CN108333323A - 一种土体冻胀率测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土体冻胀率测量装置和测量方法。本发明包括一种土体冻胀率测量装置，包括：试样筒体；制冷系统，用于提供冷源；温控系统，用于使土样温度均衡；温度监测系统，用以测量试验过程中土样的温度场变化过程；位移测量系统，用以测量土样的冻胀变量；补水系统，用于为所述温控系统提供冷热源；加载系统，用于施加载荷；一种土体冻胀率的测量方法，包括：S1，称取一定质量的土体试样，分层装入试验筒体内；S2，在土样的顶面放置滤纸并加盖透水石；S3，对土样进行恒温处理，加压；S4，待土样初始温度均匀地达到1℃以后，向冷浴空腔内通入制冷剂；S5，每30s采集一次位移变形量，直至1h内，冻胀位移变形增量小于土样高度的0.05％后，停止冻结。

Description

一种土体冻胀率测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及土体冻涨测量领域，更具体地说是一种土体冻胀率测量装置和测量方法。

背景技术

人工地层冻结法施工技术是利用人工制冷，通过冷媒介在冻结管内循环，与周围土体进行热交换，源源不断地将热量从地层中带出，从而使土体降温冻结，并形成完整性好、强度高、隔水的临时加固体，以此作为冻结帷幕来抵抗地层压力并隔绝地下水联系的一种特殊岩土施工技术。而土体在降温冻结之后会产生体积膨胀的现象，即土体的冻胀。土体的冻胀之所以能够产生，与土体内部的水分在降温过程中发生相变结冰是密切相关的，土体中水不仅仅包括原位水，还包括从外界迁移过来的水分。用以衡量土体冻胀变形大小的物理量是土体冻胀量，但仅仅用土体冻胀量并不能全面评价土体的冻胀程度。为了更加全面地评价土体的冻胀程度，需引入冻胀率的概念。冻胀率的定义为单位冻结深度产生冻胀量的大小。此外，土体的冻胀还与其所受的荷载有关。目前，国内有关土体冻胀率测量的试验方法并未形成统一的试验规程，其他关于土体冻胀率测量的试验方法存在着些许不完美的地方，如何能够准确地对土体在人工冻结有荷载情况下的冻胀率进行测量，就变得十分重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决土体在人工冻结有荷载条件下冻胀率测量难题而提出的一种考虑水分迁移的土体冻胀率测量方法。

一种土体冻胀率测量装置，包括：

试样筒体，其为两端具有开口的空心筒体结构，所述试样筒体的周侧壁上沿所述试样筒体的高度方向上开设有若干用于插入热敏电偶的插入孔；

制冷系统，其连接在所述试样筒体的一端，用于提供冷源；

温控系统，其连接在所述试样筒体的另一端，用于使土样温度均衡；

温度监测系统，其信号连接至所述制冷系统与所述温控系统，用以测量试验过程中土样的温度场变化过程，并实时监测制冷系统和温控系统的温度；

位移测量系统，其包括位于所述温控系统远离所述试样筒体的一端上的位移传感器，用以测量土样的冻胀变量；

补水系统，其连接至所述温控系统，用于为所述温控系统提供冷热源；

加载系统，其设置在所述温控系统远离所述试样筒体的一端，用于施加载荷。

更优地，所述试样筒体为透明材料制成。

更优地，所述制冷系统包括冷浴底座，所述冷浴底座具有冷浴空腔，所述冷浴底座的侧壁上开设有冷液循环进口和冷液循环出口，所述冷液循环进口和所述冷液循环出口均贯通至所述冷浴空腔内。

更优地，所述试样筒体的一端侧壁上开设有外螺纹，所述冷浴底座的一端开设有与所述试样筒体上的外螺纹相配合的内螺纹，所述试样筒体和所述冷浴底座通过螺纹相连接。

更优地，温控系统包括正温底座，所述正温底座具有正温空腔，所述正温底座的侧壁上开设有正温循环进口和正温循环出口，所述正温循环进口和所述正温循环出口均贯通至所述正温空腔内。

更优地，所述正温空腔内设置有三块导流板，所述导流板一侧连接至所述正温底座的侧壁上、另一侧与所述正温底座的侧壁具有间隙，相邻两块所述导流板之间具有间隙，所述导流板交叉设置。

更优地，所述试样筒体的一端侧壁上开设有外螺纹，所述正温底座的一端开设有与所述试样筒体上的外螺纹相配合的内螺纹，所述试样筒体和所述冷浴底座通过螺纹相连接。

更优地，所述补水系统包括供水装置，所述供水装置通过所述正温循环进口和所述正温循环出口连接至所述正温底座。

更优地，所述加载系统包括加压杆和加压板，所述加压杆一端连接至所述正温底座、另一端连接至所述加压板，所述位移传感器抵靠在所述加压板上。

一种土体冻胀率的测量方法，包括以下步骤：

S1，称取一定质量的土体试样，在试样筒体内壁均匀地涂抹一薄层凡士林，将土样等分为六份，分层装入试验筒体内，并击实；

S2，在土样的顶面放置滤纸并加盖透水石，将顶板冷浴放置在透水石上；

S3，对加压板调平并对土样进行恒温处理，加压，其中试样加压时间不少于6小时；

S4，待土样初始温度均匀地达到1℃以后，向冷浴空腔内通入制冷剂，进行冷浴处理；

S5，每30s采集一次位移变形量，直至1h内，冻胀位移变形增量小于土样高度的0.05％后，停止冻结，保存数据。

本发明测量土体冻胀率的工作原理：

本发明测量人工冻结条件下土体的冻胀率，考虑了上部荷载作用与水分迁移作用，这种测量土体冻胀率的方法易于操作、测量结果较为准确，可以较为方便地获得土体在人工冻结条件考虑上部荷载作用情况下的冻胀率。

附图说明

图1为本发明提供的一种土体冻胀率测量装置的结构示意图；

图2为图1中A处局部放大图；

图3为图1中A处局部放大图。

附图标记说明：10-试样筒体，11-插入孔，20-冷浴底座，21-冷液循环进口，22-冷液循环出口，30-正温底座，31-正温空腔，32-正温循环进口，33-正温循环出口，34-导流板，40-加压杆，41-加压板，50-位移传感器。

具体施工方法

下面结合附图对对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明提供一种土体冻胀率测量装置，包括：

试样筒体10，其为两端具有开口的空心筒体结构，试样筒体10的周侧壁上沿试样筒体 10的高度方向上开设有若干用于插入热敏电偶的插入孔11；

制冷系统，其连接在试样筒体10的一端，用于提供冷源；

温控系统，其连接在试样筒体10的另一端，用于使土样温度均衡；

温度监测系统，其信号连接至制冷系统与温控系统，用以测量试验过程中土样的温度场变化过程，并实时监测制冷系统和温控系统的温度；

位移测量系统，其包括位于温控系统远离试样筒体10的一端上的位移传感器50，用以测量土样的冻胀变量；

补水系统，其连接至温控系统，用于为温控系统提供冷热源；

加载系统，其设置在温控系统远离试样筒体10的一端，用于施加载荷。

进一步地，试样筒体10为透明材料制成。

进一步地，制冷系统包括冷浴底座20，冷浴底座20具有冷浴空腔，冷浴底座20的侧壁上开设有冷液循环进口21和冷液循环出口22，冷液循环进口21和冷液循环出口22均贯通至冷浴空腔内。

进一步地，试样筒体10的一端侧壁上开设有外螺纹，冷浴底座20的一端开设有与试样筒体10上的外螺纹相配合的内螺纹，试样筒体10和冷浴底座20通过螺纹相连接。

进一步地，温控系统包括正温底座30，正温底座30具有正温空腔31，正温底座30的侧壁上开设有正温循环进口32和正温循环出口33，正温循环进口32和正温循环出口33均贯通至正温空腔31内。

进一步地，正温空腔31内设置有三块导流板34，导流板34一侧连接至正温底座30的侧壁上、另一侧与正温底座30的侧壁具有间隙，相邻两块导流板34之间具有间隙，导流板34交叉设置。

进一步地，试样筒体10的一端侧壁上开设有外螺纹，正温底座30的一端开设有与试样筒体10上的外螺纹相配合的内螺纹，试样筒体10和冷浴底座20通过螺纹相连接。

进一步地，补水系统包括供水装置，供水装置通过正温循环进口32和正温循环出口33 连接至正温底座30。

进一步地，加载系统包括加压杆40和加压板41，加压杆40一端连接至正温底座30、另一端连接至加压板41，位移传感器50抵靠在加压板41上。

一种土体冻胀率的测量方法，包括以下步骤：

S1，称取一定质量的土体试样，在试样筒体10内壁均匀地涂抹一薄层凡士林，将土样等分为六份，分层装入试验筒体内，并击实；

S2，在土样的顶面放置滤纸并加盖透水石，将顶板冷浴放置在透水石上；

S3，对加压板41调平并对土样进行恒温处理，加压，其中试样加压时间不少于6小时；

S4，待土样初始温度均匀地达到1℃以后，向冷浴空腔内通入制冷剂，进行冷浴处理；

S5，每30s采集一次位移变形量，直至1h内，冻胀位移变形增量小于土样高度的0.05％后，停止冻结，保存数据。

本发明测量土体冻胀率的工作原理：

人工冻结的冻结方向是单向的，即为试样在一端为恒定的负温，一端为恒定的正温的单向温度场中进行降温冻结。本发明中土体冻胀率的测量方法能够实现土体在单向的温度场中、受外部荷载作用下，冻胀率的测量。在试样筒体内装入一定量的试验土样，通过温控系统与制冷系统设定好试验土样所需的冻结温度场，再通过加载系统施加试验所需的载荷，通过温度检测系统与位移监测系统可以分别测得土体的冻结深度与土体的冻胀位移。冻胀位移与冻结深度的比值即为土体的冻胀率。

本发明测量人工冻结条件下土体的冻胀率，考虑了上部荷载作用与水分迁移作用，这种测量土体冻胀率的方法易于操作、测量结果较为准确，可以较为方便地获得土体在人工冻结条件考虑上部荷载作用情况下的冻胀率。

以上所述的试验测量方法仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种土体冻胀率测量装置，其特征在于，包括：

试样筒体，其为两端具有开口的空心筒体结构，所述试样筒体的周侧壁上沿所述试样筒体的高度方向上开设有若干用于插入热敏电偶的插入孔；

制冷系统，其连接在所述试样筒体的一端，用于提供冷源；

温控系统，其连接在所述试样筒体的另一端，用于使土样温度均衡；

温度监测系统，其信号连接至所述制冷系统与所述温控系统，用以测量试验过程中土样的温度场变化过程，并实时监测制冷系统和温控系统的温度；

位移测量系统，其包括位于所述温控系统远离所述试样筒体的一端上的位移传感器，用以测量土样的冻胀变量；

补水系统，其连接至所述温控系统，用于为所述温控系统提供冷热源；

加载系统，其设置在所述温控系统远离所述试样筒体的一端，用于施加载荷。

2.根据权利要求书1所述的土体冻胀率测量装置，其特征在于，所述试样筒体为透明材料制成。

3.根据权利要求书1所述的土体冻胀率测量装置，其特征在于，所述制冷系统包括冷浴底座，所述冷浴底座具有冷浴空腔，所述冷浴底座的侧壁上开设有冷液循环进口和冷液循环出口，所述冷液循环进口和所述冷液循环出口均贯通至所述冷浴空腔内。

4.根据权利要求书3所述的土体冻胀率测量装置，其特征在于，所述试样筒体的一端侧壁上开设有外螺纹，所述冷浴底座的一端开设有与所述试样筒体上的外螺纹相配合的内螺纹，所述试样筒体和所述冷浴底座通过螺纹相连接。

5.根据权利要求书1所述的土体冻胀率测量装置，其特征在于，温控系统包括正温底座，所述正温底座具有正温空腔，所述正温底座的侧壁上开设有正温循环进口和正温循环出口，所述正温循环进口和所述正温循环出口均贯通至所述正温空腔内。

6.根据权利要求书5所述的土体冻胀率测量装置，其特征在于，所述正温空腔内设置有三块导流板，所述导流板一侧连接至所述正温底座的侧壁上、另一侧与所述正温底座的侧壁具有间隙，相邻两块所述导流板之间具有间隙，所述导流板交叉设置。

7.根据权利要求书5所述的土体冻胀率测量装置，其特征在于，所述试样筒体的一端侧壁上开设有外螺纹，所述正温底座的一端开设有与所述试样筒体上的外螺纹相配合的内螺纹，所述试样筒体和所述冷浴底座通过螺纹相连接。

8.根据权利要求书5所述的土体冻胀率测量装置，其特征在于，所述补水系统包括供水装置，所述供水装置通过所述正温循环进口和所述正温循环出口连接至所述正温底座。

9.根据权利要求书1所述的土体冻胀率测量装置，其特征在于，所述加载系统包括加压杆和加压板，所述加压杆一端连接至所述正温底座、另一端连接至所述加压板，所述位移传感器抵靠在所述加压板上。

10.一种土体冻胀率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，称取一定质量的土体试样，在试样筒体内壁均匀地涂抹一薄层凡士林，将土样等分为六份，分层装入试验筒体内，并击实；

S2，在土样的顶面放置滤纸并加盖透水石，将顶板冷浴放置在透水石上；

S3，对加压板调平并对土样进行恒温处理，加压，其中试样加压时间不少于6小时；

S4，待土样初始温度均匀地达到1℃以后，向冷浴空腔内通入制冷剂，进行冷浴处理；

S5，每30s采集一次位移变形量，直至1h内，冻胀位移变形增量小于土样高度的0.05％后，停止冻结，保存数据。