智能冻融循环装置及方法

本发明属于工程测试，涉及智能冻融循环装置及方法，适用于对土体同时进行冻胀及融沉作用的试验。

背景技术：

1、冻融是指岩土层由于温度降到零度以下和升至零度以上而产生冻结和融化的一种物理地质作用和现象。冻胀试验是检验测试对象冻胀性能指标，融沉试验是获得测试对象融化性能指标。常规条件下，当温度低于零度时，岩土体会产生冻胀，随后随着温度的升高又会发生融沉效应。然而由于工程测试环境温度的变化，测试对象在同一时间不但有冻胀作用而且还会受到融沉效应的影响。现有的冻融循环装置只能按照先冻胀再融化的次序获得测试对象的冻融指标，无法实现冻胀和融沉同时作用条件下的材料性能测试，且现有装置不能调节热源管和冷源管的厚度，无法实现冷源和热源流量变化对冻融性能的测试。

技术实现思路

1、为了克服现有测试装置无法实现冻胀和融沉同时作用、冷源和热源的流量和位置的调节测试的不足，本发明提供了一种智能冻融循环装置及方法，能实现冻胀和融沉的同时作用，还能实现冷源和热源的流量及位置的调节，且简单易行、操作方便、费用低、周期短。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种智能冻融循环装置，包括热源管系统、冷源管系统、外管壁位置调节系统、内管壁位置调节系统、侧壁位置调节系统、内环、外环、冷源箱、热源箱、区域界限隔板和循环通道，所述热源管系统和冷源管系统在环向上位于装置的外围，所述侧壁位置调节系统位于所述内环和外环上的冷源管系统和热源管系统交界处，所述外管壁位置调节系统位于每个热源管系统或冷源管系统的外侧，所述内管壁位置调节系统位于每个热源管系统或冷源管系统的内侧，所述区域界限隔板位于装置主体纵向各区域的分界处，所述冷源箱和热源箱通过所述循环通道与装置主体相连接。

4、进一步，所述侧壁位置调节系统包括隔热侧壁和侧壁位置调节旋钮，将若干个所述隔热侧壁环向固定在所述内环和外环上，分别用所述侧壁位置调节旋钮将内环、外环与隔热侧壁连接起来。

5、再进一步，所述热源管系统包括热源外管壁刚性板、热源内管壁刚性板、热源外管壁弹性板、热源内管壁弹性板和热源管刚性板与弹性板连接轴，所述热源外管壁刚性板通过所述热源管刚性板与弹性板连接轴与所述热源外管壁弹性板相连，所述热源外管壁弹性板直接与所述隔热侧壁相连；将所述热源内管壁刚性板通过热源管刚性板与弹性板连接轴与所述热源内管壁弹性板相连，所述热源内管壁弹性板直接与所述隔热侧壁相连。

6、所述冷源管系统包括冷源外管壁刚性板、冷源内管壁刚性板、冷源外管壁弹性板、冷源内管壁弹性板和冷源管刚性板与弹性板连接轴，所述冷源外管壁刚性板通过所述冷源管刚性板与弹性板连接轴与所述冷源外管壁弹性板相连，所述冷源外管壁弹性板直接与所述隔冷侧壁相连；将所述冷源内管壁刚性板通过冷源管刚性板与弹性板连接轴与所述冷源内管壁弹性板相连，所述冷源内管壁弹性板直接与所述隔冷侧壁相连。

7、更进一步，所述外管壁位置调节系统包括外管壁位置调节把手、外管壁位置调节杆斜撑和外管壁位置调节杆，用所述外管壁位置调节杆和所述外管壁位置调节杆斜撑把所述外管壁刚性板外侧与所述外管壁位置调节把手连接起来。

8、所述内管壁位置调节系统包括内管壁位置调节把手和内管壁位置调节拉杆，用所述内管壁位置调节拉杆将内管壁位置调节把手与所述内管壁刚性板内侧相连接。

9、优选的，所述装置还包括联动杆系统，所述联动杆系统包括外联动杆和内联动杆，所述外联动杆可安装在纵向各区域的外管壁位置调节把手上，所述内联动杆可安装在纵向各区域的内管壁位置调节把手上。本方案中，通过调节所述联动杆系统可同时实现纵向各区域冷热源管的尺寸和位置的同时控制。

10、一种智能冻融循环方法，包括以下步骤：

11、步骤1、安装智能冻融循环装置，所述装置包括热源管系统、冷源管系统、外管壁位置调节系统、内管壁位置调节系统、侧壁位置调节系统、内环、外环、冷源箱、热源箱、区域界限隔板、循环通道，所述热源管系统和冷源管系统在环向上位于装置的外围，所述侧壁位置调节系统位于所述内环和外环上的冷源管系统和热源管系统交界处，所述外管壁位置调节系统位于每个热源管系统或冷源管系统的外侧，所述内管壁位置调节系统位于每个热源管系统或冷源管系统的内侧，所述联动杆系统可安装在纵向各区域的外管壁位置调节把手和内管壁位置调节把手上，所述区域界限隔板位于装置主体纵向各区域的分界处，所述冷源箱和热源箱通过所述循环通道与装置主体相连接；

12、步骤2、确定冷源和热源的温度参数，打开外部冷源箱和热源箱开关，并达到相应的测试温度；冷源和热源从装置尾部回流至外部冷源箱和热源箱后再流入装置内的冷源管和热源管，形成冷源和热源的内外循环；

13、步骤3、埋置冻胀及融化指标的监测系统，根据工程需要在冷源管外围设定距离处，沿纵向等间距布置冻胀指标监测点，在热源管外围设定距离处，沿纵向等间距布置融化指标监测点，在冷源管和热源管的交界处外围沿纵向等间距布置冻胀指标监测点；

14、步骤4、开始试验并进行数据采集，试验开始前记录土体的各项冻融指标，当步骤中的冷源和热源温度达到测试温度后且保持恒定，按照每隔半小时记录相应的土体各项冻融指标，当监测点的数据达到稳定后，停止试验。

15、进一步，所述步骤1中，联动杆系统是否需要安装根据工程要求确定，所述测试方法还包括以下步骤：

16、步骤5、不同冷源和热源温度的循环测试，重复步骤2到4，通过改变外部冷源和热源的温度，可实现不同冷热源温度的土体冻胀和融沉同时测试；

17、步骤6、冷源和热源不同环向流量的循环测试，重复步骤1到4，根据工程需要，安装联动杆系统，同时改变各区域纵向冷热源管的尺寸和位置，可实现冷源和热源流量环向不同纵向相同、不同冷热源温度的土体冻胀和融沉同时测试；

18、步骤7、冷源和热源不同纵向流量的循环测试，重复步骤1到4，根据工程需要，可选择拆除联动杆系统，通过分别控制纵向各区域冷热源管的尺寸和位置，可实现冷源和热源纵向和环向不同流量、不同冷热源温度的土体冻胀和融沉同时测试；

19、步骤8、不同冷源管和热源管环向位置的循环测试，重复步骤1到4，通过调节隔热侧壁的环向位置，可实现不同冷热源管的环向位置、纵向和环向不同冷源和热源流量、不同冷热源温度的土体冻胀和融沉同时测试；

20、步骤9、结束测试，拆除装置。

21、再进一步，所述步骤1中，安装智能冻融循环装置的过程为：

22、1.1组装侧壁位置调节系统：将隔热侧壁环向固定在内环和外环上，分别用侧壁位置调节旋钮将内环、外环与隔热侧壁连接起来并旋紧侧壁位置调节旋钮；

23、1.2组装热源管系统：将热源外管壁刚性板通过热源管刚性板与弹性板连接轴与热源外管壁弹性板相连，热源外管壁弹性板直接与隔热侧壁相连；将热源内管壁刚性板通过热源管刚性板与弹性板连接轴与热源内管壁弹性板相连，热源内管壁弹性板直接与隔热侧壁相连，组成四组热源管，四组热源管间隔布置，每两组热源管之间布置一组冷源管；

24、1.3组装冷源管系统：将冷源外管壁刚性板通过冷源管刚性板与弹性板连接轴与冷源外管壁弹性板相连，冷源外管壁弹性板直接与隔热侧壁相连，将冷源内管壁刚性板通过冷源管刚性板与弹性板连接轴与冷源内管壁弹性板相连，冷源内管壁弹性板直接与隔热侧壁相连，组成四组冷源管，四组冷源管间隔布置，每两组冷源管之间布置一组热源管；

25、1.4组装外管壁位置调节系统：所有外管壁刚性板外侧通过外管壁位置调节杆和外管壁位置调节杆斜撑与外管壁位置调节把手连接，将区域界限隔板从区域的分界处插入，并与区域的外管壁刚性板和弹性板紧密贴合；

26、1.5组装内管壁位置调节系统：所有内管壁刚性板内侧通过内管壁位置调节拉杆与内管壁位置调节把手连接；

27、1.6调节隔热侧壁的环向位置：旋松侧壁位置调节旋钮，隔热侧壁可在环向位置上滑动，旋紧侧壁位置调节旋钮，隔热侧壁就在环向位置上固定，从而调节各冷热源管的环向位置；

28、1.7调节各分区域冷热源管的纵向尺寸和位置：通过调节各分区域外管壁位置调节把手和内管壁位置调节把手的位置可改变纵向上各分区域冷热源管的截面面积；若工程需要统一控制各区域冷热源管的纵向尺寸和位置，将各区域的纵向外管壁位置调节把手安装外联动杆，内管壁位置调节把手安装内联动杆，通过调节联动杆系统可同时实现纵向各区域冷热源管的尺寸和位置的同时控制；

29、1.8连接外部冷源箱和热源箱：将外部冷源箱通过循环通道与冷源管相连，将外部热源箱通过循环通道与热源管相连。

30、本发明的有益效果主要表现在：(1)不但可以实现常规装置先冻胀后融沉的作用还能实现冻胀和融沉的同时作用；(2)可实现冷源和热源的流量调节；(3)可实现冷源和热源的位置调节；(4)操作方便，费用低，周期短。