CN103743771B - 一种适用于天然盐渍土的冻融循环检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于天然盐渍土的冻融循环检测装置，用于检测在自然环境条件下盐渍土的形成过程，检测盐渍土在多次冻融循环过程中冻胀与溶陷的变化规律。该装置的试样筒上部连接一个低温恒温箱，用于检测自然状态下的温度变化，温度的设置根据地区的气温决定；试样筒底部也固定温度控制头，检测在自然条件下土体之间的温度设置为+5℃；在底部的温度控制头上，连接有补水器，用于检测自然条件下地下水与盐分的补给。采用本发明提供的天然盐渍土冻融循环检测装置，能够较好地反映盐渍土的冻融循环机理，为盐渍土地区的工程建设提供参考。

Description

一种适用于天然盐渍土的冻融循环检测装置

技术领域

本发明涉及土木工程仪器技术领域，对天然盐渍土在自然环境下的冻融现象进行模拟并进行全自动数字检测，研究天然盐渍土在多次冻融循环过程中的变化规律，为工程建设中盐渍土的控制与治理提供依据。

背景技术

随着国家西部大开发战略的实施，加大对西部地区基础设施的投资建设是必然的。许多基础设施在建设过程中遇到了盐渍土地层及路基，如青藏铁路、兰新铁路、哈密至罗布泊铁路等；所以深入研究盐渍土的形成机理和变化规律，成为目前研究盐渍土的一个首要问题。

西部地区是我国盐渍土分布最多的地区，该地区的早晚温差大及受季节的温差变化等特殊环境，使盐渍土中的盐分发生迁移、凝聚、冻融等现象，给建筑物造成巨大危害，这些特殊环境对盐渍土的作用相似于冻融循环作用。而且盐渍土的工程性质不仅与含水率、含盐量及土体的密实度等因素有关，还将更多受环境综合因素的影响，所以对盐渍土进行自然环境下的冻融循环模拟试验研究，综合分析盐渍土的机理很有必要。

当前学者对盐渍土的研究，主要方法是在土体中加入一定盐分后进行制样，研究加入盐分后土体的力学性质和把试样放入冰箱中进行冻融循环，模拟自然环境的温度变化，试验完成后，研究试样的力学相关参数的变化规律，这种方法的主要的缺点是难以真正地研究盐渍土在自然环境下的真实状态。包卫星等在“典型天然盐渍土多次冻融循环盐胀试验研究[J].岩土工程学报,2006,11:1991-1995.”中也对盐渍土进行模拟实验研究，后续一些学者也应用该装置进行了盐渍土相关性质的研究。虽然该装置模拟了自然环境的温度变化和水分的补给等条件，但是还有很多不妥之处如下：(1)环形凸凹槽补水器不能恒定地像试样提供水分，以及准确地调节水位高度，难以真实地模拟自然环境中地下水的补给；(2)在试样进行外部保温时，保温层不能进行严格的保温，即使实施保温措施后也不利于在外部观察盐渍土的变化情况；(3)测量盐渍土的冻胀时，该装置上部的制冷头的重量实质上抑制了盐渍土的部分冻胀量，同时也对盐渍土的内部结构造成破坏，应用百分表测得的数据偏小,不能准确地模拟出盐渍土的冻胀量；(4)在分析温度、水分和盐分等影响因素时，该装置仅对温度进行了监测，盐分与水分仅在每次冻融循环后，取样后进行测量。一方面操作比较繁琐，另一方面取样时，选择取样位置偶然误差很大，难以实现对影响因素的同时监测；(5)该装置仅能对盐渍土的冻胀进行测量，而溶陷也是盐渍土的重要工程性质之一，但是该装置无法解决。总之，虽然该装置对盐渍土进行了自然环境变化和水分对盐渍土影响的模拟，但是对盐渍土的自然环境的模拟还远远不足，研究结果与工程实际也有一定的差距，直接应用于工程建设偏于危险。

本发明为了深入研究天然盐渍土在自然环境条件下，盐渍土水分、盐分、温度等因素对冻胀与溶陷的影响规律，以及水、盐分的迁移规律，设计了全自动数字天然盐渍土冻融循环模拟试验装置，应用计算机对其进行全自动控制，对其进行室内多次冻融循环模拟试验；研究盐渍土在模拟自然条件下的多次冻融循环过程中，冻胀与溶陷以及各影响因素的变化规律，应用计算机对全过程进行数据采集，采集的科学数据具有重要的现实意义与实用价值。

发明内容

本发明的目的在于：提供的一种适用于天然盐渍土的冻融循环检测装置，实现在室内条件下对天然盐渍土进行多次冻融循环检测，找到了各影响因素对冻胀与溶陷的影响规律，对工程设计提供科学数据。

本发明的目的是这样实现的：一种适用于天然盐渍土的冻融循环检测装置，由上部低温恒温箱1、调节水位控制板2、变水头恒流箱3、连通管4、水分回流瓶5、流量瓶6、流量控制器7、固定螺丝8、温度感应器连接线管9、上部温度控制头10、排气孔螺丝11、流量连接管12、激光测距器13、洒水板14、水蒸气回流槽15、水分传感器连接线管16、盐分传感器连线管17、双层真空有机玻璃保温试样筒18、温度感应器19、水分传感器20、盐分传感器21、环形凸凹槽补水器22、排水阀23、下部温度控制头24、下部低温恒温箱25、试验台26、计算机27、信息控制系统28构成；

固定在试验台26上的检测装置的上部分别设置上部温度控制头10、排气孔螺丝11、流量连接管12、激光测距器13；其中上部温度控制头10连接上部低温恒温箱1,激光测距器13连接信息控制系统28，在装置上部温度控制头10的顶部设置的激光测距器13相邻之间的夹角为120°；在上部温度控制头10的内部设置洒水板14与水蒸气回流槽15，水蒸气回流槽15连接水分回流瓶5；在均布有密集漏水孔的洒水板14上设置流量连接管12,流量连接管12连接流量控制器7与流量瓶6，其中流量控制器7与信息控制系统28连接；

固定在试验台26上的检测装置中部的双层真空有机玻璃保温试样筒18为圆柱体，布设在上部的温度控制头10的螺丝8固接圆柱体；在圆柱体的土层内分层布设温度感应器19、水分传感器20、盐分传感器21，其中温度感应器19、水分传感器20与盐分传感器21的线路分别通过温度感应器连接线管9、水分传感器连接线管16、盐分传感器连线管17固定在内壁塑料管内与信息控制系统28连接；

固定在试验台26上的检测装置的下部设置环形凸凹槽补水器22与下部温度控制头24，其中下部温度控制头24连接着下部低温恒温箱25；设置在环形凸凹槽补水器22两侧的螺丝固接双层真空有机玻璃保温试样筒18，其中在环形凸凹槽补水器22内放置滤纸与透水石；环形凸凹槽补水器22的一端安装着排水阀23，另一端安装着连通管4，连通管4的支管上分接着变水头恒流箱3，变水头恒流箱3内设置调节水位控制板2；

其中信息控制系统28与计算机27连接。

所述检测装置，检测分步实施；

步骤1试样检测：采用轻型击实试验的方法，在每层25次击实功的条件下，分层进行击实制样，测定研究土样的最优含水率和最大干密度，按设计的要求加入所需的水量，试样密封闷料24h备用；其中设定试样击实后的密度为S_max*0.95；

步骤2试样制备方式：试样筒内涂抹凡士林后装入步骤1试样；试样分层装入，每层层高控制为10cm；在每层土样的中部的同一水平面上分别埋置温度感应器、水分传感器及盐分传感器，并将各传感器与各自的导线连接；在击实最后一层试样后，用环刀刮平试样，在试样的上面放置滤纸和超薄透水石；

步骤3仪器连接：

1)将下部温度控制头与下部低温恒温箱连接，环形凸凹槽补水器与变水头恒流箱连接；调整变水头恒流箱中的恒定流的挡板的高度，使补给水刚好接触试样；

2)将固定在试样筒上的上部的温度控制头，直接与上部低温恒温箱连接；

3)洒水板上设置的流量连接管连接流量控制器和流量瓶的管线；

4)水蒸气回流槽与水分回流瓶的连接，实现水蒸气遇冷后凝结形成液体的回收；

5)温度感应器、水分传感器、盐分传感器、激光测距器、流量控制器分别连接着信息控制系统，信号经处理后再与计算机连接，对多次冻融循环过程进行全程控制。

步骤4试验条件设定：上端温度控制头的设定温度为所研究的盐渍土地区的最低温度，下部温度控制头温度设定为+5℃；冻融循环周期为48h，每半小时记录一次。

步骤5溶陷性的设定：在研究地表水与溶陷性的关系时，每30min加入一次水，每次加水量为400～600g；在研究地下水位与溶陷性的关系时，通过调节变水头恒流箱中的控制板，每30min调节一次控制板，每次调节水位的增长高度为4～8cm。

所述检测装置，在装置上部温度控制头10的顶部设置的激光测距器13相邻之间的夹角为120°。

所述检测装置，在双层真空有机玻璃保温试样筒18的圆柱体内壁上固接塑料管，塑料管相邻之间的夹角为120°。

本发明研究机理与作用：研究天然盐渍土在自然条件下受季节交替和温度变化等因素的冻胀与溶陷的变化规律，除了需要在室外进行观察研究，同时也需要对其进行室内模拟试验，研究天然盐渍土的变化规律。在设计装置的上部与下部各连接一个固定的温度控制头，用于对其进行温度控制，模拟自然条件下的温度变化；在装置下部连接的温度控制头中连接有环形凸凹槽补水器，用于模拟地下水和盐分的迁移情况；在试样筒的上部设置一个洒水板，使洒落在土体上的水分比较均匀；连接洒水板的为流量控制器与流量瓶，用于对水量进行控制，给出水量与溶陷性的关系；在保温筒内部的土体里分层对称布置着温度感应器、水分传感器、盐分传感器，用于检测温度、水分、盐分等因素的变化规律；在顶部的温度控制头上安装有三个激光测距器，用于监测在冻融循环过程中盐渍土冻胀量与溶陷量的变化规律；温度感应器、水分传感器、盐分传感器、激光测距器均与信息控制系统和计算机连接，计算机对其进行定时控制监测；该装置的模拟实验直观精准，易操作，获得的数据真实可靠，彰显技术进步。

附图说明

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

附图1为本发明装置的结构示意图；附图说明：

如图所示：1-上部低温恒温箱、2-调节水位控制板、3-变水头恒流箱、4-连通管、5-水分回流瓶、6-流量瓶、7-流量控制器、8-固定螺丝、9-温度感应器连接线管、10-上部温度控制头、11-排气孔螺丝、12-流量连接管、13-激光测距器、14-洒水板、15-水蒸气回流槽、16-水分传感器连接线管、17-盐分传感器连接线管、18-双层真空有机玻璃保温试样筒、19-温度感应器、20-水分传感器、21-盐分传感器、22-环形凸凹槽补水器、23-排水阀、24-下部温度控制头、25-下部低温恒温箱、26-试验台、27-计算机、28-信息控制系统。

附图2为上部温度控制头安装部件的俯视示结构意图；

如图所示：10-上部温度控制头、11-排气孔螺丝、12-流量连接管、13-激光测距器。

附图3为上部温度控制头内安装洒水板部件的结构示意图；

如图所示：10-上部温度控制头、11-排气孔螺丝、12-流量连接管、14-洒水板、15-水蒸气回流槽。

附图4为安装的洒水板部件的俯视结构示意图；

如图所示：12-流量连接管、14-洒水板。

附图5为安装双层真空有机玻璃保温试样筒18部件的俯视结构示意图；

如图所示：9-温度感应器连接线管、16-水分传感器连接线管、17-盐分传感器连接线管、18-双层真空有机玻璃保温试样筒、19-温度感应器、20-水分传感器、21-盐分传感器。

附图6(A-A)为水分传感器与管线连接的剖面示意图；

如图所示：16-水分传感器连接线管、20-水分传感器。

附图7为环形凸凹槽补水器部件的俯视结构示意图；

如图所示：22-环形凸凹槽补水器：23-排水阀。

附图8为下部温度控制头内安装环形凸凹槽补水器部件的结构示意图；

如图所示：22-环形凸凹槽补水器：23-排水阀、24-下部温度控制头。

具体实施方式

本发明结合实施例作进一步说明。

(1)试验前检测

按土工试验规范SL237-1999击实实验的要求，采用轻型击实试验的方法，在每层25次击实功的条件下，分三层进行击实制样测定试样土体的最优含水率和最大干密度；设计装入检测装置土样的密度为S_max*0.95,对土样按设计的要求利用喷水设备往土样上均匀地喷洒所需加水量，均匀搅拌并密封闷料24h，再向试样筒中加入土料进行制样，同时对仪器及组件进行检查，并空载运行是否正常进行判断。

(2)试样制备

将养生好的土样分六次装入试样筒，并进行制样。在装样前，将试样筒的内部涂抹一层凡士林，以减少土与内壁间的摩擦力，每次加入土体质量为10kg,按设计的击实功对土体进行击实，击实完成后每层土样的控制高度为10cm，；在每次击实中，在土体中部分别埋置温度感应器、水分传感器及盐分传感器，使其每层在同一水平面上，并位于每层土体的中部位置，把各传感器与各自的导线连接，在最后一层土样击实后，用环刀刮平试样，在试样的上部放置滤纸和特制的超薄透水石，这样一方面不影响水分的蒸发，另一方面也有利于激光测距器更加准确地测量土样在冻融循环过程中高度的变化量，减少偶然性。

(3)仪器连接

在环形凸凹槽补水器上放置滤纸与透水石，用螺丝把双层真空有机玻璃保温试样筒固定在环形凸凹槽补水器上，把下部温度控制头与下部低温恒温箱连接，环形凸凹槽补水器与变水头恒流箱连接；调整变水头恒流箱中的恒定流的挡板的高度变化水头，观察连通管中水位的高度，使补给水刚好接触试样,再把上部的温度控制头也固定在试样筒上，直接把其与上部低温恒温箱连接；连接好洒水板与流量控制器和流量瓶的管线，能够实现模拟地表水对盐渍土溶陷性的模拟；水蒸气回流槽与水分回流瓶的连接，实现水蒸气遇冷后凝结形成液体的回收，最后把温度感应器、水分传感器、盐分传感器、激光测距器、流量控制器与信息控制系统进行连接，信号经过处理后再与计算机连接，用计算机对多次冻融循环过程进行全程控制，监测并记录各影响因素的变化值。

(4)试验条件设定

试样的上端温度控制头模拟的是外界环境温度对土体的作用，一般依据当地的最低温度确定；下部温度控制头是对土体内部之间的温度模拟，实质上当外界温度发生剧烈变化时，一定深度的土体之间温度变化很小，根据试验经验，一般温度控制为+5℃；以实现气温降低时土壤温度从上部向下部逐渐变化的现象，每一次冻融循环降温过程持续24h；当降温过程结束后，调节上部的恒温箱，设定温度为当地温度的最高值，下部的恒温箱依旧设置温度为+5℃，让温度回升以模拟来年土壤温度逐渐上升的自然现象，此过程也维持24h，即48h为一个冻融循环周期。用计算机设定每半小时记录一次温度、水分、盐分及冻胀量的数值，根据监测的数据，分析经历多次冻融循环后盐渍土各影响因素及冻胀的变化规律，探究天然盐渍土的冻融循环机理。

(5)溶陷性的测定

在进行多次冻融循环后，观察盐渍土的盐胀累加性不再明显时，说明盐渍土在冻融循环过程中已达到平衡状态，对其进行盐渍土的溶陷性质研究，在研究地表水与溶陷性的关系时，通过流量控制器控制水量，每30min加入一次水，每次加水量为500g,观察每次加水后土体高度变化量与加水量之间的关系；在研究地下水位与溶陷性的关系时，通过调节变水头恒流箱中的控制板，每30min调节一次控制板，每次调节水位的增长高度为5cm,观察在地下水位升高后，土体的高度变化量，研究地下水位变化量与土体高度变化量的关系；通过研究地表水和地下水与土体高度变化之间的关系，综合分析盐渍土的溶陷性质。

(6)应用范围

1)对天然盐渍土进行冻融循环模拟，分析在冻融循环过程中温度、水分、盐分及盐冻胀与溶陷的变化规律。

2)对天然冻土进行冻融循环模拟，分析冻土在冻融循环过程中温度、水分及冻胀量的变化规律。

3)对同一土样进行多次冻融循环，分析该土体在冻胀与盐胀之间的内在联系。

4)对改良后的盐渍土进行多次冻融循环，分析改良后的土样在经历多次冻融循环后的的改良效果，判别能否满足工程建设的要求。

5)在天然盐渍土的多次冻融循环过程中，为了方便利用电镜扫描冻融循环过程中，各层的微观结构变化；可在每次冻融循环结束后，直接取样制备切片，用于观察土体的内部结构。

Claims (1)

1.一种适用于天然盐渍土的冻融循环检测装置，其特征在于：装置由上部低温恒温箱（1）、调节水位控制板（2）、变水头恒流箱（3）、连通管（4）、水分回流瓶（5）、流量瓶（6）、流量控制器（7）、固定螺丝（8）、温度感应器连接线管（9）、上部温度控制头（10）、排气孔螺丝（11）、流量连接管（12）、激光测距器（13）、洒水板（14）、水蒸气回流槽（15）、水分传感器连接线管（16）、盐分传感器连线管（17）、双层真空有机玻璃保温试样筒（18）、温度感应器（19）、水分传感器（20）、盐分传感器（21）、环形凸凹槽补水器（22）、排水阀（23）、下部温度控制头（24）、下部低温恒温箱（25）、试验台（26）、计算机（27）、信息控制系统（28）构成；

固定在试验台（26）上的检测装置的上部分别设置上部温度控制头（10）、排气孔螺丝（11）、流量连接管（12）、激光测距器（13）；其中上部温度控制头（10）连接上部低温恒温箱（1），激光测距器（13）连接信息控制系统（28），在装置上部温度控制头（10）的顶部设置的激光测距器（13）相邻之间的夹角为120°；在上部温度控制头（10）的内部设置洒水板（14）与水蒸气回流槽（15），水蒸气回流槽（15）连接水分回流瓶（5）；在均布有密集漏水孔的洒水板（14）上设置流量连接管（12），流量连接管（12）连接流量控制器（7）与流量瓶（6），其中流量控制器（7）与信息控制系统（28）连接；

固定在试验台（26）上的检测装置中部的双层真空有机玻璃保温试样筒（18）为圆柱体，在双层真空有机玻璃保温试样筒（18）的圆柱体内壁上固接塑料管，塑料管相邻之间的夹角为120°，上部温度控制头（10）的固定螺丝（8）固接圆柱体；在圆柱体内分层布设温度感应器（19）、水分传感器（20）、盐分传感器（21），其中温度感应器（19）、水分传感器（20）与盐分传感器（21）的线路分别通过温度感应器连接线管（9）、水分传感器连接线管（16）、盐分传感器连线管（17）固定在塑料管内与信息控制系统（28）连接；

固定在试验台（26）上的检测装置的下部设置环形凸凹槽补水器（22）与下部温度控制头（24），其中下部温度控制头（24）连接着下部低温恒温箱（25）；设置在环形凸凹槽补水器（22）两侧的螺丝固接双层真空有机玻璃保温试样筒（18），其中在环形凸凹槽补水器（22）内放置滤纸与透水石；环形凸凹槽补水器（22）的一端安装着排水阀（23），另一端安装着连通管（4），连通管（4）的支管上分接着变水头恒流箱（3），变水头恒流箱（3）内设置调节水位控制板（2），其中信息控制系统（28）与计算机（27）连接。