CN109208565B - 一种浅地表冻土多参数快速检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浅地表冻土多参数快速检测装置，该装置包括平衡架和一对加压杆及位移标尺。位移标尺上设有水平尺；一对加压杆的顶端设有内置温度测量仪表、电阻测量仪表、测力仪表的仪表封装外壳；一对加压杆的底部设有夹持力传感器的绝缘硬质承力板，该绝缘硬质承力板的底部对称设有一组绝缘硬质加压杆；一组绝缘硬质加压杆末端设有两块金属薄板，其中一块金属薄板镶有温度传感器；金属薄板与电阻测量仪表相连；温度传感器与温度测量仪表相连；力传感器与测力仪表相连。同时本发明还公开了该装置的检测方法。本发明通过对浅地表土体分层进行电阻、温度及强度的同时测量，不但可以较为准确地检测土体的冻结状况，还可以实现对地表冻结深度的检测。
Description
技术领域
本发明涉及冻土检测领域，尤其涉及一种浅地表冻土多参数快速检测装置及其检测方法。
背景技术
冻土是指温度等于或低于0℃，并含有冰的岩、土体。在我国，冻土的分布非常广泛，其中多年冻土区占到我国国土面积的22%左右，长江以北大部分区域均为季节冻土区，除海南外几乎所有的区域都为短时冻土区。如此广泛分布的冻土区导致我国大量的工程建设、农业活动都不可避免地遇到冻土。尤其是随着我国西部大开发战略的持续推进，我国西南地区的水电开发项目大幅增加，这些项目中虽然总体上以混凝土坝为主，但土石坝仍然占有一定比例。这些土石坝工程对于坝体的密实度具有非常高的要求，但由于西南地区暖季降水量较大，导致坝体含水量高于最优含水量，进而降低坝体密实度，造成坝体的安全隐患。为了降低暖季降水的影响，这类坝体可能选择在冬季施工。然而，施工区域在冬季通常会出现短时、甚至季节性冻土，这类冻土虽然在通常的工程建设中可以忽略，但对于土石坝工程，高密实度的压实土在经历冻融循环后会发生显著的密实度降低现象，威胁大坝的安全。为此，在冬季需要采取有效的防冻措施预防坝体冻结，此外，对浅地表土体冻结状况的快速检测也是确保大坝稳定性的重要措施。
虽然我国的冻土研究已经取得了一定的成果，对土体是否冻结以及冻结强弱的判别对于相关的研究机构或特定区域内的人员是较为简单的，可以不借助任何仪器设备完成。然而，对于很少接触冻土的人员来说，冻土的判别难度仍然较大。虽然可以通过取样进行室内试验或请专业人士进行鉴别的方法确定土体是否冻结，但该方法对于通常的工程及农业活动来说是不现实的；因此需要一种能够在室外快速进行冻结状况检测的装置。俞祁浩等（俞祁浩，张海宁，王俊峰，郭磊，马丽山，谢艳丽，冻土区回填土冻结强度现场快速检测装置：中国，201510227373.7[P]. 2015.10.28）提出了一种快速进行冻土块强度判别的装置，但该装置仅仅是进行土块的强度判别，却无法判断土块是否冻结，且现场取样检测属于有损检测，会显著降低坝体密实度。在目前已有的土体冻结状况的无损判别方法中，采用热电偶或热敏电阻的方法测量土体温度的方法较为常用，该方法通过在深度方向进行钻孔布设探头进行。然而，土体中盐分或压力的不同会改变其冻结温度，因此，测温法对土体冻结状况的判别并不是特别准确，尤其是对土体冻结状况较为敏感的工程中缺陷明显。以往的研究发现，土体冻结后其强度和介电常数会发生显著改变，然而，土体的这些单个物性的差异均可以受到多种因素的影响，将其用于土体是否冻结的判别时均存在误差较大的不足。因此，有必要对新型的冻土多参数快速检测装置开展系统的研究。
虽然对土体取样检测的方法对其冻结状况检测精度较高，但该方法存在以下不足：首先，地表冻结后土体强度较高，取样难度较大，难以完成标准样的获取；其次，地表冻结后不同深度土体的冻结状况不同，对土体取样检测时检测位置的不同对检测结果具有较大的影响，可能引起工程人员对地表冻结状况的误判；另外，现场取样测试属于有损检测，检测完成后无法恢复土体的密实度。基于土体取样检测中存在的以上不足，本发明旨在提出一种进行浅地表冻土多参数快速检测的方法和装置，从而较为准确地确定地表土体的冻结状况及其冻结深度，为工程活动提供有效指导。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种土体温度、电阻及强度三个参数同时采集的浅地表冻土多参数快速检测装置。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该浅地表冻土多参数快速检测装置的检测方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种浅地表冻土多参数快速检测装置，其特征在于：该装置包括底部两端对称设有共计4根平衡杆的平衡架和设在所述平衡架中部的一对加压杆及设在所述平衡架一侧的位移标尺；所述位移标尺外侧的所述平衡架上设有水平尺；一对所述加压杆的顶端设有内置温度测量仪表、电阻测量仪表、测力仪表的仪表封装外壳；一对所述加压杆的底部设有夹持力传感器的绝缘硬质承力板，该绝缘硬质承力板的底部对称设有一组绝缘硬质加压杆；一组所述绝缘硬质加压杆末端设有竖直相向而设的两块金属薄板，其中一块金属薄板底部附近镶嵌有温度传感器；所述金属薄板与所述电阻测量仪表相连；所述温度传感器与所述温度测量仪表相连；所述力传感器与所述测力仪表相连。
所述位移标尺垂直设在所述平衡架的一侧。
所述仪表封装外壳与所述绝缘硬质承力板均平行于所述平衡架。
所述金属薄板与所述电阻测量仪表、所述温度传感器与所述温度测量仪表、所述力传感器与所述测力仪表均通过数据传输线相连。
所述温度传感器为测温精度高于±0.5℃、测温敏感度高于±0.1℃的热敏电阻或热电偶。
两块所述金属薄板的间距为0.1~5.0cm，且每块所述金属薄板的厚度为0.1~1.0cm，宽度为0.1~5.0cm，高度为0.1~5.0cm。
两块所述金属薄板相对的面为平面，各自的背面在底部为斜面。
如上所述的一种浅地表冻土多参数快速检测装置的检测方法，包括以下步骤：
⑴浅地表冻结状况预测：根据当地气温为负温的时长及地表土质、含水量等条件，估计浅地表土体冻结深度，并确定每层受检土体的厚度；
⑵将浅地表冻土多参数快速检测装置置于地表，通过调整4根平衡杆及水平尺使平衡架处于水平放置；
⑶针对每层受检土体，通过加压杆下压力传感器，将两块金属薄板缓慢匀速下压，根据预估的土体冻结深度，每次下压深度相同；利用位移标尺使两块金属薄板的底部到达受检土层下表面时停止下压；每次下压后首先利用电阻测量仪表测量土体电阻，然后从测力仪表读取下压过程中压力的极大值及平均值，最后待温度测量仪表读数稳定后读取温度值；
⑷土体冻结状况判定：
若土层温度>0℃，则土体未冻结，停止检测；
若土层温度≤0℃，且土体强度≤临界强度Sc，则土体未冻结，可能为寒土，停止检测；
若土层温度≤0℃，且土体强度>临界强度Sc，土体电阻≤临界电阻Rc，则土体未冻结，可能为过冷砾石土，停止检测；
若土层温度≤0℃，且土体强度>临界强度Sc，土体电阻>临界电阻Rc ，则土体冻结；
⑸确定浅地表土体的冻结状况：对每一层土体的冻结状况进行汇总，确定土体的冻结状况及冻结深度的参数，根据冻土层出现的最深位置，确定浅地表土体冻结深度。
本发明的原理在于：土体冻结后会发生多种物理、力学性质的改变，如温度的降低、土体强度及电阻率的大幅升高，因此，可以通过测量土体这些物理、力学性质的变化来判断土体是否冻结。在目前已有的土体是否冻结的判别方法中，采用热红外、热电偶或热敏电阻的方法测量土体温度的方法较为常用，该方法通常将温度低于0℃作为土体冻结的判据。然而，土体盐分或压力的变化会引起其冻结温度的降低，在施工现场土体冻结温度未知的情况下，测温法对土体冻结状况的判定可能存在一定的误差，可能将寒土误判为冻土。土体冻结后，其力学强度将大幅提高，可以利用该性质进行土体冻结状况的判定。然而，土体密实度、岩性材料的变化均会引起土体力学强度的大幅改变，该方法可能将未冻结的高密实度土或含砾土误判为冻土，因此，单纯测试土体的力学强度也无法判定土体的冻结状况。同样地，若使用测量土体的电阻进行检测，则可能将已冻结的含盐土误判为融土。因此，为了确保冻土现场检测结果的准确，必须采用多参数的方法。该方法通过对土体温度、电阻及强度三个参数同时采集，可以有效避免单个参数检测时存在的误差。通过以上三个参数的综合对比分析，确定土体的冻结状况。本发明以土体温度作为首要判别依据，当土体温度高于0℃时土体为融土。当土体温度低于0℃时，由于土体可能由于冻结温度的降低而未冻结，即土体可能为寒土，因此需要采用其他参数进行辅助判别，当土体强度较高、电阻较大时可判定为冻土。
为了实现对浅地表土体冻结状况及冻结深度的快速无损检测，可以采用直插式分层检测的方法进行，即对浅地表土体逐层进行以上三参数的检测，从而确定每层的冻结状况及冻结层的大致深度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明填补了对土体冻结状况进行现场快速检测装置的空白，为非专业的工程人员提供一种简单、可靠的土体冻结状况的检测设备，从而能够大幅降低岩土工程施工过程中在冻土判别方面产生的咨询和工期延长所产生的费用。
2、本发明创新性地实现了对浅地表土体温度、电阻及强度三个指标的同时测量，从而有效避免了对土体三个参数分别测试时历时时间较长，导致土壤水分在外界传热过程和探头压力作用下向探头测点位置迁移，及传热过程引起的不同检测指标判定结果之间存在冲突的现象，提高了检测精度。
3、本发明实现了对浅地表土体冻结状况的无损检测，有效克服了现场取样检测时存在的以下不足：地表冻结后土体强度较高，取样难度较大，难以完成标准样的获取；地表冻结后不同深度土体的冻结状况不同，对土体取样检测时检测位置的不同对检测结果具有较大的影响，可能引起工程人员对地表冻结状况的误判；现场取样测试属于有损检测，检测完成后无法恢复土体的密实度。
4、由于冻土强度的测定需要专业的高精度仪器在室内进行，在施工现场是无法测量的。本发明创新性地将土体原位测试中的标准贯入试验原理应用于浅地表冻土的快速检测中，从而实现了在室外对地表土体强度进行原位无损检测、为土体冻结状况判别提供重要依据的目的。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的正视图。
图2为本发明的侧视图。
图中：1-平衡架；2-加压杆；3-仪表封装外壳；4-力传感器；5-绝缘硬质承力板；6-温度传感器；7-金属薄板；8-绝缘硬质加压杆；9-位移标尺 10-平衡杆；11-温度测量仪表；12-电阻测量仪表；13-测力仪表；14-数据传输线；15-水平尺。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种浅地表冻土多参数快速检测装置，该装置包括底部两端对称设有共计4根平衡杆10的平衡架1和设在平衡架1中部的一对加压杆2及设在平衡架1一侧的位移标尺9。
位移标尺9外侧的平衡架1上设有水平尺15；一对加压杆2的顶端设有内置温度测量仪表11、电阻测量仪表12、测力仪表13的仪表封装外壳3；一对加压杆2的底部设有夹持力传感器4的绝缘硬质承力板5，该绝缘硬质承力板5的底部对称设有一组绝缘硬质加压杆8；一组绝缘硬质加压杆8末端设有竖直相向而设的两块金属薄板7，其中一块金属薄板底部附近镶嵌有温度传感器6；金属薄板7与电阻测量仪表12相连；温度传感器6与温度测量仪表11相连；力传感器4与测力仪表13相连。
其中：位移标尺9垂直设在平衡架1的一侧。
仪表封装外壳3与绝缘硬质承力板5均平行于平衡架1。
金属薄板7与电阻测量仪表12、温度传感器6与温度测量仪表11、力传感器4与测力仪表13均通过数据传输线14相连。
温度传感器6为测温精度高于±0.5℃、测温敏感度高于±0.1℃的热敏电阻或热电偶。
两块金属薄板7的间距为0.1~5.0cm，且每块金属薄板7的厚度为0.1~1.0cm，宽度为0.1~5.0cm，高度为0.1~5.0cm。
两块金属薄板7相对的面为平面，各自的背面在底部为斜面。
力传感器4的测力精度为1N。
该浅地表冻土多参数快速检测装置的检测方法，包括以下步骤：
⑴浅地表冻结状况预测：根据当地气温为负温的时长及地表土质、含水量等条件，估计浅地表土体冻结深度，并确定每层受检土体的厚度；
⑵将浅地表冻土多参数快速检测装置置于地表，通过调整4根平衡杆10及水平尺15使平衡架1处于水平放置，以确保测量仪表及传感器的正常工作及数据传输系统的可靠性；
⑶针对每层受检土体，通过加压杆2下压力传感器4，将两块金属薄板7缓慢匀速下压，根据预估的土体冻结深度，每次下压深度相同；利用位移标尺9使两块金属薄板7的底部到达受检土层下表面时停止下压；每次下压后首先利用电阻测量仪表12测量土体电阻，然后从测力仪表13读取下压过程中压力的极大值及平均值，最后待温度测量仪表11读数稳定后读取温度值；
⑷土体冻结状况判定：
若土层温度>0℃，则土体未冻结，停止检测；
若土层温度≤0℃，且土体强度≤临界强度Sc，则土体未冻结，可能为寒土，停止检测；
若土层温度≤0℃，且土体强度>临界强度Sc，土体电阻≤临界电阻Rc，则土体未冻结，可能为过冷砾石土，停止检测；
若土层温度≤0℃，且土体强度>临界强度Sc，土体电阻>临界电阻Rc ，则土体冻结；
⑸确定浅地表土体的冻结状况：对每一层土体的冻结状况进行汇总，确定土体的冻结状况及冻结深度的参数，根据冻土层出现的最深位置，确定浅地表土体冻结深度（参见表1）。
表1土样冻结强度判别体系
注：临界温度与强度值需要根据实际土质情况进行校正。
Claims (6)
1.一种浅地表冻土多参数快速检测装置，其特征在于：该装置包括底部两端对称设有共计4根平衡杆（10）的平衡架（1）和设在所述平衡架（1）中部的一对加压杆（2）及设在所述平衡架（1）一侧的位移标尺（9）；所述位移标尺（9）外侧的所述平衡架（1）上设有水平尺（15）；一对所述加压杆（2）的顶端设有内置温度测量仪表（11）、电阻测量仪表（12）、测力仪表（13）的仪表封装外壳（3）；一对所述加压杆（2）的底部设有夹持力传感器（4）的绝缘硬质承力板（5），该绝缘硬质承力板（5）的底部对称设有一组绝缘硬质加压杆（8）；一组所述绝缘硬质加压杆（8）末端设有竖直相向而设的两块金属薄板（7），其中一块金属薄板底部附近镶嵌有温度传感器（6）；所述金属薄板（7）与所述电阻测量仪表（12）相连；所述温度传感器（6）与所述温度测量仪表（11）相连；所述力传感器（4）与所述测力仪表（13）相连；所述位移标尺（9）垂直设在所述平衡架（1）的一侧；所述仪表封装外壳（3）与所述绝缘硬质承力板（5）均平行于所述平衡架（1）。
2.如权利要求1所述的一种浅地表冻土多参数快速检测装置，其特征在于：所述金属薄板（7）与所述电阻测量仪表（12）、所述温度传感器（6）与所述温度测量仪表（11）、所述力传感器（4）与所述测力仪表（13）均通过数据传输线（14）相连。
3.如权利要求1所述的一种浅地表冻土多参数快速检测装置，其特征在于：所述温度传感器（6）为测温精度高于±0.5℃、测温敏感度高于±0.1℃的热敏电阻或热电偶。
4.如权利要求1所述的一种浅地表冻土多参数快速检测装置，其特征在于：两块所述金属薄板（7）的间距为0.1~5.0cm，且每块所述金属薄板（7）的厚度为0.1~1.0cm，宽度为0.1~5.0cm，高度为0.1~5.0cm。
5.如权利要求1所述的一种浅地表冻土多参数快速检测装置，其特征在于：两块所述金属薄板（7）相对的面为平面，各自的背面在底部为斜面。
6.如权利要求1所述的一种浅地表冻土多参数快速检测装置的检测方法，包括以下步骤：
⑴浅地表冻结状况预测：根据当地气温为负温的时长及地表土质、含水量条件，估计浅地表土体冻结深度，并确定每层受检土体的厚度；
⑵将浅地表冻土多参数快速检测装置置于地表，通过调整4根平衡杆（10）及水平尺（15）使平衡架（1）处于水平放置；
⑶针对每层受检土体，通过加压杆（2）下压力传感器（4），将两块金属薄板（7）缓慢匀速下压，根据预估的土体冻结深度，每次下压深度相同；利用位移标尺（9）使两块金属薄板（7）的底部到达受检土层下表面时停止下压；每次下压后首先利用电阻测量仪表（12）测量土体电阻，然后从测力仪表（13）读取下压过程中压力的极大值及平均值，最后待温度测量仪表（11）读数稳定后读取温度值；
⑷土体冻结状况判定：
若土层温度>0℃，则土体未冻结，停止检测；
若土层温度≤0℃，且土体强度≤临界强度Sc，则土体未冻结，可能为寒土，停止检测；
若土层温度≤0℃，且土体强度>临界强度Sc，土体电阻≤临界电阻Rc，则土体未冻结，可能为过冷砾石土，停止检测；
若土层温度≤0℃，且土体强度>临界强度Sc，土体电阻>临界电阻Rc ，则土体冻结；
⑸确定浅地表土体的冻结状况：对每一层土体的冻结状况进行汇总，确定土体的冻结状况及冻结深度的参数，根据冻土层出现的最深位置，确定浅地表土体冻结深度。
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