CN109765260B - 柔性非接触式检测土的冻胀单体、检测装置及其检测方法 - Google Patents

柔性非接触式检测土的冻胀单体、检测装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

柔性非接触式检测土的冻胀单体、检测装置及其检测方法。在寒区工程建设中,由于施工现场地质条件复杂,冻土冻胀变形监测难度大,难以同时获得一个区域内不同深度的冻胀数据。冻胀单体中套管设置在上锚盘和下锚盘之间,支撑杆设在套管内且其下端固接在下锚盘上,支撑杆的上端设有基准盘,基准盘上方设有位移传感器;检测方法是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,在每个测点处对应安装一个冻胀单体或至少两个冻胀单体组成的检测装置,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情况。本发明用于垂直或水平方向上冻土冻胀量的监测。

Description

柔性非接触式检测土的冻胀单体、检测装置及其检测方法
技术领域
本发明属土木工程技术领域,具体涉及柔性非接触式检测土的冻胀单体、检测装置及其检测方法。
背景技术
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,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,它们给路桥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。土体的冻结过程是温度场、水分场及应力场相互作用的结果,冻结过程受地质条件、气候条件及荷载影响的复杂性体现在冻胀变形的不均匀和局部发生的特性,这对实验室施工或施工场地现场冻胀与融沉过程的监测带来困难,需要可靠的监测装置获取冻土冻胀过程的表征方法与分析数据。
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”等等都是将传感器置于土体外部监测整个土体的冻胀变形,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”提出在冻土层中开挖孔洞,埋置下锚盘,用等径接头连接测杆位移计与上锚盘,季节冻土层冻胀变形带动上、下锚盘移动,通过测杆位移计观测季节冻土层的冻胀量。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;为了防止土体冻胀变形后上锚盘上抬,上锚盘与塑料管、填充的低温润滑脂形成真空腔体,产生负压吸附上锚盘,在上锚盘安装通气管,使通气管伸到土层外面,通气孔一方面与外部连通干扰了土体温度,另一方面限制了该装置的水平设置。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在检测孔的孔口设置在地表处,位移测量器需设置在地表,不能快速获得地下某一区域的冻胀变形,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以及冻结法施工过程中水平或垂直方向上的变形的监测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以及实验室局部土体冻胀与融沉过程的研究需要,冻土的冻胀变形监测难度大、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柔性非接触式检测土的冻胀单体、检测装置及其检测方法,以解决由于施工现场地质条件复杂以及实验室局部土体冻胀与融沉过程研究的需要,冻土的冻胀变形监测难度大、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:
柔性非接触式检测土的冻胀单体,它包括下锚盘、套管、上锚盘、位移传感器、基准盘和支撑杆,所述上锚盘和下锚盘从上至下依次设置,套管为柔性波纹管体,套管的两端分别与下锚盘和上锚盘相连接,支撑杆竖直设置在套管内且其下端固定连接在下锚盘上,支撑杆的上端设置有基准盘,位移传感器设置在上锚盘上,位移传感器的测头朝向基准盘设置,上锚盘和下锚盘的相对面之间形成冻土检测区域。
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或激光位移传感器。
利用具体实施方式一的柔性非接触式检测土的冻胀单体组成的检测装置,多个柔性分层式冻胀单体从下至上依次排列形成一体式结构。
利用具体实施方式一、二或三的柔性非接触式检测土的冻胀单体实现的检测方法,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,根据每个测点的检测深度要求选择安装一个冻胀单体或至少两个冻胀单体组成的检测装置,通过冻胀单体或检测装置获取不同时段该测点所在冻胀层的冻胀量数据,依次类推,获取各个测点反馈的冻胀量数据,汇总各个测点的冻胀量数据得到测试区域内冻土冻胀变形情况。
作为优选方案:检测装置的检测过程包括以下两个步骤:
步骤一:查阅地质资料,在一个测点处,根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞,根据孔洞深度选择n个冻胀单体,人工夯平孔洞底部后,将冻胀单体逐一安装在孔洞中,测量并记录每个冻胀单体中下锚盘和上锚盘之间的初始距离分别为L0、L1、L2…Ln,以及整个检测装置中最顶部的上锚盘和最低部的下锚盘的距离L,调整每个冻胀单体中位移传感器的初始位置,使位移传感器处于满量程状态,即处于最小量程状态,再回填原土,分层捣实;
步骤二:在一个冻胀单体中,将位移传感器与记录仪表连接,将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录、保存,套管在冻土层冻胀变形带动下向上移动,位移传感器监测到的其与基准盘之间距离的变化量ΔL1,ΔL1即是该冻胀单体所在冻土层的冻胀变形,该冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL1/L1,依次类推,获取其他冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL2/L2…ΔLn/Ln,整个检测装置所在测点的冻胀率为(ΔL1+ΔL2+…ΔLn)/L
本发明相对于现有技术具有以下有益效果:
1、本发明中的冻胀单体结构简单,适用范围灵活,无需地表外设结构辅助支撑,填埋深度和填埋方向灵活不受限,用于测量短距离的土体冻胀量,获取冻土冻胀量简单直接且准确。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准确的监测数据。
2、本发明中通过多个单体组成的检测装置,无需地表外设结构辅助支撑,组装难度低且步骤简单,填埋深度和填埋方向灵活不受限,用于测量长距离的土体冻胀量,能够在短时间内快速得到各个冻土层全面且准确的监测数据。多个冻胀单体形成的检测装置长度可调,检测深度可调,根据检测目标的具体要求可拆可组,使用灵活。
3、本发明中的方法的操作步骤简单且方便,步骤合理且操作后获取数据有效可靠。
4、本发明不但能够用于局部区域的单独测点的检测,还能够用于区域较大的多测点的检测,从而对实验室及现场土体的冻胀与融沉作出全面评价。
5、本发明的检测目标为上锚盘和下锚盘之间的冻土,二者之间的距离变化能够反映出二者之间土体的冻胀程度,通过位移传感器和基准盘之间的距离变化实时、间接且准确的记录,检测结果可靠。
6、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,工程场地局部区域不冻胀、弱冻胀土填筑,有时冻胀量微乎其微,利用电涡流位移传感器监测冻胀变形,其量程选择范围大,对微小的位移变化测量精度高。非接触式的结构设计不但能够有效避免测杆位移计对上、下锚盘的约束作用,还能够实现自动采集和记录,方便、快捷获得长期监测数据。
7、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是冻胀单体的主视结构示意图;
图2是多个冻胀单体形成的检测装置的主视结构示意图;
图3是检测装置的主视结构示意图;
图4是冻胀单体的工作状态示意图;
图5是检测装置的第一工作状态示意图;
图6是检测装置的第二工作状态示意图。
图中,1-下锚盘;2-套管;3-上锚盘;4-位移传感器;5-基准盘;6-支撑杆;12-孔洞;14-冻胀层;17-支撑圈。
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和图4说明本实施方式,本实施方式包括下锚盘1、套管2、上锚盘3、位移传感器4、基准盘5和支撑杆6,上锚盘3和下锚盘1从上至下依次设置,套管2设置在上锚盘3和下锚盘1之间,支撑杆6竖直设置在套管2内且其下端固定连接在下锚盘1上,支撑杆6的上端设置有基准盘5,基准盘5的正上方设置有位移传感器4。基准盘5为金属制成的盘体。套管2外上锚盘3和下锚盘1的相对面之间形成冻土检测区域。处于套管2外的上锚盘3的尺寸直接决定检测冻土量,上锚盘3的设置尺寸与下锚盘1的设置尺寸相同。
进一步的,套管2为柔性波纹管体,套管2的两端分别与下锚盘1和上锚盘3相连接,位移传感器4设置在上锚盘3上,位移传感器4的测头朝向基准盘5设置。
进一步的,套管2为现有柔性波纹管体。套管2的上端和下端内壁上分别设置有支撑圈17,支撑圈17为硬质材料制成的圈体,起到支撑套管2端部的作用,支撑圈17通过外设箍套定位其自身位置,从而确保支撑套管2分别与上锚盘3和下锚盘1的连接刚度和安装定位。其他辅助支撑圈17的定位方式也可替换。
进一步的,支撑杆6的设置位置为偏心设置,即其轴向方向的中心轴线与下锚盘1轴向方向的中心轴线不重合,便于为位移传感器4提供中心位置的安装空间。下锚盘1和上锚盘3同轴设置。
进一步的,套管2为柔性波纹管体,柔性波纹管体的上端和下端分别与上锚盘3和下锚盘1固定连接,受力时其长度能够伸缩调节,以实现适应土体冻胀的变形量效果,同时因柔性波纹管体自身轻质,能够减小自身重量对冻土冻胀过程的影响。除检测过程中因土体冻胀变形产生协调变形外,柔性波纹管体的设置还能够有效防止非检测土体进入柔性波纹管体内而干扰位移传感器4位移信号的采集工作。
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,位移传感器4为非接触式的电涡流位移传感器或激光位移传感器。位移传感器4为现有产品,其使用过程与现有产品的使用过程相同。
具体实施方式三:结合图1、图2、图3、图4、图5和图6说明本实施方式,本实施方式中多个柔性分层式冻胀单体从下至上依次排列形成一体式结构。
组成一体式检测装置的单体包括下锚盘1、套管2、上锚盘3、位移传感器4、基准盘5和支撑杆6,上锚盘3和下锚盘1从上至下依次设置,套管2设置在上锚盘3和下锚盘1之间,支撑杆6竖直设置在套管2内且其下端固定连接在下锚盘1上,支撑杆6的上端设置有基准盘5,基准盘5的正上方设置有位移传感器4。上锚盘3和下锚盘3的相对面之间形成冻土检测区域。相邻的冻胀单体之间可拆卸连接。处于上方的冻胀单体的下锚盘1与处于下方的冻胀单体的上锚盘3之间可拆卸连接。
多个冻胀单体依次排列形成对冻土体贯穿式检测,装置长度贯穿冻土体的整个深度,能够实现对冻土体全面检测的过程。冻胀单体中套管2为柔性波纹管体,柔性波纹管体的下端与下锚盘1同轴固定连接,柔性波纹管体的上端与上锚盘3同轴固定连接,位移传感器4设置在上锚盘3上,上锚盘3沿其厚度方向加工有穿线孔,用于为位移传感器4的连接线提供穿线空间,位移传感器4的测头朝向基准盘5设置。
上述连接关系中,穿线孔的最佳设置位置为上锚盘3的圆心处,多个上锚盘3的穿线孔形成从上至下贯通的穿线通道,便于连接线的布线,避免弯折,位移传感器4的最佳布置方式为偏心布置,即其轴向方向的中心轴线与上锚盘3轴向方向的中心轴线不重合。对应的,支撑杆6的设置位置为偏心设置,在下锚盘1上的设置位置为偏离下锚盘1圆心的位置设置。
检测装置的另一种简化的设置结构为,上下相邻的两个冻胀单体中,将处于下方的冻胀单体的上锚盘3与处于上方冻胀单体的下锚盘1合并为同一个件,即将处于下方的冻胀单体的上锚盘3为处于上方冻胀单体的下锚盘1,有利于检测装置整体结构的简化,节省制造成本,简化组装难度,降低整体重量。其他未提及的内容与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四: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,在每个测点处对应安装一个检测装置,通过检测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情况。
测点分布的确定过程是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,确定土体为冻胀敏感和冻胀非敏感的过程为现有技术,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,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,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
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是指两个上锚盘3的圆心之间的距离,间距G1的取值范围是根据上锚盘3的外径以及两个相邻上锚盘3之间互不干扰的最小距离要求确定的,上锚盘3的外径是根据基准盘5尺寸和套管2的尺寸配合决定的,从而确定G1的取值范围为50~100cm,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,本步骤中S1的取值范围为0.25~1m2,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。
当冻胀非敏感冻土区的个数为m个时,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,每个第二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M1=B1/S2,同理,逐一确定其他冻胀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是指两个上锚盘3的圆心之间的距离,间距G2的取值范围是根据上锚盘3的外径以及相邻两个上锚盘5之间互不干扰的最小距离要求确定的,上锚盘3的外径是根据基准盘5尺寸和套管2的尺寸配合决定的,从而确定G2的取值范围为200~400cm,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,本步骤中S2的取值范围为4~16m2,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。
N1、N2、N3…Nn以及M1、M2、M3…Mm的总和即为测试区域中总测点数,再准备对应数目的检测装置即可。
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安装检测装置,确保每个测点处安装有一个检测装置,通过检测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的情况。同理于冻胀非敏感冻土区的安装过程。
本发明结合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50~100cm布置测点为最佳设置范围,按照每平方米1~4个测点设置而冻胀非敏感区平面内横向及纵向间距200~400cm布置测点,按照每16平方米1~4个测点设置,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。其他未提及的内容与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五:本实施方式为具体实施方式四的进一步限定,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,平面内每横向、纵向间隔50~100cm布置一个测点,按照每平方米1~4个测点设置远离河流,每间隔200~400cm布置一个测点,按照每16平方米1~4个测点设置地质条件复杂、有特殊要求工程场地按照不等间距设置测点数目。
具体实施方式六:本实施方式为具体实施方式四或五的进一步限定,检测装置的检测过程包括以下两个步骤:
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,根据每个测点的检测深度要求选择安装一个冻胀单体或至少两个冻胀单体组成的检测装置,通过冻胀单体或检测装置获取不同时段该测点所在冻胀层的冻胀量数据,依次类推,获取各个测点反馈的冻胀量数据,汇总各个测点的冻胀量数据得到测试区域内冻土冻胀变形情况。
检测装置的检测过程包括以下两个步骤:
步骤一:查阅地质资料,在一个测点处,根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞12,根据孔洞12的深度选择N个冻胀单体,人工夯平孔洞12底部后,将冻胀单体逐一安装在孔洞12中,测量并记录每个冻胀单体中下锚盘1和上锚盘3之间的初始距离分别为L0、L1、L2…LN,以及整个检测装置中最顶部的上锚盘3和最低部的下锚盘3的距离L,调整每个冻胀单体中位移传感器4的初始位置,使位移传感器4处于满量程状态,即处于最小量程状态,再回填原土,分层捣实;
步骤二:在一个冻胀单体中,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、保存,套管2在冻土层冻胀变形带动下向上移动,位移传感器4监测到的其与基准盘5之间距离的变化量ΔL1,ΔL1即是该冻胀单体所在冻土层的冻胀变形,该冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL1/L1,依次类推,获取其他冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL2/L2…ΔLN/LN,整个检测装置所在测点的冻胀率为(ΔL1+ΔL2+…ΔLN)/L
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,冻胀单体的安装过程如下:
首先,将带有支撑杆6的下锚盘1安装在孔洞12中,支撑杆6的上端固定连接有基准盘5,设置套管2使其下端固定连接在下锚盘1上,同时基准盘5和支撑杆6处于套管2中,在套管2的外侧分层回填原土,并分层捣实,将位移传感器4安装在上锚盘3上,将位移传感器4的量程调节至最小量程;将上锚盘3设置在套管2上,将套管2的上端与上锚盘3相连接,再将套管2上端以及上锚盘3对应的原土进行回填,并捣实。
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,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。
具体实施方式九:在测试区域中划格进行测点确定的过程中,每个第一小格或每个第二小格内的中心位置即为测点位置;第一小格或第二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,同理,每个第二小格中两条对角线的交点即为一个测点位置;
在每个测点处设置下锚盘1即可,上锚盘3或下锚盘1的圆点与该测点所在的第一小格或第二小格的中心位置相重合。
本发明能够根据测试区域的大小确定测点个数,根据需要检测的深度的大小选取对应的冻胀单体或检测装置
当测试区域内一个测点所需检测深度不足50cm时,选取单个冻胀单体进行检测即可,当测试区域内一个测点所需检测深度大于50cm时,将多个冻胀单体组成的检测装置进行分层式检测即可。冻胀单体和检测装置能够在同一测试区域内同时使用,使检测方式具有多样灵活性,检测结果更加准确。其他未提及的内容与具体实施方式六、七或八相同。
具体实施方式十:如图6所示,当本发明处于水平方向的检测状态时,套管2为带有金属网套的柔性波纹管,该管体为现有产品,具有刚柔兼备的特征,选用该管体作为套管2能够有效降低检测装置正上方土体自重对套管2的压力,确保套管2内位置传感器4的检测工作顺利进行,检测结果准确可靠。
本发明中的检测装置更加适用于长距离的横向或纵向冻土检测,套管2为柔性波纹管且长度能够伸缩,减少对整个装置检测的影响,便于计算,减少误差,提高检测精度。结合本发明中冻胀单体以及多个冻胀单体组成的检测装置的有益效果说明以下实施例:
实施例一:
本实施例的测试区域为东北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,在每个冻胀敏感冻土区和每个冻胀非敏感冻土区内设置多个测点,每个测点处对应填埋一个检测装置。
当冻胀敏感冻土区或冻胀非敏感冻土区的一个测点的检测深度超过50cm时,选用冻胀单体形成的检测装置,利用该检测装置进行检测时的具体操作过程如下:
步骤一:查阅地质资料,获得测试区域中检测装置需要填埋的深度,开挖孔洞12,人工夯平孔洞12底部后,将带有支撑杆6的下锚盘1安装在孔洞12中,支撑杆6的上端固定连接有基准盘5,设置套管2使其下端固定连接在下锚盘1上,同时基准盘5和支撑杆6处于套管2中,在套管2的外侧分层回填原土,并分层捣实,将位移传感器4安装在上锚盘3上,将上锚盘3设置在套管2上,将套管2的上端与上锚盘3相连接,将位移传感器4的量程调节至最小量程;测量并记录该冻胀单体中下锚盘1和上锚盘3之间的初始距离L0为300mm。以上锚盘3作为上面检查单体的下锚盘,重复上述步骤,设置支撑杆、基准盘和套管,调整位移传感器至最小量程,测量并记录该冻胀单体中下锚盘1和上锚盘3之间的初始距离L1为500mm。再将套管2上端以及上锚盘3对应的原土进行回填,并捣实。
步骤二:将位移传感器4与记录仪表连接,记录一次测试时间为12月5日上午8时,最底处的冻胀单体上位移传感器4监测到的其与基准盘5之间距离的变化量ΔL1为0.3mm,即下锚盘1和上锚盘3之间距离的变化量ΔL为0.3mm,该冻胀单体对应的冻土层的冻胀量即为ΔL1,该测点土体的冻胀率为ΔL1/L0=0.3/300=0.1%;与其相连的冻胀单体上位移传感器4监测到的其与基准盘5之间距离的变化量ΔL2为0.5mm,即下锚盘1和上锚盘3之间距离的变化量ΔL2为0.5mm,该冻胀单体对应的冻土层的冻胀量即为ΔL2,该测点土体的冻胀率为ΔL2/L0=0.5/500=0.1%
随着土体的冻胀上移,上锚盘3与下锚盘1之间的距离不断增大,使位移传感器4与基准盘5之间的距离逐渐增大,在次年1月31日上午8时,在同一测点处最低处冻胀单体在测得基准盘5与位移传感器4之间的距离变化量ΔL3为1.5mm,从而得到该测点对应土体的冻胀率为ΔL3/L0=1.5/300=为0.5%,与其相连的冻胀单体上位移传感器4监测到的其与基准盘5之间距离的变化量ΔL4为2.5mm,即下锚盘1和上锚盘3之间距离的变化量ΔL4为2.5mm;
从而得出,该测点土体的冻胀率为ΔL4/L0=2.5/500=0.5%,监测结果表明前后两个时间点上下两个冻土层(300mm和500mm)的冻胀变形规律是一致的,将通过计算得出的0.1%和0.5%进行对比,二者之间差距较大,表明该冻胀单体所在的冻土层的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,还可根据需要获取其他冻土层的冻胀信息,或获取整个检测装置检测的数据,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。

Claims (4)

1.一种柔性非接触式检测土的冻胀单体,其特征在于:它包括下锚盘、套管、上锚盘、位移传感器、基准盘和支撑杆,所述上锚盘和下锚盘从上至下依次设置,套管为柔性波纹管体,套管的两端分别与下锚盘和上锚盘相连接,支撑杆竖直设置在套管内且其下端固定连接在下锚盘上,支撑杆的上端设置有基准盘,位移传感器设置在上锚盘上,位移传感器的测头朝向基准盘设置,上锚盘和下锚盘的相对面之间形成冻土检测区域;位移传感器为非接触式的电涡流位移传感器或激光位移传感器。
2.一种利用权利要求1所述的柔性非接触式检测土的冻胀单体形成的检测装置,其特征在于:多个柔性分层式冻胀单体从下至上依次排列形成一体式结构。
3.一种利用权利要求1或2所述的柔性非接触式检测土的冻胀单体实现的检测方法,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,根据每个测点的检测深度要求选择安装一个冻胀单体或至少两个冻胀单体组成的检测装置,通过冻胀单体或检测装置获取不同时段该测点所在冻胀层的冻胀量数据,依次类推,获取各个测点反馈的冻胀量数据,汇总各个测点的冻胀量数据得到测试区域内冻土冻胀变形情况。
4.根据权利要求3所述的检测方法,其特征在于:检测装置的检测过程包括以下两个步骤:
步骤一:查阅地质资料,在一个测点处,根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞,根据孔洞深度选择n个冻胀单体,人工夯平孔洞底部后,将冻胀单体逐一安装在孔洞中,测量并记录每个冻胀单体中下锚盘和上锚盘之间的初始距离分别为L0、L1、L2…Ln,以及整个检测装置中最顶部的上锚盘和最低部的下锚盘的距离L,调整每个冻胀单体中位移传感器的初始位置,使位移传感器处于最小量程状态,再回填原土,分层捣实;
步骤二:在一个冻胀单体中,将位移传感器与记录仪表连接,将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录、保存,套管在冻土层冻胀变形带动下向上移动,位移传感器监测到的位移传感器与基准盘之间距离的变化量ΔL1,ΔL1即是该冻胀单体所在冻土层的冻胀变形,该冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL1/L1,依次类推,获取其他冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL2/L2…ΔLn/Ln,整个检测装置所在测点的冻胀率为(ΔL1+ΔL2+…ΔLn)/L
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