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西南交通大学研发一种新型冻土可视化试验系统

2020-10-13

  土的冻胀融沉特性是导致寒区工程病害的主要原因,也是工程技术人员必须面对的难题。而室内试验是掌握冻土工程特性的重要手段。随着制冷技术的发展,高精度控温设备为人们开展各类冻土试验提供了条件。


  一直以来,在冻土试验中科研人员面临的主要问题是介质在传热过程中存在的温度损失,以及由于控温响应滞后导致的控温设备的变温控制能力较差。如何实现高效变温控制是当前冻土科研人员面临的难题。


一种新型冻土可视化试验系统及其在冻融试验中的应用_周永毅-3.jpg

试验系统的组成


  为了提高冻土试验系统的控温精度、实现分凝冰发育过程的实时监测,西南交通大学张建经教授团队基于固态制冷技术和线阵CCD扫描成像技术,研发了一种新型冻土可视化试验系统。


  该可视化系统的核心部件包括固态控温模块和CCD可视化模块。


  在固态控温模块中,引入人工神经网络对控温算法的控制参数进行优化选取,使得试验系统对控温对象的温度状态具备自适应调节能力。


  而在CCD可视化模块中,使用CCD感光元件构建了操作简便、成像精度高的线阵扫描结构,其最高分辨率可达4 800 dpi×4 800 dpi。


  性能测试结果显示系统的恒温控制精度为±0.002℃。在变温幅度为0.05℃的控温过程中,其温度过冲只有0.009℃;当变温幅度增加至0.5℃时,其温度过冲仅为0.089℃。而在线性降温过程中(降温速率-1.2℃/h),其控温误差未超过±0.01℃。


  在此基础上,开展正弦温度波动下的应用试验。从试验结果上看,该系统运行稳定、控温精度高,可视化模块可观测到0.5mm宽度的分凝冰发育过程。并且所得数据表明土体过冷过程和冻融历史对温度场、分凝冰发育状态存在显著影响。


  土体冻结过程中孔隙水过冷对温度场的影响显著。孔隙水潜热释放后过冷部分的土体温度会明显跃升,影响冻结深度。为了消除试验过程中土体过冷对温度场的影响,当前广泛采用的处理方法是进行预冻结,而此处理措施会改变孔隙水的初始状态,从而影响土体渗流特性和热力学特性。所以预冻结的处理方式对评估土体冻胀特性有何影响、如何设计更为合理的试验方案有待进一步研究确定。


  通过土体冻结过程中的温度场响应情况,以及冻融过程中分凝冰的发育情况,均可得出土体的冻融历史对土体的水、热、力状态影响突出。由此可知室内重塑土样的单次冻结试验无法模拟冻融历史对试样的水热力耦合作用,因此无法反应存在冻融历史的土体的冻胀融沉特性。


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  责任编辑:宫在芹
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