CN103969282A - 一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，包括向装置中通入冷冻液的冻结底板，架设在冻结底板上，盛装土样的对开式土样腔，盖设在对开式土样腔顶部的顶盖，设置在对开式土样腔内压紧土样用的土样盖板，连接补水装置，向土样中加水的补水连接管，连接在顶盖及冻结底板之间的支架。与现有技术相比，本发明结构简单，便于操作，为人工地层冻结法施工提供一定的依据。

Description

一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是涉及一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置。

背景技术

人工地层冻结法是随着人工制冷技术的发展而产生的一种较好的地层加固技术。人工地层冻结法即在预加固土体四周布置冻结管，通过管内低温冷媒剂的循环，向地层连续或间断供冷，使地层中的水结冰，将天然岩土转变为人工冻土，加固软弱地层，隔绝地下水与地下工程的联系，在冻结壁的保护下进行掘进和衬砌。人工地层冻结法最早由德国工程师F.H.Poetech于1883年应用于矿井开凿，之后被逐渐应用于其他地下工程。20世纪90年代以来，我国东南沿海地区开始大规模地开发利用地下空间，由于这一地区软黏土分布较广，为地下施工带来极大不便，人工地层冻结法以其冻土强度高、隔水性好等优点而逐渐被广泛应用。

然而，人工地层冻结法施工也对环境带来了许多不利影响。对于粉土及黏性土，施工过程中，土层中水分迁移而形成分凝冰层，产生冻胀，造成地面上鼓、道路开裂；施工结束后，土层中冰融化，由于土体结构受到破坏，产生融沉而引起不均匀沉降，使得地铁轨道不平顺、周边建筑物开裂，影响地铁运营安全及周围建筑物的使用安全。因此研究人工土层冻结法施工过程中的温度分布规律、水分迁移规律以及冻胀融沉规律是很有必要的。

目前，在人工地层冻结法研究领域，尚无综合研究如上所述规律的相关试验装置。申请号为201110387899.3的中国专利公开了深部土冻融过程测试系统，其结构特征是控温箱与外部冷浴相接，控温箱内，耐高压的有机玻璃筒体置于可控温的钢制底座上，底座上开有两个小孔，一个接导水管，另一个接压力调节管。下底座上部依次放置透水石、滤纸、试样，并在试样中安装温度传感器。试样上部放置可控温的上压头。上压头上开有出线孔，引出线后用密封胶密封。上压头将与试验机传力杆相接。通过导水管将量筒与试样连接。量筒置于称重传感器上，并通过支架固定。该发明能较为系统的研究深部土的冻融过程，获得不同深度的深部土在不同温度梯度作用下冻结时冻胀率及吸、排水率的大小。与此专利相比，本发明重在研究应用人工地层冻结法的浅部土体的温度场分布、水分迁移及变形规律，因而冻结板设置于装置底部，而补水装置与变形量测装置则设置于上部，可以很好地符合工程实践。本发明结构简单，操作方便且可以得到较精确的结果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种研究人工冻融土温度场、水分迁移及变形规律的试验装置，可以模拟多种土质的土体在不同冻结温度下的冻融过程，为研究土体冻胀融沉规律、温度场分布规律、水分迁移规律、分凝冰层形成规律、土中应力(包括土压力、超孔隙水压力)的变化规律等提供便利。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，包括向装置中通入冷冻液的冻结底板，架设在冻结底板上，盛装土样的对开式土样腔，盖设在对开式土样腔顶部的顶盖，设置在对开式土样腔内压紧土样用的土样盖板，连接补水装置，向土样中加水的补水连接管，连接在顶盖及冻结底板之间的支架。

所述的冻结底板由上下两部分组成，下部为扁圆柱形，内部开有环形槽，并设进口及出口，冷冻液从进口流入，沿环形槽流动后从出口流出，上部为覆盖环形槽的盖板，上下两部分由螺钉连接并设有橡胶垫密封。

所述的环形槽外周还设有密封槽，该密封槽内加入密封圈使底板与土样腔完全密封，密封槽的内边界与所述的盖板重合。

所述的对开式土样腔的材质为透明有机玻璃，分为两个半圆腔，其中一个半圆腔沿竖直方向设置可使电热偶通过该孔插入土体采集温度的小孔，两半圆腔经外部套设的环箍合为一体。

所述的顶盖的直径与底板相同，在与底板密封槽对应位置设置一密封槽，该密封槽内置有密封圈，使顶盖与土样腔完全密封。

所述的顶盖中心设有使连杆通过的圆孔，所述的连杆下部为圆弧形，抵接在土样盖板上，上端部直径较大，承接位移传感器。

所述的土样盖板上开设有使传感器接线通过的孔洞，土样盖板的中心设有一弧形凹槽，使连杆下端放入以测定冻胀、融沉，靠近中心孔位置设置连接补水连接管的螺纹孔。

所述的土样盖板的上部为金属盖板，下部为透水石，经粘合剂相连。

所述的补水连接管经相互连接的橡胶管及滴定管连接补水装置。

与现有技术相比，本发明在试验过程中的任何时刻，可将土样腔取下，从与温度传感器对应位置取样测量含水率，从而可得到土样中水分迁移规律。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1.本发明中的冻结底板下部采用环形槽，可使冷冻液由中心向四周均匀流动，使底板中气体充分排出，保证冷量在地板面上均匀分布，使得试验结果更加准确。将底板设置为上下两部分，可以方便仪器制作，并可在冷冻液流动出现异常后拆卸，检查其内部是否有杂物。

2.本发明中土样腔设置为对开式，可以方便土样装卸，含水率试验土样的取样；土样腔壁设置温度传感器小孔，可以准确定位温度监测位置，并在取含水率试验土样时有一个高度标志，使温度监测点和含水率测试点相对应。

3.本发明中土样盖板由两部分组成，其作用有三：一，上部采用金属材质，可以方便设置放置连杆端部的凹槽，并开设连接补水连接管的螺纹孔，而下部透水石并不在此孔对应位置开设孔洞，使得土样上部覆盖物较为完整，不会使土样挤出；二，下方设置透水石可以很容易饱和，在试验中可以使土样上部各处得到均匀的水分补充；三，透水石的导热性较差，可以减小环境温度对土样温度场分布的影响。

4.本发明的顶盖设置一个连杆，其上部直径较大，使其不仅可以连接位移传感器，还可以将装置置于反力装置中，通过测力环与连杆接触测量冻胀力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为冻结底板的俯视结构示意图；

图3为图2中A-A面的剖视结构示意图；

图4为图2中B-B面的剖视结构示意图。

图中，1为冻结底板下部；2为冻结底板上部；3为密封圈；4为对开式土样腔；5为热电偶；6为顶盖；7为连杆；8为金属盖板；9为透水石；10为支架；11为环箍；12为进口；13为出口；14为环形槽；15为补水连接管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其结构如图1-4所示，包括向装置中通入冷冻液的冻结底板，架设在冻结底板上，盛装土样的对开式土样腔4，盖设在对开式土样腔4顶部的顶盖6，设置在对开式土样腔4内压紧土样用的土样盖板，连接补水装置，向土样中加水的补水连接管15，以及连接在顶盖6及冻结底板之间的支架10。

冻结底板材质选取为高强铝合金，由冻结底板下部1以及冻结底板上部2两部分粘合而成。冻结底板下部1为扁圆柱形，外径为20cm，内部开有环形槽14，并设有进口12及出口13，冷冻液可从进口12流入，沿环形槽14流动后从出口13流出；环形槽14外一周为密封槽，其内径12cm，其内加入密封圈3后可使得冻结底板与土样腔完全密封；密封圈3的外部设置四个对称的螺纹孔。冻结底板上部2为一盖板，直径12cm，可将环形槽14覆盖，外边界为与密封槽内边界重合，并使用粘合剂与冻结底板下部1粘合。

对开式土样腔4的材质选取透明有机玻璃，内径12cm，厚度与密封槽的厚度相等，可分为两个半圆腔，方便装样及取样。其中一个半圆腔沿竖直方向每隔2cm设置一个直径2mm的小孔，可使电热偶5通过该孔插入土体采集温度。试验时将削好的土样放入土样腔的一个半圆壁中，将另一半腔体合于土样之上，用环箍11将两半圆腔合为一体进行试验。

顶盖6材质选取为高强铝合金，直径为与冻结底板直径相同，为20cm，并在与冻结底板的密封槽对应位置同样设置一密封槽，其内置有密封圈，使顶盖与土样腔完全密封。在与冻结底板对应位置同样设置四个对称的孔洞。顶盖中心设有直径为1cm的圆孔，可使连杆7通过。另外，顶盖6根据试验需要开设若干孔洞，可使传感器接线通过。

连杆7的材质选取为铝合金，其下部为圆弧形，上部连接一直径为2cm的端部用于承接位移传感器。土样盖板的上部材质选取为铝合金的金属盖板8，下部为透水石9，二者通过粘合剂相连，盖板上根据试验要求开设若干孔洞，可使传感器接线通过。在金属盖板8的中心设有一弧形凹槽，将连杆7下端放入，便于冻胀、融沉的测定；靠近中心孔位置设一螺纹孔，将补水连接管15旋于其中。补水装置由橡胶管连接滴定管与补水连接管15连接，从而向土样补水。

支架10材质选取为为高强铝合金，上下端均有螺纹，下端可以旋转入冷冻底板的螺纹孔中，上端穿过顶板孔洞，由螺母固定。

在试验过程中的任何时刻，可将土样腔取下，从与温度传感器对应位置取样测量含水率，从而可得到土样中水分迁移规律。

试验过程中，将削好的某地软黏土试样装入土样腔中，在土样上下各贴一滤纸，箍紧环箍，置于冻结底板之上，插入温度传感器；依次安装好土样盖板、顶盖、位移传感器；由于黏土层渗透性差，选择不进行补水。将各传感器均与采集仪相连，通过计算机软件进行读数。在土样腔外壁包裹一层保温材料，防止冷量耗散，保持试验环境温度为16℃，即取样土层的平均温度，将-20℃的冷冻液通入冻结底板，开始冻结。当土样中各点温度稳定不再变化，再保持冻结一段时间后，停止通入冷冻液，开始解冻。通过计算机不间断读数，可以得到在冷端温度为-20℃时，土样各时刻的温度场分布，以及融化过程中的温度场分布，并可通过计算温度梯度判断土样中冻结速率的变化规律。位移传感器可以检测到冻融过程中土样高度的变化，得出土样的冻胀融沉规律。当土样融化后，对试验后土样的含水量进行分层测定，取样处分别与各温度传感器对应，可得到土样冻融后含水量沿土样高度的分布情况。调节冷冻液温度，可以得到不同冻结温度对土体变形的影响。人工冻结法施工中，土中温度场分布和水分场分布及其相互耦合是影响土体冻胀融沉变形机理的关键因素，因此本发明可以为地铁隧道不均匀变形，地面不均匀沉降的研究提供一定的便利。

Claims (9)

1.一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其特征在于，该装置包括向装置中通入冷冻液的冻结底板，架设在冻结底板上，盛装土样的对开式土样腔，盖设在对开式土样腔顶部的顶盖，设置在对开式土样腔内压紧土样用的土样盖板，连接补水装置，向土样中加水的补水连接管，连接在顶盖及冻结底板之间的支架。

2.根据权利要求1所述的一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其特征在于，所述的冻结底板由上下两部分组成，下部为扁圆柱形，内部开有环形槽，并设进口及出口，冷冻液从进口流入，沿环形槽流动后从出口流出，上部为覆盖环形槽的盖板，上下两部分由螺钉连接并设有橡胶垫密封。

3.根据权利要求2所述的一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其特征在于，所述的环形槽外周还设有密封槽，该密封槽内加入密封圈使底板与土样腔完全密封，密封槽的内边界与所述的盖板重合。

4.根据权利要求1所述的一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其特征在于，所述的对开式土样腔的材质为透明有机玻璃，分为两个半圆腔，其中一个半圆腔沿竖直方向设置可使电热偶通过该孔插入土体采集温度的小孔，两半圆腔经外部套设的环箍合为一体。

5.根据权利要求3所述的一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其特征在于，所述的顶盖的直径与底板相同，在与底板密封槽对应位置设置一密封槽，该密封槽内置有密封圈，使顶盖与土样腔完全密封。

6.根据权利要求1所述的一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其特征在于，所述的顶盖中心设有使连杆通过的圆孔，所述的连杆下部为圆弧形，抵接在土样盖板上，上端部直径较大，承接位移传感器。

7.根据权利要求6所述的一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其特征在于，所述的土样盖板上开设有使传感器接线通过的孔洞，土样盖板的中心设有一弧形凹槽，使连杆下端放入以测定冻胀、融沉，靠近中心孔位置设置连接补水连接管的螺纹孔。

8.根据权利要求6或7所述的一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其特征在于，所述的土样盖板的上部为金属盖板，下部为透水石，经粘合剂相连。

9.根据权利要求7所述的一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，其特征在于，所述的补水连接管经相互连接的橡胶管及滴定管连接补水装置。