凍土試驗低溫恒溫箱溫度均勻性試驗研究

楊高升， 姚曉亮，周攀峰， 耿永明， 張 澤

（1.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院西北生態環境資源研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.亞洲寒區環境與工程國際研究中心，甘肅 蘭州 730000；4.核工業廣州工程勘察院，廣東 廣州 510800）

凍土試驗低溫恒溫箱溫度均勻性試驗研究

楊高升1， 姚曉亮2，3，周攀峰4， 耿永明1， 張 澤2，3

（1.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院西北生態環境資源研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.亞洲寒區環境與工程國際研究中心，甘肅 蘭州 730000；4.核工業廣州工程勘察院，廣東 廣州 510800）

凍土低溫恒溫箱內的溫度均勻性對試驗精度至關重要。為改善凍土試驗低溫恒溫箱的溫度均勻性，該文對放置試樣情況下的低溫恒溫箱進行設有不同形式導流板的多組試驗，分析試驗結果表明：在低溫恒溫箱內放置試樣會對箱內溫度均勻性產生較大影響，具體表現為上熱下冷、前熱后冷；而在低溫恒溫箱內設置溫度導流板可以有效提升箱內溫度均勻性。通過對比分析不同形式導流板對箱體內氣流流向的影響，得到一種能夠強制箱體內氣流在試樣周圍均勻分布的導流板形式。試驗結果顯示：該導流板能夠將不同溫度監測點溫度差異控制在溫度均值的±0.2℃以內，能夠滿足凍土試驗的溫度均勻性要求。

低溫恒溫箱；溫度均勻性；導流板；低溫恒溫試驗

0 引 言

低溫恒溫箱是人工模擬氣候環境試驗的重要設備。隨著科技發展，低溫恒溫箱已經廣泛應用于食品、醫療、軍事、科研等諸多領域。在凍土試驗中，由于控制低溫的需要，低溫恒溫箱扮演著重要的角色。目前國內外眾多學者采用低溫恒溫箱進行了許多凍土試驗研究。Zhang等[1]在自行改裝的低溫恒溫箱內進行了凍融循環試驗，在裝土樣的有機玻璃容器罐側面布設溫度傳感器，對試驗過程中土樣的溫度進行監測。Akagawa等[2]采用低溫恒溫箱進行凍融循環試驗，研究凍融作用對其過程中孔隙水壓力的影響。劉世偉等[3]對低溫恒溫箱改裝后，用其完成了恒載變溫和恒溫變載壓縮試驗，研究高溫凍土中孔隙水壓力變化與變溫和加載的關系。馬小杰等[4]在自行研制的低溫恒溫箱內對高溫高含冰量凍結黏土進行了單軸壓縮蠕變試驗研究。蘇凱等[5]采用風冷控制的低溫恒溫箱對高含冰量土樣進行了恒溫加載試驗，研究高溫高含冰量凍土的壓縮變形特征，其中溫度傳感器分別設置在恒溫箱的頂部與底部。Zhang等[6]對低溫恒溫箱進行改裝后，在其內部對高溫飽和土樣進行恒載變溫試驗，研究高溫飽和凍土中孔隙水壓力與溫度的關系。李海鵬等[7]在自行研制的低溫恒溫箱內對不同干密度飽和凍結黏土在各種溫度及應變速率條件下進行單軸壓縮試驗，研究抗壓強度與應變速率、破壞時間、溫度及干密度的關系。馬小杰等[8]采用中國科學院凍土工程國家重點實驗室研制的低溫恒溫箱對不同含水量的黏土進行各種溫度條件下的單軸壓縮試驗，研究抗壓強度與溫度及含水率之間的關系。李洪升等[9]將制備好的矩形試樣放在恒溫箱內，對其進行不同應變速率的單軸壓縮試驗，研究分析凍土抗壓強度的應變速率敏感性及其規律。趙淑萍等[10]采用低溫恒溫箱對凍結粉土進行了動、靜蠕變單軸壓縮試驗，研究凍土的動、靜蠕變的應變、蠕變速率以及蠕變破壞特征。劉增利等[11]采用低溫恒溫箱對飽和與非飽和蘭州黃土試樣進行了單軸壓縮試驗，并基于計算機層析掃描技術（CT）對其單軸壓縮過程進行動態測試，研究飽和凍土與非飽和凍土的破壞形式。

在以上的研究中，研究者大都基于廠家提供的恒溫箱溫度均勻性來進行試驗，即在恒溫箱空載條件下得到的恒溫箱內溫度的均勻性。但對恒溫箱內放入試樣以及相應的試驗裝置引起的溫度差異并未做相應考慮。恒溫箱內放置試樣后會極大地改變原有氣流的流向，相應的箱體內部溫度均勻性也會隨之改變，這將進一步降低箱體內的溫度均勻性[12]。由于凍土是溫度敏感性材料，較低的溫度均勻性會進一步增大凍土力學試驗的離散性。有鑒于此，本文對放置試樣情況下的低溫恒溫箱進行了不同形式溫度導流板的多組試驗，對比分析試驗結果研究箱內設置不同種類導流板對溫度均勻性的影響，并提出能夠得到最優溫度均勻性的導流板形式。

1 低溫恒溫試驗

1.1 試驗安排

本次試驗是在中國科學院凍土工程國家重點試驗室研制的低溫恒溫箱內完成。溫度采集用Campbell公司生產的CR3000數據采集器，數據采集頻率為每分鐘采集一次，以觀察低溫恒溫箱內溫度隨時間的變化過程以及內部溫度均勻性。

為了深入研究在低溫恒溫箱內設置不同形式溫度導流板對箱內溫度均勻性的影響，本次試驗分3組作為對比進行研究。第1組：直接將試樣放置在恒溫箱內，并分別在其四周布設溫度傳感器，其中溫度傳感器1～5依次布設在試樣的上部、下部、中部、前面和后面，具體如圖1所示；第2組：在第1組的基礎上在低溫恒溫箱的進風口中間及試樣后沿設置溫度導流板1，具體如圖2所示；第3組：在恒溫箱進風口的上部及出風口的下部設置溫度導流板2，并在溫度導流板2（b）上設置如圖4所示的溫度導流孔，具體如圖3所示。在上述準備工作完畢后，設置目標溫度-5℃，等待其自動降溫。

1.2 試驗結果及分析

試驗過程大約6h，低溫恒溫箱內溫度達到目標溫度并保持恒定。3組試驗在試驗過程中各溫度傳感器所采集的實時溫度數據經過相應數據處理后，其每小時的實時檢測溫度如表1～表3所示。根據試驗數據，得到了3組試驗的溫度傳感器1～5隨時間降溫并達到恒定的過程，具體如圖5～圖7所示。

圖1 低溫恒溫箱及試樣放置示意圖

圖2 低溫恒溫箱及溫度導流板1布設示意圖

由表1及圖5可以看出，當直接把試樣放置在低溫恒溫箱內時（無導流板），箱內溫度均勻性很差，具體表現為上熱下冷、前熱后冷，6h時的最高及最低溫度分別出現試樣前監測點與試樣后監測點，溫差接近3℃。根據表1計算得到第一組試驗在第6 h時，5個溫度傳感器的溫度均值為-4.124℃，均方差為1.452℃。分析試驗數據可以發現：在無溫度導流板的情況下，箱體內氣流的流動路線大致如圖8所示。在沒有導流板的情況下，箱體內大部分冷氣在出風口的吸力作用下無法經過試樣頂端，在經過土樣底端和中部以后直接進入出風口。因此會出現上熱下冷、前熱后冷的情況。

圖3 低溫恒溫箱及溫度導流板2布設示意圖

圖4 溫度導流板2（b）詳圖

圖5 不設置溫度導流板的溫度變化

表1 不設置溫度導流板的溫度變化

表2 設置溫度導流板1的溫度變化

表3 設置溫度導流板2的溫度變化

圖6 設置溫度導流板1的溫度變化

圖7 設置溫度導流板2的溫度變化

圖8 不設置溫度導流板的低溫恒溫箱內的氣流流向簡圖

結合表2與圖6可以發現，當在放置試樣的低溫恒溫箱的進風口處及試樣后沿設置溫度導流板1后，箱內溫度均勻性較第1組試驗結果提升許多，但仍然表現為前熱后冷。6h時，布設在試樣前的溫度監測點較試樣后監測點溫度高約0.6℃。根據表2，計算得到第2組試驗在第6h時，5個溫度監測點的溫度均值為-4.592℃，均方差為0.145℃。對比表1與表2及圖5與圖6可以發現：在低溫恒溫箱內設置溫度導流板1可以引導箱內冷氣流向，能夠有效的提升低溫恒溫箱內溫度均勻性，但仍存在前熱后冷的情況。當在恒溫箱內設置溫度導流板1后，箱體內氣流的流動路線大致如圖9所示。箱體內冷氣大多數匯集在試樣后方。因此依然會造成前熱后冷的情況。

圖9 設置溫度導流板1的低溫恒溫箱內的氣流流向簡圖

圖10 設置溫度導流板2的低溫恒溫箱內的氣流流向簡圖

由表3與圖7可以看出，在放置試樣的低溫恒溫箱的進風口上部及出風口下部設置溫度導流板2后，箱內溫度均勻性較為理想，根據表3計算得到第3組試驗在第6 h時，5個溫度傳感器的溫度均值為-4.91℃，均方差為0.016℃，該導流板能夠將不同溫度監測點溫度差異控制在溫度均值的±0.2℃以內。凍土力學試驗在溫控方面目前對溫度差異性指標無統一規范，以往研究均以0.5℃作差異性控制指標，因此本文的系統滿足凍土試驗要求。對比表2與表3及圖6與圖7可以看出：相比第2組試驗，在放置試樣的低溫恒溫箱內設置溫度導流板2后，箱內溫度均勻性較好。分析實驗3的數據可以發現：當在恒溫箱內設置溫度導流板2后，箱體內氣流的流動路線大致如圖10所示，冷氣在試樣四周均勻分布。

以上3組試驗表明，在低溫恒溫箱內放入試樣會極大地改變箱體內的溫度均勻性。可以通過在箱體內設置導流板強制改變箱體內氣流流向的方法來提高溫度均勻性，從而保證凍土力學試驗精度，降低試驗結果的離散性。

2 結束語

本文對放置試樣情況下的低溫恒溫箱進行了不同樣式溫度導流板的多組試驗，分析試驗結果得到以下結論：

1）在低溫恒溫箱內放置試樣對箱內溫度均勻性影響很大，具體表現為試樣上熱下冷、前熱后冷。

2）在低溫恒溫箱內設置溫度導流板可以有效的提升箱內溫度均勻性，在恒溫箱進風口的上部及出風口的下部設置溫度導流板2，箱內溫度均勻性可以達到較好效果，能夠滿足凍土力學試驗要求。

[1]ZHANG L， MA W， YANG C， et al.Investigation of the pore water pressures of coarse-grained sandy soil during open-system step-freezing and thawing tests[J].Engineering Geology，2014，181：233-248.

[2]AKAGAWA S， HIASA S， KANIE S， et al.Pore water and effective pressure in the frozen fringe during soil freezing[C]∥Permafrosts of the 9th international conference on permafrost.Fairbanks Alaska USA：University of Alaska Fairbanks，2008：13-18.

[3]劉世偉，張建明，張虎，等.高溫凍土中孔隙水壓力量測初探[J].甘肅農大學報，2011，46（6）：155-160.

[4]馬小杰，張建明，常小曉，等.高溫-高含冰量凍土蠕變試驗研究[J].巖土工程學報，2007，29（6）：848-852.

[5]蘇凱，張建明，劉世偉，等.高溫-高含冰量凍土壓縮變形特性研究[J].冰川凍土，2013，35（2）：3063-3069.

[6]ZHANG H， ZHANG J， ZHANG Z， et al.Investigation of the pore-water pressure of saturated warm frozen soils under a constant load[J].Journal of Offshore Mechanics&Arctic Engineering，2016，138（6）：1-6.

[7]李海鵬，林傳年，張俊兵，等.飽和凍結黏土在常應變率下的單軸抗壓強度[J].巖土工程學報，2004，26（1）：105-109.

[8]馬小杰，張建明，常小曉，等.高溫-高含冰量凍結黏土強度試驗研究[J].巖土力學，2008，29（9）：2498-2502.

[9]李洪升，楊海天，常成，等.凍土抗壓強度對應變速率敏感性分析[J].冰川凍土，1995，17（1）：40-48.

[10]趙淑萍，何平，朱元林，等.凍結粉土的動靜蠕變特征比較[J].巖土工程學報，2006，28（12）：2160-2163.

[11]劉增利，李洪升，朱元林，等.凍土單軸壓縮動態試驗研究[J].巖土力學，2002，23（1）：12-16.

[12]杜子崢，謝晶，朱進林.低溫恒溫箱的非穩態數值模擬及驗證[J].食品與機械，2014（5）：126-132.

（編輯：莫婕）

Experimental study on temperature uniformity of low temperature incubator in frozen soil test

YANG Gaosheng1， YAO Xiaoliang2，3， ZHOU Panfeng4， GENG Yongming1， ZHANG Ze2，3
（1.School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China；2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Northwest Institute of Eco-Enviroment and Resources，CAS，Lanzhou 730000，China；3.International Research Center for Asia Cold-regions Environment and Engineering，Lanzhou 730000，China；4.Guangzhou Academy of Nuclear Engineering Investigation，Guangzhou 510800，China）

Temperature uniformity in low temperature incubator （LTI） is significant for the testing precision of frozen soils.To improve the temperature uniformity of LTI for the frozen soil test，several groups of experiments on LTI with specimen with different guide vanes forms were conducted.The experiment results show that temperature uniformity is greatly influenced by the specimen in the LTI， i.e.， temperature on the specimen top and front is higher than that of bottom and back side.After setting guide vanes in LTI，the temperature uniformity was improved greatly.By analyzing the influence of different forms of guide vanes on airflow direction，this paper obtained an optimized form of guide vanes which forces the airflow distributing uniformly surround the specimen.The test results show that the guide vanes can control the temperature difference at different temperature monitoring points within ±0.2℃ of average temperature， and which fulfills the temperature requirements of frozen soil tests.

low temperature incubator； temperature uniformity； guide vanes； low-constant temperature test

A

1674-5124（2017）09-0134-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.024

2017-05-28；

2017-07-03

國家自然科學基金（41671061）

楊高升（1991-），男，山西朔州市人，碩士研究生，專業方向為寒區巖土工程。

姚曉亮（1982-），男，甘肅定西市人，副研究員，博士，主要從事寒區巖土工程方面的研究。