一种冻土中组合温度梯度的实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种冻土中组合温度梯度的实现方法。在垂直温度梯度冻土试验机外围布置风冷式温控箱，温控箱中风流方向与冻土试样温度梯度方向相同，在试样上下表面分别放置制冷板和内抽真空和垫块支撑的隔热腔，并沿冻土试样高度方向分段布置柔性隔热层，隔热层间布置柔性冷媒剂循环管，以制冷板、冷媒剂循环管与冻土试样接触面的热传导为主，以温控箱中空气与冻土试样间的对流传热为辅，通过控制温控箱内部空气温度和制冷板、冷媒剂循环管内部冷媒温度实现冻土试样在垂直方向上组合温度梯度，为研究组合温度梯度对冻土变形强度机理提供试验依据，同时能改善冻土中单一温度梯度的调控精度。该方法相关部件组装和操作简单，冻土中温度精度控制高。
【专利说明】一种冻土中组合温度梯度的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种冻土中温度梯度的实现方法，尤其是一种冻土中组合温度梯度的 实现方法。
【背景技术】
[0002] 冻土结构中温度场可视作冻土空间尺度上多个温度梯度的组合，现有实验技术与 实验手段均很容易实现冻土中非均匀温度分布，但是难以实现精确的温度梯度组合，无法 满足多温度梯度共同作用下冻土变形强度性质与破坏机理的试验研究的要求。
[0003] 已有研究表明，温度梯度（单一）冻土中变形呈非均匀分布，冻土试样局部变形分 布模式在时间和空间尺度上具有强非线性。这种局部变形的分布是冻土细观层次的相互作 用所致。而细观层次的冻土相互作用不仅与温度梯度有关，更受控于温度梯度的分布范围 与组合模式。现有关于温度梯度冻土变形性质研究装置及方法大多均是针对单一温度梯度 冻土和具有不同温度梯度分布方向的冻土，缺少适用组合温度梯度即多温度梯度冻土变形 场及其演化规律研究的方法。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明是要提供一种简单可行的冻土中组合温度梯度的实现方法，解 决现有温度梯度冻土试验技术中不适应针对组合温度梯度冻土试验的问题。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0006] -种冻土中组合温度梯度的实现方法，冻土中组合温度梯度通过垂直温度梯度冻 土实验机、温控箱、柔性隔热层和柔性冷媒剂循环管实现；垂直温度梯度冻土试验机上设有 制冷板、内抽真空和垫块支撑的隔热腔，温控箱为气冷式，其上分别设有进风口和出风口； 温控箱中进风口与出风口之间空气流动方向与上制冷和下制冷板之间温度梯度方向相同； 分段柔性隔热层之间设有柔性冷媒剂循环管，柔性冷媒剂循环管直径小于柔性隔热层的 间距，且柔性隔热层的分段数量与冻土试样中温度梯度数量相同；冻土试样上下两端只与 制冷板接触，分段柔性隔热层间暴露的冻土与柔性冷媒剂循环管和温控箱中空气同时接 触；组合温度梯度形成过程由空气对流和热传导两种方式共同控制；
[0007] 具体步骤如下：
[0008] a、在垂直温度梯度冻土试验机底盘上依次安放下隔热腔、下制冷板、冻土试样、上 制冷板，上隔热腔，在冻土试样表面分段设置柔性隔热层，在柔性隔热层中间安装柔性冷 媒剂循环管，在冻土试样内部安设温度传感器；
[0009] b、将隔热腔中抽真空，循环温控箱中空气、柔性冷媒剂循环管和制冷板中的冷媒 齐U，通过温度传感器实时监控冻土试样内部的温度变化及其沿冻土试样高度方向的分布， 根据监测结果动态调整温控箱中空气温度与柔性冷媒剂循环管和制冷板中冷媒剂温度；
[0010] C、待冻土试样内部的温度传感器测得温度稳定，此时沿冻土试样高度方向形成稳 定的组合温度梯度，便可进行后续试验。 toon] 更进一步的，通过改变温控箱中空气温度，柔性冷媒剂循环管和制冷板中冷媒剂 温度控制冻土中温度梯度，通过改变柔性隔热层段高和分段数间接控制冻土试样中温度梯 度的数量和分布范围。
[0012] 有益效果，由于采用了上述方案，通过对流和热传导两种制冷方式，通过分段布 置隔热层、合理选择隔热方法、动态调控传热介质温度，在冻土试样垂直方向可实现组合 (多）温度梯度。
[0013] 1、冻土试样高度、冻土试样中温度梯度的数量和分布范围在实验前可随意调节控 制，试验过程中温度梯度及其组合模式可以动态改变，因此，该方法能够模拟的试验对象丰 富，试验效率高。
[0014] 2、在进行组合温度梯度冻土变形试验同时，亦能满足单一温度梯度冻土变形试验 要求，由于利用了热传导和对流两种传热方式，冻土试样沿高度方向的温度梯度分布线性 度更高，所得变形数据更可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明实现组合温度梯度的结构装置示意图。
[0016] 图中，1、垂直温度梯度冻土实验机；2、气冷式温控箱；3、柔性隔热层；4、制冷板； 4-1、下制冷板；4-2、上制冷板；5、进风口；6、出风口；7、冻土试样；8、温度传感器；9、隔热 腔；9-1、下隔热腔；9-2、上隔热腔；11、温度梯度方向；12、柔性冷媒剂循环管。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图1对本发明作更进一步的说明。
[0018] 在图1中，冻土中组合温度梯度通过垂直温度梯度冻土实验机1、气冷式温控箱2、 柔性隔热层3和柔性冷媒剂循环管12实现。垂直温度梯度冻土试验机上设有制冷板4、内 抽真空和垫块支撑的隔热腔9,气冷式温控箱2由上设有进风口 5、出风口 6 ;温控箱2中进 风口 5与出风口 6之间空气流动方向10与上制冷4-2和下制冷板4-1之间温度梯度方向 11相同；分段柔性隔热层3之间设有柔性冷媒剂循环管12,柔性冷媒剂循环管12直径小 于柔性隔热层3的间距，且柔性隔热层3的分段数量与冻土试样7中温度梯度数量相同；冻 土试样7上下两端只与制冷板4接触，分段柔性隔热层3间暴露的冻土与柔性冷媒剂循环 管12和温控箱2中空气同时接触；组合温度梯度形成过程由空气对流和热传导两种方式共 同控制；
[0019] 通过改变温控箱2中空气温度，柔性冷媒剂循环管12和制冷板4中冷媒剂温度控 制冻土试样7中温度梯度，通过改变柔性隔热层3的段高和分段数间接控制冻土试样7中 温度梯度的数量和分布范围。
[0020] 冻土中组合温度梯度的实现方法，其由以下几个详细步骤实现：
[0021] a、在垂直温度梯度冻土试验机1底盘上依次安放下隔热腔9-1、下制冷板4-1、冻 土试样7、上制冷板4-2,上隔热腔9-2,在冻土试样7表面分段设置柔性隔热层3,在柔性隔 热层3中间安装柔性冷媒剂循环管12,在冻土试样7内部安设温度传感器8 ;
[0022] b、将隔热腔9中抽真空，循环温控箱2中空气、柔性冷媒剂循环管12和制冷板4 中的冷媒剂，通过温度传感器8实时监控冻土试样7内部的温度变化及其沿冻土试样7高 度方向的分布，根据监测结果动态调整温控箱2中空气温度与柔性冷媒剂循环管12和制冷 板4中冷媒剂温度；
[0023] c、待冻土试样7内部的温度传感器8测得温度稳定，此时沿冻土试样7高度方向 形成稳定的组合（多）温度梯度，便可进行后续试验。
[0024] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种冻土中组合温度梯度的实现方法，其特征是：冻土中组合温度梯度通过垂直温 度梯度冻土实验机、温控箱、柔性隔热层和柔性冷媒剂循环管实现；垂直温度梯度冻土试验 机上设有制冷板、内抽真空和垫块支撑的隔热腔，温控箱为气冷式，其上分别设有进风口和 出风口；温控箱中进风口与出风口之间空气流动方向与上制冷和下制冷板之间温度梯度方 向相同；分段柔性隔热层之间设有柔性冷媒剂循环管，柔性冷媒剂循环管直径小于柔性 隔热层的间距，且柔性隔热层的分段数量与冻土试样中温度梯度数量相同；冻土试样上下 两端只与制冷板接触，分段柔性隔热层间暴露的冻土与柔性冷媒剂循环管和温控箱中空气 同时接触；组合温度梯度形成过程由空气对流和热传导两种方式共同控制； 具体步骤如下： a、 在垂直温度梯度冻土试验机底盘上依次安放下隔热腔、下制冷板、冻土试样、上制冷 板、上隔热腔，在冻土试样表面分段设置柔性隔热层，在柔性隔热层中间安装柔性冷媒剂循 环管，在冻土试样内部安设温度传感器； b、 将隔热腔中抽真空，循环温控箱中空气、柔性冷媒剂循环管和制冷板中的冷媒剂，通 过温度传感器实时监控冻土试样内部的温度变化及其沿冻土试样高度方向的分布，根据监 测结果动态调整温控箱中空气温度与柔性冷媒剂循环管和制冷板中冷媒剂温度； c、 待冻土试样内部的温度传感器测得温度稳定，此时沿冻土试样高度方向形成稳定的 组合温度梯度，便可进行后续试验。
【文档编号】G01N33/24GK104215749SQ201410470342
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】赵晓东, 路贵林, 赖泽金, 陈鹏, 梁亚武, 陈鑫 申请人:中国矿业大学