冻土试验低温恒温箱温度均匀性试验研究

杨高升， 姚晓亮，周攀峰， 耿永明， 张 泽

（1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院西北生态环境资源研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；3.亚洲寒区环境与工程国际研究中心，甘肃 兰州 730000；4.核工业广州工程勘察院，广东 广州 510800）

冻土试验低温恒温箱温度均匀性试验研究

杨高升1， 姚晓亮2，3，周攀峰4， 耿永明1， 张 泽2，3

（1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院西北生态环境资源研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；3.亚洲寒区环境与工程国际研究中心，甘肃 兰州 730000；4.核工业广州工程勘察院，广东 广州 510800）

冻土低温恒温箱内的温度均匀性对试验精度至关重要。为改善冻土试验低温恒温箱的温度均匀性，该文对放置试样情况下的低温恒温箱进行设有不同形式导流板的多组试验，分析试验结果表明：在低温恒温箱内放置试样会对箱内温度均匀性产生较大影响，具体表现为上热下冷、前热后冷；而在低温恒温箱内设置温度导流板可以有效提升箱内温度均匀性。通过对比分析不同形式导流板对箱体内气流流向的影响，得到一种能够强制箱体内气流在试样周围均匀分布的导流板形式。试验结果显示：该导流板能够将不同温度监测点温度差异控制在温度均值的±0.2℃以内，能够满足冻土试验的温度均匀性要求。

低温恒温箱；温度均匀性；导流板；低温恒温试验

0 引 言

低温恒温箱是人工模拟气候环境试验的重要设备。随着科技发展，低温恒温箱已经广泛应用于食品、医疗、军事、科研等诸多领域。在冻土试验中，由于控制低温的需要，低温恒温箱扮演着重要的角色。目前国内外众多学者采用低温恒温箱进行了许多冻土试验研究。Zhang等[1]在自行改装的低温恒温箱内进行了冻融循环试验，在装土样的有机玻璃容器罐侧面布设温度传感器，对试验过程中土样的温度进行监测。Akagawa等[2]采用低温恒温箱进行冻融循环试验，研究冻融作用对其过程中孔隙水压力的影响。刘世伟等[3]对低温恒温箱改装后，用其完成了恒载变温和恒温变载压缩试验，研究高温冻土中孔隙水压力变化与变温和加载的关系。马小杰等[4]在自行研制的低温恒温箱内对高温高含冰量冻结黏土进行了单轴压缩蠕变试验研究。苏凯等[5]采用风冷控制的低温恒温箱对高含冰量土样进行了恒温加载试验，研究高温高含冰量冻土的压缩变形特征，其中温度传感器分别设置在恒温箱的顶部与底部。Zhang等[6]对低温恒温箱进行改装后，在其内部对高温饱和土样进行恒载变温试验，研究高温饱和冻土中孔隙水压力与温度的关系。李海鹏等[7]在自行研制的低温恒温箱内对不同干密度饱和冻结黏土在各种温度及应变速率条件下进行单轴压缩试验，研究抗压强度与应变速率、破坏时间、温度及干密度的关系。马小杰等[8]采用中国科学院冻土工程国家重点实验室研制的低温恒温箱对不同含水量的黏土进行各种温度条件下的单轴压缩试验，研究抗压强度与温度及含水率之间的关系。李洪升等[9]将制备好的矩形试样放在恒温箱内，对其进行不同应变速率的单轴压缩试验，研究分析冻土抗压强度的应变速率敏感性及其规律。赵淑萍等[10]采用低温恒温箱对冻结粉土进行了动、静蠕变单轴压缩试验，研究冻土的动、静蠕变的应变、蠕变速率以及蠕变破坏特征。刘增利等[11]采用低温恒温箱对饱和与非饱和兰州黄土试样进行了单轴压缩试验，并基于计算机层析扫描技术（CT）对其单轴压缩过程进行动态测试，研究饱和冻土与非饱和冻土的破坏形式。

在以上的研究中，研究者大都基于厂家提供的恒温箱温度均匀性来进行试验，即在恒温箱空载条件下得到的恒温箱内温度的均匀性。但对恒温箱内放入试样以及相应的试验装置引起的温度差异并未做相应考虑。恒温箱内放置试样后会极大地改变原有气流的流向，相应的箱体内部温度均匀性也会随之改变，这将进一步降低箱体内的温度均匀性[12]。由于冻土是温度敏感性材料，较低的温度均匀性会进一步增大冻土力学试验的离散性。有鉴于此，本文对放置试样情况下的低温恒温箱进行了不同形式温度导流板的多组试验，对比分析试验结果研究箱内设置不同种类导流板对温度均匀性的影响，并提出能够得到最优温度均匀性的导流板形式。

1 低温恒温试验

1.1 试验安排

本次试验是在中国科学院冻土工程国家重点试验室研制的低温恒温箱内完成。温度采集用Campbell公司生产的CR3000数据采集器，数据采集频率为每分钟采集一次，以观察低温恒温箱内温度随时间的变化过程以及内部温度均匀性。

为了深入研究在低温恒温箱内设置不同形式温度导流板对箱内温度均匀性的影响，本次试验分3组作为对比进行研究。第1组：直接将试样放置在恒温箱内，并分别在其四周布设温度传感器，其中温度传感器1～5依次布设在试样的上部、下部、中部、前面和后面，具体如图1所示；第2组：在第1组的基础上在低温恒温箱的进风口中间及试样后沿设置温度导流板1，具体如图2所示；第3组：在恒温箱进风口的上部及出风口的下部设置温度导流板2，并在温度导流板2（b）上设置如图4所示的温度导流孔，具体如图3所示。在上述准备工作完毕后，设置目标温度-5℃，等待其自动降温。

1.2 试验结果及分析

试验过程大约6h，低温恒温箱内温度达到目标温度并保持恒定。3组试验在试验过程中各温度传感器所采集的实时温度数据经过相应数据处理后，其每小时的实时检测温度如表1～表3所示。根据试验数据，得到了3组试验的温度传感器1～5随时间降温并达到恒定的过程，具体如图5～图7所示。

图1 低温恒温箱及试样放置示意图

图2 低温恒温箱及温度导流板1布设示意图

由表1及图5可以看出，当直接把试样放置在低温恒温箱内时（无导流板），箱内温度均匀性很差，具体表现为上热下冷、前热后冷，6h时的最高及最低温度分别出现试样前监测点与试样后监测点，温差接近3℃。根据表1计算得到第一组试验在第6 h时，5个温度传感器的温度均值为-4.124℃，均方差为1.452℃。分析试验数据可以发现：在无温度导流板的情况下，箱体内气流的流动路线大致如图8所示。在没有导流板的情况下，箱体内大部分冷气在出风口的吸力作用下无法经过试样顶端，在经过土样底端和中部以后直接进入出风口。因此会出现上热下冷、前热后冷的情况。

图3 低温恒温箱及温度导流板2布设示意图

图4 温度导流板2（b）详图

图5 不设置温度导流板的温度变化

表1 不设置温度导流板的温度变化

表2 设置温度导流板1的温度变化

表3 设置温度导流板2的温度变化

图6 设置温度导流板1的温度变化

图7 设置温度导流板2的温度变化

图8 不设置温度导流板的低温恒温箱内的气流流向简图

结合表2与图6可以发现，当在放置试样的低温恒温箱的进风口处及试样后沿设置温度导流板1后，箱内温度均匀性较第1组试验结果提升许多，但仍然表现为前热后冷。6h时，布设在试样前的温度监测点较试样后监测点温度高约0.6℃。根据表2，计算得到第2组试验在第6h时，5个温度监测点的温度均值为-4.592℃，均方差为0.145℃。对比表1与表2及图5与图6可以发现：在低温恒温箱内设置温度导流板1可以引导箱内冷气流向，能够有效的提升低温恒温箱内温度均匀性，但仍存在前热后冷的情况。当在恒温箱内设置温度导流板1后，箱体内气流的流动路线大致如图9所示。箱体内冷气大多数汇集在试样后方。因此依然会造成前热后冷的情况。

图9 设置温度导流板1的低温恒温箱内的气流流向简图

图10 设置温度导流板2的低温恒温箱内的气流流向简图

由表3与图7可以看出，在放置试样的低温恒温箱的进风口上部及出风口下部设置温度导流板2后，箱内温度均匀性较为理想，根据表3计算得到第3组试验在第6 h时，5个温度传感器的温度均值为-4.91℃，均方差为0.016℃，该导流板能够将不同温度监测点温度差异控制在温度均值的±0.2℃以内。冻土力学试验在温控方面目前对温度差异性指标无统一规范，以往研究均以0.5℃作差异性控制指标，因此本文的系统满足冻土试验要求。对比表2与表3及图6与图7可以看出：相比第2组试验，在放置试样的低温恒温箱内设置温度导流板2后，箱内温度均匀性较好。分析实验3的数据可以发现：当在恒温箱内设置温度导流板2后，箱体内气流的流动路线大致如图10所示，冷气在试样四周均匀分布。

以上3组试验表明，在低温恒温箱内放入试样会极大地改变箱体内的温度均匀性。可以通过在箱体内设置导流板强制改变箱体内气流流向的方法来提高温度均匀性，从而保证冻土力学试验精度，降低试验结果的离散性。

2 结束语

本文对放置试样情况下的低温恒温箱进行了不同样式温度导流板的多组试验，分析试验结果得到以下结论：

1）在低温恒温箱内放置试样对箱内温度均匀性影响很大，具体表现为试样上热下冷、前热后冷。

2）在低温恒温箱内设置温度导流板可以有效的提升箱内温度均匀性，在恒温箱进风口的上部及出风口的下部设置温度导流板2，箱内温度均匀性可以达到较好效果，能够满足冻土力学试验要求。

[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]刘世伟，张建明，张虎，等.高温冻土中孔隙水压力量测初探[J].甘肃农大学报，2011，46（6）：155-160.

[4]马小杰，张建明，常小晓，等.高温-高含冰量冻土蠕变试验研究[J].岩土工程学报，2007，29（6）：848-852.

[5]苏凯，张建明，刘世伟，等.高温-高含冰量冻土压缩变形特性研究[J].冰川冻土，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]李海鹏，林传年，张俊兵，等.饱和冻结黏土在常应变率下的单轴抗压强度[J].岩土工程学报，2004，26（1）：105-109.

[8]马小杰，张建明，常小晓，等.高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究[J].岩土力学，2008，29（9）：2498-2502.

[9]李洪升，杨海天，常成，等.冻土抗压强度对应变速率敏感性分析[J].冰川冻土，1995，17（1）：40-48.

[10]赵淑萍，何平，朱元林，等.冻结粉土的动静蠕变特征比较[J].岩土工程学报，2006，28（12）：2160-2163.

[11]刘增利，李洪升，朱元林，等.冻土单轴压缩动态试验研究[J].岩土力学，2002，23（1）：12-16.

[12]杜子峥，谢晶，朱进林.低温恒温箱的非稳态数值模拟及验证[J].食品与机械，2014（5）：126-132.

（编辑：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

国家自然科学基金（41671061）

杨高升（1991-），男，山西朔州市人，硕士研究生，专业方向为寒区岩土工程。

姚晓亮（1982-），男，甘肃定西市人，副研究员，博士，主要从事寒区岩土工程方面的研究。