CN108982572A - 一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法，装置包括加温控制系统、温度测量系统和沉降测量系统，通过人工控制加温在试验区形成厚度相对稳定的冻土融化层，利用埋设的不同深度的温度传感器测量的土体温度，换算出冻土融化深度，同时沉降测量系统测出该融化层对应的下沉量，二者比值为冻土的融沉系数。温度控制器、交流接触器、温度传感器及电加热棒组成加温控制系统，自动控制电路的开闭以保证加热温度恒定；千分表、数据采集器、数据转换器和计算机组成沉降测量系统，用于测量冻土的沉降量。本发明可以精确地测量大粒径深埋冻土的的融沉量及融化深度，试验过程自动化程度高，受外界影响较小。

Description

一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法

技术领域

本发明涉及地质工程与岩土工程技术领域，尤其涉及一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法。

背景技术

目前冻土的原位融沉试验主要依据《土工试验方法标准GB/T 50123-1999》中规定的方法，通过电热或水加热形成融化圈，用百分表人工测量读取其融沉量，融化深度的测量依靠钢钎探测，且试验只是针对埋深较小的细粒土冻土，细粒冻土传热和沉降相对均匀，且人工采用钢钎探测融化深度的精度较差，手工操作控制加热不太方便。

然而，在实际工程中针对深埋粗粒土冻土时，传热和沉降不均匀，上述方法无法实施，此时想通过原位融沉试验获取融沉系数十分困难。鉴于此，确有必要设计一种针对粗粒土冻土的原位融沉试验的装置。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法，采用更加自动化的加温方法和沉降测量方式，提供了一种冻土融化深度测量的新思路，提高了试验结果的准确性和可靠性。

为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，所述原位融沉试验装置包括加温控制系统、温度测量系统和沉降测量系统；

所述加温控制系统包括：温度控制装置、加热箱、分别与所述温度控制装置电性连接的第一温度传感器和加热棒；所述加热棒位于加热箱内，用于对所述加热箱进行加热，被加热的加热箱通过热量传递对位于其底部的冻土进行加热，所述第一温度传感器用于测量所述加热箱的温度变化；

所述温度测量系统包括：第二温度传感器和与所述第二温度传感器电性连接的温度采集仪；所述第二温度传感器设在冻土的内部，用于测量冻土内部的温度，所述温度采集仪用于采集所述第二温度传感器的测量温度；

所述沉降测量系统：包括千分表、固定钢管、墙支脚、位移采集仪和计算机，所述千分表设于所述加热箱的上表面，并通过所述固定钢管和墙支脚固定于探井井壁；所述位移采集仪与千分表电性连接，用于测量冻土融化过程中的沉降量，并将其发送至所述计算机。

进一步地，所述温度控制装置包括温度控制器、交流接触器，所述第一温度传感器、加热棒、温度控制器和交流接触器依次串联，形成加热电路，并由所述温度控制器和交流接触器控制加热电路的开闭。

进一步地，所述加温控制系统还包括与所述温度控制装置电性连接的接地铜棒。

进一步地，所述第二温度传感器至少有一个，且埋设于冻土的预设深度。

进一步地，所述沉降测量系统还包括与所述计算机电性连接的数据转换器，以将所述千分表测得的物理位移转换为电信号后传输给所述计算机。

进一步地，所述固定钢管通过直角连接片固定在探井井壁上。

进一步地，所述沉降测量系统还包括和所述千分表可拆卸地连接的磁性基座，且所述磁性基座固定在所述固定钢管上。

进一步地，所述原位融沉试验装置还包括：设于所述加热箱上部的承压装置，且所述承压装置包括支撑钢柱和位于所述支撑钢柱上部的承压钢板。

进一步地，所述承压装置与加热箱通过连接钢板连接，所述加热箱内设有工字钢，在所述工字钢的上表面和所述连接钢板均设有螺孔，利用螺栓分别通过所述工字钢和连接钢板的螺孔将二者紧固为一个整体。

为实现上述目的，本发明采用了另一种技术方案：一种利用上述所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置进行原位融沉试验的方法，包括如下步骤：

步骤1：在选定区域开挖探井作为试验区域，在开挖好的探井底部打磨整平出一区域，在该区域正中心划出加温实验区域，并在加温实验区域分别钻若干个不同深度的传感器布置孔；将所述第二温度传感器在不同深度的传感器布置孔中按不同深度间距布置，并漏出探头，将所有第二温度传感器的线引出探井外并与所述温度采集仪接通；

步骤2：在探井内预留的位置搭设脚手架，便于试验时人工加载，脚手架靠近探井井壁，预留出试验操作区域；

步骤3：将所述加热箱放入加温实验区域，在所述加热箱的四角安装所述千分表、并通过所述固定钢管和墙支脚固定于探井井壁，并给所述千分表的表头压缩；安装所述第一温度传感器、电加热棒，接通所述加温控制装置、温度测量系统、沉降测量系统进行调试，调试完毕关闭所有仪器；

步骤4：将连接好的所述支撑钢柱和承压钢板放入探井，对准所述工字钢和连接钢板上的螺孔，用螺栓将所述工字钢和连接钢板紧固为一个整体；

步骤5：放下所述承压装置的同时接通所述沉降测量系统和温度测量系统，开始测量沉降；以所述加热箱、承压装置的自重作为第一级荷载，然后依次进行不同荷载的多级加载，设置多个沉降数据的采集时间并分别采集对应的沉降位移值；

步骤6：最后一级荷载下沉降稳定后，断开所有仪器，等待探井底部的温度稳定后开始加温；打开所有仪器，设置所述加温控制装置的温度和所述温度采集仪的温度采集时间，沉降位移的采集时间同步骤5，并设置单级加热融化的温度稳定标准；根据温度稳定时所述第二温度传感器的深度所在位置计算冻层融化深度；并依次进行多级温度加温试验；

步骤7：试验结束后断开所有测量系统的电源，撤出试验装置，并将加温实验区域融化深度内的冻土进行编录，记录粗粒土的含量和组成结构；根据各级加温下的冻土温度监测计算出来的融化深度和所述沉降测量系统得到的融化沉降值，计算出冻土的融沉系数，根据融化过程中温度及沉降的变化特征分析冻土的融沉特性。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本装置可以用于粗粒土甚至土石混合体冻土的原位融沉试验，对埋深较大的冻土也适用；(2)各部分自动化控制程度高，操作简单，得到了试验数据量大且更加准确，融化深度的测量、加热温度的控制方法都比传统试验简单；(3)整套系统所需的设备及材料较为常见，便于获取和加工。

附图说明

图1为本发明的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置的整体示意图；

图2为本发明的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置的整体侧视图；

图3为本发明的加热箱的俯视图；

图4为本发明的加热及控制系统的电路连接示意图；

图5为本发明的墙支脚的截面图。

图中：1-加热箱，2-第一温度传感器，3-电加热棒，4-工字钢，5-连接钢板，6-加热箱内通孔，7-千分表，8-磁性基座，9-螺栓，10-直角连接片，11-固定钢管，12-支撑钢柱，13-承压钢板，14-计算机，15-数据转换器，16-加温控制装置，17-第二温度传感器，18-位移采集仪，19-温度采集仪，20-接地铜棒，21-通气孔，22-吊耳，23-螺孔，24-交流接触器，25-温度控制器，26-墙支脚，100-加温控制系统，200-温度测量系统，300-沉降测量系统，400-承压装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

如图1和2所示，本发明提供了一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，所述原位融沉试验装置包括加温控制系统100、温度测量系统200和沉降测量系统300，所述加温控制系统100用于控制加温在试验区形成厚度相对稳定的冻土融化层；所述温度测量系统200利用测量的温度间接计算出冻土的融化深度；所述沉降测量系统300用于测量融化层的下沉量。

所述加温控制系统100包括加热箱1、第一温度传感器2、加热棒3、温度控制装置16，所述第一温度传感器2、加热棒3分别与所述温度控制装置16电性连接。所述温度控制装置16包括温度控制器25、交流接触器24(参见图4)，其中所述第一温度传感器2、加热棒3均位于所述加热箱1的内部，所述第一温度传感器2、加热棒3分别与所述温度控制器25和交流接触器24依次串联，并由所述温度控制器25和交流接触器24来自动控制加热电路的开闭。优选的，加热电路分为两条回路，以保证加热的均匀和温度的稳定。所述加温控制系统100还包括接地铜棒20，所述接地铜棒20与所述温度控制装置16电性连接。

所述加热箱1用于存放加热液，用于向其底部的冻土加温。所述第一温度传感器2(例如探头设置为15cm)连接到所述温度控制装置16中，加温的同时测量加热液的温度，所述温度控制装置16可基于温度对所述第一温度传感器2进行控制。所述加热棒3在接通电路后，对加热液进行加温。所述温度控制器25用于控制加热回路的开闭，可以是数字式温度控制器，例如温度的控制范围为-4～120℃，控温精度为0.1℃。所述交流接触器24与所述温度控制器25串联，用于保护所述温度控制器25和电路，以防止频繁开闭电路损坏仪器。通过所述第一温度传感器2将测量的所述加热箱1的温度传输给所述温度控制器25，通过设定所述温度控制器25和交流接触器24来控制加热电路的开闭，以保证所述加热箱1的温度恒定，确保形成稳定的融化层。所述加热箱1内设有工字钢4，所述工字钢4呈现“工”字型，所述工字钢4上设有加热箱内通孔6，所述工字钢4的顶部设有螺孔23。所述加热箱1的顶部还设有通气孔21，用于排除加热液的蒸汽。

所述温度测量系统200包括第二温度传感器17和温度采集仪19，所述第二温度传感器17和温度采集仪19电性连接。优选的，所述第二温度传感器17为PT100温度传感器。可在试验区域的不同深度埋设所述第二温度传感器17，所述温度采集仪19则设于土壤外部。根据所述第二温度传感器17测量得到的温度值和对应的埋设深度来确定冻土融化的深度。例如，以0℃温度出现时对应的深度作为冻土的融化界面。以通过测量温度的方式间接测量融化深度，测量的精度更高。

所述沉降测量系统300包括千分表7、磁性基座8、固定钢管11、墙支脚26、位移采集仪18和计算机14，所述千分表7的表头提前压缩并置于所述加热箱1的上表面(例如，所述加热箱1的上表面四角)，所述千分表7与磁性基座8可拆卸地连接，所述磁性基座8固定在所述固定钢管11上，所述千分表7和磁性基座8通过所述固定钢管11和墙支脚26(参见图5)固定于探井井壁。所述位移采集仪18与千分表7连接，并可以测量冻土融化过程中的沉降量，所述计算机14与位移采集仪18电性连接，并可自动采集所述位移采集仪18的测量数据。所述沉降测量系统300还包括数据转换器15，所述数据转换器15与计算机14电性连接，所述数据转换器15将所述千分表7测得的物理位移转换为电信号后传输给所述计算机14。所述固定钢管11可通过直角连接片10固定在探井井壁上，所述直角连接片10的一个直角边固定于探井井壁(例如，在探井井壁上打孔，再通过碰撞螺丝固定)，所述直角连接片10的一个直角边用于固定所述固定钢管11(例如，通过螺栓9固定)。优选的，所述直角连接片10的数量为两个。

当用于地下试验时，所述原位融沉试验装置还包括承压装置400，所述承压装置400包括支撑钢柱12和承压钢板13，所述支撑钢柱12的上部为所述承压钢板13、下部为连接钢板5，所述支撑钢柱12可按图1的方式与所述承压钢板13连接。所述承压钢板13的上表面设有吊耳22，以便将所述原位融沉试验装置放入试验探井中。所述连接钢板5位于所述承压装置400与加热箱1之间，所述承压装置400与加热箱1通过所述连接钢板5，所述连接钢板5上设有螺孔23。当在所述加热箱1的顶部放置所述承压装置400时，可利用螺栓分别通过所述工字钢4和连接钢板5的螺孔23将二者紧固为一个整体(参见图3)。若用于地表试验时，所述原位融沉试验装置则无需所述承压装置400。

为方便理解本发明，将本发明的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置应用于某一试验区域中，某一地区发育有岩堆冻土，冻层埋深10m，在其上选定某一区域，开挖一2m*2m的探井到冻层深度作为实验区域。

步骤1：在开挖好的探井底部打磨整平出面积约1m×1m的区域，在该区域正中心划出0.5m×0.5m的加温实验区域，用风钻在加温实验区域的中心、1/4位置和边缘分别钻直径为25mm孔深为100cm、90cm、80cm的传感器布置孔；将所述温度传感器17按不同深度间距(如5cm或10cm)布置，所述温度传感器17的探头用胶带固定于木棒之上，并漏出探头，放置竖向所述温度传感器17的同时加入细砂和水以排除孔内空气；水平方向的所述温度传感器17布置于提前刻在冻土表面的凹槽内，最后在所述温度传感器17表面铺少量细砂覆盖，将所有温度传感器17的线引出探井外并与所述温度采集仪19接通；

步骤2：用电钻在探井壁已做标记的位置打孔，主要是作为所述直角连接片10的固定螺丝孔，用膨胀螺丝将所述直角连接片10的一个直角边固定于探井井壁，将用于固定所述磁性基座8的固定钢管11的两端，分别通过螺栓9固定在所述直角连接片10的另一个直角边，由于所述固定钢管11是圆柱形，所以采用所述墙支脚26固定；

步骤3：根据情况选取尺寸为1.7m×1.7m、厚1.8cm的所述承压钢板13和厚30mm的所述支撑钢柱12，按图1将所述承压装置400焊接好，所述支撑钢柱12的上部为所述承压钢板13、下部为所述连接钢板5，并在所述承压钢板13的上表面外侧中心焊接钢筋吊耳22，以便将其放入试验探井中；

步骤4：在探井内预留的位置搭设脚手架，便于试验时人工加载，脚手架尽量靠近探井井壁，预留出尽可能多的试验操作区域；

步骤5：用卷扬机将所述加热箱1放入试验区表面并铺砂找平，砂层厚度小于1cm；下放的时候注意避开已固定好的所述千分表7的固定钢管11，在所述加热箱1的四角安装所述千分表7和磁性基座8，并给所述千分表7的表头适当的压缩；安装所述温度传感器2、电加热棒3、接地铜棒20，接通所述加温控制装置16、温度测量系统200、沉降测量系统300进行调试，调试完毕关闭所有仪器；

步骤6：将焊接好的所述支撑钢柱12和承压钢板13用吊车缓慢放入探井，接近所述加热箱1的表面时放慢速度，慢慢对准所述工字钢4和连接钢板5上的螺孔23，当而且刚接触时立即停止继续下放，用螺栓将所述工字钢4和连接钢板5紧固为一个整体；

步骤7：在完全放下所述承压装置400同时接通所述沉降测量系统300和温度测量系统200开始测量沉降；以所述加热箱1、承压装置400的自重作为第一级荷载，然后依次进行50kpa、100kpa、200kpa、400kpa加载，直至达到开挖探井上部的覆土自重；加载采用袋装称重好的砂卵石，加载达到相应重量后立刻开始位移测量，加载时中尽量从所述承压钢板13的中心到边缘进行对称堆放，加载速度尽量快并减少扰动；沉降数据的采集时间分别为开始试验后的6s、15s、1min、2min15s、4min、6min15s、9min、12min15s、16min、20min15s、25min、30min15s、36min、42min5s、49min、64min、100min、200min、260min、320min、380min……，各级加载下沉降的稳定以0.01mm/2h为标准，单级加载最少采集开始后320min的数据；单级加载稳定后停止位移测量，不测量加载过程中的沉降值；

步骤8：最后一级荷载下沉降稳定后，断开所有仪器，留出至少12小时等待探井底部的温度稳定后开始加温；打开所有仪器，设置所述温度控制器25的温度为略低于10℃，反复调整两个温度控制器25，使其同时工作；设置所述温度采集仪19的温度采集时间为15秒，位移采集时间同步骤7，单级加热融化的稳定以0℃温度传感器对应深度为准，单级温度稳定标准为0.1℃/3h，即相邻三个小时的温度变化在0.1℃以内；根据稳定时所述第二温度传感器17深度所在位置计算冻层融化深度；依次进行20℃、30℃……90℃共九级温度，单级加温时间大于24个小时，加温过程中随时清除冻土融化留在试坑内的积水；

步骤9：试验结束后断开所有测量系统的电源，撤出试验设备，并将实验区域融化深度内的冻土进行编录，详细记录粗粒土的含量和组成结构；根据各级加温下冻土温度监测计算出来的融化深度和所述沉降测量系统300得到的融化沉降值，可以计算出冻土的融沉系数，根据融化过程中温度及沉降的变化特征可以分析冻土的融沉特性。

为使本发明更具可操作性，给出了本发明的原位融沉试验装置及方法中涉及的主要参数建议值和具体的实施步骤，需要指出的是，在进行实际操作时，上述参数和实施步骤均可进行更改，且均应包含在本发明的保护范围内。例如，步骤2与步骤5合并；又例如，步骤3可与步骤6合并。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本装置可以用于粗粒土甚至土石混合体冻土的原位融沉试验，对埋深较大的冻土也适用；(2)各部分自动化控制程度高，操作简单，得到了试验数据量大且更加准确，融化深度的测量、加热温度的控制方法都比传统试验简单；(3)整套系统所需的设备及材料较为常见，便于获取和加工。

值得说明的是：在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，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在本发明中的具体含义。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述原位融沉试验装置包括加温控制系统、温度测量系统和沉降测量系统；

所述加温控制系统包括：温度控制装置、加热箱、分别与所述温度控制装置电性连接的第一温度传感器和加热棒；所述加热棒位于加热箱内，用于对所述加热箱进行加热，被加热的加热箱通过热量传递对位于其底部的冻土进行加热，所述第一温度传感器用于测量所述加热箱的温度变化；

所述温度测量系统包括：第二温度传感器和与所述第二温度传感器电性连接的温度采集仪；所述第二温度传感器设在冻土的内部，用于测量冻土内部的温度，所述温度采集仪用于采集所述第二温度传感器的测量温度；

所述沉降测量系统：包括千分表、固定钢管、墙支脚、位移采集仪和计算机，所述千分表设于所述加热箱的上表面，并通过所述固定钢管和墙支脚固定于探井井壁；所述位移采集仪与千分表电性连接，用于测量冻土融化过程中的沉降量，并将其发送至所述计算机。

2.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述温度控制装置包括温度控制器、交流接触器，所述第一温度传感器、加热棒、温度控制器和交流接触器依次串联，形成加热电路，并由所述温度控制器和交流接触器控制加热电路的开闭。

3.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述加温控制系统还包括与所述温度控制装置电性连接的接地铜棒。

4.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述第二温度传感器至少有一个，且埋设于冻土的预设深度。

5.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述沉降测量系统还包括与所述计算机电性连接的数据转换器，以将所述千分表测得的物理位移转换为电信号后传输给所述计算机。

6.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述固定钢管通过直角连接片固定在探井井壁上。

7.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述沉降测量系统还包括和所述千分表可拆卸地连接的磁性基座，且所述磁性基座固定在所述固定钢管上。

8.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述原位融沉试验装置还包括：设于所述加热箱上部的承压装置，且所述承压装置包括支撑钢柱和位于所述支撑钢柱上部的承压钢板。

9.根据权利要求8所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述承压装置与加热箱通过连接钢板连接，所述加热箱内设有工字钢，在所述工字钢的上表面和所述连接钢板均设有螺孔，利用螺栓分别通过所述工字钢和连接钢板的螺孔将二者紧固为一个整体。

10.一种利用权利要求9所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置进行原位融沉试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在选定区域开挖探井作为试验区域，在开挖好的探井底部打磨整平出一区域，在该区域正中心划出加温实验区域，并在加温实验区域分别钻若干个不同深度的传感器布置孔；将所述第二温度传感器在不同深度的传感器布置孔中按不同深度间距布置，并漏出探头，将所有第二温度传感器的线引出探井外并与所述温度采集仪接通；

步骤2：在探井内预留的位置搭设脚手架，便于试验时人工加载，脚手架靠近探井井壁，预留出试验操作区域；

步骤3：将所述加热箱放入加温实验区域，在所述加热箱的四角安装所述千分表、并通过所述固定钢管和墙支脚固定于探井井壁，并给所述千分表的表头压缩；安装所述第一温度传感器、电加热棒，接通所述加温控制装置、温度测量系统、沉降测量系统进行调试，调试完毕关闭所有仪器；

步骤4：将连接好的所述支撑钢柱和承压钢板放入探井，对准所述工字钢和连接钢板上的螺孔，用螺栓将所述工字钢和连接钢板紧固为一个整体；

步骤5：放下所述承压装置的同时接通所述沉降测量系统和温度测量系统，开始测量沉降；以所述加热箱、承压装置的自重作为第一级荷载，然后依次进行不同荷载的多级加载，设置多个沉降数据的采集时间并分别采集对应的沉降位移值；

步骤6：最后一级荷载下沉降稳定后，断开所有仪器，等待探井底部的温度稳定后开始加温；打开所有仪器，设置所述加温控制装置的温度和所述温度采集仪的温度采集时间，沉降位移的采集时间同步骤5，并设置单级加热融化的温度稳定标准；根据温度稳定时所述第二温度传感器的深度所在位置计算冻层融化深度；并依次进行多级温度加温试验；

步骤7：试验结束后断开所有测量系统的电源，撤出试验装置，并将加温实验区域融化深度内的冻土进行编录，记录粗粒土的含量和组成结构；根据各级加温下的冻土温度监测计算出来的融化深度和所述沉降测量系统得到的融化沉降值，计算出冻土的融沉系数，根据融化过程中温度及沉降的变化特征分析冻土的融沉特性。