CN107727685B - 一种自平衡土体冻胀量测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡土体冻胀量测试装置及测试方法，该装置是由上部桶体及下部固定支座共同构成。上部桶体结构由透明的聚乙烯材质制作的内、外壁两层共同组成，内壁、外壁紧密粘接在一起，不发生相对滑动。桶体内壁内表面光滑，外表面较为粗糙。桶体外壁外表面呈螺旋式波纹状，且表面光滑，在桶体外壁波纹状管材的波谷内缠绕螺旋钢丝，钢丝与外壁之间能够产生相对滑动。上部桶体的顶板和底板均为轻质高强的有机玻璃材料制作，下部固定支座由轻质高强的合金材料制成。本发明试验装置结构简单，不需要单独的加压装置，操作方便，适用范围广泛。

Description

一种自平衡土体冻胀量测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种冻胀量测试装置及测试方法，尤其涉及一种对于土体进行冻胀量测试的自平衡土体冻胀量测试装置，以及使用这种测试装置对土体进行冻胀量测试的测试方法。

背景技术

冻土是一种温度低于0 ℃且含有冰的土岩。根据冻结状态持续时间不同,可把冻土划分为三类，即瞬时冻土、季节性冻土和多年冻土。季节性冻土广泛分布在世界各大洲和中国的大部分国土，我国季节性冻土占国土面积的53.5％。国内外已有的大量工程实践和研究结果表明,冻胀作用是季节性冻土区各种工程产生冻害的重要原因，特别是对铁路、公路等线性工程，季节性冻土的冻胀引起工程的破坏会更加剧烈，影响铁路、公路等工程的使用质量，降低其使用寿命。

冻胀是土体在一定含水量下、当温度降到零度以下，土体孔隙中的结合水迁移积聚至冻结锋面处，凝结成冰，土体体积增大，产生向外的作用力。不同土质在不同的含水量情况下，其冻胀值是不同的。在修筑路基之前需要对其所处地区土体的冻胀量进行测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种自平衡土体冻胀量测试装置，该装置适用于各种土体冻胀量，结构简单，操作方便，适用范围广泛。

本发明的另一个目的是提供这种测试装置的测试方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

一种自平衡土体冻胀量测试装置，包括有双层桶体，桶体底部嵌套在固定支座中；

所述的桶体包括有内壁和外壁，内壁、外壁紧密粘接在一起，桶体内壁内表面光滑，外表面粗糙，桶体外壁外表面呈螺旋式波纹状，且表面光滑，在桶体外壁波纹状管材的波谷内缠绕螺旋钢丝，钢丝与外壁之间能够产生相对滑动，内壁和外壁的顶端设有与桶壁紧密接触的有机玻璃顶板，沿桶身高度方向上，在桶内、外壁相应高度位置上留设四个测温孔，埋设在土体中的热电偶温度传感器通过导线与外部采集仪连接，在靠近桶体顶部的桶壁上，沿周长方向均匀地设有五个内补水口，与内补水口相连的补水管路终端与一体积恒定的水压槽相连接，在每个补水管路上均安装液体涡轮流量计，桶体的底板上沿周长环形设置三个内排气口，在靠近底板圆心处，上下对称布置两个外排水口，外排水口设有阀门，固定支座在相应位置处预留有孔洞，固定支座上设有三个螺栓孔，用以连接三个固定螺杆作为支撑。

所述的四个热电偶测温孔上下均匀布置，第一个热电偶测温孔设置在自固定支座上边缘起150mm处，相邻热电偶测温孔之间间距为150mm。

所述的内补水口设置在靠近桶体顶部下方100mm处的内壁、外壁上。

所述固定支座采用合金材料制成，其内径与外桶体外径相同，侧壁厚度为10mm，高度为200mm。

所述的外排水口直径为50mm。

所述固定支撑为固定螺杆，固定螺杆和固定支座的直径均为50mm。

所述的桶体内、外壁均由透明的聚乙烯材质制成。桶体内、外壁等高，高度为1000mm，桶体外径为800mm，双层桶壁共20mm厚。

所述的内排气口的直径为10mm。

所述的补水管路由橡胶材质制成。

一种自平衡土体冻胀量测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）先将桶体放置在固定支座上，并置于室外自然环境中，在桶内壁底部放置一张圆形薄滤纸，将土样从顶部装入桶体内，使其自由滑落到底部；

（2）把螺旋钢丝沿着桶体外壁波纹状条纹的波谷紧密缠绕，并且将靠近桶体顶端处的螺旋钢丝一端固定，并用记号笔记录螺旋钢丝另一端靠近桶体底端处的位置；

（3）沿桶壁留设的测温孔插入热电偶温度传感器，接通桶壁上的内补水管路，供水并排除桶内气泡，调节供水装置；

（4）通过进水口与排水口来控制土体内的含水量，使用液体涡轮流量计记录土体进水量，并通过电脑终端记录温度数据；

（5）当土体发生冻胀时，桶体体积增大，紧密缠绕在桶体外壁的螺旋钢丝下端将产生移动，与记录的初始位置相比，可以测得钢丝最终产生的滑移量

；

（6）通过下述公式（1）和（2），计算得到土体的冻胀量：

（1）

（2）

公式（1）中，

为螺旋钢丝缠绕的圈数；/>

为每一圈螺旋钢丝缠绕处的桶体（平面近似为圆形）外径增长量；

公式（2）中，

为每相邻两圈螺旋钢丝间的竖向距离；/>

为土体冻胀时的体积增长量。

本发明所具有的优点与有益效果是：

本发明一种自平衡土体冻胀量测试装置，该装置适用于各种土体冻胀量，结构简单，不需要单独的加压装置，操作方便，适用范围广泛。由于桶体的内壁、外壁紧密粘接在一起，不会发生相对滑动。桶体内壁内表面光滑，外表面较为粗糙，有利于内、外壁间的粘结。桶体外壁外表面呈螺旋式波纹状，且表面光滑，在桶体外壁波纹状管材的波谷内缠绕螺旋钢丝，钢丝与外壁之间能够产生相对滑动。由于桶体底部嵌固在下部固定支座上，两者之间不发生相对移动。

本发明一种自平衡土体冻胀量测试方法有效解决了季节性冻结土壤的冻胀量测试问题，方便对土体在不同温度下冻胀量的实时测量。

附图说明

图1为本发明一种自平衡土体冻胀量测试装置的主视图；

图2为桶体的主视图；

图3为桶内壁的左视图；

图4为桶外壁的左视图；

图5为固定支座的主视图；

图6为固定支座的俯视图。

图中：1顶板、2内补水口、3内壁、4外壁、5内排气口、6固定支撑、7阀门、8底板、9外排水口、10固定支座、11热电偶测温孔、12补水管路、13液体涡轮流量计、14螺旋钢丝、15桶体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述：

如图1所示：一种自平衡土体冻胀量测试装置，包括有双层透明的聚乙烯材质制成的桶体15与合金材料制成的固定支座10，桶体底部嵌套在固定支座中；

如图2所示，桶体15包括有内壁3和外壁4，内壁、外壁紧密粘接在一起，桶体内壁内表面光滑，外表面粗糙，桶体外壁外表面呈螺旋式波纹状，且表面光滑，在桶体外壁波纹状管材的波谷内缠绕螺旋钢丝，钢丝与外壁之间能够产生相对滑动，内壁和外壁的顶端设有与桶壁紧密接触的有机玻璃顶板1。沿桶身高度方向上，在桶内、外壁相应高度位置上留设四个测温孔11，用于埋设在土体中的热电偶温度传感器通过导线与外部采集仪连接。在靠近桶体15顶部下方100mm处的内壁3、外壁4上，沿周长方向均布地设有五个内补水口2，与内补水口2相连的补水管路12终端与一体积恒定的水压槽相连接。此外，在每个补水管路上均安装液体涡轮流量计13。

如图3所示，在桶体15的底板8上靠近圆心处，上下对称布置两个外排水口9，外排水口下设有阀门7。沿着底板8的周长方向，均匀设置三个内排气口5。

如图4所示，在桶体15的外壁4表面上，紧密缠绕螺旋钢丝14。

如图5、6所示，所述固定支座10采用合金材料制成，其内径与外桶体外径相同，侧壁厚度为10mm，高度为200mm。固定支座中心预留有部分孔洞，以便当上部桶体与支座嵌固时桶体内排气口5与外排水口9通过。固定支座上还设有三个螺栓孔，连接三个固定支撑6，用以稳定该测试装置。

所述固定支撑为固定螺杆，固定螺杆和支座的直径均为50mm。固定螺杆具有足够的强度来保证固定支座和上部桶体之间不产生相对位移，固定支座能够支撑整个上部桶体和土样的总重量，并使得桶体离开地面一定高度。

所述的桶体内、外壁均由透明的聚乙烯材质制成。桶体内、外壁等高，高度为1000mm。桶体外径为800mm，双层桶壁共20mm厚。

在靠近所述桶体顶部下方100mm处的内、外壁上，沿周长方向均布地设有五个内补水口，与内补水口相连的补水管路终端还连接一体积恒定的水压槽。所述的补水管路由橡胶材质制成。

所述的四个热电偶测温孔11上下均匀布置，第一个热电偶测温孔设置在自固定支座上边缘起150mm处，相邻热电偶测温孔11之间间距为150mm。

所述桶体的底板上，沿圆周方向上均匀地留设3个直径为10mm的内排气口。

所述桶体的底板上，靠近中心处，上下对称地设有两个直径为50mm的外排水口，且下部配有阀门，用以控制通体的出水量。

一种自平衡土体冻胀量测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）先将桶体放置在固定支座上，并置于室外自然环境中。在桶内壁底部放置一张圆形薄滤纸，将土样从顶部装入桶体内，使其自由滑落到底部；

（2）把螺旋钢丝沿着桶体外壁波纹状管材的波谷紧密缠绕，并且将靠近桶体顶端处的螺旋钢丝一端固定，并用记号笔记录靠近桶体底端处的螺旋钢丝另一端的位置。

（3）沿桶壁留设的测温孔插入热电偶温度传感器，接通桶壁上的内补水管路，供水并排除桶内气泡，调节供水装置；

（4）通过进水口与排水口来控制土体内的含水量，使用液体涡轮流量计记录土体进水量，并通过电脑终端记录温度数据；

（5）当土体发生冻胀时，桶体体积增大，紧密缠绕在桶体外壁的螺旋钢丝下端将产生移动，与记录的初始位置相比，可以测得钢丝最终产生的滑移量

。

(6)在此基础上，通过下述公式（1）和（2），即可计算得到土体的冻胀量。

（1）

（2）

公式（1）中，

为螺旋钢丝缠绕的圈数。/>

为每一圈螺旋钢丝缠绕处的桶体（平面近似为圆形）外径增长量。

公式（2）中，

为每相邻两圈螺旋钢丝间的竖向距离。/>

为土体冻胀时的体积增长量。

本发明所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的限制，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自平衡土体冻胀量测试装置，其特征在于：包括有双层桶体，桶体底部嵌套在固定支座中；

所述的桶体包括有内壁和外壁，内壁、外壁紧密粘接在一起，桶体内壁内表面光滑，外表面粗糙，桶体外壁外表面呈螺旋式波纹状，且表面光滑，在桶体外壁波纹状管材的波谷内缠绕螺旋钢丝，钢丝与外壁之间能够产生相对滑动，内壁和外壁的顶端设有与桶壁紧密接触的有机玻璃顶板，沿桶身高度方向上，在桶内、外壁相应高度位置上留设四个热电偶测温孔，埋设在土体中的热电偶温度传感器通过导线与外部采集仪连接，在靠近桶体顶部的桶壁上，沿周长方向均匀地设有五个内补水口，与内补水口相连的补水管路终端与一体积恒定的水压槽相连接，在每个补水管路上均安装液体涡轮流量计，桶体的底板上沿周长环形设置三个内排气口，在靠近底板圆心处，上下对称布置两个外排水口，外排水口设有阀门，固定支座在相应位置处预留有孔洞，固定支座上设有三个螺栓孔，用以连接三个固定螺杆作为支撑。

2.根据权利要求1所述的一种自平衡土体冻胀量测试装置，其特征在于：所述的四个热电偶测温孔上下均匀布置，第一个热电偶测温孔设置在自固定支座上边缘起150mm处，相邻热电偶测温孔之间间距为150mm。

3.根据权利要求1所述的一种自平衡土体冻胀量测试装置，其特征在于：所述的内补水口设置在靠近桶体顶部下方100mm处的内壁、外壁上。

4.根据权利要求1所述的一种自平衡土体冻胀量测试装置，其特征在于：所述固定支座采用合金材料制成，其内径与外桶体外径相同，侧壁厚度为10mm，高度为200mm。

5.根据权利要求1所述的一种自平衡土体冻胀量测试装置，其特征在于：所述的外排水口直径为50mm。

6.根据权利要求1所述的一种自平衡土体冻胀量测试装置，其特征在于：所述固定支撑为固定螺杆，固定螺杆和固定支座的直径均为50mm。

7.根据权利要求1所述的一种自平衡土体冻胀量测试装置，其特征在于：所述的桶体内、外壁均由透明的聚乙烯材质制成，桶体内、外壁等高，高度为1000mm，桶体外径为800mm，双层桶壁共20mm厚。

8.根据权利要求1所述的一种自平衡土体冻胀量测试装置，其特征在于：所述的内排气口的直径为10mm。

9.根据权利要求1所述的一种自平衡土体冻胀量测试装置，其特征在于：所述的补水管路由橡胶材质制成。

10.一种自平衡土体冻胀量测试装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)先将桶体放置在固定支座上，并置于室外自然环境中，在桶内壁底部放置一张圆形薄滤纸，将土样从顶部装入桶体内，使其自由滑落到底部；

(2)把螺旋钢丝沿着桶体外壁波纹状条纹的波谷紧密缠绕，并且将靠近桶体顶端处的螺旋钢丝一端固定，并用记号笔记录螺旋钢丝另一端靠近桶体底端处的位置；

(3)沿桶壁留设的测温孔插入热电偶温度传感器，接通桶壁上的内补水管路，供水并排除桶内气泡，调节供水装置；

(4)通过进水口与排水口来控制土体内的含水量，使用液体涡轮流量计记录土体进水量，并通过电脑终端记录温度数据；

(5)当土体发生冻胀时，桶体体积增大，紧密缠绕在桶体外壁的螺旋钢丝下端将产生移动，与记录的初始位置相比，测得钢丝最终产生的滑移量Δl；

(6)通过下述公式(1)和(2)，计算得到土体的冻胀量：

Δl＝n×π×Δd (1)

公式(1)中，n为螺旋钢丝缠绕的圈数；Δd为每一圈螺旋钢丝缠绕处的桶体外径增长量；

公式(2)中，s为每相邻两圈螺旋钢丝间的竖向距离；ΔV为土体冻胀时的体积增长量。

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