阅读说明：本技术 一种测定土体冻结温度的试验装置 (Test device for measuring freezing temperature of soil body ) 是由 不公告发明人 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种测定土体冻结温度的试验装置,其结构特征在于使用高频激振系统,为试样提供高频脉冲激振条件；使用控温精度超过±0.01℃的协同控温系统,为试样提供降温速率低于-0.1℃/min的缓慢线性降温冻结条件。高频脉冲激振可打破孔隙水冻结过程中的过冷状态,避免土体达到超过冷状态而无法测得有效的冻结温度数据。缓慢线性降温冻结模式可为试样提供均匀降温条件,从而保证整个试样处于相同的热状态,避免不均匀冻结过程对试验结果的影响。该装置解决了冻结温度试验中超过冷状态和试样尺寸效应对试验结果影响突出的问题,可以为研究土体冻结机理提供可靠的试验技术支撑。(The invention discloses a test device for measuring freezing temperature of a soil body, which is structurally characterized in that a high-frequency excitation system is used for providing high-frequency pulse excitation conditions for a sample; and a cooperative temperature control system with the temperature control precision exceeding +/-0.01 ℃ is used for providing a slow linear temperature reduction freezing condition with the temperature reduction rate lower than-0.1 ℃/min for the sample. The supercooling state in the pore water freezing process can be broken through by high-frequency pulse excitation, and the problem that effective freezing temperature data cannot be measured when the soil body exceeds the supercooling state is avoided. The slow linear cooling freezing mode can provide uniform cooling conditions for the sample, so that the whole sample is ensured to be in the same thermal state, and the influence of the non-uniform freezing process on the test result is avoided. The device solves the problem that the effect of exceeding a cold state and the size of a sample in a freezing temperature test has a remarkable influence on a test result, and can provide a reliable test technology support for researching a soil body freezing mechanism.)

一种测定土体冻结温度的试验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程试验领域，具体涉及一种测定土体冻结温度的试验装置。

背景技术

冻结温度是土体由非冻结状态转为冻结状态的临界温度，是寒区施工以及人工冻结法施工过程中必须获取的关键参数。在冻结过程中，孔隙水发生相变后的一段时间内会处于冰水混合状态，在温度曲线上表现为一段与时间轴接近平行的曲线，该段曲线被称为“稳定冻结平台”，此时的温度即为冻结温度。稳定冻结平台为获取冻结温度数据提供了条件，常用的方式包括使用温度传感器直接获取冻结温度以及使用频域反射法间接获取冻结温度。

众所周知，孔隙水受到毛细孔的约束作用突出，由此导致在冻结过程中水的过冷现象更为突出。如果过冷温度太低，相变潜热的释放量会小于试验系统从试样转移的热量，导致孔隙水处于冰水混合状态的时间极短，在冻结曲线上表现为不存在稳定冻结平台，此现象被称为“超过冷”，该现象一旦出现则无法获得有效的冻结温度（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，当前《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）中采用恒温冻结的方式开展试验，即维持冷却液温度恒定、将试样浸入冷却液中冻结测温。但在冻结过程中试样可能出现表层冻结而内部为正温的情况，无法保证整个试样在试验过程中都处于均匀降温、均匀冻结的状态。而差异冻结会影响到冻结温度的测试结果，由此导致试样的尺寸效应突出。土体超过冷和尺寸效应是影响试验数据质量的两大因素，是当前科研技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测定土体冻结温度的试验装置。该装置能够有效解决当前冻结温度试验中广泛存在的超过冷现象和试样尺寸效应对试验结果影响突出的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种测定土体冻结温度的试验装置，包括高频激振系统、顶/底部协同控温系统、试验盒、保温层、试验盒固定螺杆、温度数据采集系统、反力加载系统、恒温箱。高频激振系统由激振器、激振控制模块、激振板组成，激振器固定在激振板上，并使用数据线与激振控制模块连接，所述高频激振系统为处于负温状态的试样提供频率超过35kHz、振幅低于60μm的脉冲激振条件。

所述顶/底部协同控温系统由顶部控温板、底部控温板、温度传感器、温度控制模块组成，顶部控温板置于试样顶部，底部控温板置于试样底部，温度传感器置于顶部控温板、底部控温板中，并使用数据线与温度控制模块连接，顶部控温板和底部控温板使用数据线与控温模块连接，所述协同控温系统的控温精度超过±0.01℃，为试样提供降温速率低于-0.1℃/min的缓慢线性降温冻结条件。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、使用高频脉冲激振，避免了冻结过程中土体超过冷状态的出现，保证了孔隙水有较长一段时间处于冰水混合状态，以此获取高质量的冻结温度数据，并且高频脉冲激振对冻结温度无影响，不会引入误差。

2、由协同控温系统提供的慢线性降温冻结模式为试样提供了均匀降温条件，从而避免了试样内外部差异冻结的情况，克服了不均匀冻结过程对试验结果的影响，由此解决了试样尺寸效应的问题。

附图说明

图1为本发明的土体冻结温度试验装置的结构示意图

图2为本发明的高频激振系统的结构示意图

图3为本发明的顶/底部协同控温系统的结构示意图

图4为本发明的试验盒、保温层、试验盒固定螺杆、温度数据采集系统、反力加载系统、恒温箱的结构示意图

图5为采用高频激振与未采用高频激振的试验结果对比

图6为线性降温冻结与冷浴恒温冻结的试验结果对比

图中：1.高频激振系统；2.顶/底部协同控温系统；3.试验盒；4.保温层；5.试验盒固定螺杆；6.温度数据采集系统；7.反力加载系统；8.恒温箱；11.激振器；12.激振控制模块；13.激振板；14.数据线；21.顶部控温板；22.底部控温板；23.温度传感器；24.温度控制模块；25.数据线；26.数据线；31.温度传感器；32.温度数据采集模块；33.数据线；34.加载装置；35.加载控制模块；36.反力架；37.数据线；38.螺杆

具体实施方式

结合附图，通过实施例对本发明的技术方案进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图1所示，一种测定土体冻结温度的试验装置，包括高频激振系统1、顶/底部协同控温系统2、试验盒3、保温层4、试验盒固定螺杆5、温度数据采集系统6、反力加载系统7、恒温箱8。高频激振系统1由激振器11、激振控制模块12、激振板13组成，激振器11固定在激振板13上，并使用数据线14与激振控制模块12连接，高频激振系统1为处于负温状态的试样提供频率超过35kHz、振幅低于60μm的脉冲激振条件。顶/底部协同控温系统2由顶部控温板21、底部控温板22、温度传感器23、温度控制模块24组成，顶部控温板置于试样顶部，底部控温板置于试样底部，温度传感器23置于顶部控温板21、底部控温板22中，并使用数据线25与温度控制模块24连接，顶部控温板21和底部控温板22使用数据线26与控温模块24电连接，所述协同控温系统2的控温精度超过±0.01℃，为试样提供降温速率低于-0.1℃/min的缓慢线性降温冻结条件。试验盒3由保温层4封装，并通过试验盒固定螺杆5与激振板13固定。温度数据采集系统6由温度传感器31、温度数据采集模块32组成，温度传感器31使用数据线33与温度数据采集模块32连接。反力加载系统7由加载装置34、加载控制模块35、反力架36组成，加载装置34使用数据线37与加载控制模块35连接，反力架36使用螺杆38与激振板13固定。

使用含水率为35%的高岭土开展冻结温度测试试验，按照竖向压力为0MPa、1MPa设置2组试验（试样1、试样2），并且在同样压力条件下设置2组不进行高频激振的对照试验（试样3、试样4），另外按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）中的冻结温度试验设置1组对照组（试样5）。将初始温度设置为0.5℃，保持2小时，之后开展正式的冻结试验。冻结模式采用线性降温冻结，降温速率为-0.03℃/min，冻结过程的持续时间为5小时，当土体温度处于负温状态时进行高频脉冲激振，频率为40kHz、振幅为40μm，脉冲频率为2秒/次。如图5所示为试样1、试样2、试样3、试样4在试验过程中的温度时程曲线，如图6所示为试样1、试样3、试样5在试验过程中的温度时程曲线。由图5可知，高频激振能有效的打破冻结过程中孔隙水的亚稳定热状态，保证冰水相变的稳定进行，在温度曲线中表现为较长时间的稳定冻结平台。施加了高频脉冲激振的试样1、试样2所得到的冻结温度为-0.48℃、-0.95℃，而未施加高频脉冲激振的试样3、试样4所得到的冻结温度为-0.87℃、-1.41℃。由于试样3、试样4在试验过程中均达到了超过冷状态，所以测得的冻结温度值偏低。由图5可知，按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）中规定的试验方法无法得到包含稳定冻结平台的温度曲线，无法获取含水率为35%的高岭土的冻结温度，通过对比可知本专利的试验装置更符合实际情况，能获得更准确的冻结温度数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。