CN102879148A - 一种冻土孔隙水压力测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冻土孔隙水压力测量装置和方法，该装置包括依次连接的过滤器探头、连通管、密封腔体、压力传感器和信号线缆，连通管的一端与过滤器探头相通，连通管的另一端连接密封腔体的顶部并与密封腔体的顶部相通，密封腔体和连通管内充满传力液体，传力液体为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，压力传感器固定于密封腔体的底部，且压力传感器的压力感应膜与密封腔体内部相通，压力传感器的输出端与信号线缆相连。本发明所述装置在环境温度低于0℃仍可正常工作，具有结构简单、测量可靠的优点。

Description

一种冻土孔隙水压力测量装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土安全监测技术领域，特别涉及在低温环境下的冻土孔隙水压力测量装置和方法，可以进行高原冻土、土石坝、公路、边坡及回填土体的孔隙水压力测量。

背景技术

岩土工程的土体冻结后，并非土体中所有的液态水都转变成固态的冰，由于颗粒表面能的作用，其中始终保持着一定数量的液态水称作未冻水。高温冻土又称近相变区冻土，通常用来描述低温环境下相对较高温度（-1.5℃～0℃）的冻土，被广泛接受的是，高温冻土具有较高含量的未冻水。由于其温度区间处于冻土的剧烈相变区，冻土中水和未冻水的比例对温度的变化及其敏感，故高温冻土的物理学性质具有强烈的不稳定性。同时，由于冻土中的水并非纯水，其中溶解有不同浓度的溶质，因此，冻土中水的冰点也相应降低。在相对温度较高（-1.5℃～0℃）的高温冻土中，液态水有着可观的量级，其体积含水量可达10%～15%。由于未冻水的大量存在，通过测量冻土中孔隙水压力及其变化规律对研究冻土的力学等特性有着积极意义。

目前在岩土安全监测行业，如果采用传统的压力测量装置进行低温环境下的冻土孔隙水压力测量则会导致压力测量装置损坏。传统的压力测量装置的结构如图1所示，包括过滤器11、腔体12、压力传感器15、外壳16和电缆17，压力传感器15包括压力感应膜13以及安装在压力感应膜13上的敏感元件14。冻土孔隙中的液体（即水）通过过滤器11进入腔体12，液体压力直接作用到压力感应膜13上，由压力感应膜13感应到液体压力并通过敏感元件14转化为电信号由电缆17输出。

传统的压力测量装置通常直接置于需要测量液体压力的环境中，如埋设在土体中，或置于其它包含土体、岩石、井、钻孔及管道等环境中，用于直接监测水或孔隙水的压力。但是，几乎所有的压力测量装置都只能工作于0摄氏度以上的水环境中，如果被监测点的环境温度低于0摄氏度时，压力测量装置的腔体内的水就会结冰，而水在结冰后体积就会产生膨胀并挤压压力感应膜13，从而导致压力感应膜13产生机械变形，即使在冰融化后也不会恢复到原来的状态故导致永久损坏，以后都无法再进行冻土孔隙水压力测量或不能准确测量。因此，用于测量冻土孔隙水压力的传统压力测量装置通常只能工作于0℃以上的环境才不致于损坏。然而，在一些高寒地区如青藏高原、东北局部地区等冻土地带或其它冻融循环环境下，冻土孔隙水将会随环境温度降低以至于结冰，当水在传统的压力测量装置内感应结冰后，都会发生因冰的膨胀作用导致压力传感器损坏无法工作的问题。

发明内容

本发明针对目前冻土孔隙水压力测量采用传统的压力测量装置在0℃以下会由于压力感应膜损坏导致无法工作的问题，提供一种新型的冻土孔隙水压力测量装置，该装置在环境温度低于0℃仍可正常工作，具有结构简单、测量可靠的优点。本发明还涉及冻土孔隙水压力的测量方法。

本发明的技术方案如下：

一种冻土孔隙水压力测量装置，其特征在于，包括依次连接的过滤器探头、连通管、密封腔体、压力传感器和信号线缆，所述连通管的一端与过滤器探头相通，连通管的另一端连接密封腔体的顶部并与密封腔体的内部相通，所述密封腔体和连通管内充满传力液体，所述传力液体为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，所述压力传感器固定于密封腔体的底部，且所述压力传感器的压力感应膜与密封腔体内部相通，压力传感器的输出端与信号线缆相连。

所述过滤器探头为多孔陶瓷探头或多孔的不锈钢烧结探头，所述过滤探头通过多孔来阻隔冻土孔隙中的细小颗粒。

所述连通管的轴截面积小于密封腔体的轴截面积。

所述要求的低温范围为-50℃~0℃，所述传力液体为在温度低至-50℃时不会冻结的液体。

所述传力液体为三氯甲烷或癸烷。

所述压力传感器为钢弦式压力传感器或压阻式压力传感器或光纤光栅式压力传感器或电阻应变片式压力传感器或差动电阻式压力传感器或电容式压力传感器或差动电容式压力传感器。

所述信号线缆为耐低温电缆或耐低温光纤。

一种冻土孔隙水压力测量方法，其特征在于，先在密封腔体内充满传力液体，所述传力液体为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，密封腔体顶部经连通管连通过滤器探头，密封腔体底部与压力传感器的压力感应膜连通，压力传感器的输出端连接信号线缆；再将密封腔体以及上下连接的过滤器探头和压力传感器埋设于测量环境的冻土土体中，并设置过滤器探头朝上；冻土孔隙水压力经过过滤器探头和连通管后，再通过密封腔体内的传力液体作用到压力传感器的压力感应膜上，由压力传感器将冻土孔隙水压力的大小经信号线缆传送出来。

所述方法中的过滤器探头采用多孔陶瓷探头或多孔的不锈钢烧结探头，所述过滤探头通过多孔来阻隔冻土孔隙中的细小颗粒；和/或设置连通管的轴截面积小于密封腔体的轴截面积以使冻土孔隙水压力集中；和/或所述传力液体为在温度低至-50℃时不会冻结的液体。

所述方法中的压力传感器采用钢弦式压力传感器或压阻式压力传感器或光纤光栅式压力传感器或电阻应变片式压力传感器或差动电阻式压力传感器或电容式压力传感器或差动电容式压力传感器，所述压力传感器连接的信号线缆采用耐低温电缆或耐低温光纤。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的冻土孔隙水压力测量装置，包括依次连接的过滤器探头、连通管、密封腔体、压力传感器和信号线缆，设置过滤器探头能够阻隔冻土孔隙中除水以外的颗粒杂质进入本发明测量装置，冻土孔隙水压力经过过滤器探头后，由于密封腔体和连通管内充满传力液体，传力液体为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，故本发明的传力液体可以有效阻止冻土孔隙的水进入密封腔体，使得冻土孔隙的水漂浮在传力液体上方，传力液体将冻土孔隙水压力传递到压力传感器的压力感应膜上，压力传感器将冻土孔隙水压力的大小经信号线缆传送出来，从而完成冻土孔隙水压力的测量。本发明所述装置的传力液体不仅传递冻土孔隙水压力，还能阻止水与压力传感器的压力感应膜的接触，这样，即使环境温度达到足以使水结冰的条件而结冰时，由于传力液体不会冻结，故水结冰不会接触以及影响到压力传感器的压力感应膜导致其机械性损坏，从而保护了压力传感器，克服了目前传统的压力测量装置在0℃以下会由于压力感应膜损坏导致无法再工作的问题，本发明所述装置能够在冻土地带或冻融循环环境正常工作，传力液体能够将冻土孔隙水压力完全传递到压力传感器，本发明装置具有结构简单、测量可靠和使用寿命长的优点，并且填补了冻土孔隙水压力测量的空白。

本发明涉及的冻土孔隙水压力测量方法，先在密封腔体内充满传力液体，密封腔体顶部经连通管连通过滤器探头，密封腔体底部与压力传感器的压力感应膜连通，压力传感器的输出端连接信号线缆；再将密封腔体以及上下连接的过滤器探头和压力传感器埋设于测量环境的冻土土体中，并设置过滤器探头朝上；冻土孔隙水压力经过过滤器探头和连通管后，再通过密封腔体内的传力液体作用到压力传感器的压力感应膜上，由压力传感器将冻土孔隙水压力的大小经信号线缆传送出来。由于传力液体在要求的低温范围内不会冻结、不溶于水、密度比水大，可以有效阻止水进入到密封腔体下部。本发明测量方法中的传力液体能够在传递冻土孔隙水压力的同时阻止水与压力传感器的压力感应膜接触，故避免了传统孔隙水压力测量时遇到的环境温度使水结冰造成体积膨胀从而挤压压力感应膜，导致压力感应膜产生机械变形造成永久损坏的问题。所以，本发明测量方法将密封腔体以及上下连接的过滤器探头和压力传感器埋设于测量环境的冻土土体中，无需因为担心压力传感器损坏而人工取出，能够在冻土环境中实现自动测量，准确获取冻土孔隙水压力的信号，在保护压力传感器的同时完成在冻土地带的冻土孔隙水压力测量。

附图说明

图1为传统的压力测量装置的结构示意图。

图2为本发明冻土孔隙水压力测量装置的结构示意图。

图中各标号列示如下：

11－过滤器；12－腔体；13－压力感应膜；14－敏感元件；15－压力传感器；16－外壳；17－电缆；21－过滤器探头；22－连通管；23－传力液体；24－密封腔体；25－压力传感器；26－信号线缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明公开了一种冻土孔隙水压力测量装置，其结构示意图如图2所示，包括依次连接的过滤器探头21、连通管22、密封腔体24、压力传感器25和信号线缆26，连通管22的一端与过滤器探头21相通，连通管22的另一端连接密封腔体24的顶部并与密封腔体24的内部相通，密封腔体24和连通管22内充满传力液体23，该传力液体为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体。压力传感器25固定于密封腔体24的底部，且压力传感器25的压力感应膜与密封腔体24内部相通，压力传感器25的输出端与信号线缆26相连。

在本发明所述装置中，过滤器探头21优选采用多孔结构的探头，如采用多孔陶瓷探头或者是多孔的烧结不锈钢探头，多孔陶瓷探头可以采用氧化铝陶瓷材质的多孔结构的探头，这里所述的多孔即多个微孔，用于阻隔冻土孔隙中的细小颗粒进入本发明所述装置。

如图2所示，连通管22的上端连接过滤器探头21以与外界环境相通，除了连通管22上端外，本发明所述装置是密封结构。连通管22连接过滤器探头21和密封腔体24，设置连通管22的目的是便于操作和安装过滤器探头21和密封腔体24，优选连通管22的轴截面积小于密封腔体24的轴截面积，这样，进入轴截面积小的连通管22的冻土孔隙水压力会比较集中，使得传力液体23能够更好地将该冻土孔隙水压力完全传递至压力传感器25的压力感应膜。

传力液体23为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，这里所述的要求的低温是根据测量环境的需要，例如，要求的低温范围为-50℃~0℃，则当温度低至-50℃时传力液体23也不会冻结。传力液体23优选采用三氯甲烷（氯仿），三氯甲烷本身在一定范围内（－63℃～0℃）不会冻结、不溶于水、密度比水大，可以有效阻止冻土孔隙水进入到密封腔体24下部。当然，传力液体23也可以选择其它液体，如癸烷（十烷）或者水银，此外，传力液体23还可选择在低温下不易挥发的其它液体。冻土孔隙水经过过滤器探头21后，漂浮在传力液体23上方，冻土孔隙水压力经传力液体23传递，传力液体不仅传递压力，还能阻止水与压力传感器25的压力感应膜的接触。

压力传感器25具有压力感应膜和敏感元件，压力传感器25将感应到的压力通过敏感元件转换成电信号。压力传感器25固定于密封腔体24的底部，且压力传感器25的压力感应膜与密封腔体24内部相通，压力传感器25可以与密封腔体24的底部相贯通，即可以如图2所示将压力传感器25的压力感应膜和敏感元件通过密封腔体24的底部深入密封腔体24内部，压力传感器25的输出端固定于密封腔体24的底部外侧。压力传感器25可以采用现有的压力传感器，如钢弦式（振弦式）压力传感器，或压阻式（扩散硅工艺）压力传感器，或光纤光栅式（振弦式）压力传感器，或电阻应变片式压力传感器，或差动电阻式（卡尔逊式）压力传感器，或电容式压力传感器，或差动电容式压力传感器等等。压力传感器25将冻土孔隙水压力的大小输出至信号线缆26，信号线缆优选为耐低温电缆或耐低温光纤，信号线缆26传输到远处的数据采集设备上记录或显示以进行冻土孔隙水压力及其变化规律等冻土的力学特性的研究。

本发明所述冻土孔隙水压力测量装置在使用时，将充满传力液体23的本发明装置埋设于所测量环境的冻土土体中，并且保持过滤器探头23朝上，即如图2所示竖直埋设。本发明冻土孔隙水压力测量装置周边环境的冻土孔隙水或冰水压力经过滤器探头21、连通管22并通过传力液体23传递到压力传感器25的压力感应膜上，其冻土孔隙水或冰水压力大小通过信号线缆26传送到远处的数据采集设备上记录或显示。

传力液体23不仅传递冻土孔隙水或冰水压力，还能阻止冻土孔隙水或冰水与压力传感器25的压力感应膜的接触。这样，即使环境温度达到足以使水结冰的条件而结冰，也不会接触到压力传感器25的压力感应膜导致其机械性损坏，从而保护了压力传感器25。此外，若本发明冻土孔隙水压力测量装置周围全部结冰，孔隙水压力将消失，本发明冻土孔隙水压力测量装置处于待机状态，当进入下一个冻融期时仍可进入测量状态，确保正常工作。

本发明还涉及冻土孔隙水压力测量方法，该方法先在顶部有连通管的密封腔体内充满传力液体，该传力液体为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，密封腔体顶部经连通管连通过滤器探头，密封腔体底部与压力传感器的压力感应膜连通，压力传感器的输出端连接信号线缆；再将密封腔体以及上下连接的过滤器探头（以及连通管）和压力传感器（以及信号线缆）等各部件埋设于测量环境的冻土土体中，并设置过滤器探头朝上，此时最上方是过滤器探头，依次向下是连通管、密封腔体和压力传感器；冻土孔隙水或冰水压力经过过滤器探头和连通管后，再通过密封腔体内的传力液体作用到压力传感器的压力感应膜上，由压力传感器将冻土孔隙水压力的大小经信号线缆传送出来。

该方法中的过滤器探头优选采用多孔陶瓷探头或多孔的烧结不锈钢探头，过滤探头通过多孔来阻隔冻土孔隙中的细小颗粒。优选设置连通管的轴截面积小于密封腔体的轴截面积以使冻土孔隙水压力集中。传力液体可以选择在温度低至-50℃时不会冻结的液体。如，三氯甲烷（氯仿）、癸烷（十烷）、水银等。冻土孔隙水压力在传力液体的作用下传递至压力传感器的压力感应膜上，压力感应膜产生与冻土孔隙水压力成正比的微位移，使压力传感器的电阻发生变化，压力传感器转换输出一个对应于冻土孔隙水压力的标准的电信号。压力传感器根据敏感元件的介质的不同，可以采用钢弦式压力传感器，或压阻式压力传感器，或光纤光栅式压力传感器，或电阻应变片式压力传感器，或差动电阻式压力传感器，或电容式压力传感器，或差动电容式压力传感器等等，压力传感器连接的信号线缆优选采用耐低温电缆或耐低温光纤。

本发明测量方法中的传力液体能够在传递冻土孔隙水压力的同时阻止冻土孔隙水与压力传感器的压力感应膜的接触，故避免了现有的冻土孔隙水压力测量时遇到的环境温度使水结冰造成体积膨胀从而挤压压力感应膜，导致压力感应膜产生机械变形无法恢复而造成永久损坏的问题。而且采用本发明所述的测量方法，能够在冻土环境或者是冻融循环的环境中实现自动测量，无需因为担心压力传感器机械损坏而将埋设于土体中的各部件取出，该方法能够在保护压力传感器的同时完成在冻土地带的冻土孔隙水压力测量。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种冻土孔隙水压力测量装置，其特征在于，包括依次连接的过滤器探头、连通管、密封腔体、压力传感器和信号线缆，所述连通管的一端与过滤器探头相通，连通管的另一端连接密封腔体的顶部并与密封腔体的内部相通，所述密封腔体和连通管内充满传力液体，所述传力液体为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，所述压力传感器固定于密封腔体的底部，且所述压力传感器的压力感应膜与密封腔体内部相通，压力传感器的输出端与信号线缆相连。

2.根据权利要求1所述的冻土孔隙水压力测量装置，其特征在于，所述过滤器探头为多孔陶瓷探头或多孔的不锈钢烧结探头，所述过滤探头通过多孔来阻隔冻土孔隙中的细小颗粒。

3.根据权利要求1所述的冻土孔隙水压力测量装置，其特征在于，所述连通管的轴截面积小于密封腔体的轴截面积。

4.根据权利要求1所述的冻土孔隙水压力测量装置，其特征在于，所述要求的低温范围为-50℃~0℃，所述传力液体为在温度低至-50℃时不会冻结的液体。

5.根据权利要求4所述的冻土孔隙水压力测量装置，其特征在于，所述传力液体为三氯甲烷或癸烷。

6.根据权利要求1所述的冻土孔隙水压力测量装置，其特征在于，所述压力传感器为钢弦式压力传感器或压阻式压力传感器或光纤光栅式压力传感器或电阻应变片式压力传感器或差动电阻式压力传感器或电容式压力传感器或差动电容式压力传感器。

7.根据权利要求1所述的冻土孔隙水压力测量装置，其特征在于，所述信号线缆为耐低温电缆或耐低温光纤。

8.一种冻土孔隙水压力测量方法，其特征在于，先在密封腔体内充满传力液体，所述传力液体为密度大于水且不溶于水以及在要求的低温范围内不会冻结的液体，密封腔体顶部经连通管连通过滤器探头，密封腔体底部与压力传感器的压力感应膜连通，压力传感器的输出端连接信号线缆；再将密封腔体以及上下连接的过滤器探头和压力传感器埋设于测量环境的冻土土体中，并设置过滤器探头朝上；冻土孔隙水压力经过过滤器探头和连通管后，再通过密封腔体内的传力液体作用到压力传感器的压力感应膜上，由压力传感器将冻土孔隙水压力的大小经信号线缆传送出来。

9.根据权利要求8所述的冻土孔隙水压力测量方法，其特征在于，所述过滤器探头采用多孔陶瓷探头或多孔的不锈钢烧结探头，所述过滤探头通过多孔来阻隔冻土孔隙中的细小颗粒；和/或设置连通管的轴截面积小于密封腔体的轴截面积以使冻土孔隙水压力集中；和/或所述传力液体为在温度低至-50℃时不会冻结的液体。

10.根据权利要求8所述的冻土孔隙水压力测量方法，其特征在于，所述压力传感器采用钢弦式压力传感器或压阻式压力传感器或光纤光栅式压力传感器或电阻应变片式压力传感器或差动电阻式压力传感器或电容式压力传感器或差动电容式压力传感器，所述压力传感器连接的信号线缆采用耐低温电缆或耐低温光纤。

Images