本發明涉及一種土體試驗裝置，具體是一種溫控模型試驗裝置。

背景技術：

我國沿海地區（例如地處東南沿海的寧波市）以及許多內陸城市的地下廣泛分布著深厚的軟土層。軟土的突出特點是壓縮性大、滲透性低，由此引發的長期沉降問題是理論界與工程界均十分關注且富有挑戰性的課題。溫度是自然界中的一個基本物理量，研究不同溫度下材料的物理力學特性是當今材料學科的一個重要研究方向，溫度荷載對軟土和軟土地基力學特性的影響也已成為近年來巖土工程領域中的一個重要課題。因此，研究加熱后的軟土特性和軟土地基壓縮特性變得尤為重要。

通過查閱國內外已有文獻，發現土工試驗儀可完成對土樣的溫控及加熱，其加熱方式主要有以下三種。

（1）壓力室置于恒溫箱（室）內的加熱模式。該加熱模式不需要對常規試驗裝置改進，而是通過將試驗儀置于一個高溫環境下以實現試驗溫度要求。盡管這種加熱模式省去了儀器研制過程，但需建立溫控實驗室，而建立溫控實驗室的費用較高，試驗環境較差，對儀器各元件耐高溫要求高。

（2）壓力室內加熱模式。這種加熱模式采用加熱線圈、加熱管、加熱棒、加熱板對流體直接加熱，可以較好地達到試驗溫度要求，但在高圍壓下不易對壓力室液體均勻加熱，易導致土樣溫度不均。

（3）壓力室外加熱模式。在壓力室外纏繞線圈，通過加熱線圈對壓力室內的流體加熱。例如，由于需要通過外罩傳熱，使壓力室內液體的溫度升高，但是土樣達到目標溫度所需時間較長。

需要說明的是，傳統的軟土固結儀和近些年來設計開發的溫控軟土固結儀，只能研究單元體土樣在室溫和一定溫度下的固結壓縮特性。在實際的狀態下，地基土體尺寸大，溫度多變；在不同尺寸和不同的溫度條件下，軟土和軟土地基很有可能呈現出不同的性質，而已有的軟土固結儀無法模擬軟土地基在不同溫度條件下的真實壓縮特性。

cn104502562a公開了一種豎井排水固結軟基處理模型試驗裝置及試驗方法，特點是模型試驗箱的箱體內設置排水豎井，箱體與豎井之間填筑有軟土地基，軟土地基內設置有孔壓-溫度一體式傳感器，軟土地基上設有水平砂墊層、鋼板和沉降計，傳力桿固定設置在鋼板上，千斤頂下端與傳力桿連接且其上端與加載杠桿活動連接，加載杠桿一端與反力架鉸接且其另一端設置有掛鉤，其試驗方法是將先把pvc管及u型導熱管固定于模型試驗箱內，填筑軟粘土，埋設孔壓、溫度傳感器，開啟電腦式水循環加熱器，利用u型導熱管內熱水對土樣行加熱并分級加載，測定試驗過程中的溫度、孔隙水壓力和地表沉降數據，優點是能合理、可靠的分析豎井地基的溫度、孔壓、沉降的發展變化規律。該試驗裝置及試驗方法雖然考慮溫度變化、土體尺寸等因素，但其采用的u型管加熱方式無法提供大面積均勻加熱，達不到土體均勻受熱的目的，從而對土體加熱后的性質無法進行全面、深入了解。另外，在軟土地基土中插入一個金屬管，對地基本身的固結壓縮特性會產生影響，因此無法全面、深入、可靠地了解軟土地基在耦合溫度后的固結壓縮特性。由此，研發一款操作簡單、適用性強、干擾因素小、能使土體在短時間內達到均勻受熱目的的溫控模型試驗裝置變得尤為重要。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：針對現有技術的不足，提供一種溫控模型試驗裝置，該試驗裝置結構簡單，成本低，使用方便，考慮了土體溫度變化、地基模型尺寸等因素，其排水方式可控，通過該試驗裝置可實現對地基模型的分段、分級、線性加溫及降溫，精確控制加熱桶內軟土地基的溫度，保持溫度穩定，還可以完成特定溫度下及不同溫度下的土樣固結試驗，真實模擬土體在外加熱源下的特性，合理、可靠的分析軟土地基的溫度、孔壓、沉降的發展變化規律。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種溫控模型試驗裝置，包括加熱機構和加壓機構，所述的加熱機構包括金屬制成的加熱桶、水循環加熱器和蓋板，所述的加熱桶的周壁上設置有密閉的環形加熱腔，所述的加熱桶的周壁上分別開設有進水口和出水口，所述的進水口與所述的水循環加熱器的出水端相連通，所述的出水口與所述的水循環加熱器的進水端相連通，所述的加熱桶用于填裝軟土，所述的加熱桶內填裝軟土后，在所述的軟土上鋪設通水或隔水的過渡層，在所述的過渡層上放置所述的蓋板，所述的蓋板上開設有多個導水孔，所述的加壓機構位于所述的蓋板的正上方。

本發明溫控模型試驗裝置結構簡單，成本低，使用方便。使用時，在加熱桶內填裝軟土，并在軟土上鋪設過渡層，再在過渡層上放置蓋板，建立軟土地基模型，然后經水循環加熱器向加熱桶上的環形加熱腔內通入熱水，且熱水的溫度可控，通過熱水加熱軟土，最后通過加壓機構對蓋板加壓，檢測特定溫度下土樣的性能，或者通過水循環加熱器調節水溫，檢測不同溫度下土樣的性能。該溫控模型試驗裝置的排水方式可控，可通過加熱桶的尺寸設計獲得各種尺寸的地基模型。根據實際應用需要，在加熱桶內填裝軟土后，可在軟土上鋪設通水或隔水的過渡層，以進行橫向單面排水或不排水條件下的試驗。

本發明溫控模型試驗裝置，通過在加熱桶的周壁上設置的環形加熱腔對地基模型加熱，能夠使地基模型均勻受熱，且加熱桶的桶壁面積大，因此熱源面積大，從而可實現對地基模型的全方位、快速、均勻加熱。加熱地基模型時，熱源在地基模型外側，未直接接觸土體，不會對土體造成擾動，能夠有效減小外界因素對土體的影響，提高試驗結果的可靠性。該溫控模型試驗裝置的加熱機構可實現對地基模型的分段、分級、線性加溫及降溫，精確控制加熱桶內軟土地基的溫度，保持溫度穩定。通過本發明溫控模型試驗裝置可以完成特定溫度下及不同溫度下的土樣固結試驗，真實模擬土體在外加熱源下的特性，合理、可靠的分析軟土地基的溫度、孔壓、沉降的發展變化規律，為軟基處理熱排水固結法在工程中的應用設計和施工提供技術參數，并揭示工程應用中熱排水固結軟基處理的作用機理以及地基的加固效果。

所述的加熱桶包括內桶和設置在內桶外側的外桶，所述的內桶和所述的外桶均上部開口，所述的內桶的外側面和所述的外桶的內側面即圍成所述的環形加熱腔，所述的環形空腔的上端由一環形密封板密封，所述的進水口和所述的出水口分別開設在所述的環形密封板的兩側。內桶和外桶構成的加熱桶結構簡單，易于加工成型，便于批量化生產。

所述的外桶的外側設置有上部開口的桶狀保溫層。該桶狀保溫層可以采用現有保溫材料，例如包裹有錫紙的厚海綿保溫材料、巖棉保溫材料、玻璃棉保溫材料等各種隔熱保溫材料。

所述的內桶的底壁與所述的外桶的底壁之間具有間隙，所述的環形加熱腔與所述的間隙相導通，所述的外桶的側壁的下部開設有排水口，所述的排水口處安裝有排水龍頭。間隙的設置，便于從底部加熱地基模型，進一步增大熱源面積，提高加熱效果，使地基模型受熱更均勻。排水龍頭便于將試驗結束后環形加熱腔內殘留的水及時排出加熱桶。

所述的間隙內裝設有導水板，所述的導水板的厚度與所述的間隙的高度相同，所述的導水板的下部開設有若干左右導通的第一通水槽和若干前后導通的第二通水槽，若干所述的第一通水槽和若干所述的第二通水槽橫縱交錯并相互貫通。因填裝軟土后的加熱桶重量較大，導水板起進一步支撐內桶的作用，以保證加熱桶底部的穩定，確保試驗結果的可靠性和準確性。同時，橫縱交錯并相互貫通的若干第一通水槽和若干第二通水槽的設置，保證水流在內桶周壁及底部的正常、有效流通，實現對內桶周圍及底部的全方位加熱。

所述的內桶的內腔內設置有多個溫度壓力傳感器，所述的內桶的底部間隔安裝有多個所述的溫度壓力傳感器，所述的軟土內間隔埋設有多個所述的溫度壓力傳感器，所述的蓋板的兩側分別安裝有沉降計。通過在內桶的內腔的不同部位安裝溫度壓力傳感器，可以對土樣不同部位的溫度及孔壓進行監測，同時通過分別記錄蓋板兩側的沉降計的沉降數據，以便更好地獲知溫度、孔壓、沉降的發展變化規律，為工程應用中的熱排水固結軟基處理提供依據。

所述的過渡層為砂墊層；或者，所述的過渡層由防水的塑料層和鋪設在該塑料層上的砂墊層構成，所述的塑料層的四周設置有密封圈，所述的密封圈設置在所述的塑料層與所述的內桶的內壁的銜接處。進行橫向單面排水條件下的試驗時，在軟土上直接鋪設砂墊層，并在砂墊層上放置蓋板，此時蓋板的作用是充當排水通道并使土體均勻受壓，試驗過程中軟土中的水可以迅速有效地從地基模型中向上排出。進行不排水條件下的試驗時，首先在軟土上鋪設防水的塑料層，并在塑料層與內桶的內壁的銜接處加裝密封圈，再在該塑料層上先鋪設砂墊層再放置蓋板，此時蓋板的作用是使土體均勻受壓。塑料層和密封圈應能夠承受0～80℃的高溫。砂墊層具有兩方面的作用，一方面是排水，另一方面是使土體受力均勻。

所述的加壓機構包括反力架、杠桿、千斤頂和傳力架，所述的反力架安裝在所述的加熱桶的一側，所述的杠桿的一端與所述的反力架經轉軸轉動連接，所述的杠桿的另一端安裝有用于加載砝碼的掛鉤，所述的杠桿與所述的千斤頂的上端經半球形鉸支座活動連接，所述的千斤頂的下端與所述的傳力架相連，所述的傳力架位于所述的蓋板的正上方。通過上述加壓機構能夠實現對土體的穩定施壓。

所述的掛鉤上懸設有用于放置砝碼的砝碼掛盤。

所述的加熱桶置于一底板上，所述的底板固定在地面上。

與現有技術相比，本發明的優點在于：本發明公開的溫控模型試驗裝置結構簡單，成本低，使用方便，考慮了土體溫度變化、地基模型尺寸等因素，其通過在加熱桶的周壁上設置的環形加熱腔對地基模型加熱，能夠使地基模型均勻受熱，且加熱桶的桶壁面積大，因此熱源面積大，從而可實現對地基模型的全方位、快速、均勻加熱，且其排水方式可控。通過本發明溫控模型試驗裝置可實現對地基模型的分段、分級、線性加溫及降溫，精確控制加熱桶內軟土地基的溫度，保持溫度穩定，還可以完成特定溫度下及不同溫度下的土樣固結試驗，真實模擬土體在外加熱源下的特性，合理、可靠的分析軟土地基的溫度、孔壓、沉降的發展變化規律，為軟基處理熱排水固結法在工程中的應用設計和施工提供技術參數，并揭示工程應用中熱排水固結軟基處理的作用機理以及地基的加固效果。

附圖說明

圖1為不排水條件下實施例中溫控模型試驗裝置的結構示意圖；

圖2為圖1中a處放大圖；

圖3為實施例中加熱桶的結構示意圖；

圖4為實施例中蓋板的外觀圖；

圖5為實施例中導水板的仰視圖；

圖6為橫向單面排水條件下，加熱桶內的軟土地基模型的結構示意圖；

圖7為不排水條件下，加熱桶內的軟土地基模型的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。

實施例一的溫控模型試驗裝置，如圖所示，包括加熱機構和加壓機構，加熱機構包括金屬制成的加熱桶1、水循環加熱器2和蓋板3，加熱桶1的周壁上設置有密閉的環形加熱腔13，加熱桶1的周壁上分別開設有進水口14和出水口15，進水口14經軟管16與水循環加熱器2的出水端相連通，出水口15經軟管16與水循環加熱器2的進水端相連通，加熱桶1用于填裝軟土4，加熱桶1內填裝軟土4后，在軟土4上鋪設過渡層5，在過渡層5上放置蓋板3，蓋板3上開設有多個導水孔31，加壓機構位于蓋板3的正上方。

實施例一中，加熱桶1包括內桶11和設置在內桶11外側的外桶12，內桶11和外桶12均上部開口，內桶11的外側面和外桶12的內側面即圍成環形加熱腔13，環形加熱腔13的上端由一環形密封板17密封，環形密封板17的外側焊接在外桶12上，環形密封板17的內側焊接在內桶11上，進水口14和出水口15分別開設在環形密封板17的兩側。外桶12的外側設置有上部開口的桶狀保溫層18。

實施例二的溫控模型試驗裝置，如圖所示，包括加熱機構和加壓機構，加熱機構包括金屬制成的加熱桶1、水循環加熱器2和蓋板3，加熱桶1置于一底板19上，底板19固定在地面上，加熱桶1的周壁上設置有密閉的環形加熱腔13，加熱桶1的周壁上分別開設有進水口14和出水口15，進水口14經軟管16與水循環加熱器2的出水端相連通，出水口15經軟管16與水循環加熱器2的進水端相連通，加熱桶1用于填裝軟土4，加熱桶1內填裝軟土4后，在軟土4上鋪設過渡層5，在過渡層5上放置蓋板3，蓋板3上開設有多個導水孔31，蓋板3的兩側分別安裝有沉降計32。

實施例二中，加熱桶1包括內桶11和設置在內桶11外側的外桶12，內桶11和外桶12均上部開口，內桶11的外側面和外桶12的內側面即圍成環形加熱腔13，環形加熱腔13的上端由一環形密封板17密封，環形密封板17的外側焊接在外桶12上，環形密封板17的內側焊接在內桶11上，進水口14和出水口15分別開設在環形密封板17的兩側。外桶12的外側設置有上部開口的桶狀保溫層18。內桶11的內腔內設置有多個溫度壓力傳感器6，內桶11的底部間隔安裝有多個溫度壓力傳感器6，軟土4內間隔埋設有多個溫度壓力傳感器6，蓋板3的兩側分別安裝有沉降計32。

實施例二中，加壓機構包括反力架81、杠桿82、千斤頂83和傳力架84，反力架81安裝在加熱桶1的一側，杠桿82的一端與反力架81經轉軸轉動連接，杠桿82的另一端安裝有用于加載砝碼87的掛鉤85，掛鉤85上懸設有用于放置砝碼87的砝碼掛盤86，杠桿82與千斤頂83的上端經半球形鉸支座活動連接，千斤頂83的下端與傳力架84相連，傳力架84位于蓋板3的正上方。

實施例三的溫控模型試驗裝置，如圖所示，包括加熱機構和加壓機構，加熱機構包括金屬制成的加熱桶1、水循環加熱器2和蓋板3，加熱桶1置于一底板19上，底板19固定在地面上，加熱桶1的周壁上設置有密閉的環形加熱腔13，加熱桶1的周壁上分別開設有進水口14和出水口15，進水口14經軟管16與水循環加熱器2的出水端相連通，出水口15經軟管16與水循環加熱器2的進水端相連通，加熱桶1用于填裝軟土4，加熱桶1內填裝軟土4后，在軟土4上鋪設通水的過渡層5，過渡層5為砂墊層，在過渡層5上放置蓋板3，蓋板3上開設有多個導水孔31，蓋板3的兩側分別安裝有沉降計32。

實施例三中，加熱桶1包括內桶11和設置在內桶11外側的外桶12，內桶11和外桶12均上部開口，內桶11的外側面和外桶12的內側面即圍成環形加熱腔13，環形加熱腔13的上端由一環形密封板17密封，環形密封板17的外側焊接在外桶12上，環形密封板17的內側焊接在內桶11上，進水口14和出水口15分別開設在環形密封板17的兩側。內桶11的底壁與外桶12的底壁之間具有間隙7，環形加熱腔13與間隙7相導通，外桶12的側壁的下部開設有排水口，排水口處安裝有排水龍頭10。間隙7內裝設有導水板71，導水板71的厚度與間隙7的高度相同，導水板71的下部開設有三道左右導通的第一通水槽72和三道前后導通的第二通水槽73，三道第一通水槽72和三道第二通水槽73橫縱交錯并相互貫通。外桶12的外側設置有上部開口的桶狀保溫層18。內桶11的內腔內設置有多個溫度壓力傳感器6，內桶11的底部間隔安裝有多個溫度壓力傳感器6，軟土4內間隔埋設有多個溫度壓力傳感器6，蓋板3的兩側分別安裝有沉降計32。

實施例三中，加壓機構包括反力架81、杠桿82、千斤頂83和傳力架84，反力架81安裝在加熱桶1的一側，杠桿82的一端與反力架81經轉軸轉動連接，杠桿82的另一端安裝有用于加載砝碼87的掛鉤85，掛鉤85上懸設有用于放置砝碼87的砝碼掛盤86，杠桿82與千斤頂83的上端經半球形鉸支座活動連接，千斤頂83的下端與傳力架84相連，傳力架84位于蓋板3的正上方。

實施例四的溫控模型試驗裝置，與實施例三的試驗裝置的結構基本相同，不同之處在于，實施例四中，過渡層5為隔水的過渡層5，過渡層5由防水的塑料層51和鋪設在該塑料層51上的砂墊層構成，塑料層51的四周設置有密封圈52，密封圈52設置在塑料層51與內桶11的內壁的銜接處。

以實施例三的溫控模型試驗裝置為例，進行橫向單面排水條件下的試驗時，如圖6所示，在軟土4上直接鋪設砂墊層5（例如，內桶11內徑40cm、深度50cm時，鋪設的砂墊層5的厚度可以為6～10cm，桶狀保溫層18可以采用80mm厚度的包裹有錫紙的厚海綿保溫材料，砝碼87的加載量為0～400kpa），并在砂墊層5上放置蓋板3，形成排水系統，試驗過程中軟土4中的水可以迅速有效地從地基模型中向上排出。

以實施例四的溫控模型試驗裝置為例，進行不排水條件下的試驗時，如圖7所示，首先在軟土4上鋪設防水的塑料層51，并在塑料層51與內桶11的內壁的銜接處加裝密封圈52，再在該塑料層51上先鋪設砂墊層5再放置蓋板3，形成不排水系統。

以實施例三的溫控模型試驗裝置為例，使用時，在加熱桶1內填裝軟土4，并在軟土4上鋪設過渡層5，再在過渡層5上放置蓋板3，建立軟土地基模型；然后設定水循環加熱器2的加熱溫度（具體溫度的選擇范圍為0～80℃），經水循環加熱器2向加熱桶1上的環形加熱腔13內通入熱水，通過熱水加熱軟土4，最后通過加壓機構對蓋板3加壓，通過溫度壓力傳感器6，對土樣不同部位的溫度及孔壓進行監測，同時通過分別記錄蓋板3兩側的沉降計32的沉降數據，了解溫度、孔壓、沉降的發展變化規律，為工程應用中的熱排水固結軟基處理提供依據。

通過本發明溫控模型試驗裝置可實現對地基模型的分段、分級、線性加溫及降溫，精確控制加熱桶內軟土地基的溫度，保持溫度穩定，還可以完成特定溫度下及不同溫度下的土樣固結試驗，真實模擬土體在外加熱源下的特性，合理、可靠的分析軟土地基的溫度、孔壓、沉降的發展變化規律。