CN107907655A - 多功能冻土复杂边界融沉系数测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多功能冻土复杂边界融沉系数测定仪。本发明解决了下述问题：因为冻土的融沉性评价是工程地质勘察的主要内容之一,融沉性分类等资料是冻土地基设计施工的重要依据，目前多采用冻土融沉系数来判断该土壤的融沉状况，而受时间、成本的影响难以在现场进行融沉试验，因此需要在实验室通过模型试验来测定融沉系数。本发明由加载系统、数据采集系统、制冷系统、热循环系统、取样装置组成。本实验相较于现场融沉试验，具有结构简单、成本低、节省时间、功能多等优点，并且不受时间、地点的限制，方便研究人员对现场冻土进行评估。

Description

多功能冻土复杂边界融沉系数测定仪

技术领域

本专利涉及模型试验和人工冻土工程，具体说是通过模型试验方法将现场冻土的基本物理现象(冻土的冻胀与融沉、融沉后的受力变化情况、融沉系数)，按一定几何比进行设计从现场取样，模拟在同等边界条件下的室内试验(冻土融沉试验)，得出融沉系数，对该土样进行评估以及决定现场施工方案。

背景技术

模型试验方法是将体现在现场原型上的基本物理力学现象，按一定几何比进行设计，在模拟同等的边界条件下进行室内试验。以尽可能小的人力、物力、财力，从本质上掌握现场实际物理、力学现象。

冻土即温度低于0℃的土或岩石。我国多年冻土区的分布面积约占国土面积的21.5％且含有大面积的季冻区，而冻土的融沉会对建筑物以及道路、铁路等造成巨大的危险，目前多采用冻土融沉系数来判断该土壤的融沉状况。而目前市面上并没有直接测量冻土融沉系数的试验装置，因此我们设计了一个可以测量单双向冻结融沉的试验装置来确定融沉系数。

发明内容

因为冻土的融沉性评价是工程地质勘察的主要内容之一,融沉性分类等资料是冻土地基基础设计施工的重要依据，所以我们设计了该装置来确定冻土的融沉系数。

多功能冻土复杂边界融沉系数测定仪：

1、加载系统：包括加载装置底板、重锤、杠杆、加载支撑柱和砝码。可以实现以下功能：通过将砝码加在杠杆上，调平杠杆，可以将规定的压力一瞬间施加在传压导热板上，使试样垂直地瞬间受到规定的压力。

(1)重锤：重锤具有平衡杠杆的作用。

(2)杠杆：杠杆具有使试样垂直、瞬间、均匀地受到压力的作用。

(3)加载支撑柱：该支撑柱可以调节高度，并使加压节点正好位于试样的中心。

(4)砝码：砝码应根据实际试验的需要准备，但最后一次加压的大小应比土层荷载大100～200kpa。

2、数据采集系统：包括计算机、温度传感器、位移计。可以实现以下功能：可以通过计算机实时记录土体温度、试样高度的变化过程，并绘制成曲线观察变化趋势。

(1)温度传感器：通过温度传感器记录不同试样每一段的温度，可以得出在不同温度梯度下的融沉系数。由于试样的高度为40mm，因此温度梯度的变化较低，所以要求温度传感器的精度较高，达到0.01℃，并且由于试样会发生冻胀和融沉的过程，因此要求温度传感器在负温与高温下均能正常工作。

(2)位移计：通过位移计记录冻土在冻结、融沉以及加压过程中高度的变化情况。其中冻胀与融沉时位移2h内不超过0.05mm即视为完成。由于试样的高度为40mm，因此位移计的量程精度要求较高，要求量程为30mm，最小分度值为0.01mm。

(3)计算机：该计算机可以通过数据线与各温度传感器和位移计连接，并能实时对数据进行监测和采集保存，并绘制出在不同温度下压力--位移变形量的图，从而计算出融沉系数。

3、制冷系统：包括循环系统、下透水板、外箱体1。可以实现以下功能：在外箱体1中将制冷剂(酒精)降温至指定温度并保持恒温，然后将酒精通过在下透水板中的导热板，使土体降温达到冷冻的目的。

(1)循环系统：通过胶管将冷冻酒精输送至冷冻液进口，再通过胶管在冷冻液出口将酒精送至循环处，使冷冻酒精循环，使土体降温冷冻。

(2)下透水板：由于现实环境中土体融化会有水分的迁移，因此需要将土体融化时的水通过下透水板和底板上的排水孔流出，使水分不会聚集在试样底部。

(3)外箱体1：箱体应可以实现以下功能。A、实现制冷功能。通过压缩制冷剂(如：氟利昂)将酒精降低到指定温度并保持恒温，通过胶管使降温后的酒精进入冷冻液进口。制冷剂流经在下透水板中的导热板冻结土体，再由冷冻液出口管路流回箱体内部，重新进行降温。

4、热循环系统：包括传压导热板、上透水板、外箱体2。具有以下功能：在外箱体2中将水加热，然后通过胶管将热水输送至传压导热板中存水的地方，再通过水泵在出口处一直抽水，使水循环起来，达到融化冻土的目的。

(1)传压导热板：传压导热板由导热性能良好的金属材料制作，其中内部空心为存水的地方，上表面留有4个孔，分别为热循环水进出口、补水口、位移计插入孔，板的中心与加载装置压力作用点接触。

(2)上透水板：热水透过透水板渗透到土体上，使土体融化。

(3)外箱体2：箱体应可以实现以下功能：实现制冷功能。通过加热使水升温至指定的温度并保持恒温，并将热水送至热循环水进口。热水流经导热加压板融化土体，再由热循环水出口流回箱体内部，重新进行加热。

5、取样装置：包括钻架与钻具。具有以下功能：将试样环放入钻具中，试样环内壁应与试样紧密接触，然后取样，确保试样与试样环之间紧密接触。

(1)钻架与钻具：钻具的内壁应与试样环的外壁紧密接触，试样环为一圆柱体，内壁的大小为直径79.8mm，高度40mm。

本发明的有益技术效果体现在：

1、本仪器用于测算融沉系数，在试样上部与下部均有导热板，因此适用于多种情况，例如单向冻结单向融化、双向冻结双向融化等。

2、冻土现场融沉试验成本较高，且试验所需时间较长、操作困难，所以研究者通过测算融沉系数评价土体时，往往受到成本、工期的限制。而本仪器制作简单，试验操作简单，可以在较低成本的前提下还原工程环境和冻土融沉的实际情况，使研究者不会受到时间、地点、成本的限制。

3、本实验所需准备的材料简单，例如冻结土体时可以使用氟利昂将酒精降温，而酒精又可以用于水的加热。

附图说明：

下面结合附图，通过实施例对本发明进一步地说明。

图1为实验装置图。其中1为杠杆，2为热循环水进出口，3为上透水板，4为保温材料，5为传压导热板，6为补水口，7为温度传感器，8为试样，9为下透水板，10为底板，11为排水孔，12为位移计，13为位移计支架，14为加压杠杆底座，15为重锤，16为试样环，17为外箱体2,18为外箱体1,19为螺栓。

图2为底板透水板俯视图。其中1为下透水板，2为导热板，3为冷冻液循环进出口，4为排水孔，5为底板。

图3为下透水板俯视图。其中1为下透水板，2为导热板。

图4为加载装置左视图。其中1为加载支撑柱与杠杆的螺栓连接，2为重锤，3为加载支撑柱，4为加压装置底座。

图5为装置俯视图。其中1为加载装置支撑柱，2为加载装置底板，3为保温材料，4为试样环，5为位移计支撑柱，6为补水口，7为热循环水排水口，8为加压装置节点，9为热循环水进水口，10为位移计。

具体实施步骤：

第一步：现场取样

将试样环放入钻具内，将钻具固定在钻架上，在现场进行取样，取样后将试样放入深色塑料袋中，扎紧袋口后放入恒温箱中，防止水分的流失和试样的融化。

第二步：装备仪器

布置好加压装置，将底板放在加载装置底板上，用螺栓固定住，将下透水板放在底板上，将下透水板(导热板在两块下透水板中间，见图4)与底板中心对准，放置一张滤纸，将试样环(试样在试样环中)放在下透水板上，对齐，将保温材料包围在试样环外侧，用胶带固定。然后将上透水板放在传压导热板底部，在试样上部布置一张滤纸，然后将传压导热板放在上部，对齐，使传压导热板中心与加压节点对齐。用胶管将外箱体1、2中的进出水口与仪器的进出水口连接。

第三步：试样冻结

在外箱体1中用氟利昂将酒精降至制定温度，然后通过循环系统使冷冻酒精通过导热板，在计算机上观察试样高度的变化，当试样在2h内变化高度不超过0.05mm即视试样冻结完成。然后停止冷冻酒精的循环。计算机记录该过程中的温度、高度变化。

第四步：试样融沉

在外箱体2中用酒精将水加热至40～50℃，然后将热水循环通过加压导热板，在计算机上观察试样高度的变化，当试样在2h内变化高度不超过0.05mm即视试样融沉完成。然后停止热水的循环。计算机记录该过程中的温度、高度变化。

第五步：加压

调节加压节点，使其与传压导热板接触。放上砝码，调节重锤的位置使杠杆平衡，试样开始融沉时即开动秒表，分别记录1、2、5、10、30、60min时的变形量，以后每2h观测记录一次，直至变形量在2h内小于0.05mm时为止，并测记最后一次变形量。加荷等级应视实际工程需要确定，宜取50、100、200、400、800kpa,最后一级荷载应比土层的计算压力大100～200kpa。施加每级荷载后24h为稳定标准，并测记相应的压缩量，直至施加最后一级荷载压缩稳定为止。

第六步：拆除仪器

试验结束后，应迅速拆除仪器设备，再取出土样，测定其含水率。

第七步：数据处理

试验结束后，将得到计算融沉系数的各个参数，在通过公式计算融沉系数，在绘制出压力-单位压缩量的曲线图，分析数据。

Claims (10)

1.冻土融沉实验装置主要包括加载装置、数据采集系统、制冷系统、热循环系统和取样装置。

A、加载系统：包括加载装置底板、重锤、杠杆、加载支撑柱和砝码。具有以下功能：通过将砝码加在杠杆上，调平杠杆，可以将规定的压力一瞬间施加在传压导热板上，使试样垂直地瞬间受到规定的压力。

B、数据采集系统：包括计算机、温度传感器、位移计。具有以下功能：可以通过计算机实时记录土体温度、试样高度的变化过程，并绘制成曲线观察变化趋势。

C、制冷系统：包括循环系统、下透水板、外箱体1。具有以下功能：在外箱体1中将制冷剂(酒精)降温至指定温度并保持恒温，然后将酒精通过在下透水板中的导热板，使土体降温达到冷冻的目的。

D、热循环系统：包括传压导热板、外箱体2。具有以下功能：在外箱体2中将水加热，然后通过胶管将热水放入传压导热板中存水的地方，再通过水泵在出口处一直抽水，使水循环起来，达到冻土融化的目的。

E、取样装置：包括钻架与钻具。具有以下功能：将试样环放入钻具中，取样，使试样环内壁与试样紧密接触。

2.根据权利要求书所述的外箱体1，其特征在于：实验者能够操控控制系统使制冷剂(酒精)的温度降低至指定温度，并能够控制制冷剂在制冷系统中循环，使冻土在原处环境温度中冻胀，提高试验的精度。

3.根据权利要求书所述的外箱体2，其特征在于：实验者能够操控控制系统使水加热至40～50℃，然后使热水在热循环系统中循环，使冻土融沉。

4.根据权利要求书所述的温度传感器，其特征在于：温度传感器在负温与高温环境下均能正常工作，并且温度采集仪的测量精度不大于0.01℃。

5.根据权利要求书所述的位移计，其特征在于：由于试验试样先冻胀后融沉，标准为在2h内高度变化不超过0.05mm，所以要求位移计的测量精度位0.01毫米，并且能够记录高度先增加后减小的变化过程。

6.根据权利要求书所述的传压导热板、导热板，其特征在于：为了提高冻土在冻胀与融沉时的效率，应使用导热性能良好的金属材料制作。

7.根据权利要求书所述的试样环，其特征在于：为了保证冻胀时是自下而上的，融沉时是自上而下的变化过程，试样环应采用有机玻璃或其他导热性能低的金属材料制作。为了减小加压时试样环与试样之间的摩擦，试样环内壁应与试样紧密接触。

8.根据权利要求书所述的计算机，其特征在于能通过各类数据线与温度传感器和位移计连接，并实时接收各传感器与位移计的数据信号，再通过计算机对实验数据进行处理，得到融沉系数。

9.根据权利要求书所述的钻具，其特征在于：其内壁应与试样环外壁紧密接触，并且取样时保证试样上下两端不会融化。

10.根据权利要求书所述的加载系统，其特征在于：能够在一瞬间施加规定的压力，并且使试样垂直、瞬间受到压力，并且没有受到冲击力。