CN105973746A - 冻土未冻水含量的测试装置及测试方法 - Google Patents

冻土未冻水含量的测试装置及测试方法 Download PDF

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彭全敏
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尚军
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Abstract

本发明提供一种冻土未冻水含量的测试装置，该测试装置包括有通过螺纹相互拧接的分离式试管和未冻水收集部分，分离式试管包括有冻土试样区、透水装置和试管盖，冻土试样区通过透水装置作为底部的空心柱状管体。同时提供一种利用冻土未冻水含量的测试装置的测试方法。有益效果是弥补了离心机在冻土领域应用上的空白，通过利用离心机的向心力把冻土中的未冻水排出,从而得到冻土未冻水的含水量，最后得到冻土试样的未冻水含量与时间对数和加速度对数的特征曲线。该测试装置及其测试方法应用于工程实践中，可以更快捷、更准确的测算出冻土试样的未冻水含量。准确而快速测定未冻水含量对于工程具有重大理论意义和工程实用价值。

Description

冻土未冻水含量的测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种冻土未冻水含量的测试装置及测试方法，主要应用于天然冻土和人工冻土未冻水含量的测试。
背景技术
20世纪中叶以来许多国家把开发地下空间作为一项国策，并且取得了卓越成果。我国也越来越重视地下空间的开发利用。随着我国社会经济的高速发展，地下工程建设向更深更难的条件下拓展，富含水的困难地质条件日益增多，为人工地层冻结法的应用提供了广阔的空间。未冻水贯穿于冻土体系整个的物理力学状态变化过程。未冻水含量的变化影响着冻土的热学特性、水力特性以及力学性质，是影响冻土强度的重要因素，是冻结法施工过程中必须考虑的重要因素。未冻水含量准确测定对于工程具有重大意义。
目前，冻土未冻水含量的测试方法有基于能量守恒原理的热量法、基于土壤的介电常数与体积含水率函数的时域反射仪(TDR)法、基于土壤对射线的吸收强度与其重度和水分含量的线性关系的计算机析识别技术(CT)法、基于不同状物理化学状态的氢核在射频场的干扰产生不同的豫驰时间(T2)的核磁共振仪(NMR)法。这些方法存在的如下问题：试验仪器设备价值昂贵，并非所有普通高等院校都有能力配备相关试验仪器；有些试验的测试原理或测试方法对测试人员的理论基础知识或相关试验仪器操作有一定的技术要求，这对测试过程的顺利进行带来了一定的难度；有些测试方法所持续的时间太长，难以满足建筑工程设计和施工的需要。因此，积极开展冻土未冻水含量的简易方法研究，具有重要的的理论基础和工程实用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，为使普通高校实验室和施工设计单位利用简单的测试装置及测试方法就能快速准确的测算出冻土未冻水含量。为此，本发明提供了一种冻土未冻水含量的测试装置及测试方法，该方法操作简单，结果准确，满足科研和工程实际的需要。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种冻土未冻水含量的测试装置，该测试装置置于离心机的分离式试管放置区中，其中：该测试装置包括有分离式试管和未冻水收集部分；所述分离式试管包括有试管盖、冻土试样区、透水装置；所述分离式试管通过螺纹与未冻水收集部分相互拧紧连接组合在一起；冻土试样区通过透水装置作为底部的空心状管体，所述透水装置为透水石层。
同时提供一种利用所述冻土未冻水含量的测试装置的测试方法。
本发明的效果是弥补了离心机在冻土领域应用上的空白，通过利用离心机的向心力把冻土中的未冻水给排出来,从而得到未冻水的质量，最后得到冻土试样的未冻水含量与时间对数和加速度对数的特征曲线。将该装置及其测试方法应用于工程实践中，可以更快捷、更准确的测算出冻土试样的未冻水含量。因此，研发冻土未冻水的的测试装置及测试方法具有重大理论意义和工程实用价值。
附图说明
图1本发明的冻土未冻水含量的测试装置结构示意图；
图2本发明的分离式试管和未冻水收集部分示意图；
图3本发明的冻土试样1在各级加速度下冻土未冻水含量与时间对数变化的曲线；
图4本发明的冻土试样1的冻土未冻水含量与加速度对数的变化曲线。
图中：
1.离心机 2.离心机盖板 3.分离式试管放置区
4.离心机控制面板 5.离心机动力装置 6.分离式试管
7.试管盖 8.冻土试样区 9.透水装置
10.螺纹 11.未冻水收集部分
具体实施方式
下面结合具体冻土试样对本发明的冻土未冻水含量的测试装置及测试方法做进一步的详细阐述。
本发明的原理是：将冻土试样通过特制试管放在离心机内，控制离心机的内部温度使试管在设定下的环境下工作，从而保持冻土试样所处的现场冻结温度不变；通过设置离心机的加速度，使冻土未冻水在向心力的作用下排出来，从而得出冻土未冻水含量，最后根据试验数据，绘出冻土未冻水含量与时间对数和加速度对数的特征曲线。
本发明的冻土未冻水含量的测试装置，该测试装置置于离心机的分离式试管放置区中，该测试装置包括有分离式试管6和未冻水收集部分11；所述分离式试管6包括有试管盖7、冻土试样区8、透水装置9；所述分离式试管6通过螺纹10与未冻水收集部分11相互拧紧连接组合在一起；冻土试样区8通过透水装置9作为底部的空心状管体，所述透水装置9为透水石层。所述分离式试管6的高度为40mm，直径为65mm；所述未冻水收集部分11的高度为20mm，直径为65mm。
本发明的利用所述冻土未冻水含量的测试装置的测试方法具体试验步骤如下：
1、用内径为61.8mm高为20mm的不锈钢环刀取现场原状土，制备四个冻土试样，并分别编号。试验试样为天津粘土。
2、保持冻土试样的现场的冻结温度，冻结温度控制在-5℃的恒温。
3、在制备冻土试样前先测得分离式试管6和不锈钢环刀的总质量分别为61.66g、61.88g、61.32g、61.80g；然后将四个冻土试样连同环刀分为装入分离式试管6的冻土试样区8中，合上试管盖7，并测其总质量分别为70.77g、71.03g、70.51g、70.98g。
4、将分离式试管6的底部透水装置9和未冻水收集部分11通过螺纹10结合在一起后放入离心机1内的分离式试管放置区3中，合上离心机盖板2，通过离心机1的控制面板4设置离心机1内部的制冷温度，使其在-5℃的温度环境下工作。
5、设置离心机1的加速度从而控制离心机1的动力装置5，加速度的等级一般为：5g、10g、25g、50g、100g、200g、400g、800g、1600g。
6、开动离心机1，以便冻土试样在上述每个加速度等级下分离出未冻水，在分别施加各等级加速度1min、2min、5min、10min、20min、40min、60min、120min、240min、480min、600min、720min时，分别测量分离式试管6、冻土试样和不锈钢环刀的总质量mi；通过计算得出：表1为冻土试样1在加速度5g时对应时间的未冻水含量，表2为冻土试样1在不同加速度下的最终未冻水含量。
7、通过测算出冻土试样在各级加速度下对应时间冻土未冻水含量后，绘出冻土未冻水含量与时间对数变化的特征曲线，曲线图如图3所示；通过测算出冻土试样在各级加速度下的最终未冻水含量后，绘出冻土未冻水含量与加速度对数变化的特征曲线，曲线图如图4所示。
表1冻土试样1在加速度5g时对应时间的未冻水含量
注：t—时间；
mi—冻土试样、环刀和分离式试管总质量；
mw—未冻水质量；
ω—冻土未冻水含水量。
表2冻土试样1在各级加速度下的最终未冻水含量
注：g—加速度；
mi—冻土试样、环刀和分离式试管总质量；
mw—未冻水质量；
ω—冻土未冻水含水量。

Claims (4)

1.一种冻土未冻水含量的测试装置，该测试装置置于离心机的分离式试管放置区中，其特征是：该测试装置包括有分离式试管(6)和未冻水收集部分(11)；所述分离式试管(6)包括有试管盖(7)、冻土试样区(8)、透水装置(9)；所述分离式试管(6)通过螺纹(10)与未冻水收集部分(11)相互拧紧连接组合在一起；冻土试样区(8)通过透水装置(9)作为底部的空心状管体，所述透水装置(9)为透水石层。
2.根据权利要求1所述冻土未冻水含量的测试装置，其特征是：所述分离式试管(6)的高度为40mm，直径为65mm；所述未冻水收集部分(11)的高度为20mm，直径为65mm。
3.利用所述冻土未冻水含量的测试装置的测试方法，该方法包括以下步骤：
(1)用内径为61.8mm高为20mm的不锈钢环刀取现场原状土，制备四个冻土试样，并分别编号；
(2保持冻土试样的现场冻结温度，温度可控制范围为-20℃～0℃；
(3)在制备冻土试样之前先测得不锈钢环刀和分离式试管(6)的质量m0，然后将已制备冻土试样放于分离式试管(6)中，合上试管盖7后称量此时冻土试样、不锈钢环刀和分离式试管(6)的总质量m1；
(4)将分离式试管(6)的底部透水装置(9)和未冻水收集部分(11)通过螺纹(10)结合在一起后放入离心机(1)内的分离式试管放置区(3)中，合上离心机盖板(2)，通过离心机(1)的控制面板4设置离心机(1)内部的制冷温度，使其在-20℃～0℃的温度环境下工作；
(5)设置离心机(1)的加速度从而控制离心机(1)的动力装置(5)，加速度的等级一般为：5g、10g、25g、50g、100g、200g、400g、800g、1600g；
(6)开动离心机(1)，以便冻土试样在上述每个加速度等级下分离出未冻水，在分别施加各等级加速度1min、2min、5min、10min、20min、40min、60min、120min、240min、480min、600min、720min时，分别测量分离式试管(6)、冻土试样和不锈钢环刀的总质量mi，算出此时冻土试样的含水量，得出冻土未冻水的含水量与加速度的曲线关系，各级加速度条件下冻土未冻水的含水量的计算公式为：
ω = m 1 - m i m i - m 0 × 100 %
式中，ω—冻土未冻水含水量(％)，精确至0.1％；
m1—冻土试样、不锈钢环刀和分离式试管的总质量(g)，精确至0.01g；
mi—施加加速度至预定时间后冻土试样、不锈钢环刀和分离式试管的总质量(g)，精确至0.01g；
m0—分离式试管和不锈钢环刀的质量(g)，精确至0.01g。
4.根据权利要求3所述利用所述冻土未冻水含量的测试装置的测试方法，其特征是：所述步骤(1)测试冻土土样的规格为61.8×20mm。
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