一种监测大尺度路堤蒸发散热降温效应的试验装置的制作方法

[0001]
本实用新型属于路堤降温试验技术领域，具体涉及一种监测大尺度路堤蒸发散热降温效应的试验装置。


背景技术：

[0002]
随着国家重大工程青藏公路、青藏铁路的建设和运行，同时随着经济的发展、城市化的推进，使得气候变暖，在气候和人为因素的双重作用下，使得多年冻土区的冻土层开始退化，导致青藏公路、铁路发生融沉现象。故保持冻土热稳定性是确保冻土区稳定性的关键。针对青藏高原冻土区高等级公路热稳定性要求，拟采用多孔沥青或多孔沥青混凝土路面结构改善冻土区公路路堤的热稳定性。多孔沥青路面的蒸发主要包括两部分，一是路表孔隙中的水分直接蒸发；二是路面下土体中的水分通过迁移、蒸发，再通过连贯孔隙以水汽的形式向大气逸出。开展多孔沥青路面蒸发散热效应对公路路堤及其土层热稳定性影响机理的试验和理论研究，可为青藏高原高速公路工程的科学建设提供理论支持。


技术实现要素：

[0003]
本实用新型的目的在于针对上述问题，提出一种监测大尺度路堤蒸发散热降温效应的试验装置，通过室内试验定量研究路堤蒸发散热机理及其对路堤降温效果的影响因素和对路堤热稳定性影响的作用机理，适用于大尺度的路堤蒸发散热模型的研究，试验结果受外界环境影响小，模拟对路堤蒸发散热影响的因素多，且可同时满足对比试验和单一试验的需求，操作简单，试验结果可信度高，借鉴性强。
[0004]
为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：
[0005]
本实用新型提出的一种监测大尺度路堤蒸发散热降温效应的试验装置，包括：
[0006]
外试验箱，内置有内试验箱；
[0007]
路堤模型试验箱，用于填筑路堤模型，且位于内试验箱中；
[0008]
室内空气循环控制系统，用于控制外试验箱或内试验箱的内部温度或气流流向；
[0009]
空气干燥控制系统，用于控制内试验箱的内部湿度；
[0010]
太阳光照模拟控制系统，架设于路堤模型的上方，用于控制光辐射量使路堤模型进行水分蒸发散热；
[0011]
水分补偿控制系统，架设于路堤模型的上方，用于控制路堤模型的水分含量，并根据外部的补水量确定路堤模型的水分蒸发量；
[0012]
数据采集测试系统，埋设于路堤模型中，用于监测路堤模型内不同位置处的温度、湿度、风速及热流密度。
[0013]
优选地，室内空气循环控制系统包括位于外试验箱内的第一制冷机组和位于内试验箱内的第二制冷机组，第一制冷机组和第二制冷机组均包括至少一个制冷机且电连接有温控计算机。
[0014]
优选地，空气干燥控制系统包括干燥器、湿度探头和干燥控制器，干燥控制器电连
接位于内试验箱中的干燥器和湿度探头，干燥控制器还电连接有第一程控计算机。
[0015]
优选地，太阳光照模拟控制系统包括模拟太阳光灯泡组、辐射测量探头和调节支架，调节支架架设于路堤模型试验箱的上方，模拟太阳光灯泡组和辐射测量探头均悬吊于调节支架上并位于路堤模型的上方，模拟太阳光灯泡组和辐射测量探头均至少一个并电连接有光照控制器，光照控制器电连接有第二程控计算机。
[0016]
优选地，模拟太阳光灯泡组和辐射测量探头均可进行高度调节。
[0017]
优选地，水分补偿控制系统包括架设于路堤模型试验箱上方的旋转喷水头，旋转喷水头连接有控制水流量的水分控制器，水分控制器电连接有第三程控计算机。
[0018]
优选地，路堤模型试验箱为对称机构，包括两个支撑板，支撑板的外侧均连接有至少一个斜撑机构，两支撑板的相邻侧与底部均铺设有保温板，且通过选择性增设保温板将两支撑板之间的区域进行隔断。
[0019]
优选地，斜撑机构的一端与支撑板的外侧连接，另一端与地面连接，且斜撑机构的倾角可调。
[0020]
优选地，路堤模型从下至上依次填筑有土层、路基填土层、级配碎石层和多孔沥青层，级配碎石层选择性埋设通风管，且通风管贯穿路堤模型。
[0021]
优选地，数据采集测试系统包括探头组和土壤热流仪，两者均电连接有数采仪，数采仪电连接有数据采集计算机，探头组包括温度探头、水分探头和微风速探头，温度探头和水分探头位于路堤模型的表面或内部，微风速探头位于路堤模型的表面或级配碎石层的内部或多孔沥青层的内部，土壤热流仪布设于土层的内部。
[0022]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
[0023]
1)适用于大尺度的路堤蒸发散热模型的研究，可同时满足对比试验和单一试验的需求，实用性强，能够实现多人同时操作、操作简单；
[0024]
2)密封性能好，可大大降低外界环境对试验结果的影响，且易于调节和保持所需内部环境，试验结果准确度高，可借鉴性强；
[0025]
3)用于研究路堤蒸发散热机理及其对路堤降温效果的影响因素和对路堤热稳定性影响的作用机理，模拟对路堤蒸发散热影响的外界气候因素多，同时，可调节路堤模型的多孔沥青层的厚度、孔隙率、含水量等内部因素，使得试验结果更具有可信度。
附图说明
[0026]
图1为本实用新型的结构示意图；
[0027]
图2为本实用新型的路堤模型试验箱结构示意图；
[0028]
图3为本实用新型的斜撑机构结构示意图；
[0029]
图4为本实用新型的路堤模型断面图；
[0030]
图5为本实用新型的内试验箱剖视图。
[0031]
附图标记说明：1、外试验箱；2、内试验箱；3、路堤模型试验箱；4、温控计算机；5、第一程控计算机；6、第二程控计算机；7、第三程控计算机；8、数据采集计算机；11、第一制冷机组；21、第二制冷机组；22、干燥器；23、干燥控制器；24、模拟太阳光灯泡组；25、光照控制器；26、旋转喷水头；27、水分控制器；28、数采仪；29、槽孔；210、固定装置；211、门闩；31、斜撑机构；32、支撑板；33、保温板；34、路堤模型；311、限位块；311a、铰接座；312、第一滑槽座；313、
第二滑槽座；314、第一连杆；315、第二连杆；316、调节座；a、土层；b、路基填土层；c、级配碎石层；d、多孔沥青层；e、土工布；f、通风管；g、探头组；h、土壤热流仪。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本实用新型的限定。
[0033]
如图1-5所示，一种监测大尺度路堤蒸发散热降温效应的试验装置，包括外试验箱1，内置有内试验箱2；
[0034]
路堤模型试验箱3，用于填筑路堤模型34，且位于内试验箱2中；
[0035]
室内空气循环控制系统，用于控制外试验箱1或内试验箱2的内部温度或气流流向；
[0036]
空气干燥控制系统，用于控制内试验箱2的内部湿度；
[0037]
太阳光照模拟控制系统，架设于路堤模型34的上方，用于控制光辐射量使路堤模型34进行水分蒸发散热；
[0038]
水分补偿控制系统，架设于路堤模型34的上方，用于控制路堤模型34的水分含量，并根据外部的补水量确定路堤模型34的水分蒸发量；
[0039]
数据采集测试系统，埋设于路堤模型34中，用于监测路堤模型34内不同位置处的温度、湿度、风速及热流密度。
[0040]
其中，该试验装置用于监测大尺度的路堤蒸发量及蒸发带来的降温效应，研究路堤蒸发散热机理及其对路堤降温效果的影响因素和对路堤热稳定性影响的作用机理。采用外试验箱1和内试验箱2双层封闭环境设计，能够为内试验箱2中的路堤模型试验箱3提供恒定湿度和温度等测试环境，且易于调节和保持所需内部环境，可排除试验中外部环境带来的不利影响，使得试验结果更加准确，可借鉴性强。该内试验箱2空间大，路堤模型试验箱3内可制备大尺度的路堤模型34，且可同时制备一个或多个路堤模型34，可同时对多个路堤模型34进行对比试验，也可以对单个路堤模型34进行试验研究。内试验箱2内通过室内空气循环控制系统模拟温度和气流变化，通过空气干燥控制系统控制湿度变化，通过太阳光照模拟控制系统模拟光照，同时有水分补偿控制系统进行实时补水，并利用多种传感器对各项数据进行实时监测。本试验装置满足对于大尺度模型的检测，操作简单，模拟的外界气候因素多，适用于不同环境路堤的研究热点与工程实际，如对冻土环境路堤的研究。
[0041]
进一步地，外试验箱1可以为普通壳体或可移动的壳体，考虑到成本等问题还可直接为试验室或厂房。内试验箱2为不含底的方形壳体，如取内腔尺寸为8m
×
4m
×
2.7m，壁厚100mm，箱壁材料为不锈钢且壁内填充有用于保温的聚氨酯泡沫塑料。图5与图1剖视方向垂直，图5内试样箱2的剖视位置及投影方向如图1中a-a位置所示。图5中内试样箱2的前侧壁开设有门，且在内试样箱2的右侧壁上设置有用于锁紧门的门闩211，固定装置210直接焊接在内试验箱2上，具有一与门栓211相匹配的带槽口的框架，在门内侧设置有密封条，使得门关闭时整个内试样箱2完全封闭，在内试样箱2的后侧壁上还开设有槽孔29，试验中的线缆都可从槽孔29通过，线缆安装完成后对槽孔29的空隙进行密封，如采用保温棉或密封胶进行密封。
[0042]
在一个实施例中，室内空气循环控制系统包括位于外试验箱1内的第一制冷机组
11和位于内试验箱2内的第二制冷机组21，第一制冷机组11和第二制冷机组21均包括至少一个制冷机且电连接有温控计算机4。
[0043]
其中，在外试验箱1内的四角各设有一个制冷机，四个制冷机组成第一制冷机组11，同理，内试验箱2内的四角也各设有一个制冷机，四个制冷机为第二制冷机组21，两个制冷机组均由温控计算机4进行控制，温控计算机4为具有逻辑处理能力的计算机设备(如pc机)，可以调节温度和气流流向，保持内部空气循环畅通。
[0044]
需要说明的是，制冷机还可根据实际需求，以任意数量布设或布设于外试验箱1或内试验箱2内的任意位置，不同的制冷机组可采用一个温控计算机4共同控制，还可由多个温控计算机4进行独立控制。内试验箱2内还可布设微风速探头或高精度智能风速仪，用于检测内试验箱2内的空气流动速度、路堤表面风速变化。
[0045]
在一个实施例中，空气干燥控制系统包括干燥器22、湿度探头和干燥控制器23，干燥控制器23电连接位于内试验箱2中的干燥器22和湿度探头，干燥控制器23还电连接有第一程控计算机5。
[0046]
其中，空气干燥控制系统用于调节内试验箱2内的湿度，还可采用干燥剂进行辅助除湿，提高处理效率，如干燥剂可直接放置在内试验箱2的内壁中，湿度探头可放置在内试验箱2中，一般高度在2m，用于检测空气中的湿度情况，湿度探头还可替换为数字湿度计或者两者同时使用，测量结果更准确。外试验箱1中同样也可采用干燥剂进行辅助除湿，提高处理效率。需要说明的是，当室内空气循环控制系统具有湿度调节功能时，空气干燥控制系统还可由室内空气循环控制系统替代。
[0047]
在一个实施例中，太阳光照模拟控制系统包括模拟太阳光灯泡组24、辐射测量探头和调节支架，调节支架架设于路堤模型试验箱3的上方，模拟太阳光灯泡组24和辐射测量探头均悬吊于调节支架上并位于路堤模型34的上方，模拟太阳光灯泡组24和辐射测量探头均至少一个并电连接有光照控制器25，光照控制器25电连接有第二程控计算机6。
[0048]
其中，本实施例中的模拟太阳光灯泡组24采用的是品牌为osram ultra-vitalux的碘钨灯管，型号lzg220-500w-1，采用碘钨灯使用寿命长，且有助于提高工作温度和发光效率。调节支架固定于内试验箱2的上壁内侧，如采用剪叉式升降平台，还可采用任意形状的高度可调的落地支架结构悬吊模拟太阳光灯泡组24和辐射测量探头。辐射测量探头用于检测光辐射量，并通过光照控制器25和第二程控计算机6根据辐射测量探头所测值调节光辐射量大小，且模拟太阳光灯泡组24和辐射测量探头的数量和布设位置可根据实际情况进行调节。
[0049]
本实施例中，模拟太阳光灯泡组24和辐射测量探头均可进行高度调节。
[0050]
其中，通过调节支架来调节模拟太阳光灯泡组24和辐射测量探头的竖直或水平位置以适应不同尺寸的路堤模型34，进一步控制光辐射量大小，模拟太阳辐射对路堤蒸发降温的影响。
[0051]
在一个实施例中，水分补偿控制系统包括架设于路堤模型试验箱3上方的旋转喷水头26，旋转喷水头26连接有控制水流量的水分控制器27，水分控制器27电连接有第三程控计算机7。
[0052]
其中，水分补偿控制系统包括架设于路堤模型试验箱3上方的旋转喷水头26，旋转喷水头26通过水管与水泵连接，水泵又与供水箱连接，水管上还连接有用于控制水流量的
水分控制器27，水分控制器27电连接有第三程控计算机7。水分补偿控制系统用于控制雨水对路堤模型34试样蒸发散热的影响，可以根据外部的补水量来确定蒸发量，其补偿的水分温度应与相应时间的空气温度相同，负温期间不补偿水分。
[0053]
需要说明的是，空气干燥控制系统、太阳光照模拟控制系统和水分补偿控制系统分别采用第一程控计算机5、第二程控计算机6和第三程控计算机7进行控制，第一程控计算机5、第二程控计算机6和第三程控计算机7为具有逻辑处理能力的计算机设备(如pc机)，可为同一个计算机设备，也可为三个单独的计算机设备。
[0054]
在一个实施例中，路堤模型试验箱3为对称机构，包括两个支撑板32，支撑板32的外侧均连接有至少一个斜撑机构31，两支撑板32的相邻侧与底部均铺设有保温板33，且通过选择性增设保温板33将两支撑板32之间的区域进行隔断。
[0055]
其中，路堤模型试验箱3如图2所示，为对称机构，包括两个支撑板32，支撑板32为不锈钢板，两支撑板32的相邻侧与底部均铺设有保温板33，在保温板33上直接进行路堤模型34的制备，斜撑机构31用于支撑支撑板32。该路堤模型试验箱3可同时进行两个路堤模型34的对比试验，也可进行单一试验的研究。如当进行对比试验时，通过增设保温板33将两支撑板32之间的区域进行隔断，如增设的保温板33居中设置，与两侧保温板33的相邻面间距均为1m，可制备两个1m长的路堤模型34，有利于模拟同等条件下不同变化参量的实验结果，如在相同光照、水分补给、风速等相同外部条件下，一个路堤模型34含通风管f，一个路堤模型34不含通风管f，用于研究有无通风管f对路堤蒸发降温的影响，还可改变其他参量进行不同试验对比；当进行单一试验时，不再增设保温板33进行隔断，可直接在路堤模型试验箱3内进行路堤模型34的制备，主要用于控制外部条件以及内部因素对试验的影响。
[0056]
需要说明的是，路堤模型34的大小可以通过调节斜撑机构31移动支撑板32来进行调整，且各保温板33的形状和大小可随支撑板32大小和两支撑板32间距做适应性改变，以满足不同尺度和不同测试条件的模型需求，适用范围广。
[0057]
本实施例中，斜撑机构31的一端与支撑板32的外侧连接，另一端与地面连接，且斜撑机构31的倾角可调。
[0058]
其中，本实施例中的斜撑机构31类似于双滑块机构。如斜撑机构31包括连接于连杆两端的两个限位块311，限位块311上设有铰接座311a，铰接座311a与连杆铰接，连杆由第一连杆314、第二连杆315和调节座316组成，第一连杆314和第二连杆315通过调节座316连接，调节座316可调节第一连杆314和第二连杆315的伸出长度来改变连杆的长度，其中，连杆可直接采用法兰螺丝替代。在支撑板32外侧连接有第二滑槽座313，地面连接有第一滑槽座312，第一滑槽座312可利用膨胀螺丝与地面进行固定，也可采用可拆卸连接固定，第二滑槽座313与支撑板32可采用焊接或螺钉连接固定。各滑槽座上开设有与限位块311配合的滑动凹槽及用于限位块311固定的固定孔，限位块311同样开设有对应的固定孔，两限位块311分别沿第一滑槽座312和第二滑槽座313的滑动凹槽滑动进行位置调节，当调节好位置后将限位块311和滑槽座上对应的孔位通过螺钉连接固定，实现对斜撑机构31倾角的调整。
[0059]
各滑槽座上开设有多组用于限位块311固定的固定孔，可利用限位块311与各滑槽座之间的滑动配合及不同固定孔位置的连接来调整斜撑机构31的倾角，也可利用连杆中间的调节座316来调整斜撑机构31的倾角。
[0060]
需要说明的是，当外试验箱1为封闭的普通壳体或可移动的壳体时，斜撑机构31的
另一端与外试验箱1的下壁内侧连接，或当内试验箱2为封闭的普通壳体或可移动的壳体时，斜撑机构31的另一端与内试验箱2的下壁内侧连接。
[0061]
在一个实施例中，路堤模型34从下至上依次填筑有土层a、路基填土层b、级配碎石层c和多孔沥青层d，级配碎石层c选择性埋设通风管f，且通风管f贯穿路堤模型34。
[0062]
其中，路堤模型34为梯形模型，从下至上依次填筑有土层a、路基填土层b、级配碎石层c和多孔沥青层d，当研究通风降温对路堤模型34的影响时，级配碎石层c可选择性埋设通风管f，通风管f垂直于路堤模型34的对称面铺设并贯穿路堤模型34。在路堤模型34的路基填土层b和级配碎石层c之间还布设有土工布e，土工布e具有反滤、排水和隔离的优良性能。在制备路堤模型34时可根据实际需求调节路堤模型34的各层的厚度、孔隙率、含水量等路堤内部影响因素。
[0063]
在一个实施例中，数据采集测试系统包括探头组g和土壤热流仪h，两者均电连接有数采仪28，数采仪28电连接有数据采集计算机8，探头组g包括温度探头、水分探头和微风速探头，温度探头和水分探头位于路堤模型34的表面或内部，微风速探头位于路堤模型34的表面或级配碎石层c的内部或多孔沥青层d的内部，土壤热流仪h布设于土层a的内部。
[0064]
其中，数据采集测试系统包括探头组g和土壤热流仪h，探头组g包括温度探头、水分探头和微风速探头。温度探头、水分探头和微风速探头和土壤热流仪h连接数采仪28时，可以根据数采仪28的采集口连接相应数量的传感器，也可以对上述传感器进行分组，以组为单位连接数采仪28。且数据采集计算机8为具有逻辑处理能力的计算机设备(如pc机)。
[0065]
进一步地，如图4所示，沿路堤模型34的横断面布设七列探头组g，其中，温度探头可为热敏电阻探头，每列中的温度探头相邻间距为5-10cm，水分探头和微风速探头的相邻间距可大于温度探头相邻间距，横断面中间三列中每列的水分探头竖向等距各布设四个，最外边两列各布设两个，其余两列各布设三个，温度探头和水分探头位于路堤模型34的表面或内部。横断面中间三列每列的微风速探头竖向等距各布设三个，且除最外边两列外的其他两列各布设两个，微风速探头位于路堤模型34的级配碎石层c内。另外在路堤模型34的路表面、边坡表面及内试验箱2内均可再单独布设若干温度探头、水分探头、微风速探头、湿度探头和太阳辐射测量探头等，用于相关试验条件监测和控制时的数据采集。同时，对应七列探头组g的位置，在土层a内靠近路基填土层b的一侧水平布设七个土壤热流仪h用于测量路堤模型34传入下面土层a的热流密度变化。各传感器所测数据可用于推演路堤模型34的影响参数，试验结果更加准确。
[0066]
使用前，先根据不同的试验条件进行路堤模型34的制备及试验环境的设定。在制备路堤模型34时，调整好路堤模型试验箱3的尺寸，将土层a、路基填土层b、级配碎石层c和多孔沥青层d按照从下到上的顺序依次填筑进行路堤模型34制备，各层的厚度、孔隙率、含水量等按照试验要求进行配比，并在制备过程中布设好温度探头、水分探头、微风速探头和土壤热流仪h。关闭外试验箱1和内试验箱2使其内部形成完全密封的试验环境，保证试验中不受外界环境影响。同时调节好外试验箱1和内试验箱2内的室内空气循环控制系统，以及内试验箱2内的空气干燥控制系统、太阳光照模拟控制系统和水分补偿控制系统，即通过各计算机设定温度、湿度、水分、风速、光照等条件，开启试验，并可通过计算机观测得知各数据变化，获得试验数据，进而推演出高可信度的试验结果为科学建设提供理论支持。
[0067]
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，在不背离本实
用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。