本發(fā)明屬于巖土工程模型試驗技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

隨著我國地下空間的日益發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的全面實施，我國將不斷在多年凍土地區(qū)進行鐵路、公路、輸油管線、光纜、水利等重大工程設(shè)施的建設(shè)。寒區(qū)工程的修建會導(dǎo)致下部多年凍土融化沉降，嚴重影響工程的穩(wěn)定性和正常運營。新建的寒區(qū)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(fā)生顯著變化。目前在實驗室內(nèi)進行試驗時往往很難同時控制不斷變化的溫度和應(yīng)力這兩個條件，即使大型實驗室擁有實現(xiàn)近似條件的模擬也要很高的成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有難題，本發(fā)明提供了一種可用于巖土工程模擬土中應(yīng)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(tǒng)結(jié)合起來，然后通過電腦控制系統(tǒng)統(tǒng)一進行調(diào)控，實現(xiàn)各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和溫度的模擬。本裝置完全實現(xiàn)了應(yīng)力和溫度的隨時自我調(diào)整，有利于觀察各種因素對于土體應(yīng)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(shù)實驗所需要的精度，性價比很高。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：本發(fā)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(tǒng)、制冷系統(tǒng)、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(tǒng)，所述制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)均勻分布在烘箱內(nèi)壁，溫度傳感器和壓力傳感器埋置在烘箱內(nèi)部，伺服壓力機設(shè)于烘箱下方，伺服壓力機上部設(shè)有多梯度壓力供給裝置，實心鋼管設(shè)于多梯度壓力供給裝置下方，局部加壓鋼片設(shè)于烘箱內(nèi)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(nèi)的試樣中，電腦控制系統(tǒng)分別與制熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、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(tǒng)和制冷系統(tǒng)均為環(huán)形設(shè)置，所述制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)分別設(shè)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(tǒng)和制冷系統(tǒng)兩套系統(tǒng)獨立工作，互不影響，由電腦控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制。

進一步地，所述制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)隨烘箱高度相互交替布置，分別與外界熱量交換系統(tǒng)構(gòu)成循環(huán)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(fā)揮作用，減少相互影響。

進一步地，所述烘箱的內(nèi)壁上設(shè)有凹槽，制熱管和制冷管分別緊貼于凹槽中，凹槽表面設(shè)有絕熱材料層。制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)最大的特點是附著在烘箱內(nèi)壁上的每個環(huán)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(zé)調(diào)解，這樣就可以根據(jù)設(shè)置的溫度梯度參數(shù)分別調(diào)節(jié)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(yīng)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(shù)據(jù)采集儀與電腦控制系統(tǒng)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(diào)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(nèi)；

(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(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀相連，數(shù)據(jù)采集儀采集完數(shù)據(jù)后傳到電腦控制系統(tǒng)進行處理，反映土壤各位置溫度，以便于及時調(diào)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(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀相連，數(shù)據(jù)采集儀采集完數(shù)據(jù)后傳到電腦控制系統(tǒng)進行處理，反映土壤各位置應(yīng)力狀態(tài)，以便于及時調(diào)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(nèi)的試樣中，使土試樣局部均勻受力，現(xiàn)有改進后的伺服壓力機可以實現(xiàn)多梯度加壓，使得每個局部加壓鋼片上受到不同數(shù)值的壓力，而且可以通過電腦隨時調(diào)整，這樣就可以模擬自然條件下復(fù)雜的土應(yīng)力狀態(tài)；

(5)通過電腦控制系統(tǒng)啟動制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，通過兩系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作使烘箱內(nèi)溫度達到預(yù)設(shè)溫度，同時啟動伺服壓力機并設(shè)置好壓力參數(shù)，溫度傳感器和壓力傳感器反饋信息，電腦控制系統(tǒng)接收信息控制兩系統(tǒng)進行反饋調(diào)節(jié)，兩系統(tǒng)同時獨立工作，所有過程由電腦控制系統(tǒng)自動控制，從而實現(xiàn)了烘箱內(nèi)的溫度和應(yīng)力模擬。

采用上述方案本發(fā)明取得的有益效果如下：

(1)可以廣泛用于巖土工程領(lǐng)域以及其他工程領(lǐng)域的模型試驗中，通過調(diào)節(jié)伺服壓力機和制冷制熱系統(tǒng)，為模型試驗中復(fù)雜土應(yīng)力和溫度條件模擬提供一種新途徑；

(2)改進后的伺服壓力機有多個壓力供給裝置，通過實心鋼管和鋼片將壓力傳遞到實驗土的局部，能夠模擬較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)；

(3)均勻交替分布在烘箱內(nèi)部的制冷制熱系統(tǒng)獨立工作，制冷管和制熱管安置在凹槽中，不會影響試驗中土的邊界條件；

(4)采用壓力傳感器和溫度傳感器及時反映土中各個位置的物理狀態(tài)，很好的解決了傳統(tǒng)實驗中盲目進行加壓和溫控的缺點以及傳感器安裝困難等缺陷；

(5)通過電腦控制器調(diào)節(jié)伺服壓力機和溫控系統(tǒng)運行，壓力和溫度通過調(diào)節(jié)電流的大小迅速調(diào)整，大大減小了由于反饋調(diào)節(jié)時間長引起的試驗誤差。

附圖說明

圖1為本發(fā)明模擬溫度梯度場和自動加載裝置的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明模擬溫度梯度場和自動加載裝置內(nèi)部的制冷管和制熱管分布示意圖。

其中，1、烘箱，2、制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，3、溫度傳感器，4、壓力傳感器，5、伺服壓力機，6、多梯度壓力供給裝置，7、實心鋼管，8、局部加壓鋼片，9、電腦控制系統(tǒng)，10、制熱管，11、制冷管。

具體實施方式

結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步詳細說明。

如圖1和2所示，本發(fā)明模擬溫度梯度場和自動加載裝置，它包括烘箱1、制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)2、溫度傳感器3、壓力傳感器4、伺服壓力機5、多梯度壓力供給裝置6、實心鋼管7、局部加壓鋼片8和電腦控制系統(tǒng)9，所述制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)2均勻分布在烘箱1內(nèi)壁，溫度傳感器3和壓力傳感器4埋置在烘箱1內(nèi)部，伺服壓力機5設(shè)于烘箱1下方，伺服壓力機5上部設(shè)有多梯度壓力供給裝置6，實心鋼管7設(shè)于多梯度壓力供給裝置6下方，局部加壓鋼片8設(shè)于烘箱1內(nèi)的試樣上方，伺服壓力機5上部的多梯度壓力供給裝置6通過實心鋼管7和局部加壓鋼片8將壓力傳遞到烘箱1內(nèi)的試樣中，電腦控制系統(tǒng)9分別與制熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、溫度傳感器3、壓力傳感器4、伺服壓力機5、多梯度壓力供給裝置6電連接。

其中，制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)2均為環(huán)形設(shè)置，制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)2分別設(shè)有制熱管10和制冷管11，制熱管10和制冷管11均采用有機玻璃鋼材料制成。制熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)2隨烘箱1高度相互交替布置，分別與外界熱量交換系統(tǒng)構(gòu)成循環(huán)回路，制熱管10和制冷管11直徑均為10mm，制熱管10和制冷管11相互間平行距離在8mm-10mm之間。烘箱1的內(nèi)壁上設(shè)有凹槽，制熱管10和制冷管11分別緊貼于凹槽中，凹槽表面設(shè)有絕熱材料層。溫度傳感器3和壓力傳感器4分別通過數(shù)據(jù)采集儀與電腦控制系統(tǒng)9相連接。

具體使用時，先將土樣裝到烘箱1內(nèi)，預(yù)留一個可以放下模型的坑，將溫度傳感器3和壓力傳感器4按照要求布置在相應(yīng)位置，放置模型然后填土并且將烘箱1上部整平壓實，接下來將局部加壓鋼片8均勻放到土樣上部，并且啟動伺服壓力機5使得實心鋼管7與局部加壓鋼片8恰好接觸，然后將埋置的溫度傳感器3和壓力傳感器4與數(shù)據(jù)采集儀相連接，數(shù)據(jù)采集儀與電腦控制系統(tǒng)9相連，檢查整個裝置各個部分，確認各步驟和儀器狀態(tài)無誤后，啟動電腦控制系統(tǒng)9電源，設(shè)置所需的壓力和溫度梯度，然后先啟動伺服壓力機5使壓力達到設(shè)置值，再啟動制冷和制熱系統(tǒng)2，使得烘箱1內(nèi)溫度保持在設(shè)置好的溫度梯度狀態(tài)，此時模擬實驗條件已經(jīng)形成。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。