CN112858631B - 一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法，适用于城市地下工程的人工冻结过程的相关研究。包括测试装置主体、框体结构和承载装置，测试装置主体设置在上、下方两个承载装置之间，所述测试装置主体包括多个叠放在一起的半圆形透明玻璃筒，最顶部设有上恒温冷板，底部设低温冷板，上下相邻的两个半圆形透明玻璃筒之间设有用以测试冻结土体内部冻胀压力的不透水柔性压力测试薄膜，每个半圆形透明玻璃筒上均连接有水平盘管，所述每个半圆形透明玻璃筒内分别装满测试土体。冻胀综合测试装置结构简单，使用效果好，可以模拟各种不同土层的独立补水过程，实现不同高度、不同土样、不同冻结过程的多物理量同步动态测试。

Description

一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种冻胀综合测试装置及测试方法，尤其适用于城市地下工程人工冻结过程研究的一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法。

背景技术

在地下工程建设中，如遇软弱富水地层，常采用人工冻结法对土层进行改良加固，但冻结过程中的冻胀量会造成地下管线及周围建筑基础的破坏，若控制不当甚至会造成严重的工程事故，因此，近年来众多学者都将目光转向冻胀的研究，而室内试验则是研究冻胀的重要手段之一。传统的冻胀试验装置一般由玻璃筒、控温板、马氏补水瓶、位移计等组成，将土体试样放置在玻璃筒中，顶端与底端的控温板分别保持恒定低温与高温，沿试样高度形成温度梯度，实现土体试样的一维冻结，与玻璃筒底部相连的无压马氏补水瓶为试样冻胀提供充足的水分，位移计则测量试样顶端的冻胀量。传统的冻胀试验装置主要是模拟天然冻土形成过程中的补水方式，即天然冻土从地表向下逐渐发展，过程中水分从冻土下部进行补充和迁移，所以传统冻胀实验装置中冻土从上向下发展，并从下部未冻土中进行整个试样的补水。

所以，传统冻胀实验装置只能通过位移计及马氏瓶刻度获得试样在冻结过程中的总体冻胀量及水分迁移量的变化，亦或在试验结束后立即对试样切片，通过测量不同高度处试样的最终含水率来粗略判断不同高度试样位置水分迁移的差异性，但它无法测量冻结过程中不同深度位置土体的冻胀位移、冻胀力，也无法实现对深度位置的土体进行分别补水及排水量的同步、连续动态综合测试，所以无法建立土体冻结过程中冻胀位移、冻胀力和水分迁移量之间的动态关系。对于城市地下工程的冻结过程来说，由于形成的冻土体积小，冻土周围与未冻土相连，所以冻结过程中冻土的六个方向都会向冻土进行水分迁移，而施工中更关注冻土从地层内部向上发展过程中，产生的冻胀对上部管线及建筑物的影响，形成的冻土与周围地层的补水是影响冻胀的关键因素，传统的冻胀试验装置中冻土的形成过程与市政工程中实际过程差别较大，也无法实现侧向补水，特别是形成冻土后切断了水分补充的路径，不能实现冻结过程中冻胀的测试。另外，在试件顶端布置的位移计，仅能测试试件整体冻胀量，无法获得冻胀过程中土样不同位置的水分迁移量、冻胀量和冻胀压力等研究参数。

发明内容

针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，使用效果好，能够模拟各种土层冻结变化的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法

为实现上述技术目的，本发明的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，包括测试装置主体、框体结构和承载装置，测试装置主体设置在上方和下方两个承载装置之间，所述承载装置为框体结构上下中心相对设置的两个基座，测试装置主体设置在下方承载装置上，并与上方承载装置之间设有约束装置，并通过约束装置将测试装置主体垂直固定住；

所述测试装置主体包括多个叠放在一起的半圆形透明玻璃筒，最下方的半圆形透明玻璃筒底部设有结构匹配的低温冷板，低温冷板下方设有底座，上下相邻叠放的两个半圆形透明玻璃筒之间设有用以测试冻结土体内部冻胀压力的不透水柔性压力测试薄膜，通过柔性压力测试薄膜将所有半圆形透明玻璃筒分隔为独立的封闭空间，每个半圆形透明玻璃筒侧面均连接有一个水平布置的水平盘管，所述每个半圆形透明玻璃筒内分别装满待测试的土体，并与水平盘管相连，用以显示封闭空间内土体在不同冻结阶段的排水量和吸水量，土体内不同水平位置设有轻质荧光标识点，最顶部的半圆形透明玻璃筒内部在土体上设有与半圆形透明玻璃筒结构匹配的上恒温冷板；

所述测试装置主体外侧设有多点光源，同时设有图像采集系统用以采集测试装置主体内土样位移变化信息，所述图像采集系统包括数码相机和照明灯。

所述半圆形透明玻璃筒包括设有竖向刻度尺的平面结构和弧面结构，其中刻度尺用以判断添加在土体内的轻质荧光标识点的竖向位移变化情况，从而实现不同位置土体冻胀位移的精细测试。

上下两个相邻的半圆形透明玻璃筒的顶部设有凹凸槽、底部设有凹凸口匹配连接，且位于最底部的半圆形透明玻璃筒底部通过凹凸槽与低温冷板上方的凹凸口连接。

上恒温冷板设置在最顶部位置的半圆形透明玻璃筒内，上恒温冷板上设有用于检测上恒温冷板在土样冻结过程中位移情况的位移传感器，利用位移传感器获得测试装置主体内土样的总冻胀量。

所述测试装置主体上内设有约束装置，所述约束装置包括在底座上设置的多条可伸缩柔性带，可伸缩柔性带的端头上设有弹簧扣，多个半圆形透明玻璃筒以及低温冷板组装后通过弹簧扣与顶部半圆形透明玻璃筒上设置的卡接口卡扣连接，从而固定测试装置主体结构，防止冻结过程中测试装置主体产生竖向移动。

所述半圆形透明玻璃筒上沿螺旋形位置上设有多个温度传感器测孔，温度传感器通过温度传感器测孔插入半圆形透明玻璃筒内的土体中。

一种使用全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置的测试方法，其步骤如下：

a将底座放置在承载系统上并固定，将下低温冷板放在底座上后，将第一个半圆形透明玻璃筒通过凹凸槽和锥形凹凸口与下低温冷板进行拼装；

b将提前制作好的待测试土样分层填入半圆形透明玻璃筒内并压实，使土样高度与半圆形透明玻璃筒的高度一致，分层填入时在土样中不同深度的侧面间隔布置2～3个荧光标识点；

c土样填入完成后在土样顶部放置柔性压力测试薄膜，并将第二个半圆形透明玻璃筒通过凹凸口和凹凸槽向第一个半圆形透明玻璃筒上拼装；

d根据测试需求重复步骤b和步骤c依次组合多个半圆形透明玻璃筒并保证两个相邻的半圆形透明玻璃筒之间均放置柔性压力测试薄膜，完成测试所需所有半圆形透明玻璃筒的拼装；

e在最顶部的半圆形透明玻璃筒内部的土样顶部放置上恒温冷板，拉伸可伸缩柔性带至最顶部的半圆形透明玻璃筒的卡接口处，利用弹簧扣与卡接口进行卡接，完成对整个测试装置主体进行约束固定；

f将装有部分水的水平盘管分别与每个半圆形透明玻璃筒相连形成无压补水系统，利用水平盘管内水量的增减量实现不同分段内补水量和排水量的测试；

g在测试装置顶部的上恒温冷板上设置位移传感器，并在所有半圆形透明玻璃筒的温度传感器测孔内插入温度传感器，将位移传感器、温度传感器与柔性压力测试薄膜的数据线与计算机相连，实现冻胀位移、温度和冻胀压力的实时动态测试与记录；

h利用低温冷板对设置在其上半圆形透明玻璃筒中的土样进行低温冷冻，同时利用上恒温冷板保证最顶部半圆形透明玻璃筒中的土样表面温度的恒定，冻结过程中，同时开启补水系统、图像采集系统和计算机，利用图像采集系统采集冻结过程中测试装置主体中各层半圆形透明玻璃筒中土样的水分迁移量，通过对荧光标识点的位置变化获得不同半圆形透明玻璃筒分段内土样的位移量，同时利用位移传感器获得总位移量，而不同分段内的分层冻胀力通过不透水压力薄膜检测并将数据传输至计算机中获得，最后利用温度传感器获得不同土样位置的温度数据；

i通过测试数据获得各层半圆形透明玻璃筒在冻结全过程中土样的水分迁移及分层冻胀的演变特征信息。

有益效果：冻结过程中每个独立空间分别补水和排水，实现了施工地下工程中冻结侧向补水和排水路径的测试过程，实现了分段玻璃筒空间内冻结的独立精确补水过程的模拟，并利用水平盘管内水量的增减量实现不同分段内补水和排水量的动态、连续精确测试；通过位移计、柔性压力测试薄膜等方法实现分段内冻胀位移、冻胀力等多物理量的同步动态测试；半圆形透明玻璃筒的高度、组装数量以及不同层填入土体的类别、含水量等因素均可根据设计随时进行调整，也可在装置内同时布置位移传感器、温度传感器以及约束装置等，满足不同实验需求。

附图说明

图1为本发明全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置的结构示意图；

图2为本发明全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置的侧视图；

图3为本发明测试装置主体的结构示意图。

图中：1-弹簧扣；2-可伸缩柔性带；3-卡接口；4-上恒温冷板；5-半圆形透明玻璃筒；6-凹凸槽；7-锥形凹凸口；8-低温冷板；9-底座；10-水平盘管；11-位移传感器；12-不透水柔性压力测试薄膜；13-照明灯；14-刻度尺；15-温度传感器测孔；16-数码相机；17-轻质荧光标识点；18-约束装置；19-承载装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1和图2所示，本发明的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，包括测试装置主体、框体结构和承载装置19，测试装置主体设置在上下方两个承载装置19之间，所述承载装置19为框体结构上下中心相对设置的两个基座，测试装置主体设置在下方承载装置19上，并与上方承载装置19之间设有约束装置18，并通过约束装置18将测试装置主体垂直固定住；

如图3所示，所述测试装置主体包括多个叠放在一起的半圆形透明玻璃筒5，半圆形透明玻璃筒5弧形内壁附透水薄膜，最顶部的半圆形透明玻璃筒5上设有与半圆形透明玻璃筒5结构匹配的上恒温冷板4，底部设有与半圆形透明玻璃筒5结构匹配的低温冷板8，低温冷板8下方设有底座9，上下相邻的两个半圆形透明玻璃筒5之间设有用以测试冻结土体内部冻胀压力的不透水柔性压力测试薄膜12，通过柔性压力测试薄膜12将所有半圆形透明玻璃筒5分隔为独立的封闭空间，每个半圆形透明玻璃筒5上均连接有一个水平布置的水平盘管10，所述每个半圆形透明玻璃筒5内分别装满测试土体，并与水平盘管10相连，用以显示封闭空间内的土体在不同冻结阶段的排水量和吸水量，测试土体内设有轻质荧光标识点17；

半圆形透明玻璃筒5包括设有竖向刻度尺14的平面结构和弧面结构，其中刻度尺14用以测试添加在土体内的轻质荧光标识点17的竖向位移情况，从而实现不同位置土体冻胀位移的精确测试。上、下两个相邻的半圆形透明玻璃筒5的顶部设有凹凸槽6、底部设有凹凸口7匹配连接，且位于最底部的半圆形透明玻璃筒5底部通过凹凸槽6与低温冷板8上方的凹凸口7连接。所述上恒温冷板4放置在最顶部半圆形透明玻璃筒5内土样的上方，上恒温冷板4上设有用于检测上恒温冷板4在土样冻结过程中位移变化情况的位移传感器11，利用位移传感器11获得测试装置主体内土样的总冻胀量。底座9上设置有多条可伸缩柔性带2，可伸缩柔性带2的端头上设有弹簧扣1，当多个半圆形透明玻璃筒5以及低温冷板8组装后通过弹簧扣1与最顶部半圆形透明玻璃筒5上设置的卡接口3卡扣连接，从而固定测试装置主体的结构，防止冻结过程中测试装置主体产生竖向移动。半圆形透明玻璃筒5上沿螺旋形位置上设有多个温度传感器测孔15，温度传感器通过温度传感器测孔15插入半圆形透明玻璃筒5内的土体中。恒温冷板4上设有温度传感器测孔15，温度传感器测孔15内设有温度传感器并插入半圆形透明玻璃筒5内的土样表面。

所述测试装置主体外侧设有多点光源，同时设有图像采集系统用以采集测试装置主体的变化信息，所述图像采集系统包括数码相机16、照明灯13。

一种使用全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置的测试方法，其步骤如下：

a将底座9放置在承载系统19上并固定，将下低温冷板8放在底座9上后，将第一个半圆形透明玻璃筒5通过凹凸槽6和锥形凹凸口7与下低温冷板8进行拼装；

b将提前制作好的土样分层填入半圆形透明玻璃筒5内并压实，使土样高度与半圆形透明玻璃筒5的高度一致，分层填入时在土样中不同深度的侧面间隔布置2～3个荧光标识点17；

c土样填入完成后在土样顶部放置柔性压力测试薄膜12，并将第二个半圆形透明玻璃筒5和锥形凹凸口7向第一个半圆形透明玻璃筒5上拼装，并根据试验需求依次组合多个半圆形透明玻璃筒5，并在每个半圆形透明玻璃筒5中重复步骤b填入土样，在半圆形透明玻璃筒5之间放置柔性压力测试薄膜12，完成所有半圆形透明玻璃筒5的拼装；

d在最顶部半圆形透明玻璃筒5内放置上恒温冷板4，拉伸可伸缩柔性带2至最顶部半圆形透明玻璃筒5的卡接口3处，利用弹簧扣1与卡接口3进行卡接，对整个测试装置主体进行固定；

e将装有部分水的水平盘管10分别与每个半圆形透明玻璃筒相连形成无压补水系统，利用水平盘管10内水量的增减量实现不同分段内补水量和排水量的测试；

f在测试装置顶部的上恒温冷板4上设置位移传感器11，并在所有半圆形透明玻璃筒5的温度传感器测孔15内插入温度传感器，将位移传感器11、温度传感器与柔性压力测试薄膜12的数据线与计算机相连，实现冻胀位移、温度和冻胀压力的实时动态测试与记录；

g利用低温冷板8对设置在其上半圆形透明玻璃筒5中的土样进行低温冷冻，同时利用上恒温冷板4保证最顶部半圆形透明玻璃筒5中的土样表面温度的恒定，冻结过程中，同时开启补水系统、图像采集系统和计算机，利用图像采集系统采集冻结过程中测试装置主体中各层半圆形透明玻璃筒5中土样的水分迁移量，通过对荧光标识点的位置变化获得不同半圆形透明玻璃筒5分段内土样的位移量，同时利用位移传感器11获得土样的总位移量，而不同分段内的分层冻胀力通过不透水压力薄膜检测并将数据传输至计算机中获得，最后利用温度传感器获得不同土样位置的温度数据；

h通过测试数据获得各层半圆形透明玻璃筒5在冻结全过程中土样的水分迁移及分层冻胀的演变特征信息。

Claims (7)

1.一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：包括测试装置主体、框体结构和承载装置（19），测试装置主体设置在上方和下方两个承载装置（19）之间，所述承载装置（19）为框体结构上下中心相对设置的两个基座，测试装置主体设置在下方承载装置（19）上，并与上方承载装置（19）之间设有约束装置（18），并通过约束装置（18）将测试装置主体垂直固定住；

所述测试装置主体包括多个叠放在一起的半圆形透明玻璃筒（5），最下方的半圆形透明玻璃筒（5）底部设有结构匹配的低温冷板（8），低温冷板（8）下方设有底座（9），上下相邻叠放的两个半圆形透明玻璃筒（5）之间设有用以测试冻结土体内部冻胀压力的不透水柔性压力测试薄膜（12），通过柔性压力测试薄膜（12）将所有半圆形透明玻璃筒（5）分隔为独立的封闭空间，每个半圆形透明玻璃筒（5）侧面均连接有一个水平布置的水平盘管（10），所述每个半圆形透明玻璃筒（5）内分别装满待测试的土体，并与水平盘管（10）相连，用以显示封闭空间内土体在不同冻结阶段的排水量和吸水量，土体内不同水平位置设有轻质荧光标识点（17），最顶部的半圆形透明玻璃筒（5）内部在土体上设有与半圆形透明玻璃筒（5）结构匹配的上恒温冷板（4）；

所述测试装置主体外侧设有多点光源，同时设有图像采集系统用以采集测试装置主体内土样位移变化信息，所述图像采集系统包括数码相机（16）和照明灯（13）。

2.权利要求1所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：所述半圆形透明玻璃筒（5）包括设有竖向刻度尺（14）的平面结构和弧面结构，其中刻度尺（14）用以判断添加在土体内的轻质荧光标识点（17）的竖向位移变化情况，从而实现不同位置土体冻胀位移的精细测试。

3.权利要求1所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：上下两个相邻的半圆形透明玻璃筒（5）的顶部设有凹凸槽（6）、底部设有凹凸口（7）匹配连接，且位于最底部的半圆形透明玻璃筒（5）底部通过凹凸槽（6）与低温冷板（8）上方的凹凸口（7）连接。

4.权利要求3所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：上恒温冷板（4）设置在最顶部位置的半圆形透明玻璃筒（5）内，上恒温冷板（4）上设有用于检测上恒温冷板（4）在土样冻结过程中位移情况的位移传感器（11），利用位移传感器（11）获得测试装置主体内土样的总冻胀量。

5.权利要求4所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：所述测试装置主体上内设有约束装置，所述约束装置包括在底座（9）上设置的多条可伸缩柔性带（2），可伸缩柔性带（2）的端头上设有弹簧扣（1），多个半圆形透明玻璃筒（5）以及低温冷板（8）组装后通过弹簧扣（1）与顶部半圆形透明玻璃筒（5）上设置的卡接口（3）卡扣连接，从而固定测试装置主体结构，防止冻结过程中测试装置主体产生竖向移动。

6.权利要求1所述的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，其特征在于：所述半圆形透明玻璃筒（5）上沿螺旋形位置上设有多个温度传感器测孔（15），温度传感器通过温度传感器测孔（15）插入半圆形透明玻璃筒（5）内的土体中。

7.一种使用上述任一权利要求所述全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置的测试方法，其特征在于步骤如下：

a将底座（9）放置在承载装置（19）上并固定，将下低温冷板（8）放在底座（9）上后，将第一个半圆形透明玻璃筒（5）通过凹凸槽（6）和锥形凹凸口（7）与下低温冷板（8）进行拼装；

b将提前制作好的待测试土样分层填入半圆形透明玻璃筒（5）内并压实，使土样高度与半圆形透明玻璃筒（5）的高度一致，分层填入时在土样中不同深度的侧面间隔布置2~3个荧光标识点（17）；

c土样填入完成后在土样顶部放置柔性压力测试薄膜（12），并将第二个半圆形透明玻璃筒（5）通过凹凸口（7）和凹凸槽（6）向第一个半圆形透明玻璃筒（5）上拼装；

d根据测试需求重复步骤b和步骤c依次组合多个半圆形透明玻璃筒（5）并保证两个相邻的半圆形透明玻璃筒（5）之间均放置柔性压力测试薄膜（12），完成测试所需所有半圆形透明玻璃筒（5）的拼装；

e在最顶部的半圆形透明玻璃筒（5）内部的土样顶部放置上恒温冷板（4），拉伸可伸缩柔性带（2）至最顶部的半圆形透明玻璃筒（5）的卡接口（3）处，利用弹簧扣（1）与卡接口（3）进行卡接，完成对整个测试装置主体进行约束固定；

f将装有部分水的水平盘管（10）分别与每个半圆形透明玻璃筒（5）相连形成无压补水系统，利用水平盘管（10）内水量的增减量实现不同分段内补水量和排水量的测试；

g在测试装置顶部的上恒温冷板（4）上设置位移传感器（11），并在所有半圆形透明玻璃筒（5）的温度传感器测孔（15）内插入温度传感器，将位移传感器（11）、温度传感器与柔性压力测试薄膜（12）的数据线与计算机相连，实现冻胀位移、温度和冻胀压力的实时动态测试与记录；

h利用低温冷板（8）对设置在其上半圆形透明玻璃筒（5）中的土样进行低温冷冻，同时利用上恒温冷板（4）保证最顶部半圆形透明玻璃筒（5）中的土样表面温度的恒定，冻结过程中，同时开启补水系统、图像采集系统和计算机，利用图像采集系统采集冻结过程中测试装置主体中各层半圆形透明玻璃筒（5）中土样的水分迁移量，通过对荧光标识点的位置变化获得不同半圆形透明玻璃筒（5）分段内土样的位移量，同时利用位移传感器（11）获得总位移量，而不同分段内的分层冻胀力通过不透水压力薄膜检测并将数据传输至计算机中获得，最后利用温度传感器获得不同土样位置的温度数据；

i通过测试数据获得各层半圆形透明玻璃筒（5）在冻结全过程中土样的水分迁移及分层冻胀的演变特征信息。

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