“开敞系统”下单向冻融试验装置的研制与应用

季节冻土区的冻胀和融沉作用显著，对该地区构筑物造成了不同程度的冻害破坏，尤其对地下水埋深较浅区域尤为严重，故开展可对大尺寸模型进行不同地下水水位下单向冻融过程模拟的系统装置的研制，具有重要的科研意义和工程价值。研制的该冻融系统装置，主要包括箱体结构、制冷/热系统、边界温控系统、供电系统、地下水补给系统、保温隔热系统和量测系统等组成。箱体结构由6 mm厚钢板材料制作而成；制冷/热系统主要由基于帕尔贴效应的半导体制冷片组成实现制冷/热；边界温控系统主要依靠电子温控器进行控温；地下水补给系统主要利用改进型的马里奥特瓶进行地下水的补给；保温隔热系统主要采用V0级橡塑保温板；量测系统可根据试验目进行自由搭配组合。使用该试验装置对大尺寸新疆粉质黏土土样进行了在地下水埋深分别为80 cm和40 cm下的单向冻融过程试验研究，试验结果表明：在冻结和融沉过程中，温度的变化速率与土层距制冷/热板的距离成反比；冻结锋面的迁移可分为2个阶段；冻结过程中含水率变化分为快速和缓慢变化2个阶段；冻胀量的变化可分为2个阶段；融沉量的变化可分为3个阶段。温度、含水率、冻结锋面和冻融量变化等试验结果均证明了此试验装置的可靠性，此装置可为研制能对大尺寸模型进行开放条件下单向冻融模拟的设备提供借鉴。