CN109738480A - 一种现场全面监测土的冻胀装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种现场全面监测土的冻胀装置及其监测方法。在寒区工程建设中，由于施工现场地质条件复杂，冻土的冻胀变形监测难度大、效率低、准确度差而导致冻土地区基础设施建设质量控制难以保证的问题。本发明的装置中多个支撑体均设置在联结盘上，每个支撑体上固定安装有至少一个位移传感器，每个位移传感器的探头端对应设置有一个锚盘；本发明的方法是在测试区域内确定测点个数以及各个测点的分布位置，确定安装监测冻土冻胀变形装置的个数以及每个监测冻土冻胀变形装置的立柱所在位置，通过监测冻土冻胀变形装置获取各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到冻土冻胀变形全面情况。本发明用于冻土冻胀量的监测。
Description
技术领域
本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种现场全面监测土的冻胀装置及其监测方法。
背景技术
冻土是指0℃以下含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土(数小时/数日以至半月)/季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(又称永久冻土，指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层)。中国冻土可分为季节冻土和多年冻土。作为世界上的第三大冻土的中国，季节冻土占中国领土面积一半以上。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。冻土具有流变性，其长期强度远低于低温时瞬时强度特征。因此在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。在冻融过程中，土壤经历了迅速降温阶段、缓慢降温阶段、持续冻结降温阶段和缓慢升温阶段四个阶段。冻结过程中由于水分迁移引起的冻胀量远远大于孔隙水原位冻结引起的体积膨胀量，冻土区的冻胀、融沉给道路和建筑物造成很大的危害，如出现裂缝、沉陷、结构断裂等现象。我国越来越多的交通基础设施,如高速公路、高铁等将在冻土区修建，各项工程建设之前,必须对工程所在地区的土体做出冻胀性评价,以便采取相应措施,确保工程构筑物的安全可靠。
实验室测量土样冻胀位移的手段多采用千分表、弹簧抽杆位移传感器、应变规等,由于这些手段必须与试样接触,无意中给了试样一个约束力,从而降低了测量准确度。专利(201410068723.5一种激光传感器测量冻土冻胀位移的装置)提出了利用激光位移传感器在不接触土样的情况下精确测量冻土的冻胀位移,操作简单,可靠,大大的提高了试验的测试效率和精度，但该方法目前仅能适用于实验室土样，不能用于施工现场。同样专利“CN108572189A一种考虑温度梯度下土体涨缩特性的静动力综合试验系统”、“CN108519405A一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备”、“CN108445192A一种多功能冻胀、融沉试验装置”、“CN108333323A一种土体冻胀率测量装置和测量方法”、“CN207557254U一种可控温土体冻胀试验装置”等等都是适用于实验室模拟现场环境条件的试验装置或试验系统。
然而，现场土体冻胀变形由于各地冻结深度、地质条件的不同,其冻胀率值相差很大,因此需要获得工程建设区域冻胀变形的实际值。获得土体冻胀的一个重要手段是现场观测季节性冻胀层的冻胀量,如埋置数个冻胀钉,固定冻胀钉间距,用水准仪定期观测冻胀钉的高程。通过各冻胀钉高程的变化量反映各点的冻胀量。如果冻胀量变化微小，通过监测冻胀钉高程变化很难满足精度要求；发明专利“CN104929098A现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置”提出在冻胀层中开挖孔洞，埋置下锚盘，用等径接头连接测杆位移计与上锚盘，季节冻胀层冻胀变形带动上、下锚盘移动,通过测杆位移计观测季节冻胀层的冻胀量。由于上下锚盘均埋置在土体内，当冻土冻胀变形不大时，测杆位移计与上、下锚盘的连接本身就对测试区域的土体产生一定的约束，影响测量精度；专利“CN103966993A土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法”，在冻胀层开挖检测孔，将管体和测杆通过锚固件固定于未冻胀层中，检测孔的孔口处设置位移测量器，管体上间隔设置有多个环形弱化区，当土体冻胀时,弱化区将管体分成多个能独立运动的管段，保证土体冻胀测量的基准点不发生变化。该测量装置的弊端是仅能实现单点测量，施工场地地质条件较为复杂，只能依靠增加埋置该测试装置的数量才能获得土体冻胀量的可靠值。管体和检测孔孔壁之间的间隙填充填料，为非弱化区填充水泥浇筑层，而弱化区填充散沙层。两种填料的分别回填就可能导致了观测区域土体特性发生改变，直接影响测量结果；因此，土体冻融循环过程中冻胀变形的评价对冻土地区基础设施建设具有重要意义，需要现场土体冻胀变形准确、可靠且快速的获取手段。总之，由于施工现场地质条件复杂，冻土的冻胀变形监测难度大、效率低、准确度差，导致了冻土地区基础设施建设质量受到严重影响，至今未得到很好解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种现场全面监测土的冻胀装置及其监测方法，以解决由于施工现场地质条件复杂，冻土的冻胀变形监测难度大、效率低、准确度差而导致冻土地区基础设施建设质量控制难以保证的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种现场全面监测土的冻胀装置，它包括立柱、联结盘和多个支撑体，所述立柱竖直设置，联结盘可拆卸连接在立柱的顶部，多个支撑体均设置在联结盘上，每个支撑体上固定安装有至少一个位移传感器，每个位移传感器的探头端对应设置有一个锚盘。
作为优选方案：联结盘的中心处加工有中心孔，联结盘套装在立柱的顶部，联结盘的外圆周壁上设置有多个支撑体。
作为优选方案：立柱包括连接头、柱体和底座，所述连接头、柱体和底座从上至下依次固定连接制为一体，连接头的纵向截面形状为阶梯形。
作为优选方案：立柱上套装有保护套，保护套与立柱间隙配合，立柱和保护套之间的间隙内设置有密封套。
作为优选方案：位移传感器为非接触式的电涡流位移传感器、激光位移传感器和接触式的差动位移传感器或百分表。
作为优选方案：联结盘上设置有螺帽。
利用具体实施方式一的全面监测现场冻土冻胀变形装置实现的监测方法，根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，根据各个测点的分布情况确定安装监测冻土冻胀变形装置的个数以及每个监测冻土冻胀变形装置的立柱所在位置，通过监测冻土冻胀变形装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形全面情况。
作为优选方案：根据地质勘查报告划分测试区域中冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区的个数，测量一个冻胀敏感冻土区的面积A1，将该冻胀敏感冻土区的地表面上划分多个第一小格，每个第一小格的面积为S1，每个第一小格内的中心位置即为一个测点的位置，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数N1＝A1/S1，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为N2、N3…Nn；
测量一个冻胀非敏感冻土区的面积B1，将该冻胀非敏感冻土区的地表面上划分多个第二小格，每个第二小格的面积为S2，每个第二小格内的中心位置即为一个测点的位置，该冻胀非敏感冻土区内设置测点的个数M1＝B1/S2，同理，逐一确定其他冻胀非敏感冻土区内测点个数分别为M2、M3…Mm；从而得到测试区域中总测点数，再准备对应数目的位移传感器及锚盘，确定立柱的安装位置。
作为优选方案：每个监测冻土冻胀变形装置的安装过程包括以下四个步骤：
步骤一：查阅地质资料，获得该地区土壤未冻层的深度，开挖孔洞，人工夯打立柱，待立柱上表面与土体上表面平行、稳定后，记录立柱的底部至地表的初始距离L0，将保护套套装在立柱上，并用密封套密封保护套和立柱之间，在保护套的外侧分层回填沙土,分层捣实；
步骤二：在立柱的顶部固定安装联结盘，联结盘上设置多个支撑体；
步骤三：根据监测需求在每个测点处安装锚盘，在每个锚盘的正上方对应安装位移传感器，将位移传感器与记录仪表连接，在支撑体上调整位移传感器的初始位置使其处于最大或最小量程状态；
步骤四：随着土体的冻胀上移，锚盘在冻胀层冻胀变形带动下向上移动，锚盘与位移传感器之间的距离逐渐缩短，位移传感器通过记录仪表将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录以及保存；锚盘与位移传感器之间的距离变化量为ΔL，ΔL即是冻土的冻胀变形，从而得到该测点位置处的土体冻胀率为ΔL/L0。
作为优选方案：将测试区域内各个测点记录的冻胀层的冻胀量汇总，分析并评价出测定区域内冻胀层冻胀的全面情况。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明通过立柱、联结盘、支撑体、位移传感器和锚盘之间相互配合实现应用于施工现场的全面且灵活的冻胀与融沉变形过程的监测，监测难度低，对现场土体造成的扰动小，能够在短时间内快速得到全面且准确的监测数据，对现场土体的冻胀与融沉作出全面评价。
2、本发明以埋入未冻胀层的立柱的底部作为测量的基准位置，在地表多处设置插入式锚盘，利用多个位移传感器获得现场不同监测位置的冻胀变形值。采样点多，测试区域范围大，效率高，监测结果可靠。
3、本发明中当位移传感器选定为非接触式的电涡流位移传感器时，利用电涡流位移传感器监测冻胀变形，对微小的位移变化测量精度高，能够实现自动采集和记录，方便、快捷获得长期监测数据。此外位移传感器的设置位置还能够有效避免其对锚盘的约束作用。
4、本发明结构简单、制作成本低，操作步骤简单，难度低，省时省力。
附图说明
图1是本发明的主视结构剖面示意图；
图2是本发明进行监测工作状态的主视结构剖面示意图，图中支撑体为杆体；
图3是本发明的俯视结构示意图，图中支撑体为杆体；
图4是本发明的俯视结构示意图，图中支撑体为条形框体；
图5是在本发明的装置上进行“田字形”测点布置方式时的俯视结构示意图，图中虚线表示各个测点之间的位置关系连线；
图6是本发明上布置八个测点时的俯视结构示意图；
图7是本发明中当联结盘上设置有多个支撑体时的俯视结构示意图，图中多个支撑体的长度不同；
图8是本发明中当联结盘上设置有多个支撑体时的俯视结构示意图，图中虚线区域为测试区域，多个支撑体的长度相同，每个支撑体上每两个相邻的安装孔之间距离不相等；
图中，1-立柱；2-联结盘；3-支撑体；4-位移传感器；5-锚盘；6-保护套；7-密封套；8-安装孔；10-滑动块体；11-孔洞；12-凸台；13-螺帽；14-冻胀层；15-未冻胀层；1-1-连接头；1-2-柱体；1-3-底座。
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明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式包括立柱1、联结盘2和多个支撑体3，所述立柱1竖直设置，联结盘2可拆卸连接在立柱1的顶部，多个支撑体3均设置在联结盘2上，每个支撑体3上固定安装有至少一个位移传感器4，每个位移传感器4的探头端对应设置有一个锚盘5。
联结盘2的中心处加工有中心孔，联结盘2套装在立柱1的顶部，联结盘2的外圆周壁上设置有多个支撑体3，多个支撑体3的布置情况根据测定要求进行排列即可。
进一步的，立柱1包括连接头1-1、柱体1-2和底座1-3，所述连接头1-1、柱体1-2和底座1-3从上至下依次固定连接制为一体，连接头1-1的纵向截面形状为阶梯形。连接头1-1、柱体1-2和底座1-3组成的立柱1为变径钢的圆柱体。立柱1的外表面设置有防锈层，立柱1中底座1-3所处位置务必处于未冻胀层15中，冻胀层14深度决定立柱1的长度，根据各地区冻胀层14深度不同决定立柱1长度的取值范围为30～250cm，根据支撑体3的尺寸和个数决定立柱1直径的取值范围为8～12cm，在具体监测过程中，根据测试区域非冻层土的深度，确定适合的立柱1的长度和直径即可。
进一步的，立柱1所在位置为本发明进行测试的基准位置，立柱1上套装有保护套6，保护套6与立柱1间隙配合，立柱1和保护套6之间的间隙内设置有密封套7。
进一步的，保护套6可选定为金属铝合金管，管壁厚度的最佳取值为1cm，立柱1中底座1-3的顶部加工有配合保护套6的凸台12，保护套6的底部套装在底座1-3的凸台12上，凸台12的设置能够确在保冻胀层14内保护套6和柱体1-2之间形成有间隙，该间隙的取值范围为4～6mm，如此设置是当土壤中的冻胀层14产生冻胀应力能够直接作用在保护套6时，保护套6能够随冻胀层14土壤发生滑移，而立柱1的位置能够保持固定不动，即测试的基准位置未发生变化，确保测试获取数据的持续准确性。
进一步的，位移传感器4为非接触式的电涡流位移传感器、LVDT位移传感器。对于冻胀变形量小、测试精度要求高的冻土区域可选用电涡流位移传感器，其为现有产品，如MIRAN米朗ML33电电涡流位移传感器，量程可在1mm～50mm范围内选择，是非接触测量，可选型号为M8X1～M25X，对于冻胀变形量大的冻土区域可选用接触式LVDT位移传感器，如LVDT2000TD，其单向量程为100mm，双向量程为±50mm，可在-40℃～+150℃环境下工作，其工作过程与现有位移传感器的工作过程相同。
进一步的，保护套6顶部有密封套7，密封套7设置在保护套6和柱体1-2之间形成间隙内，起到在地表上对保护套6和柱体1-2之间形成间隙进行密封的作用，密封套7的纵向截面形状为T形，密封套7的竖直端插设在保护套6和柱体1-2之间的间隙内，密封套7的水平端贴紧保护套6的上端表面，从而起到限定保护套6和柱体1-2相对位置的效果，密封套7为耐低温高分子材料制成的套体，具体选用PVC改性丁腈、氟橡胶、SBR、ABS、聚醚海绵或EPDM。
进一步的，联结盘2为金属制成的圆盘，其直径的取值范围为16～18cm，联结盘2设置在立柱1上，联结盘2上配合设置有多个支撑体3，以便根据地质条件不同调整监测的初始位置。
具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，支撑体3为杆体或架体，当支撑体3为杆体时，杆体上沿其长度方向分别加工有用于配合位移传感器4的多个安装孔8，每个安装孔8内固定安装有一个位移传感器4。位移传感器4的探头端朝向已安装在地表处的锚盘5设置。支撑体3为质量轻且强度高金属材料制成。当支撑体3为圆杆体时，其直径的最佳取值为4cm。
具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，当支撑体3为条形框体时，条形框体是将一个长条形板体沿其厚度方向加工有长孔形成，条形框体的一端与联结盘2的外圆周壁固定连接或滑动配合，条形框体的长孔内设置有多个滑动块体10，每个滑动块体10沿长孔的长度方向往复滑动，每个滑动块体10沿其厚度方向加工有安装孔8，用于安装位移传感器4，条形框体和多个滑动块体10的配合能够实现位移传感器4在所处条形框体上位置调节的过程，操作方便。
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，支撑体3与联结盘2相连接的一端与联结盘2的外圆周壁固定连接或滑动配合。
当支撑体3与联结盘2相连接的一端与联结盘2的外圆周壁固定连接时，通过焊接或铆接的方式将支撑体3的端部固定在联结盘2上即可，其他现有的固定连接的方式也可替换。
当支撑体3与联结盘2相连接的一端与沿联结盘2的外圆周壁滑动配合时，联结盘2的外圆周面上沿其圆周方向加工有滑槽，支撑体3与联结盘2相连接的一端设置在滑槽内且二者滑动配合，有利于监测目标变化时支撑体3设置位置能够进行及时微调，便于实现灵活多变的监测过程。
另外，联结盘2上还需配合锁紧装置，使多个支撑体3移动到达指定位置后，再进行锁紧，使每个支撑体3到达指定位置后位置不易变化，确保监测过程顺利进行。多个支撑体3的形状和长度可相同也可不相同，根据具体监测需求而选定。
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，本实施方式中当支撑体3上加工的安装孔8为螺纹孔时，其尺寸与位移传感器4的尺寸相配合，位移传感器4通过螺纹连接方式安装在支撑体3上。
具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，联结盘2上设置有螺帽13，螺帽13为六方棱柱，螺帽13用以固定锁紧联结盘2在立柱1上的位置。
具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，每个位移传感器4的探头端对应设置有一个锚盘5，锚盘5为金属圆盘，直径为10～15cm，锚盘5为现有产品，其插柱从地表插入测试区域土体的冻胀层14中，从而保证锚盘5的位置稳定不变，锚盘5的上盘面用于配合位移传感器4传递信号，从而保证位移传感器4与其对应设置的锚盘5之间相配合实时传送位移信号。
具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步限定，联结盘2的外径以及厚度尺寸与支撑体3的设置个数和尺寸相关。根据联结盘2选用材料不同，处理方式不同，在联结盘2选用同一种材料制成时，支撑体3的设置个数多且尺寸较大情况下，需相应增大联结盘2的外径以及厚度尺寸。
具体实施方式九：结合图1、图2、图3、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式包括以下内容：
根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，根据各个测点的分布情况确定安装监测冻土冻胀变形装置的个数以及每个监测冻土冻胀变形装置的立柱所在位置，通过监测冻土冻胀变形装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形全面情况。
根据地质勘查报告将测试区域进行划分，划分原则是根据冻胀敏感和冻胀非敏感的性质进行划分，冻胀敏感和冻胀非敏感的划分依据来源于地质勘查报告的数据，划分原则为现有技术，将测试区域划分后分别统计冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区的个数，在每个冻胀敏感冻土区内确定测点个数和每个冻胀非敏感冻土区内确定测点个数，确定过程如下：
当冻胀敏感冻土区的个数为n个时，其中一个冻胀敏感冻土区的面积A1，该冻胀敏感冻土区的地表面上划分多个第一小格，每个第一小格的面积为S1，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数N1＝A1/S1，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为N2、N3…Nn；
S1的取值范围是根据冻胀敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距G1计算得出，为了计算方便，第一小格的形状为正方形；每个第一小格中两条对角线的交点即为一个测点位置，每两个相邻测点之间的间距G1是指两个锚盘5的圆心之间的距离，间距G1的取值范围是根据锚盘5的外径以及锚盘5之间互不干扰的最小距离要求确定的，锚盘5的外径是根据位移传感器4的量程与锚盘5尺寸之间配合要求决定的，即G1为25～50cm，每两个相邻测点之间的间距G1的确定后，由于测点位置为所在第一小格的中心位置，即可得出测点所在第一小格的面积，S1的取值范围为625～2500cm2，再进行实际划格操作，通过划格的方式能够确保测点最终的确定位置更加准确。
如图5所示的“田字形”测点布置方式，图中形成八个测点的分布形式，立柱1的设置位置为“米字形”的中心位置。
当冻胀非敏感冻土区的个数为m个时，其中一个冻胀非敏感冻土区的面积B1，该冻胀非敏感冻土区的地表面上划分多个第二小格，每个第二小格的面积为S2，该冻胀非敏感冻土区内设置测点的个数M1＝B1/S2，同理，逐一确定其他冻胀非敏感冻土区内测点个数分别为M2、M3…Mm；
S2的取值范围是根据冻胀非敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距G2计算得出，为了计算方便，第二小格的形状为正方形；每个第二小格中两条对角线的交点即为一个测点位置，每两个相邻测点之间的间距G2是指两个锚盘5的圆心之间的距离，间距G2的取值范围是根据锚盘5的外径以及锚盘5之间互不干扰的最小距离要求确定的，锚盘5的外径是根据位移传感器4的量程与锚盘5尺寸之间配合要求决定的，即G2为100～200cm，每两个相邻测点之间的间距G2的确定后，由于测点位置为所在第二小格的中心位置，即可得出测点所在第二小格的面积，S2的取值范围为10000～40000cm2，在进行实际划格操作，通过划格的方式能够确保测点最终的确定位置更加准确。
N1、N2、N3…Nn以及M1、M2、M3…Mm的总和即为测试区域中总测点数，准备对应数目的位移传感器及锚盘，确定立柱的安装位置。每个测点表示锚盘5所在位置，即该锚盘5对应的位移传感器4的设置在该测点的正上方。
本发明能够根据测试区域的大小选择适当个数的监测冻土冻胀变形装置。
当测试区域的面积比较小时，该测试区域仅通过设置一个立柱1，即由多个第一小格构成测试区域的中心位置即为监测冻土冻胀变形装置的中心所在位置；在该测试区域中划出最大的田字形，该田字形的中心即为立柱1的设置位置，适当调整多个支撑体3的长度以覆盖整个测试区域的测点即可。
当测试区域的面积比较大时，根据测试区域面积选择适当个数的立柱1，每个立柱1的设置位置利用田字形中心原则，该立柱1的设置位置为田字形区域中的中心位置，在该测试区域中划出若干个田字形，在每个田字形区域内设置一个立柱1，适当调整每个立柱1上的多个支撑体3的长度以覆盖该田字形区域的测点，通过多个监测冻土冻胀装置的配合覆盖测试区域的所有测点即可。
本发明还设置有最大田字形的设柱原则，根据测试区域面积和形状划出最大形状的田字形，其他未划入的区域划出小田字形或其他类似规则图形进行补充，或延长支撑体3的长度对不规则区域进行布点，适用于在区域面积较大的测试区域中，能够有效减少立柱1的设置个数。
具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式九的进一步限定，冻胀敏感冻土区为测试区域中测点集中区域，根据冻胀敏感冻土区内测点分布位置情况选定支撑体3的长度及个数，确保一个支撑体3上能够对应至少2个的测点，并确定立柱1的安装位置，使选定后的多个支撑体3能够覆盖冻胀敏感冻土区内的每个测点，根据支撑体3的长度及个数得到立柱1上的总荷载，从而确定立柱1的外径尺寸，根据立柱1的外径尺寸确定开挖孔洞11的直径尺寸。上述尺寸确定完毕后进行在该区域内安装监测冻土冻胀变形装置即可。以此类推，对其他冻胀敏感冻土区的监测冻土冻胀变形装置的主要尺寸参数进行确定和安装。通过监测冻土冻胀变形装置获取不同时段该区域内各个测点所在冻胀层14的冻胀量数据，根据各个冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形全面情况。同理于冻胀非敏感冻土区的安装过程。
本发明根据地质勘察情况结合样机进行多次试验，在冻胀敏感冻土区平面内横向及纵向间距25cm～50cm布置测点为最佳设置范围，而冻胀非敏感区平面内横向及纵向间距100cm～200cm布置测点。此外，地质条件复杂、有特殊要求工程场地按照不等间距设置测点数目。
土体的冻胀性常根据冻胀率0～1％、1～3.5％、3.5～6％、6～10％和10％以上区间分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀。冻胀、强冻胀和特强冻胀属于冻胀敏感冻土，而不冻胀、弱冻胀属于冻胀非敏感冻土。
具体实施方式十一：本实施方式为具体实施方式十的进一步限定，冻土的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀，原位冻胀是由土骨架的弹性变形和水-冰相变增量变形组成，分凝冻胀取决于温度场的变化和未冻水迁移量，冻胀敏感型冻土区、冻胀非敏感型冻土区以及监测区域都决定传感器量程的选择和测点布置数目，重要基础设施工程、路基、路面下面的土体含水量丰富、局域差异大均需要增加监测点个数，如河流沿岸的季节性冻土区，由于土体的含水率普遍偏高，那么靠近河流的区域由于冻胀变形大可以配用差动位移传感器，平面内每横向、纵向间隔25～50cm布置一个测点，远离河流，地质条件相对稳定的区域可选用电涡流位移传感器，每间隔100～200cm布置一个测点，地质条件复杂、有特殊要求工程场地按照不等间距设置测点数目，对于可能发生强冻胀或特强冻胀的场地，一种方案是选择更大量程的位移传感器，第二种方案是当强冻胀或特强冻胀发生时，也就是所用位移传感器接近满量程时，要记录下此刻冻胀变形值，停止监测，调整位移传感器初始位置再继续监测，如此考虑的原因是既能保证发生冻胀微小变形时的测量精度又能准确监测到大的冻胀变形值。
具体实施方式十二：本实施方式为具体实施方式九、十或十一的进一步限定，安装监测冻土冻胀变形装置的过程包括以下四个步骤：
步骤一：查阅地质资料，获得测试区域土壤未冻层的深度，开挖孔洞11，人工夯打立柱1，待立柱1上表面与土体上表面平行、稳定后，记录立柱1的底部至地表的初始距离L0，将保护套6套装在立柱1上，并用密封套7密封保护套6和立柱1之间，在保护套的外侧分层回填沙土，分层捣实；
步骤二：在立柱1的顶部固定安装联结盘2，联结盘2上设置多个支撑体3；该步骤中旋紧螺帽13将联结盘2固定安装在立柱1上，由于螺帽4的旋紧固定作用，多个支撑体3的布置位置不必左右对称，根据监测需求进行不对称设置或对称设置；
步骤三：根据监测需求在每个测点处安装锚盘5，再在每个锚盘5的正上方对应安装位移传感器4；该步骤中测点为地表处根据测试要求确定的点位，每个测点处对应设置有一个锚盘5和一个位移传感器4，在支撑体3上调整位移传感器4的初始位置使其处于满量程状态，即处于最大或最小量程状态，当位移传感器4为电涡流位移传感器时，设定最大量程即可，当位移传感器4为百分表时，其最小量程就是0位置。
随着土体的冻胀上移，锚盘5与位移传感器4之间的距离不断缩短，锚盘5与位移传感器4之间的距离变化量为ΔL，ΔL即是冻土的冻胀变形，该测点土体的冻胀率为ΔL/L0，其中，L0为立柱1的底座1-3至地表的初始距离；
步骤四：将位移传感器4与记录仪表连接，将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录以及保存。锚盘5在冻胀层14冻胀变形带动下向上移动，位移传感器4监测到的其与锚盘8之间距离的变化量反映冻胀层14的冻胀量。记录仪为配合位移传感器4将位移信号进行存储记录的现有仪器，相互配合的工作过程为现有技术。
最后将测试区域内各个测点记录的冻胀层14的冻胀量汇总，将各测点平面位置与其冻胀变形量绘制三维图像以及随时间的变化趋势，当测试区域中的一个局部区域冻胀变形过大时，说明该局部区域土体含水率偏高，后续可采取相应的技术措施降低冻胀的影响，通过冻胀量最大值、最小值及平均值的分析可全面评价出测定区域内冻胀层14的冻胀情况。
进一步的，上述步骤中孔洞11的开设直径为15～25cm，直径的最佳取值为20cm，该直径具有通用性。
具体实施方式十三：本实施方式为具体实施方式八、九、十、十一或十二的进一步限定，本发明的监测周期长且监测数据准确全面，监测周期为整个冬季，具体时间为第一年的平均气温接近0℃的秋末起始至第二年的平均气温回升至0℃以上的春初。
具体实施方式十四：本实施方式为具体实施方式九、十、十一、十二或十三的进一步限定，在测试区域内划分完毕多个第一小格后，测点的位置还可选定为多个第一小格的横纵线交叉点处，更加方便冻胀量计算，同理于在多个第二小格上确定测点的过程。
结合本发明的有益效果说明以下实施例：
实施例一：
测试区域为东北H市X地区路肩，获得地质勘查报告获知测试区域土壤未冻层的深度为2100mm，根据测试区域的尺寸、该区域不同位置水分和冻胀深度的不同，划分测试区域内冻胀敏感冻土区的个数n以及冻胀非敏感冻土区的个数为m，最终确定监测冻土冻胀变形装置的个数，在每个冻胀敏感冻土区以及冻胀非敏感冻土区选定支撑体3的长度及个数，以确保能够覆盖所在区域中的每个测点，根据支撑体3的长度及个数确定立柱1的外径尺寸的d，根据立柱1的外径尺寸d确定开挖孔洞11的直径尺寸D；在每个冻胀敏感冻土区或冻胀非敏感冻土区内选定立柱1所在位置O，位置O为立柱1的中心轴线所在位置，以此类推，逐一实现对其他区域进行监测冻土冻胀变形装置尺寸及位置确定的过程。
对监测冻土冻胀变形装置进行安装，具体操作过程如下：
步骤一：根据已确定完毕的直径尺寸D开挖孔洞11，挖至未冻层，将立柱1放入孔洞11中，人工夯打立柱1，待立柱1上表面与土体上表面平行、稳定后，记录立柱1的底部至地表的初始距离L0为2200mm，将保护套6套装在立柱1上，并用密封套7密封保护套6和立柱1之间，在保护套的外侧分层回填沙土，分层捣实。
步骤二：在立柱1的顶部固定安装联结盘2，联结盘2上设置多个支撑体3；该步骤中旋紧螺帽13将联结盘2固定安装在立柱1上。
步骤三：在每个测点处安装锚盘5，再在每个锚盘5的正上方对应安装位移传感器4；在支撑体3上调整位移传感器4的初始位置使其处于最大或最小量程状态。
步骤四：记录一次测试时间为12月2日上午8时，锚盘5与位移传感器4之间的距离变化量ΔL为0.25mm，此时该测点土体的冻胀率ΔL/L0为0.01136％，随着土体的冻胀上移，锚盘5与位移传感器4之间的距离不断缩短，在次年1月30日上午8时，在同一测点处在测得锚盘5与位移传感器4之间的距离变化量ΔL为2.0mm，从而得到该测点对应土体的冻胀率为ΔL/L0为0.09091％，0.09091％与0.01136％之间差距较大，表明环境温度对该测点对应的土体冻胀变形影响显著，以此类推，对其他测点进行测试，将各测点平面位置与其冻胀变形量汇总绘制三维图像，并标注随时间的变化趋势，以定量评价测试区域冻胀变形的程度，给出指导意见。当测试区域中的一个局部区域冻胀变形过大时，说明该局部区域土体含水率偏高，后续可采取相应的技术措施降低冻胀的影响，通过冻胀量最大值、最小值、平均值及随时间的变化规律的分析可全面评价出测定区域内冻胀层14的冻胀情况。将各测点平面位置与其冻胀变形量汇总绘制三维图像的过程为现有技术。
Claims (10)
1.一种现场全面监测土的冻胀装置，其特征在于：它包括立柱、联结盘和多个支撑体，所述立柱竖直设置，联结盘可拆卸连接在立柱的顶部，多个支撑体均设置在联结盘上，每个支撑体上固定安装有至少一个位移传感器，每个位移传感器的探头端对应设置有一个锚盘。
2.根据权利要求1所述的一种现场全面监测土的冻胀装置，其特征在于：联结盘的中心处加工有中心孔，联结盘套装在立柱的顶部，联结盘的外圆周壁上设置有多个支撑体。
3.根据权利要求1或2所述的一种现场全面监测土的冻胀装置，其特征在于：立柱包括连接头、柱体和底座，所述连接头、柱体和底座从上至下依次固定连接制为一体，连接头的纵向截面形状为阶梯形。
4.根据权利要求3所述的一种现场全面监测土的冻胀装置，其特征在于：立柱上套装有保护套，保护套与立柱间隙配合，立柱和保护套之间的间隙内设置有密封套。
5.根据权利要求4所述的一种现场全面监测土的冻胀装置，其特征在于：位移传感器为非接触式的电涡流位移传感器、激光位移传感器和接触式的差动位移传感器或百分表。
6.根据权利要求5所述的一种现场全面监测土的冻胀装置，其特征在于：联结盘上设置有螺帽。
7.一种利用权利要求1所述的一种现场全面监测土的冻胀装置实现的监测方法，其特征在于：根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，根据各个测点的分布情况确定安装监测冻土冻胀变形装置的个数以及每个监测冻土冻胀变形装置的立柱所在位置，通过监测冻土冻胀变形装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形全面情况。
8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于：根据地质勘查报告划分测试区域中冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区的个数，测量一个冻胀敏感冻土区的面积A1，将该冻胀敏感冻土区的地表面上划分多个第一小格，每个第一小格的面积为S1，每个第一小格内的中心位置即为一个测点的位置，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数N1＝A1/S1，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为N2、N3...Nn；
测量一个冻胀非敏感冻土区的面积B1，将该冻胀非敏感冻土区的地表面上划分多个第二小格，每个第二小格的面积为S2，每个第二小格内的中心位置即为一个测点的位置，该冻胀非敏感冻土区内设置测点的个数M1＝B1/S2，同理，逐一确定其他冻胀非敏感冻土区内测点个数分别为M2、M3...Mm；从而得到测试区域中总测点数，再准备对应数目的位移传感器及锚盘，确定立柱的安装位置。
9.根据权利要求7或8所述的监测方法，其特征在于：每个监测冻土冻胀变形装置的安装过程包括以下四个步骤：
步骤一：查阅地质资料，获得该地区土壤未冻层的深度，开挖孔洞，人工夯打立柱，待立柱上表面与土体上表面平行、稳定后，记录立柱的底部至地表的初始距离L0，将保护套套装在立柱上，并用密封套密封保护套和立柱之间，在保护套的外侧分层回填沙土,分层捣实；
步骤二：在立柱的顶部固定安装联结盘，联结盘上设置多个支撑体；
步骤三：根据监测需求在每个测点处安装锚盘，在每个锚盘的正上方对应安装位移传感器，将位移传感器与记录仪表连接，在支撑体上调整位移传感器的初始位置使其处于最大或最小量程状态；
步骤四：随着土体的冻胀上移，锚盘在冻胀层冻胀变形带动下向上移动，锚盘与位移传感器之间的距离逐渐缩短，位移传感器通过记录仪表将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录以及保存；锚盘与位移传感器之间的距离变化量为ΔL，ΔL即是冻土的冻胀变形，从而得到该测点位置处的土体冻胀率为ΔL/L0。
10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于：将测试区域内各个测点记录的冻胀层的冻胀量汇总，分析并评价出测定区域内冻胀层冻胀的全面情况。
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