基于Labview動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的凍土凍脹融沉試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本實(shí)用新型涉及土工試驗(yàn)裝置領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于Labview動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的凍土凍脹融沉特性試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
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[0002]凍土地區(qū)的工程建設(shè)，無(wú)論西部的高原凍土，中東部的季節(jié)凍土對(duì)于工程的影響都是不可忽略的。我國(guó)是世界第二凍土大國(guó)，多年凍土面積約占我國(guó)國(guó)土面積的21.5 %,而季節(jié)凍土區(qū)則遍布瑋度高于24°的地區(qū)，約占國(guó)土面積的53.5%。西部地區(qū)，特別是青藏高原的工程建設(shè)受到了學(xué)術(shù)界的特別關(guān)注，尤其是青藏鐵路的建成克服了一系列高原凍土的工程難題。青藏鐵路是世界上海拔最高、線路最長(zhǎng)的鐵路，經(jīng)過(guò)連續(xù)多年凍土區(qū)550km左右。土在凍結(jié)過(guò)程、凍融循環(huán)過(guò)程中體積變化是凍土工程問(wèn)題中的一個(gè)關(guān)鍵性基礎(chǔ)問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，土在凍結(jié)過(guò)程中，孔隙水的凍結(jié)膨脹會(huì)引起土體的膨脹。土體凍脹特性不僅受到孔隙水的影響。土作為一種復(fù)雜孔隙介質(zhì)，其凍脹、凍融循環(huán)過(guò)程中體變特性存在著巨大差升。
[0003]目前關(guān)于凍土的融沉特性和預(yù)測(cè)方法雖然已有許多研究，但這些研究大多針對(duì)天然凍土進(jìn)行，對(duì)重塑土在凍結(jié)模式、凍結(jié)周期凍結(jié)速度等方面與天然凍土有著本質(zhì)區(qū)別。凍土的融沉對(duì)周圍環(huán)境的影響要遠(yuǎn)大于凍脹的影響，凍土融沉過(guò)程涉及凍土融沉、土體本構(gòu)關(guān)系變化、融土二次壓縮和固結(jié)及屠體開(kāi)挖卸載等過(guò)程，是一個(gè)高度非線性、時(shí)間相關(guān)和溫度相關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題，準(zhǔn)確進(jìn)行融沉試驗(yàn)研究以及對(duì)凍土凍脹融沉過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集是進(jìn)行凍土研究的重要環(huán)節(jié)，本實(shí)用新型的目的在于客服已有技術(shù)的不足，提供一種基于Labview凍土含水量、變形量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢測(cè)凍土水分包括對(duì)凍土的未凍水含量和含冰量的檢測(cè)，以及凍土凍結(jié)融化過(guò)程中變形量大小檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]基于Labview動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的凍土凍脹融沉試驗(yàn)裝置，該儀器能夠在負(fù)溫環(huán)境下，使土體單向凍結(jié)、單向融化；能夠按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(JTG E40-2007)的要求，在一臺(tái)儀器上完成凍脹量試驗(yàn)和凍土融化壓縮試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在凍融循環(huán)全過(guò)程中對(duì)土樣凍脹融沉的水分變化，溫度變化，體積變化的監(jiān)控量測(cè)。整套儀器由散熱/加熱箱、試樣盒、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和補(bǔ)水裝置等組成。其中凍脹融沉儀試樣盒采用有機(jī)玻璃制成，其尺寸為:內(nèi)徑79.8mm，高40.0mm,能夠有效消除融沉?xí)r環(huán)刀對(duì)土樣的摩阻力?？删C合研究溫度、含水率、凍結(jié)開(kāi)放條件、干密度、荷載、凍融循環(huán)次數(shù)及融化溫度對(duì)融沉系數(shù)的影響規(guī)律。通過(guò)土壤水分變送器、溫度變送器、位移變送器檢測(cè)這三個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的未凍水含量、溫度、位移的變化，經(jīng)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集終端處理發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)Labview分析數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型(得到一個(gè)凍土溫度及凍土未凍水含量與凍土形變量的數(shù)學(xué)模型)，形成數(shù)據(jù)樣本集發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)可以通過(guò)直接測(cè)量?jī)鐾翜囟然騼鐾磷冃瘟康玫絻鐾廖磧鏊俊?br>[0005]量測(cè)凍土水分含量、位移變形量、溫度變化的硬件電路設(shè)計(jì)主要包含三部分:
[0006](I)實(shí)驗(yàn)箱體檢測(cè)與控制電路:通過(guò)土壤溫度傳感器FC-TRW、土壤水分傳感器FC-TRS、直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器組成的傳感器部分電路，以及由加熱片和散熱片組成的控制電路成為實(shí)驗(yàn)箱體檢測(cè)與控制電路。
[0007](2)中央控制電路:使用STM32系列的ARM處理器控制按鍵電路，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通訊。
[0008](3)IXD實(shí)時(shí)顯示電路及上位機(jī)界面顯示。
[0009]本實(shí)用新型由于采用上述結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行凍土凍脹融沉實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)含水量、溫度、變形數(shù)據(jù)采集時(shí)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)采集。
【附圖說(shuō)明】
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[0010]圖1凍脹融沉儀原理示意圖。
[0011 ] 圖2融沉儀試樣盒結(jié)構(gòu)圖。
[0012]附圖中:I為水分傳感器及溫度傳感器，2為循環(huán)冷水進(jìn)口，3為循環(huán)冷水出口，4為土樣，5為試樣盒，6為透水石，7為散熱片/加熱片，8為加壓裝置，9為溫控器，10為恒溫水槽，11為循環(huán)水栗，12為位移傳感器，13為數(shù)據(jù)采集儀，14為下位機(jī)采集顯示終端，15為計(jì)算機(jī)，16為補(bǔ)水裝置。
【具體實(shí)施方式】
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[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步描述。
[0014]如附圖所示，一種凍脹融沉試驗(yàn)裝置，包括散熱/加熱箱、試樣盒、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和補(bǔ)水裝置等。進(jìn)行土體凍脹試驗(yàn)時(shí)，土樣應(yīng)按自然沉積方向防止，剝?nèi)ハ灧夂湍z帶，開(kāi)啟土樣筒取出土樣。用切土器將原狀土樣削成直徑為79.8mm，高40.0mm的試樣，稱量確定密度并取余土測(cè)定初始含水率。在有機(jī)玻璃試樣盒內(nèi)壁涂上一層凡士林，放在底板上并放一張濾紙，然后將試樣從頂裝入盒內(nèi)，讓其自由滑落在底板上；在試樣頂面上放一張濾紙，然后放上頂板，并稍稍加力，以使土柱與頂、底板接觸緊密。將盛有試樣的試樣盒放入實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，實(shí)驗(yàn)箱溫度由STM32控制加熱板和散熱板保持恒溫。試樣周側(cè)、頂、底板內(nèi)插入熱內(nèi)電阻溫度計(jì)，土壤溫度傳感器FC-TRW，土壤水分傳感器FC-TRS。試樣周側(cè)包裹60_厚的泡沫塑料保溫。連接頂?shù)装謇湟寡h(huán)管路及底板補(bǔ)水管路，供水并排出底板內(nèi)氣泡，調(diào)節(jié)供水裝置水位。開(kāi)啟散熱/加熱箱，使箱內(nèi)溫度為1°C，試樣恒溫6h，并檢測(cè)溫度和變形。待試樣初始溫度均勻達(dá)到1°C以后，開(kāi)始試驗(yàn)。凍脹試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)位移數(shù)據(jù)采集裝置讀取凍脹變形量，通過(guò)水分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取凍脹過(guò)程中的水分變化。
[0015]進(jìn)行融化壓縮試驗(yàn)時(shí)，在融化壓縮容器內(nèi)先放透水板，其上放置一張濕潤(rùn)濾紙。將裝有試樣的試樣環(huán)放在濾紙上，套上護(hù)環(huán)。在試樣上放濾紙和透水板，調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱溫度。放置融化壓縮容器位于加壓框架中。安裝位移傳感器。施加IKpa壓力，調(diào)平加壓杠桿。調(diào)整百分表到零位。試樣開(kāi)始融沉?xí)r即開(kāi)動(dòng)秒表，分別記錄lmin、2min、5min、10min、30min、60min時(shí)的變形量。以后每2h觀測(cè)記錄一次，直至變形量在兩小時(shí)內(nèi)小于0.05mm時(shí)為止，并測(cè)記最后一次變形量。融沉穩(wěn)定后，停止熱水循環(huán)，并開(kāi)始加荷進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。加荷等級(jí)視實(shí)際工程需要確定，宜取50kpa、100kpa、200kpa、400kpa、800kpa，最后一級(jí)荷載應(yīng)比土層的計(jì)算壓力大100-200kpa。施加每級(jí)荷載后24h為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，并測(cè)量相應(yīng)的壓縮量。直至施加最后一級(jí)荷載壓縮穩(wěn)定為止。試驗(yàn)結(jié)束后迅速拆卸儀器各部件，取出試樣。融化壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)位移數(shù)據(jù)采集裝置讀取融沉變形量，通過(guò)水分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取榮臣過(guò)程中的水分變化。由于試驗(yàn)箱可實(shí)現(xiàn)控溫，即可通過(guò)STM32控制電路改變加熱片/散熱片的溫度來(lái)改變?nèi)诨^(guò)程的溫度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于Labview動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的凍土凍脹融沉試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了在負(fù)溫環(huán)境下，使土體單向凍結(jié)、單向融化；能夠按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(JTG E40-2007)的要求，在一臺(tái)儀器上完成凍脹量試驗(yàn)和凍土融化壓縮試驗(yàn)。整套儀器由散熱/加熱箱、試樣盒、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和補(bǔ)水裝置等組成?？删C合研究溫度、含水率、凍結(jié)開(kāi)放條件、干密度、荷載、凍融循環(huán)次數(shù)及融化溫度對(duì)融沉系數(shù)的影響規(guī)律。2.按照權(quán)利要求1所述的基于Labview動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的凍土凍脹融沉試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的凍脹融沉儀試樣盒采用有機(jī)玻璃制成，其尺寸為:內(nèi)徑79.8_，高40.0_，能夠有效消除融沉?xí)r環(huán)刀對(duì)土樣的摩阻力。3.按照權(quán)利要求1所述的基于Labview動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的凍土凍脹融沉試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的試樣控溫裝置可實(shí)現(xiàn)試樣的單向凍結(jié)和單向融化。實(shí)現(xiàn)了凍脹試驗(yàn)和融沉試驗(yàn)在一臺(tái)試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。4.按照權(quán)利要求1所述的基于Labview動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的凍土凍脹融沉試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的土壤水分變送器、溫度變送器、位移變送器可檢測(cè)三個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的未凍水含量、溫度、位移的變化。5.按照權(quán)利要求1所述的基于Labview動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的凍土凍脹融沉試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集終端處理發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)Labview分析數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，形成數(shù)據(jù)樣本集發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)可以通過(guò)直接測(cè)量?jī)鐾翜囟然騼鐾磷冃瘟康玫絻鐾廖磧鏊俊?br>【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了基于Labview動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的凍土凍脹融沉試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了在負(fù)溫環(huán)境下，使土體單向凍結(jié)、單向融化；能夠按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(JTG？E40-2007)的要求，在一臺(tái)儀器上完成凍脹量試驗(yàn)和凍土融化壓縮試驗(yàn)。整套儀器由散熱/加熱箱、試樣盒、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和補(bǔ)水裝置等組成。凍脹融沉儀試樣盒采用有機(jī)玻璃制成，其尺寸為：內(nèi)徑79.8mm，高40.0mm，能夠有效消除融沉?xí)r環(huán)刀對(duì)土樣的摩阻力。可綜合研究溫度、含水率、凍結(jié)開(kāi)放條件、干密度、荷載、凍融循環(huán)次數(shù)及融化溫度對(duì)融沉系數(shù)的影響規(guī)律。通過(guò)土壤水分變送器、溫度變送器、位移變送器檢測(cè)這三個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的未凍水含量、溫度、位移的變化，經(jīng)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集終端處理發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)Labview分析數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型(得到一個(gè)凍土溫度及凍土未凍水含量與凍土形變量的數(shù)學(xué)模型)，形成數(shù)據(jù)樣本集發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)可以通過(guò)直接測(cè)量?jī)鐾翜囟然騼鐾磷冃瘟康玫絻鐾廖磧鏊俊?br>【IPC分類】G01N25/00
【公開(kāi)號(hào)】CN204789419
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520545188
【發(fā)明人】鄭憲, 李明寶, 閻夢(mèng)晴, 于司杭
【申請(qǐng)人】東北林業(yè)大學(xué), 鄭憲, 李明寶
【公開(kāi)日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年7月24日