CN108956937A - 多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置与实验方法。该实验装置包括土样容器、数据采集系统、液压系统和冻结系统，所述土样容器包括上盖、筒体和底板，所述数据采集系统包括数据采集面板、水分采集设备和盐分采集设备，所述冻结系统包括冻结机、供液管、回液管和冻结器，所述冻结机用于产生以及泵送低温或高温介质，所述介质在所述冻结器内与所述土样进行热量交换。该实验装置能够冻结或强制解冻人工地层的土样，在冻结过程中能够对土样的水分、盐分、温度以及位移等多个参数的数据进行动态采集，该实验装置能够模拟近海盐渍地层冻结的试验环境，用于研究盐渍冻土的冻结规律，为近海盐渍地层冻结方案设计与施工提供参考。

Description

多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置与实验方法

技术领域

本发明涉及人工地层冻结法领域，特别涉及一种多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置与实验方法。

背景技术

人工地层冻结法是目前富水软土层地下工程施工的主要工法，该工法已经在我国的立井掘砌、隧道建设中得到了广泛的运用。近些年在我国东部沿海地区地铁隧道建设的过程中，遇到了大量近海盐渍地层，该地层具有盐分含量高、地下水活跃的特点，该处土体在冻结过程中伴随着水分迁移、盐分迁移、冻胀、盐胀等复杂的物理变化过程，导致冻土的物理力学参数与常规冻土之间存在较大的差异，而目前针对近海盐渍冻土缺乏系统的试验研究。

冻土试块试验可以比较准确的反映试块的各种特性，但与实际工程的中土体的冻结规律存在较大的差别，试块试验提供的数据无法直观的为实际的工程提出指导；相似模型试验是对工程可行性分析的重要的试验手段，其试验结果的精度主要受限于试验模型与实际工程的相似比，相似比越大，模型对工程的还原度越高，试验结果对工程的参考价值越大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置与实验方法。该实验装置能够冻结或强制解冻人工地层的土样，在冻结过程中能够对土样的水分、盐分、温度以及位移等多个参数的数据进行动态采集。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置，所述实验装置能够冻结或强制解冻所述人工地层的土样，用于模拟近海盐渍地层冻结的试验环境，其特征在于，所述实验装置包括土样容器、数据采集系统和冻结系统，其中，所述土样容器包括上盖、筒体和底板，所述底板与所述筒体的底端固定连接，所述上盖放置在所述筒体的顶端上，所述上盖、所述筒体和所述底板围成一个腔体，所述上盖能够上下移动，在所述上盖上设置有中心孔，所述筒体的侧壁上设置有多个第一引线孔；

所述数据采集系统包括数据采集面板、水分采集设备和盐分采集设备，所述数据采集面板水平设置于所述腔体内并将所述腔体分割为第一容纳空间和第二容纳空间，所述第一容纳空间位于所述第二容纳空间的上方，所述第一容纳空间用于容纳所述土样，所述数据采集面板上设置有多个盐分采集元件和多个水分采集元件，所述水分采集设备通过所述水分采集元件动态采集所述土样的水分数据、所述盐分采集设备通过所述盐分采集元件动态采集所述土样的盐分数据，所述数据采集面板能够在所述腔体内上下移动；

所述冻结系统包括冻结机、供液管、回液管和冻结器，所述冻结器竖向设置于所述第一容纳空间内，所述冻结器的底端与所述数据采集面板连接，所述冻结器的顶端通过所述中心孔延伸出所述土样容器外，所述冻结机分别通过所述供液管和所述回液管与所述冻结器的顶端相连，所述冻结机用于产生以及泵送低温或高温介质，所述冻结机、所述供液管、所述冻结器、所述回液管和所述冻结机依次连通形成用于所述介质的循环回路，所述介质在所述冻结器内与所述土样进行热量交换，用于实现冻结或强制解冻所述土样。

进一步地，在上述实验装置中，所述上盖为环形结构，所述上盖由内层盖板和外层盖板组合而成，所述内层盖板的材质为塑料，所述外层盖板的材质为金属，所述外层盖板设置在所述内层盖板的上表面上，所述内层盖板的下表面接触所述土样；优选地，所述内层盖板由多块扇环形内板连接而成，两块所述扇环形内板的连接处均设置有向上延伸的凸沿，所述凸沿延伸至外层盖板的上方，所述凸沿上均设置有多个螺栓孔，多个第一螺栓穿过多个所述螺栓孔将多块所述扇环形内板依次连接；优选地，所述外层盖板由多块扇环形外板构成，多块所述扇环形内板的上表面均设置有扇环形凹槽，多块所述扇环形外板嵌入所述扇环形凹槽内；优选地，所述内层盖板由两块所述扇环形内板构成；优选地，所述内层盖板的材质为聚氯乙烯；优选地，所述外层盖板的材质为铝合金；优选地，每块所述扇环形外板上均设置有第一凹槽，所述第一凹槽内设置有把手，所述把手与所述扇环形外板转动连接，所述第一凹槽内还设置有水平测试仪；优选地，所述上盖的外周设置有第一密封圈。

进一步地，在上述实验装置中，所述筒体包括外筒和设置于所述外筒内侧的内筒，所述内筒的材质为塑料，所述外筒的材质为金属，所述外筒的外壁上套设有多道环形的加劲肋，其中一个所述加劲肋上在同一高度等距设置有多个圆形的第二凹槽，所述第一引线孔设置在所述第二凹槽内，所述第一引线孔穿透所述加劲肋、所述外筒和所述内筒，所述第一引线孔的内壁设置有螺纹且能够安装塑料螺钉，所述内筒的内壁上设置有竖向的刻度线，所述内筒的内壁上设置有承重环，所述承重环用于承载所述数据采集面板；

所述底板上设置有第二引线孔，所述底板的外缘设置有多个螺纹孔，用于与所述筒体连接，所述底板上设置有凸台，所述底板的下表面设置有第一引线槽，所述第一引线槽经过所述第二引线孔；所述筒体的内直径为0.1～2m、深度为0.5～2m；优选地，所述筒体的内直径为1m、深度为1m；优选地，三道所述加劲肋分别设置于所述外筒的顶端、底端和中部；优选地，所述内筒的材质为聚氯乙烯；优选地，所述外筒的材质为铝合金；优选地，设置于所述筒体底端的所述加劲肋上设置有多个竖向的螺纹孔，多个第二螺栓穿过多个所述螺纹孔将所述筒体与所述底板固定连接。

进一步地，在上述实验装置中，所述数据采集面板由上层面板和下层面板构成，所述数据采集面板上设置有第三引线孔，所述上层面板的中心位置设置有冻结器底座，所述冻结器与所述冻结器底座连接，所述上层面板的外缘设置有多个第二密封圈，所述上层面板上沿半径方向设置有多个第二引线槽，每个所述第二引线槽上设置有多个元件布置孔位，每个所述元件布置孔位设置有一个盐分采集元件和一个水分采集元件，所述盐分采集元件由盐分采集探针、元件底座和盐分数据线组成，所述盐分采集探针设置于所述土样中，并通过所述元件底座固定设置在所述元件布置孔位内，所述盐分采集探针与所述盐分数据线连接，所述水分采集元件由水分采集探针、元件底座和水分数据线组成，所述水分采集探针设置于所述土样中，并通过所述元件底座固定设置在所述元件布置孔位内，所述水分采集探针与所述水分数据线连接，所述盐分数据线和所述水分数据线均布设于所述第二引线槽内并依次通过所述第三引线孔、所述第二容纳空间和所述第二引线孔引出至所述筒体外，所述盐分数据线与所述盐分采集设备的数据线连接、所述水分数据线与所述水分采集设备的数据线连接，优选地，在所述第二容纳空间内的所述盐分数据线和所述水分数据线均设置为弹簧电缆；

优选地，所述上层面板的材质为塑料，所述下层面板的材质为金属，所述下层面板设置在所述上层面板的下表面的圆形凹槽内，优选地，所述第二密封圈设置有两个；优选地，所述上层面板的材质为聚氯乙烯；优选地，所述下层面板的材质为铝合金；优选地，每个所述第二引线槽上设置有五个所述元件布置孔位。

进一步地，在上述实验装置中，所述数据采集系统还包括温度采集面板，所述温度采集面板水平设置于所述第一容纳空间中部的土样中，所述温度采集面板由内圆环、外圆环以及多根钢绞线构成，所述钢绞线分别与所述内圆环和所述外圆环连接，每根所述钢绞线上均匀设置有多个所述温度采集元件，每个所述温度采集元件均连接有温度数据线，所述外圆环的外缘设置有第三引线槽，所述温度数据线布设于所述第三引线槽中；所有的所述温度数据线在汇总后进入所述第一引线孔并在通过所述第一引线孔与所述温度采集设备的数据线相连接，汇总时由弹簧线套套设在所有的所述温度数据线外部，温度采集数据线穿过所述第一引线孔后与所述温度数据采集设备的数据线连接，所述温度采集设备通过所述温度采集元件动态采集所述土样的温度数据，所述温度采集面板能够在所述筒体内上下移动；优选地，所述钢绞线设置有六根，呈放射形均匀分布；优选地，所述温度采集元件为康铜与铜线制作而成的热电偶串。

进一步地，在上述实验装置中，还包括液压系统，所述液压系统由油压控制设备、油管和液压油缸构成，所述油压控制设备通过所述油管向所述液压油缸供油，多个所述液压油缸设置于所述第二容纳空间内，所述液压油缸的底端与所述底板连接，所述液压油缸的顶端与所述数据采集面板抵接，所述油压控制设备能够通过所述油管控制所述液压油缸的升降，所述液压油缸的升降能够推动所述数据采集面板升降，所述液压油缸为多级液压油缸；优选地，所述液压油缸设置有四个；优选地，在所述凸台上设置有多个油缸槽，所述液压油缸的底端分别设置在所述油缸槽内；优选地，所述油缸槽设置有四个。

进一步地，在上述实验装置中，所述冻结机包括制冷设备、制热设备以及泵送设备，能够实现冻结或强制解冻所述土样的功能；所述冻结器的底端设置有螺纹端头，所述冻结器通过所述螺纹端头与所述冻结器底座螺纹连接，所述冻结器的顶端通过所述中心孔延伸至所述上盖外，所述冻结器为套管结构，所述冻结器由内管和套设于所述内管外周的外管组成，所述外管的外直径8～159mm，所述内管的外直径为所述外管的外直径的倍，所述外管的底端封闭，所述内管的底部和所述外管的底部连通，所述内管的顶端与所述供液管连通，所述回液管连接在所述外管的上段的侧壁上，所述外管的顶端设置有突出圆环，用于封堵所述外管；

所述供液管和所述回液管靠近所述冻结机的一端均设置有控制阀，用于所述供液管和所述回液管的开启与关闭，所述供液管和所述回液管靠近所述冻结器的一端均设置有手动调节阀，所述供液管和所述回液管上均设置有流量计，所述冻结器延伸出所述上盖外的部分设置有保温套；优选地，所述保温套能够变形以适应所述上盖的移动；优选地，所述介质为酒精；优选地，所述内管和所述外管材质为紫铜管；优选地，所述冻结器的外直径为80mm。

进一步地，在上述实验装置中，还包括位移采集装置，两个所述位移采集装置设置于所述上盖的上表面上，用于采集所述上盖在冻结所述土样过程中的位移量，所述位移采集装置由位移百分表、横梁、立柱和位移装置底座构成，所述立柱通过所述位移装置底座设置在所述筒体的顶端，所述横梁与所述上盖平行设置，所述横梁的一端套设于所述立柱上并通过旋钮螺栓进行固定，所述横梁能够沿所述立柱上下移动，所述位移百分表竖直设置于所述上盖上表面上，所述位移百分表的底端与所述上盖的上表面抵接，所述位移百分表通过旋钮螺栓固定设置在的所述横梁的另一端。

另一方面，本发明还提供了一种利用多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置进行实验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)试验准备：

1.1)安装检验试验设备：提前利用水平仪对土样容器安置地点进行检测，保证土样容器被放置在一个水平的地面上，移除上盖，开启液压系统的油压控制设备，通过液压油缸推动数据采集面板上升，使数据采集面板上升至土样容器的顶端，并对设置于数据采集面板上的水分采集探针和盐分采集探针进行检验，检查完毕后通过控制液压油缸将数据采集面板回放到土样容器的底部位置，将冻结器安装到数据采集面板的冻结器底座上；

1.2)土样填充：步骤1.1)安装检验完成后，将土样分层填入土样容器中，当土样填充至与土样容器的第一引线孔水平时，用水平仪测试土样填充平面的平整度，调整土样填充直至该平面水平，随后将温度采集面板安装至土样容器内，将温度数据线从第一引线孔引出，并对第一引线孔的空隙进行密封，通过内筒上的刻度线对所填充的土样的高度进行控制，继续填充土样至上盖下表面所在位置，利用水平仪测试土样平面的平整度，调整土样平面直至该平面水平，然后安装上盖，并利用水平测试仪测试上盖是否水平，当上盖达到水平要求后，将位移采集装置安装至上盖的上表面上；

1.3)连接冻结管：在步骤1.2)土样填充完成后，在冻结器延伸出上盖的部分安装保温套，冻结器的内管通过供液管与冻结机连通，冻结器的外管通过回液管与冻结机连通，在供液管以及回液管上靠近冻结器的一端的分别安装手动调节阀、在靠近冻结机的一端分别安装控制阀、在手动调节阀与控制阀之间分别安装流量计；

1.4)数据采集系统连接：将与温度采集元件通过温度数据线与温度采集设备的数据线进行连接，将盐分采集元件通过盐分数据线与盐分采集设备的数据线进行连接，将水分采集元件通过水分数据线与水分采集设备的数据线进行连接；

2)进行试验

2.1)开启冻结机的制冷设备，将介质的温度降低至-30℃；

2.2)分别开启供液管和回液管上的控制阀、手动调节阀，随后开启冻结机的泵送装置，根据流量计利用手动调节阀控制介质的流量；

2.3)开启温度采集设备、水分采集设备和盐分采集设备，分别对土样的温度、水分和盐分的数据进行自动采集，利用位移采集装置对土样的冻胀率进行手动采集；

2.4)当温度采集设备所采集的温度数据的值连续三次相同时，土样进入稳定冻结状态，停止泵送介质，关闭数据采集系统；

2.5)利用冻结机的制冷设备将介质加热至40℃并泵送介质，对被冻土样进行强制解冻，利用温度采集设备对解冻情况进行监测，当土样温度达到0℃以上时解冻结束，关闭控制阀停止介质的循环，在对土样解冻过程中重复步骤(2.3)，分别对土样的温度、水分、盐分和冻胀率的数据进行自动采集；

2.6)断开供液管和回液管与冻结器之间的连接，利用液压油缸推动数据采集面板向上移动，进而推动土体上移，当数据采集面板被推送至接近第一引线孔所在的平面位置时，清理土样容器内第一引线孔所在平面以上的土样，然后断开温度数据线与温度采集设备的数据线之间的连接，移除温度采集面板，将第一引线孔利用塑料螺钉进行封堵，然后通过液压油缸继续推送数据采集面板至土样容器的顶端，移除所有土样，并对数据采集面板进行清理，并对水分采集探针和盐分采集探针进行检验，检验完毕后通过控制液压油缸将数据采集面板回放到土样容器的底部位置；

2.7)更换土样，重复步骤1.2)-1.4)及步骤2)，对另外一份的土样进行试验，并对其进行温度、水分、盐分和冻胀率的数据的自动采集；

3)试验数据的处理：

将单次试验同一时刻获得的同一圈径的温度监测数据进行筛选，剔除与其他数据差别较大的数据，对正确的数据取平均值，作为该时刻、该位置的温度测试数据，将同一个平面上的不同位置的温度随时间的变化规律绘制成曲线图，采取同样的方法对盐分、水分、冻胀进行整理。

进一步地，在利用上述实验装置进行的试验方法中，

在所述步骤1.2)中，所述土样的土质为黏土、砂土和砂质黏土中的一种，所述土样的含水率为0～40％，优选为20-40％；

在所述步骤1.2)中，配置所述土样的水溶液的含盐量为1％～3％；

在所述步骤1.3)中，温度采集设备的测试时间间隔为10～60min，水分采集设备以及盐分采集设备的测试时间间隔为30～60min，位移采集装置的数据采集时间间隔为30～60min；

在所述步骤2.6)中，液压油缸每次的推送高程为5～20cm。

分析可知，本发明公开一种多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置与实验方法，该实验装置包括土样容器、数据采集系统、液压系统和冻结系统，该实验装置能够冻结或强制解冻人工地层的土样，在冻结过程中能够对土样的水分、盐分、温度以及位移等多个参数的数据进行动态采集，该实验装置能够模拟近海盐渍地层冻结的试验环境，用于研究盐渍冻土的冻结规律，为近海盐渍地层冻结方案设计与施工提供参考。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的上盖的俯视示意图。

图3为本发明一实施例的筒体的主视示意图。

图4为本发明一实施例的底板的俯视示意图。

图5为本发明一实施例的数据采集面板的俯视示意图。

图6为本发明一实施例的温度采集面板的俯视示意图。

图7为本发明一实施例的位移采集装置的结构示意图。

图8为本发明一实施例的冻结器的结构示意图。

图9为本发明一实施例的盐分采集元件和水分采集元件的装配示意图。

图10为图1的A处放大示意图。

图11为图1的B处放大示意图。

附图标记说明：1土样容器；11上盖；111内层盖板；112外层盖板；113中心孔；114凸沿；115第一螺栓；116水平测试仪；117第一凹槽；118把手；119第一密封圈；12筒体；121外筒；122内筒；123加劲肋；124第一引线孔；125第二凹槽；126塑料螺钉；127第二螺栓；128承重环；13底板；131第二引线孔；132凸台；133油缸槽；134第一引线槽；15第一容纳空间；16第二容纳空间；2数据采集系统；21数据采集面板；211第二引线槽；212元件布置孔位；213盐分采集元件；214水分采集元件；215上层面板；216下层面板；217第二密封圈；218第三引线孔；219冻结器底座；220盐分采集探针；221元件底座；222盐分数据线；223水分采集探针；224水分数据线；23温度采集面板；231温度采集元件；232内圆环；233外圆环；234钢绞线；235温度数据线；236第三引线槽；237弹簧线套；24温度采集设备；25水分采集设备；26盐分采集设备；27位移采集装置；271位移百分表；272位移装置底座；273旋钮螺栓；274立柱；275横梁；3液压系统；31油压控制设备；32油管；33液压油缸；4冻结系统；41冻结机；42供液管；43回液管；44冻结器；441内管；442外管；443螺纹端头；444突出圆环；45控制阀；46手动调节阀；47流量计；48保温套。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“中”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图11所示，根据本发明的实施例，提供了一种多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置，实验装置能够冻结或强制解冻人工地层的土样，在冻结过程中能够对土样的水分、盐分、温度以及位移等多个参数的数据进行动态采集，该实验装置包括土样容器1、数据采集系统2和冻结系统4。

土样容器1为空心圆柱体结构，土样容器1包括上盖11、筒体12和底板13，底板13与筒体12的底端固定连接，上盖11放置在筒体12的顶端，上盖11、筒体12和底板13围成一个腔体，上盖11用于覆盖土样并能够上下移动，在上盖11的圆心处设置有中心孔113，筒体12的侧壁上设置有多个第一引线孔124。

数据采集系统2包括数据采集面板21、水分采集设备25和盐分采集设备26，数据采集面板21水平设置于腔体内并将腔体分割为第一容纳空间15和第二容纳空间16，第一容纳空间15位于第二容纳空间16的上方，第一容纳空间15用于容纳土样。数据采集面板21上设置有多个盐分采集元件213和多个水分采集元件214，水分采集设备25通过水分采集元件214动态采集土样的水分数据、盐分采集设备26通过盐分采集元件213动态采集土样的盐分数据，数据采集面板21能够在筒体12内上下移动。

冻结系统4包括冻结机41、供液管42、回液管43和冻结器44，冻结器44竖向设置于第一容纳空间15的土样内，冻结器44的底端与数据采集面板21连接，冻结器44的顶端通过中心孔113延伸出土样容器1外，冻结机分别通过供液管42和回液管43与冻结器44的顶端相连，冻结机41用于产生以及泵送低温或高温的介质，冻结机41、供液管42、冻结器44、回液管43和冻结机依次连通形成用于介质的循环回路，冻结器44能够冻结或强制解冻土样。

具体地，冻结机41降低或升高介质的温度并通过供液管42将介质泵送至冻结器44中，冻结器44与土样进行热量交换，进而能够冻结或强制解冻土样，完成热量交换的介质通过回液管43回到冻结机41中，完成循环。在土样被冻结或强制解冻过程中，设置于土样中的水分采集元件214和盐分采集元件213动态采集土样的水分和盐分的数据，并将数据分别传输给水分采集设备25和盐分采集设备26，由计算机对数据进行处理并按规律绘制成曲线图，用于研究盐渍冻土的冻结规律，为近海盐渍地层冻结方案设计与施工提供参考。

进一步地，如图2所示，上盖11为环形结构，上盖11由内层盖板111和外层盖板112组合而成，内层盖板111的材质为塑料，外层盖板112的材质为金属，外层盖板112设置在内层盖板111的上表面上，内层盖板111的下表面接触土样。优选地，内层盖板111由多块扇环形内板连接而成，两块扇环形内板的连接处均设置有向上延伸的凸沿114，凸沿114延伸至外层盖板112的上方，凸沿114上均设置有多个螺栓孔，多个第一螺栓115穿过多个螺栓孔将多块扇环形内板依次连接。为了便于组装与拆卸，并减小因为上盖11的安装给土样造成的扰动，内层盖板111由两块扇环形内板构成。优选地，外层盖板由多块扇环形外板构成，多块扇环形内板的上表面均设置有扇环形凹槽，多块扇环形外板嵌入扇环形凹槽内。优选地，内层盖板111的材质为聚氯乙烯，聚氯乙烯最低承受温度达到-40℃，且保温效果良好。外层盖板112的材质为铝合金，铝合金抗变形能力好、密度较小且加工工艺简单。优选地，每个凸沿114上的第一螺栓115设置有三个。优选地，上盖11由两块扇环形的内层盖板111构成。为了便于上盖11的安装以及拆卸，并且为了避免把手118为后续的元件安装造成不便。优选地，每块扇环形外板上均设置有第一凹槽117，第一凹槽117内设置有把手118，把手118与扇环形外板转动连接，把手118在不被使用时平放在第一凹槽117中，第一凹槽117内还设置有水平测试仪116，用于测量上盖11的水平度。

优选地，如图10所示，上盖11的外周设置有两个第一密封圈119，用于对上盖11与筒体12之间的缝隙进行密封，防止土样温度的流失。

进一步地，如图3所示，筒体12包括外筒121和设置于外筒121内侧的内筒122，外筒121的内壁与内筒122的外壁接触，内筒122的材质为塑料，外筒121的材质为金属，外筒121的外壁上套设有多道环形的加劲肋123，其中位于外筒121中部的一个加劲肋123上在同一高度等距设置有多个圆形的第二凹槽125，优选地设置有四个第二凹槽125。第一引线孔124设置在第二凹槽125内，第一引线孔124均穿透位于外筒121中部的加劲肋123、外筒121和内筒122。第一引线孔124的内壁设置有螺纹且能够安装塑料螺钉126，塑料螺钉126由螺杆和带有十字形凹槽的圆柱形端头构成，圆柱形端头的尺寸略小于第二凹槽125的开口，内筒122通过塑料螺钉126固定在外筒121内壁，如此设置能够防止在数据采集面板21推动土样上移的过程中内筒122发生移动。内筒122的内壁上设置有竖向的刻度线，用来控制土样的填充量。内筒122的靠近底端的内壁上设置有承重环128，承重环128卡接数据采集面板21，用于定位数据采集面板21以及辅助承重，防止数据采集面板21在下移的过程中下移量过大，并且辅助液压油缸33在试验过程中承重。优选地，加劲肋123设置有三根，分别设置于外筒121的顶端、底端和中部。优选地，内筒122的材质为聚氯乙烯、外筒121的材质为不锈钢。设置于筒体12底端的加劲肋123上设置有多个竖向的螺纹孔，多个第二螺栓127将筒体12与底板13固定连接；

在近海盐渍地层冻结工程中相邻冻结管的布置间距为1m左右，单根冻结管作用的最大直径为2m，为了实现对现场单管冻结过程的比较真实的再现，筒体12的直径由与实际工程的相似比决定，相似比可以为1～20，因此筒体12的内直径为0.1～2m，为了保证相似模型试验的效果，同时减小土方换填的工作量，优选地，取相似比为2，对应筒体12的内直径为1m。筒体12的高度需要满足测试元件的布置空间要求，同时需要给冻结器44提供足够的作用深度，筒体12的深度为0.5～2m，为了减小土方的开挖量，同时减小盐分采集元件213、水分采集元件214和温度采集元件231的布置难度，优选地，筒体12的高度为1m。

进一步地，如图4所示，底板13圆心处设置有第二引线孔131，底板13的外缘均匀设置有多个螺纹孔，用于通过第二螺栓127将底板13与筒体12连接，优选地，螺纹孔的数量有六个。底板13上设置有凸台132，底板13的下表面沿直径方向设置有第一引线槽134。

进一步地，如图5所示，数据采集面板21由上层面板215和下层面板216构成，上层面板215的材质为塑料，优选为聚氯乙烯，下层面板216的材质为金属，优选为铝合金。下层面板216嵌入在上层面板215的下表面的圆形凹槽内，数据采集面板21上设置有第三引线孔218，上层面板215的中心位置设置有冻结器底座219，用于安装冻结器44。上层面板215上沿半径方向设置有多个第二引线槽211，优选为四个且围绕上层面板215的圆心均匀分布。每个第二引线槽211上设置有多个直径为2cm的元件布置孔位212，优选为五个且等距分布，每个元件布置孔位212设置有一个盐分采集元件213和一个水分采集元件214。

如图11所示，上层面板215的外缘设置有多个第二密封圈217，优选为两个，如此设置保证数据采集面板21与内筒122之间不会有缝隙，防止冻结实验过程中土样从缝隙掉落，影响实验效果。

如图9所示，盐分采集元件213由盐分采集探针220、元件底座221和盐分数据线222组成，盐分采集探针220设置于土样中，并通过元件底座221固定设置在元件布置孔位212内，盐分采集探针220穿过元件底座221与盐分数据线222连接。水分采集元件214由水分采集探针223、元件底座221和水分数据线224组成，水分采集探针223设置于土样中，并通过元件底座221固定设置在元件布置孔位212内，水分采集探针223穿过元件底座221与水分数据线224连接。

优选地，元件底座221为半圆形结构，盐分采集元件213的元件底座221与水分采集元件214的元件底座221组合在一起形成圆形结构并与元件布置孔位212的形状相吻合。

盐分数据线222和水分数据线224均布设于第二引线槽211内并依次通过第三引线孔218、第二容纳空间16和第二引线孔131引出至筒体12外，盐分数据线222与盐分采集设备26的数据线连接、水分数据与水分采集设备25的数据线连接，其中在第二容纳空间16内的盐分数据线222和水分数据线224均设置为弹簧电缆，如此设置能够提高盐分数据线222和水分数据线224的抗拉扯破坏的能力，并保证数据采集面板21的完整性，从而提高了重复利用率。

水分采集元件214可采用元件底座221的直径小于元件布置孔位212的水分测试设备(即元件底座221的直径小于2cm)，考虑到数据采集的便捷性以及对低温环境的适应性，水分采集设备25优选为TDR3000水分速测仪，TDR3000水分速测仪能够通过串行通信接口与计算机连接，可以实现对水分数据的自动采集，其采集温度的范围为-40～70℃，满足冻结实验的温度要求。

盐分采集元件213可采用元件底座221的直径小于元件布置孔位212的盐分测试设备(即元件底座221的直径小于2cm)，考虑到数据采集的便捷性，盐分采集设备26优选为TZS-EC盐分含量采集设备，TZS-EC盐分含量采集设备能够与计算机连接实现对多点盐分数据的采集。

进一步地，数据采集系统2还包括温度采集面板23，如图6所示，温度采集面板23水平设置于第一容纳空间15中部的土样中，温度采集面板23由内圆环232、外圆环233以及多根钢绞线234构成，钢绞线234分别与内圆环232和外圆环233连接，优选地钢绞线234设置有六根呈放射形均匀分布。每根钢绞线234上均匀设置有多个温度采集元件231，每个温度采集元件231可以采集一个位置的温度，以此来实现对不同位置温度数据的采集，通过对同一圈径上的测点的正常数据取平均值的方法提高数据的精确性。每个温度采集元件231均连接有温度数据线235，外圆环233的外缘设置有第三引线槽236，温度数据线235布设于第三引线槽236中，所有的温度采集数据线在汇总后进入第一引线孔124并在通过第一引线孔124后与温度数据采集设备的数据线连接，汇总时由将弹簧线套237套设在所有的温度采集数据线外部。温度采集数据线穿过第一引线孔124后与温度数据采集设备的数据线相连接，温度采集设备24通过温度采集元件231动态采集土样的温度数据，温度采集面板23能够在筒体12内上下移动，弹簧线套237的设置可以给提高温度数据线235的抗拉扯破坏的能力，并保证了温度采集面板23的完整性，从而提高了重复利用率。优选地，温度采集元件231为康铜与铜线制作而成的热电偶串。

进一步地，该实验装置还包括液压系统3，液压系统3由油压控制设备31、油管32和液压油缸33构成，油管32由第一引线槽134引出到土样容器1外并与油压控制设备31连通，油压控制设备31通过油管32向液压油缸33供油，多个液压油缸33设置于第二容纳空间16内。液压油缸33顶端与数据采集面板21抵接，油压控制设备31能够通过油管32控制液压油缸33的升降，液压油缸33的升降能够推动数据采集面板21升降。

优选地，液压油缸33为多级液压油缸33，液压油缸33设置有四个，多级液压油缸33占用空间较小，并且能够提供较大的推送高程。

优选地，在凸台132上设置有四个油缸槽133，液压油缸33的底端分别设置在油缸槽133内，油缸槽133直径略为大于液压油缸33底部的直径，便于液压油缸33的安装与固定，凸台132能够为液压油缸33提供更大的推送高程。

进一步地，冻结机41包括制冷设备、制热设备以及泵送设备，能够实现冻结或强制解冻土样的功能。冻结器44的底端设置有螺纹端头443，冻结器44通过螺纹端头443与冻结器底座219螺纹连接，冻结器44安装到底座219上后，冻结器44的底端与底座219紧密接触，防止影响保温效果以及防止土样掉落。冻结器44的顶端通过中心孔113延伸至上盖11外。

如图8所示，冻结器44为套管结构，冻结器44由内管441和套设于内管441外周的外管442组成，外管442的底端封闭，内管441的底部和外管442的底部连通，内管441的顶端与供液管42连通，回液管43连接在外管442上段的侧壁上，外管442的顶端设置有突出圆环444，用于封堵外管442。

介质在冻结器44中与土样进行热量交换，进而冻结或强制解冻土样，供液管42和回液管43靠近冻结机41的一端均设置有控制阀45，控制阀45用于开启与关闭供液管42和回液管43，供液管42和回液管43靠近冻结器44的一端均设置有手动调节阀46，供液管42和回液管43上均设置有流量计47。冻结器44延伸出上盖11外的部分设置有保温套48，优选地，保温套48能够变形以适应上盖11的移动。优选地，介质为酒精，酒精的冰点为-117.3℃，沸点达为78℃，能够同时满足介质的高温或低温的要求。优选地，内管441和外管442材质均为紫铜管，紫铜管的导热性能较好，能够提高冻结或强制解冻土样的效率。

在近海盐渍地层冻结工程中冻结器的外直径为159mm，冻结器44的外直径由相似比确定，相似比可以为1～20，对应的冻结器的外管442的外直径可以为8～159mm，冻结器44的相似比应与筒体12的相似比保持一致，因此冻结器44的相似比取2，对应的冻结器44的外管442的外直径为80mm，内管441的外直径为外管442外直径的倍(即内管441的外直径为56mm)。

进一步地，该实验装置还包括位移采集装置27，两个所述位移采集装置相对设置于所述上盖的上表面上，在冻结土样过程中移数据采集装置用于采集上盖11在土样冻胀作用下的位移量，通过位移百分表271的数据取平均值的方法来确定最终的冻胀率。如图7所示，位移采集装置27由位移百分表271、位移装置底座272、立柱274和横梁275构成。立柱274通过位移装置底座272设置在筒体12的顶端，横梁275与上盖11平行设置，横梁275的一端套设于立柱274上并通过旋钮螺栓273进行固定，横梁275能够沿立柱274上下移动，位移百分表271竖直设置于上盖11上表面上，位移百分表271的底端与上盖11的上表面抵接，位移百分表271通过旋钮螺栓273固定设置在的横梁275的另一端。

优选地，位移装置底座272由钕铁硼磁铁加工而成，通过钕铁硼磁铁超强的吸附力，使位移装置底座272被吸附在筒体12的顶端的外缘上，如此设置，便于安装和调整横梁275和位移百分表271。

本发明还公开了一种利用多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置进行人工地层冻结的实验方法，包括如下步骤：

1)试验准备：

1.1)安装检验试验设备：提前利用水平仪对土样容器1安置地点进行检测，保证土样容器1被放置在一个水平的地面上，移除上盖11，开启液压系统3的油压控制设备31，通过液压油缸33推动数据采集面板21上升，使数据采集面板21上升至土样容器1的顶端，对设置于数据采集面板21上的水分采集探针223和盐分采集探针220进行检验，检查完毕后通过控制液压油缸33将数据采集面板21回放到土样容器1的底部位置，将冻结器44安装到数据采集面板21的冻结器底座219上；

1.2)土样填充：步骤1.1)安装检验完成后，将土样分层填入土样容器1中，当土样填充至与土样容器1的第一引线孔124水平时，用水平仪测试土样填充平面的平整度并根据测试结果调整土样填充直至该平面水平，随后将温度采集面板23安装至土样容器1内，将温度数据线235从第一引线孔124引出，并对第一引线孔124的空隙用环氧树脂进行密封，通过内筒122上的刻度线对所填充的土样的高度进行控制，继续填充土样至上盖11下表面所在位置，利用水平仪测量土样平面的平整度并根据测试结果，调整土样平面直至该平面水平，然后安装上盖11，利用水平测试仪116测试上盖11是否水平，当上盖11达到水平要求后，将位移采集装置27安装至上盖11的上表面上。

1.3)连接冻结管：在步骤1.2)土样填充完成后，在冻结器44延伸出上盖11的部分安装保温套48，冻结器44的内管441通过供液管42与冻结机41连通，冻结器的外管442通过回液管43与冻结机41连通，在供液管42以及回液管43上靠近冻结器44的一端的分别安装手动调节阀46、在靠近冻结机41的一端分别安装控制阀45、在手动调节阀46与控制阀45之间分别安装流量计47；

1.4)数据线连接：温度采集元件231通过温度数据线235与温度采集设备24的数据线进行连接，将盐分采集元件213通过盐分数据线222与盐分采集设备26的数据线进行连接，将水分采集元件214通过水分数据线224与水分采集设备25的数据线进行连接；

2)进行试验

2.1)开启冻结机的制冷设备，将介质的温度降低至-30℃；

2.2)分别开启供液管42和回液管43上的控制阀45、手动调节阀46，随后开启冻结机41的泵送装置，根据流量计47利用手动调节阀46控制介质的流量；

2.3)开启温度采集设备24、水分采集设备25和盐分采集设备26，分别对土样的温度、水分和盐分的数据进行自动采集，利用位移采集装置27对土样的冻胀率进行手动采集；

2.4)当温度采集设备24所采集的温度数据的值连续三次相同时，土样进入稳定冻结状态，停止泵送介质；

2.5)利用冻结机41的制冷设备将介质加热至40℃并泵送介质，对被冻土样进行强制解冻，利用温度采集设备24对解冻情况进行监测，当土样温度达到0℃以上时强制解冻结束，关闭控制阀45停止介质的循环，在对土样解冻过程中重复步骤(2.3)，分别对土样的温度、水分、盐分和冻胀率的数据进行自动采集；

2.6)断开供液管42和回液管43与冻结器44之间的连接，利用液压油缸33推动数据采集面板21向上移动，进而推动土体上移，当数据采集面板21被推送至接近第一引线孔124所在的平面位置时，清理土样容器1内第一引线孔124所在平面以上的土样，然后断开温度数据线235与温度采集设备24的数据线之间的连接，移除温度采集面板23，将第一引线孔124利用塑料螺钉126进行封堵，然后通过液压油缸33继续推送数据采集面板21至土样容器1的顶端，移除所有土样并对数据采集面板21进行清理，对水分采集探针223和盐分采集探针220进行检验，检验完毕后通过控制液压油缸33将数据采集面板21回放到土样容器1的底部位置；

2.7)更换土样，重复步骤1.2)-1.4)及步骤2)，并对其进行温度、水分、盐分和冻胀率的数据的自动采集，直至所有土样全部测试完成；

3)试验数据的处理：

将单次试验同一时刻获得的同一圈径的温度监测数据进行筛选，剔除与其他数据差别较大的数据，对剩余正确的温度数据取平均值，作为该时刻、该位置的温度测试数据，将同一个平面上的不同位置的温度随时间的变化规律绘制成曲线图，采取同样的方法对盐分、水分、冻胀进行整理。通过对数据的整理总结盐渍土层的冻结规律，为盐渍地层冻结法施工冻结方案的设计提出指导建议。

进一步地，在步骤1.2)中，土样的土质可以为各种土质，优选地，土样的土质为黏土、砂土和砂质黏土中的一种，黏土、砂土和砂质黏土的土质为近海区域分布范围较广，可以从总体上反应近海地层物理特性，土样的含水率为0～40％(比如0％、10％、20％、30％、40％)，优选地，土样的含水率为20-40％(比如20％、25％、30％、35％、40％)。

配置土样的水溶液的含盐量为1％～3％(比如1％、2％、3％)。

在步骤1.3)中，温度采集设备24的测试时间间隔为10～60min，水分采集设备25以及盐分采集设备26的测试时间间隔为30～60min，位移采集装置27的数据采集时间间隔为30～60min；

在步骤2.6)中，液压油缸33每次的推送高程为5～20cm，为了提高工作效率，同时保证操作的精度，每次的推送高程优选为10cm。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

一种多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置与实验方法，该实验装置包括土样容器、数据采集系统、液压系统和冻结系统，该实验装置能够冻结或强制解冻人工地层的土样，在冻结过程中能够对土样的水分、盐分、温度以及位移等多个参数的数据进行动态采集，该实验装置能够模拟近海盐渍地层冻结的试验环境。

冻结机41降低或升高介质的温度并通过供液管42将介质泵送至冻结器44中，冻结器44与土样进行热量交换，进而能够冻结或强制解冻土样，完成热量交换的介质通过回液管43回到冻结机41中，完成循环。在土样被冻结或强制解冻过程中，设置于土样中的水分采集元件214、盐分采集元件213和温度采集元件231动态采集土样的水分、盐分和温度的数据，数据被分别传输给水分采集设备25、盐分采集设备26和温度采集设备24，设置与上盖11上表面的位移百分表271动态采集土样冻胀率的数据，数据采集完成后，由计算机对水分、盐分、温度和冻胀率的数据进行处理并按规律绘制成曲线图，用于研究盐渍冻土的冻结规律，为近海盐渍地层冻结方案设计与施工提供参考。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置，所述实验装置能够冻结或强制解冻所述人工地层的土样，用于模拟近海盐渍地层冻结的试验环境，其特征在于，所述实验装置包括土样容器、数据采集系统和冻结系统，其中，

所述土样容器包括上盖、筒体和底板，所述底板与所述筒体的底端固定连接，所述上盖放置在所述筒体的顶端上，所述上盖、所述筒体和所述底板围成一个腔体，所述上盖能够上下移动，在所述上盖上设置有中心孔，所述筒体的侧壁上设置有多个第一引线孔；

所述数据采集系统包括数据采集面板、水分采集设备和盐分采集设备，所述数据采集面板水平设置于所述腔体内并将所述腔体分割为第一容纳空间和第二容纳空间，所述第一容纳空间位于所述第二容纳空间的上方，所述第一容纳空间用于容纳所述土样，所述数据采集面板上设置有多个盐分采集元件和多个水分采集元件，所述水分采集设备通过所述水分采集元件动态采集所述土样的水分数据、所述盐分采集设备通过所述盐分采集元件动态采集所述土样的盐分数据，所述数据采集面板能够在所述腔体内上下移动；

所述冻结系统包括冻结机、供液管、回液管和冻结器，所述冻结器竖向设置于所述第一容纳空间内，所述冻结器的底端与所述数据采集面板连接，所述冻结器的顶端通过所述中心孔延伸出所述土样容器外，所述冻结机分别通过所述供液管和所述回液管与所述冻结器的顶端相连，所述冻结机用于产生以及泵送低温或高温介质，所述冻结机、所述供液管、所述冻结器、所述回液管和所述冻结机依次连通形成用于所述介质的循环回路，所述介质在所述冻结器内与所述土样进行热量交换，用于实现冻结或强制解冻所述土样。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述上盖为环形结构，所述上盖由内层盖板和外层盖板组合而成，所述内层盖板的材质为塑料，所述外层盖板的材质为金属，所述外层盖板设置在所述内层盖板的上表面上，所述内层盖板的下表面接触所述土样；

优选地，所述内层盖板由多块扇环形内板连接而成，两块所述扇环形内板的连接处均设置有向上延伸的凸沿，所述凸沿延伸至外层盖板的上方，所述凸沿上均设置有多个螺栓孔，多个第一螺栓穿过多个所述螺栓孔将多块所述扇环形内板依次连接；

优选地，所述外层盖板由多块扇环形外板构成，多块所述扇环形内板的上表面均设置有扇环形凹槽，多块所述扇环形外板嵌入所述扇环形凹槽内；

优选地，所述内层盖板由两块所述扇环形内板构成；

优选地，所述内层盖板的材质为聚氯乙烯；

优选地，所述外层盖板的材质为铝合金；

优选地，每块所述扇环形外板上均设置有第一凹槽，所述第一凹槽内设置有把手，所述把手与所述扇环形外板转动连接，所述第一凹槽内还设置有水平测试仪；

优选地，所述上盖的外周设置有第一密封圈。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述筒体包括外筒和设置于所述外筒内侧的内筒，所述内筒的材质为塑料，所述外筒的材质为金属，所述外筒的外壁上套设有多道环形的加劲肋，其中一个所述加劲肋上在同一高度等距设置有多个圆形的第二凹槽，所述第一引线孔设置在所述第二凹槽内，所述第一引线孔穿透所述加劲肋、所述外筒和所述内筒，所述第一引线孔的内壁设置有螺纹且能够安装塑料螺钉，所述内筒的内壁上设置有竖向的刻度线，所述内筒的内壁上设置有承重环，所述承重环用于承载所述数据采集面板；

所述底板上设置有第二引线孔，所述底板的外缘设置有多个螺纹孔，用于与所述筒体连接，所述底板上设置有凸台，所述底板的下表面设置有第一引线槽，所述第一引线槽经过所述第二引线孔；

所述筒体的内直径为0.1～2m、深度为0.5～2m；

优选地，所述筒体的内直径为1m、深度为1m；

优选地，三道所述加劲肋分别设置于所述外筒的顶端、底端和中部；

优选地，所述内筒的材质为聚氯乙烯；

优选地，所述外筒的材质为铝合金；

优选地，设置于所述筒体底端的所述加劲肋上设置有多个竖向的螺纹孔，多个第二螺栓穿过多个所述螺纹孔将所述筒体与所述底板固定连接。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述数据采集面板由上层面板和下层面板构成，所述数据采集面板上设置有第三引线孔，所述上层面板的中心位置设置有冻结器底座，所述冻结器与所述冻结器底座连接，所述上层面板的外缘设置有多个第二密封圈，所述上层面板上沿半径方向设置有多个第二引线槽，每个所述第二引线槽上设置有多个元件布置孔位，每个所述元件布置孔位设置有一个盐分采集元件和一个水分采集元件，

所述盐分采集元件由盐分采集探针、元件底座和盐分数据线组成，所述盐分采集探针设置于所述土样中，并通过所述元件底座固定设置在所述元件布置孔位内，所述盐分采集探针与所述盐分数据线连接，

所述水分采集元件由水分采集探针、元件底座和水分数据线组成，所述水分采集探针设置于所述土样中，并通过所述元件底座固定设置在所述元件布置孔位内，所述水分采集探针与所述水分数据线连接，

所述盐分数据线和所述水分数据线均布设于所述第二引线槽内并依次通过所述第三引线孔、所述第二容纳空间和所述第二引线孔引出至所述筒体外，所述盐分数据线与所述盐分采集设备的数据线连接、所述水分数据线与所述水分采集设备的数据线连接，

优选地，在所述第二容纳空间内的所述盐分数据线和所述水分数据线均设置为弹簧电缆；

优选地，所述上层面板的材质为塑料，所述下层面板的材质为金属，所述下层面板设置在所述上层面板的下表面的圆形凹槽内，

优选地，所述第二密封圈设置有两个；

优选地，所述上层面板的材质为聚氯乙烯；

优选地，所述下层面板的材质为铝合金；

优选地，每个所述第二引线槽上设置有五个所述元件布置孔位。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述数据采集系统还包括温度采集面板，所述温度采集面板水平设置于所述第一容纳空间中部的土样中，所述温度采集面板由内圆环、外圆环以及多根钢绞线构成，所述钢绞线分别与所述内圆环和所述外圆环连接，每根所述钢绞线上均匀设置有多个所述温度采集元件，每个所述温度采集元件均连接有温度数据线，所述外圆环的外缘设置有第三引线槽，所述温度数据线布设于所述第三引线槽中；

所有的所述温度数据线在汇总后进入所述第一引线孔并在通过所述第一引线孔与所述温度采集设备的数据线相连接，汇总时由弹簧线套套设在所有的所述温度数据线外部，温度采集数据线穿过所述第一引线孔后与所述温度数据采集设备的数据线连接，所述温度采集设备通过所述温度采集元件动态采集所述土样的温度数据，所述温度采集面板能够在所述筒体内上下移动；

优选地，所述钢绞线设置有六根，呈放射形均匀分布；

优选地，所述温度采集元件为康铜与铜线制作而成的热电偶串。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括液压系统，所述液压系统由油压控制设备、油管和液压油缸构成，所述油压控制设备通过所述油管向所述液压油缸供油，多个所述液压油缸设置于所述第二容纳空间内，所述液压油缸的底端与所述底板连接，所述液压油缸的顶端与所述数据采集面板抵接，所述油压控制设备能够通过所述油管控制所述液压油缸的升降，所述液压油缸的升降能够推动所述数据采集面板升降，所述液压油缸为多级液压油缸；

优选地，所述液压油缸设置有四个；

优选地，在所述凸台上设置有多个油缸槽，所述液压油缸的底端分别设置在所述油缸槽内；

优选地，所述油缸槽设置有四个。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述冻结机包括制冷设备、制热设备以及泵送设备，能够实现冻结或强制解冻所述土样的功能；

所述冻结器的底端设置有螺纹端头，所述冻结器通过所述螺纹端头与所述冻结器底座螺纹连接，所述冻结器的顶端通过所述中心孔延伸至所述上盖外，所述冻结器为套管结构，所述冻结器由内管和套设于所述内管外周的外管组成，所述外管的外直径8～159mm，所述内管的外直径为所述外管的外直径的倍，所述外管的底端封闭，所述内管的底部和所述外管的底部连通，所述内管的顶端与所述供液管连通，所述回液管连接在所述外管的上段的侧壁上，所述外管的顶端设置有突出圆环，用于封堵所述外管；

所述供液管和所述回液管靠近所述冻结机的一端均设置有控制阀，用于所述供液管和所述回液管的开启与关闭，所述供液管和所述回液管靠近所述冻结器的一端均设置有手动调节阀，所述供液管和所述回液管上均设置有流量计，所述冻结器延伸出所述上盖外的部分设置有保温套；

优选地，所述保温套能够变形以适应所述上盖的移动；

优选地，所述介质为酒精；

优选地，所述内管和所述外管材质为紫铜管；

优选地，所述冻结器的外直径为80mm。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括位移采集装置，两个所述位移采集装置设置于所述上盖的上表面上，用于采集所述上盖在冻结所述土样过程中的位移量，所述位移采集装置由位移百分表、横梁、立柱和位移装置底座构成，所述立柱通过所述位移装置底座设置在所述筒体的顶端，所述横梁与所述上盖平行设置，所述横梁的一端套设于所述立柱上并通过旋钮螺栓进行固定，所述横梁能够沿所述立柱上下移动，所述位移百分表竖直设置于所述上盖上表面上，所述位移百分表的底端与所述上盖的上表面抵接，所述位移百分表通过旋钮螺栓固定设置在的所述横梁的另一端。

9.利用权利要求1至8中任一项的实验装置进行多参数动态采集的人工地层冻结的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)试验准备：

1.1)安装检验试验设备：提前利用水平仪对土样容器安置地点进行检测，保证土样容器被放置在一个水平的地面上，移除上盖，开启液压系统的油压控制设备，通过液压油缸推动数据采集面板上升，使数据采集面板上升至土样容器的顶端，并对设置于数据采集面板上的水分采集探针和盐分采集探针进行检验，检查完毕后通过控制液压油缸将数据采集面板回放到土样容器的底部位置，将冻结器安装到数据采集面板的冻结器底座上；

1.2)土样填充：步骤1.1)安装检验完成后，将土样分层填入土样容器中，当土样填充至与土样容器的第一引线孔水平时，用水平仪测试土样填充平面的平整度，调整土样填充直至该平面水平，随后将温度采集面板安装至土样容器内，将温度数据线从第一引线孔引出，并对第一引线孔的空隙进行密封，通过内筒上的刻度线对所填充的土样的高度进行控制，继续填充土样至上盖下表面所在位置，利用水平仪测试土样平面的平整度，调整土样平面直至该平面水平，然后安装上盖，并利用水平测试仪测试上盖是否水平，当上盖达到水平要求后，将位移采集装置安装至上盖的上表面上；

1.3)连接冻结管：在步骤1.2)土样填充完成后，在冻结器延伸出上盖的部分安装保温套，冻结器的内管通过供液管与冻结机连通，冻结器的外管通过回液管与冻结机连通，在供液管以及回液管上靠近冻结器的一端的分别安装手动调节阀、在靠近冻结机的一端分别安装控制阀、在手动调节阀与控制阀之间分别安装流量计；

1.4)数据采集系统连接：将与温度采集元件通过温度数据线与温度采集设备的数据线进行连接，将盐分采集元件通过盐分数据线与盐分采集设备的数据线进行连接，将水分采集元件通过水分数据线与水分采集设备的数据线进行连接；

2)进行试验

2.1)开启冻结机的制冷设备，将介质的温度降低至-30℃；

2.2)分别开启供液管和回液管上的控制阀、手动调节阀，随后开启冻结机的泵送装置，根据流量计利用手动调节阀控制介质的流量；

2.3)开启温度采集设备、水分采集设备和盐分采集设备，分别对土样的温度、水分和盐分的数据进行自动采集，利用位移采集装置对土样的冻胀率进行手动采集；

2.4)当温度采集设备所采集的温度数据的值连续三次相同时，土样进入稳定冻结状态，停止泵送介质，关闭数据采集系统；

2.5)利用冻结机的制冷设备将介质加热至40℃并泵送介质，对被冻土样进行强制解冻，利用温度采集设备对解冻情况进行监测，当土样温度达到0度以上时解冻结束，关闭控制阀停止介质的循环，在对土样解冻过程中重复步骤(2.3)，分别对土样的温度、水分、盐分和冻胀率的数据进行自动采集；

2.6)断开供液管和回液管与冻结器之间的连接，利用液压油缸推动数据采集面板向上移动，进而推动土体上移，当数据采集面板被推送至接近第一引线孔所在的平面位置时，清理土样容器内第一引线孔所在平面以上的土样，然后断开温度数据线与温度采集设备的数据线之间的连接，移除温度采集面板，将第一引线孔利用塑料螺钉进行封堵，然后通过液压油缸继续推送数据采集面板至土样容器的顶端，移除所有土样，并对数据采集面板进行清理，并对水分采集探针和盐分采集探针进行检验，检验完毕后通过控制液压油缸将数据采集面板回放到土样容器的底部位置；

2.7)更换土样，重复步骤1.2)-1.4)及步骤2)，对另外一份的土样进行试验，并对其进行温度、水分、盐分和冻胀率的数据的自动采集；

3)试验数据的处理：

将单次试验同一时刻获得的同一圈径的温度监测数据进行筛选，剔除与其他数据差别较大的数据，对正确的数据取平均值，作为该时刻、该位置的温度测试数据，将同一个平面上的不同位置的温度随时间的变化规律绘制成曲线图，采取同样的方法对盐分、水分、冻胀进行整理。

10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，

在所述步骤1.2)中，所述土样的土质为黏土、砂土和砂质黏土中的一种，所述土样的含水率为0～40％，优选为20-40％；

在所述步骤1.2)中，配置所述土样的水溶液的含盐量为1％～3％；

在所述步骤1.3)中，温度采集设备的测试时间间隔为10～60min，水分采集设备以及盐分采集设备的测试时间间隔为30～60min，位移采集装置的数据采集时间间隔为30～60min；

在所述步骤2.6)中，液压油缸每次的推送高程为5～20cm。