CN102338797B - 高压土冻结温度测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高压土冻结温度测试装置，其结构特征是控温箱与外部冷浴相接，控温箱内，紫铜筒体插入不锈钢筒体中构成双层筒体，双筒间盛放降温介质；紫铜筒体内置有隔热层、密封圈、温度传感器、上压头、土体和下压头，密封圈嵌入隔热层内，隔热层位于上压头与土体间，上压头中间有一出线孔，插入土体的温度传感器引线穿过出线孔与数据采集仪连接；紫铜筒体下部的下压头上置一透水石和一滤纸，下压头下部有排水透气孔，试验机传力杆与紫铜筒体内上压头接触，下压头与底座接触。本发明能简捷且准确测定高压力作用下土的冻结温度。同时利用该装置还可实现对土冻结及融化过程的进行实时监测，为进一步认识高压土的冻结特征，研究高压力作用下土的冻结与融化过程提供可靠的技术保证。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内深部土物理性质研究过程中，对深部土冻结温度的测试装置。利用此装置，可实现对高压力作用土体冻结温度的测定及冻结过程中土体温度变化过程的实时监测。
背景技术
土的冻结温度是土中孔隙水发生冻结的最高温度或起始冻结温度。冻结温度的大小不仅受到土颗粒大小、矿物成份、含水量等众多内在因素的影响，还受到外界压力的作用。所以说冻结温度是反映土体在各种综合因素作用下，当温度降低至零度以下时，是否有孔隙冰形成的综合判定指标，是区别冻土与未冻土的重要判据。在工程实际中，冻结温度又是确定土的冻结深度和融化深度的重要参数。因此，如何测定冻结温度的大小是认识冻土物理性质的前提，是利用冻土、改良冻土的基础。
目前对土冻结温度的测定方法虽有好几种，但由于测温法费用低廉、操作简便等优点，在室内冻结温度测试中得到广泛应用。所谓测温法就是基于土中水发生相变时，将会释放结晶潜热，引起温度突变这一原理，通过对土体降温过程中温度的监测，捕捉温度跃变后土中出现的最高、最稳定的温度，来获得土的起始冻结温度的方法。这一方法虽然在无压土冻结温度研究中应用很广，但对于有压土，考虑到温度传感器测温时压力的适用范围、土样压力的加荷方式及土样筒在高压力作用下如何密封等问题，还未做进一步的尝试。近年来，随着人工冻结技术在深部地下空间开挖中的广泛应用，深部冻结壁的安全与稳定成为影响冻结法施工成功与否的关键所在，而冻结壁的厚度问题是影响冻结壁稳定性的一个重要因素。要确定冻结壁厚度，首先要确定冻结锋面的位置，而冻结温度就是确定冻结锋面位置的重要指标。所以目前基于人工冻结技术在深部地下空间开挖过程中的需要，对高压力作用下土的冻结温度的研究越来越迫切。崔广心教授曾利用电阻式冰点仪对土的结冰温度进行研究，但由于冰点仪最大工作压力不是太高，且受到细颗粒湿土(如粘土)结冰过程较长，电阻变化率较低，致使结冰点难以判定等局限性，没有广泛推广。因此，不论在实验室研究还是工程实际中，亟需一套结构简单、操作方便、承压较高、准确度较高的测量高压土冻结温度的测试装置，来深入研究深部土的冻结过程。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的在于提供一种高压土冻结温度测试装置。该装置能简捷且准确测定高压力作用下土的冻结温度。同时利用该装置还可实现对土冻结及融化过程进行实时监测，为进一步研究高压力作用下土的冻结与融化过程提供必要的技术保证。
本发明的目的是通过以下措施来实现：一种高压土冻结温度测试装置，紫铜筒体、降温介质、不锈钢筒体、土体、温度传感器、上压头、下压头、隔热层、出线孔、排水透气孔、密封圈、透水石、控温箱、试验机传力杆、底座和数据采集仪。控温箱与外部冷浴相接，控温箱内，紫铜筒体插入不锈钢筒体中构成双层筒体，紫铜筒体外围与不锈钢筒体内侧间盛放降温介质；紫铜筒体内置有隔热层、密封圈、温度传感器、上压头、土体和下压头，密封圈嵌入隔热层和下压头内，隔热层位于上压头与土体间，上压头中间有一出线孔，插入土体中的温度传感器引线穿过出线孔与数据采集仪连接；紫铜筒体下部的下压头上置透水石和一滤纸，下压头下部有排水透气孔，试验机传力杆与紫铜筒体内上压头接触，下压头与底座接触。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1、本发明充分利用控温箱的保温效果，控温箱与外部冷浴相接使控温箱空气温度降低而改变降温介质的温度，并利用紫铜较好的导热性能为土体提供一个非常稳定的低温环境，有助于捕捉到孔隙水发生相变时，释放的结晶潜热引起温度突变这一现象，从而获得土的冻结温度。
2、紫铜筒体既是装土体和承压的容器，又由于其具有良好的导热性，而成为降温介质与土体之间冷热交换的媒体。紫铜筒体下压头上有排水透气孔，即可排水又可排气，从而保证土样所受压力较为稳定。上压头下部设有一2cm厚的尼龙隔热层，此隔热层材质与下压头相同，可以阻止土体通过上下压头与外界进行热交换，从而保证土样温度均衡。
3、利用现有的可控制力值大小的任何材料试验机，就可给土体加载，从而实现高压力作用土体冻结温度及其冻结过程中温度变化的监测，为深部人工冻结法施工时有压土冻结温度的确定提供资料。
4、此装置结构简单、操作方便、适用性广，并不受加载方式的限制。
附图说明
图1为本发明的高压土冻结温度测量装置的结构示意图。
图2为本发明的高压土冻结温度测量装置测试结果图。
图3无压条件下新方法与传统方法测量结果对比图，新方法冻结温度：-0.15℃，传统方法冻结温度：-0.15℃。
图中：
1.紫铜筒体 2.降温介质 3.不锈钢筒体 4.土体 5.温度传感器
6.上压头 7.下压头 8.隔热层 9.出线孔 10.排水透气孔 11.
密封圈 12.透水石 13.控温箱 14.试验机传力杆 15.底座 16.
数据采集仪
具体实施方式
结合附图，通过实施例再对本发明技术方案再做进一步的详述：
如图1所示，一种高压土冻结温度测试装置，包括紫铜筒体1、降温介质2、不锈钢筒体3、土体4、温度传感器5、上压头6、下压头7、隔热层8、出线孔9、排水透气孔10、密封圈11、透水石12、控温箱13、试验机传力杆14、底座15、数据采集仪16。控温箱13与外部冷浴相接，通过外部冷浴的循环，使箱体温度达到测试所需要的低温环境并保持稳定。控温箱13内，紫铜筒体1插入不锈钢筒体3中构成双层筒体，紫铜筒体1外围与不锈钢筒体3内侧间注入酒精作为降温介质2。酒精的作用有二：第一是给紫铜筒体中的土体降温；第二则是保证紫铜筒体中的土有一个较为恒定的低温环境，有助于捕捉到土中孔隙水发生相变时，释放的结晶潜热引起温度突变这一现象。紫铜筒体1内置有隔热层8、密封圈11、温度传感器5、上压头6、土体4和下压头7，隔热层8位于上压头6与土体4之间，密封圈11嵌入隔热层8和下压头7内，确保上压头6与紫铜筒体1紧密接触，在压力较高时，既不会有试验土体4顺着上压头6与紫铜筒体1之间的活动空间挤出，又可使压头在紫铜筒体1中上下自由活动。上压头6与紫铜筒体1紧密接触，试验机传力杆14与紫铜筒体1内上压头6接触，下压头7与底座15接触。试验机传力杆14通过上压头6将压力传递给土体4，为试样土体4加载。上压头6中间有一出线孔9，插入土体4中的温度传感器5引线穿过出线孔9与数据采集仪16连接；温度传感器5时时感应土体4温度的变化，以获得土体的冻结温度；温度传感器5的引线从出线孔9引出后用环氧树脂密封，防止试验土体4在高压作用下顺出线孔3挤出。紫铜筒体1下部的下压头7上部置透水石12和一滤纸。铺设滤纸以防土颗粒堵塞小孔。下压头7下部有排水透气孔10，在加载过程中排出土体4的水分和气体。
室内试验对含水量为38％的粘土在较高压力作用下进行冻结过程测定。测定之前，先在箱温5℃条件下对土体进行加载固结(最终压力分别为0.08、2、6、10MPa)，待加载完成并稳定30分钟后，迅速降低箱温至-20℃，并监测土体温度的变化过程(如图2所示)。图2表明，在研究的所有土样中，孔隙水都经历了结晶前的土温下降过程、土的冻结过程以及冻土的进一步冻结和冷却过程，与常规试验结果相比，其冻结过程是一致的。通过对以上试验结果的分析，取孔隙水稳定冻结的温度为冻结温度，获得含水量为38％的粘土在0.08、2、6、10MPa压力条件下冻结温度分别为-0.44，-0.51、-0.93和-1.23℃。
为了进一步证明此装置的实用性，对相同的土样在无压力作用下用常规冻结温度测试方法测试，并与本发明装置的测试结果进行比较(如图3所示)，发现两种方法所获得土的冻结温度都为-0.15，说明本装置既可测定无压土的冻结温度和融化温度，又可测定有压土的冻结温度和融化温度，并实现对土体整个降温与升温过程中土体温度变化的实时监测，且精度高于±0.05℃；由此证明这种装置在测试土体冻结温度过程中是实用的。
Claims (1)
1.一种高压土冻结温度测试装置，包括紫铜筒体(1)、降温介质(2)、不锈钢筒体(3)、土体(4)、温度传感器(5)、上压头(6)、下压头(7)、隔热层(8)、出线孔(9)、排水透气孔(10)、密封圈(11)、透水石(12)、控温箱(13)、试验机传力杆(14)、底座(15)、数据采集仪(16)，其特征是控温箱(13)与外部冷浴相接，控温箱(13)内，紫铜筒体(1)插入不锈钢筒体(3)中构成双层筒体，紫铜筒体(1)外围与不锈钢筒体(3)内侧间盛放降温介质(2)；紫铜筒体(1)内置有隔热层(8)、密封圈(11)、温度传感器(5)、上压头(6)、土体(4)和下压头(7)，密封圈(11)嵌入隔热层(8)和下压头(7)内，隔热层(8)位于上压头(6)与土体(4)间，上压头(6)中间有一出线孔(9)，插入土体(4)中的温度传感器(5)引线穿过出线孔(9)与数据采集仪(16)连接；紫铜筒体(1)下部的下压头(7)上置透水石(12)和一滤纸，下压头(7)下部有排水透气孔(10)，试验机传力杆(14)与紫铜筒体(1)内上压头(6)接触，下压头(7)与底座(15)接触。
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