水泵加压装置，水泵加压装置与补水空间连通；导热板，用于内土壤试样释放冷量。本发明所提供的变角度水热力耦合实验装置，其设计目的主要是模拟在低温条件下不同方向水压力对土体产生冻胀的现象，该变角度水热力耦合实验装置可以进行旋转以调节实验所需要的角度，达到从不同方向对土体加压及补水进行实验的目的，从而测量出土体的冻胀位移、含水率、温度、以及冻胀应力等参数，进行冻胀机理的探究及影响因素的分析。分析。分析。