CN113739984A - 一种用于测量冻土孔隙水压力变化的装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于测量冻土孔隙水压力变化的装置，包括安装底座，下端能够安装在安装底座上的介质座以及下端能够安装在安装底座上且上端与介质座活动连接的渗透座；所述介质座包括介质基座以及设置在介质基座内的介质槽管；所述介质槽管内径为0.05～0.08mm，且介质槽管采用亲水材料；介质槽管内填充有界面水；本发明整体结构设计合理，利用介质槽管的特殊结构以及材质配合界面水能够有效地避免现有技术中存在的介质中易产生水泡导致的测量失效以及量程小的问题；利用界面水作为介质能够有效地避免对环境造成的污染问题；并且还搭配装置的整体结构实现较好的密封性，在实际的使用中具备更大的测量量程范围。

Description

一种用于测量冻土孔隙水压力变化的装置
技术领域
本发明涉及冻土参数测量装置技术领域，具体涉及一种用于测量冻土孔隙水压力变化的装置。
背景技术
冻融作用作为高寒地区工程建设的主要病害，其为高寒地区的工程建设带来了极大的难题。而研究发现冻融作用对土体结构及强度的影响与冻融过程中孔隙水压力的变化历程有着密切关系。
因此，对冻融过程中孔隙水压力变化的研究成为了研究冻融作用的重要参数。而由于在土体冻结状态下对土体的孔隙水压力进行测量一直是具备一定的技术难点，目前人们通常会利用乙醇、二甲基硅油、正十烷等在负温下不易冻结的液态物质作为介质来对冻土孔隙水压力变化进行测量，但是由于这类物质均会对土壤带来污染，因此现有技术中还未出现对冻土孔隙水压力变化测量的特定标准及装置。为此，现亟需一种用于测量冻土孔隙水压力变化的装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测量冻土孔隙水压力变化的装置。
本发明的技术方案为：一种用于测量冻土孔隙水压力变化的装置，包括安装底座，下端能够安装在安装底座上的介质座以及下端能够安装在安装底座上且上端与介质座活动连接的渗透座；
所述安装底座包括上端设置有安装头的安装基座以及镶嵌设置在安装基座上表面中心的压力传感器；所述安装头内侧设置有第一安装槽；
所述介质座包括上端设置有渗透槽、下端设置有测压槽的介质基座以及设置在介质基座内且上端口与渗透槽连通、下端口与测压槽连通的介质槽管；
所述渗透座包括上端设置有放置槽、下端设置有第二安装槽的渗透基座以及安装在放置槽内的渗透头；
所述渗透基座下端能够通过第二安装槽、安装头活动安装在安装基座上；所述介质基座下端能够通过测压槽侧壁、第一安装槽活动安装在安装基座上，且介质基座位于渗透基座内部，介质基座上端外侧壁能够与渗透基座内侧壁活动连接；所述渗透头下端镶嵌在渗透槽内，所述压力传感器上端镶嵌在测压槽内；
所述介质基座与安装基座连接处、介质基座与渗透基座连接处均设置有密封模块；
所述介质槽管内径为0.05～0.08mm，且介质槽管采用亲水材料；介质槽管内填充有界面水；利用亲水材料表面与水分子会发生相互作用，其相互作用力程最大可达到微米量级，处于此范围内的水一般被称为界面水，其物理力学特性与体积水存在巨大的差异，因此将介质槽管内径设置为0.05～0.08mm，能够使得介质槽管内填充的介质水为界面水，其负压下形成气穴的下限降低进而能够有效地扩大装置的测量范围并且采用界面水作为传力介质还可以有效地避免了选作其他介质对环境造成的污染问题。
作为本发明的一个方面，所述密封模块具体为密封垫，且所述介质基座与安装基座连接处、介质基座与渗透基座连接处均设置均设置有用于卡接所述密封模块的密封卡槽；利用密封垫的设置能够有效地将安装基座、介质基座、渗透基座连接端口进行有效地密封，进而在实际中对冻土孔隙水压力测量时能够有效地避免设备因密封不够导致的测量不准确的问题。
作为本发明的一个方面，所述介质基座与安装基座、渗透基座分别通过螺纹连接，所述密封模块具体为涂抹在螺纹上的密封螺纹胶；利用密封螺纹胶能够进一步地对安装基座、介质基座、渗透基座的连接接触面进行有效地密封处理。
作为本发明的一个方面，所述安装基座、渗透基座外露部位均设置有密封层；在外露部位设置密封层能够有效地保证装置整体的密封性，进而使得冻土中的孔隙水只能通过渗透头进入装置，进一步的能够改善测量准确度。
作为本发明的一个方面，所述介质槽管内壁上设置有超亲水涂层，超亲水涂层具体为纳米TiO2涂层；利用超亲水涂层能够有效地确保其表面与水分子会发生相互作用，确保介质槽管中填充的为界面水。
作为本发明的一个方面，还包括辅助装置；所述辅助装置包括安装底座，安装在安装底座上能够构成箱体的板材以及安装在安装底座上的样品放置单元；所述样品放置单元包括安装在安装底座上的底部封板，底端能够与底部封板活动连接用于放置待测土样的试样放置管，安装在箱体顶部能够与试样放置管顶端活动连接且内部盘设有冷冻液盘管的顶部封板以及两组分别用于对底部封板、顶部封板进行温控的冷冻液循环控温；所述试样放置管侧壁上开设有测量孔；能够利用辅助装置实现非现场测量的采样测量场景，且通过其能够改变温度参数，进一步的能够研究冻土孔隙水压力收温度影响的变化。
作为本发明的一个方面，所述辅助装置还包括用于向试样放置管内部进行补水的补水装置；能够利用补水装置在试验中为冻融过程中的土样补给水分。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明整体结构设计合理，利用介质槽管的特殊结构以及材质配合介质水能够有效地避免现有技术中存在的介质中易产生水泡导致的测量失效以及量程小的问题；另外，利用界面水代替乙醇、正十烷、二甲基硅油等物质作为测量冻土孔隙水压力的介质能够有效地避免在进行测量时对环境造成的污染问题；并且还搭配装置的整体结构实现较好的密封性，在实际的使用中具备更大的测量量程范围。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1的爆炸图；
图3是本发明实施例2的结构示意图；
图4是本发明实施例2的爆炸图；
图5是本发明实施例6的爆炸图；
其中，1-安装底座、101-安装头、102-第一安装槽、11-安装基座、12-压力传感器、2-介质座、201-渗透槽、202-测压槽、21-介质基座、22-介质槽管、3-渗透座、301-放置槽、302-第二安装槽、31-渗透基座、32-渗透头、4-密封模块、5-辅助装置、51-安装底座、52-箱体、520-板材、53-底部封板、54-试样放置管、540-测量孔、55-顶部封板。
具体实施方式
实施例1：
如图1、2所示的一种用于测量冻土孔隙水压力变化的装置，包括安装底座1，下端能够安装在安装底座1上的介质座2以及下端能够安装在安装底座1上且上端与介质座2活动连接的渗透座3；
安装底座1包括上端设置有安装头101的安装基座11以及镶嵌设置在安装基座11上表面中心的压力传感器12；安装头101内侧设置有第一安装槽102；
介质座2包括上端设置有渗透槽201、下端设置有测压槽202的介质基座21以及设置在介质基座21内且上端口与渗透槽201连通、下端口与测压槽202连通的介质槽管22；
渗透座3包括上端设置有放置槽301、下端设置有第二安装槽302的渗透基座31以及安装在放置槽301内的渗透头32；
渗透基座31下端能够通过第二安装槽302、安装头101活动安装在安装基座11上；介质基座21下端能够通过测压槽202侧壁、第一安装槽102活动安装在安装基座11上，且介质基座21位于渗透基座31内部，介质基座21上端外侧壁能够与渗透基座31内侧壁活动连接；渗透头32下端镶嵌在渗透槽201内，压力传感器12上端镶嵌在测压槽202内；
介质基座21与安装基座11连接处、介质基座21与渗透基座31连接处均设置有密封模块4；介质基座21与安装基座11、渗透基座31分别通过螺纹连接，密封模块4具体为涂抹在螺纹上的密封螺纹胶，其中，密封螺纹胶具体采用型号为XK569的管路螺纹密封剂；
介质槽管22内径为0.05mm，且介质槽管22采用亲水材料，具体采用金属铬；介质槽管22内填充有界面水。
实施例2：
与实施例1不同的是：介质槽管22内径为0.05mm；
如图3、4所示，密封模块4具体为密封垫，且介质基座21与安装基座11连接处、介质基座21与渗透基座31连接处均设置均设置有用于卡接密封模块4的密封卡槽。
实施例3：
与实施例1不同的是：介质槽管22内径为0.06mm；安装基座11、渗透基座31外露部位均设置有密封层。
实施例4：
与实施例1不同的是：介质槽管22内径为0.08mm；介质基座21与安装基座11、渗透基座31分别通过螺纹连接，密封模块4具体为涂抹在螺纹上的密封螺纹胶，其中，密封螺纹胶具体采用型号为XK569的管路螺纹密封剂；介质基座21与安装基座11连接处、介质基座21与渗透基座31连接处均设置有密封模块4；密封模块4具体为密封垫，且介质基座21与安装基座11连接处、介质基座21与渗透基座31连接处均设置均设置有用于卡接密封模块4的密封卡槽；安装基座11、渗透基座31外露部位均设置有密封层，密封层具体采用MatriXbond3533PUR电子粘接结构胶。
实施例5：
与实施例1不同的是：介质槽管22内径为0.08mm；介质槽管22内壁上设置有超亲水涂层，超亲水涂层具体为纳米TiO2涂层。
实施例6：
与实施例1不同的是：如图5所示，还包括辅助装置5；辅助装置5包括安装底座51，安装在安装底座51上能够构成箱体52的板材520以及安装在安装底座1上的样品放置单元；样品放置单元包括安装在安装底座51上的底部封板53，底端能够与底部封板53活动连接用于放置待测土样的试样放置管54，安装在箱体52顶部能够与试样放置管54顶端活动连接且内部盘设有冷冻液盘管的顶部封板55，两组分别用于对底部封板53、顶部封板55进行温控的冷冻液循环控温以及用于向试样放置管54内部进行补水的补水装置；试样放置管54侧壁上开设有测量孔540；其中，板材520具体采用有机玻璃；试样放置管54具体为有机玻璃罐。
需要说明的是：测量孔540用于测量样品土不同部位温度及压力，具体个数根据实际的测量进行开设，并不做具体限定，本实施例中开设有6个用于测量样品土不同部位温度的测量孔540以及3个用于测量样品土不同部位压力的测量孔540。
实验例：
1)在青藏高原北麓河地区某青藏铁路沿线进行实地测试：利用本实施例1～5装置以及某测量冻土孔隙水压力设备分批次对同一检测点(该测试点的探头埋设位置为粉质黏土，埋设深度20cm，温度-1.0度，含水量98％)进行多次检测并随机记录其中的10组批次数据，并在该地点取样后利用本实施例6装置进行测量多次并随机记录其中的10组数据，具体测量结果如表1所示；
表1：本实施例1～6装置及对照组测量的冻土孔隙水压力值
Figure BDA0003217681590000061
结论：通过表1的数据可见，相比于现有技术，本发明实施例1～6装置在对冻土孔隙水压力进行测试时其稳定性更佳。
2)取青藏高原北麓河地区某青藏铁路沿线土样进行室内测试：利用本发明实施例1～5装置以及某测量冻土孔隙水压力设备在改变土样参数的情况下分批次进行测量(对土样温度(>-10度)、饱和度(100％～5％)、荷载(<3MPa)进行变量参数的改变)，得到如表2所示的测量范围表；
表2：本发明实施例1～5装置及对照组在改变土样参数后测量范围值
分组 测量范围
实施例1 -2MPa～3MPa
实施例2 -2MPa～3MPa
实施例3 -2MPa～3MPa
实施例4 -2MPa～3MPa
实施例5 -2MPa～3MPa
对照组 -0.1MPa～3MPa
结论：通过表2的数据可见，相比于现有技术，本发明实施例1～5装置具备较大测量量程。

Claims (7)

1.一种用于测量冻土孔隙水压力变化的装置，包括安装底座(1)，下端能够安装在安装底座(1)上的介质座(2)以及下端能够安装在安装底座(1)上且上端与介质座(2)活动连接的渗透座(3)；
其特征在于，所述安装底座(1)包括上端设置有安装头(101)的安装基座(11)以及镶嵌设置在安装基座(11)上表面中心的压力传感器(12)；所述安装头(101)内侧设置有第一安装槽(102)；
所述介质座(2)包括上端设置有渗透槽(201)、下端设置有测压槽(202)的介质基座(21)以及设置在介质基座(21)内且上端口与渗透槽(201)连通、下端口与测压槽(202)连通的介质槽管(22)；
所述渗透座(3)包括上端设置有放置槽(301)、下端设置有第二安装槽(302)的渗透基座(31)以及安装在放置槽(301)内的渗透头(32)；
所述渗透基座(31)下端能够通过第二安装槽(302)、安装头(101)活动安装在安装基座(11)上；所述介质基座(21)下端能够通过测压槽(202)侧壁、第一安装槽(102)活动安装在安装基座(11)上，且介质基座(21)位于渗透基座(31)内部，介质基座(21)上端外侧壁能够与渗透基座(31)内侧壁活动连接；所述渗透头(32)下端镶嵌在渗透槽(201)内，所述压力传感器(12)上端镶嵌在测压槽(202)内；
所述介质基座(21)与安装基座(11)连接处、介质基座(21)与渗透基座(31)连接处均设置有密封模块(4)；
所述介质槽管(22)内径为0.05～0.08mm，且介质槽管(22)采用亲水材料；介质槽管(22)内填充有界面水。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述密封模块(4)具体为密封垫，且所述介质基座(21)与安装基座(11)连接处、介质基座(21)与渗透基座(31)连接处均设置均设置有用于卡接所述密封模块(4)的密封卡槽。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介质基座(21)与安装基座(11)、渗透基座(31)分别通过螺纹连接，所述密封模块(4)具体为涂抹在螺纹上的密封螺纹胶。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安装基座(11)、渗透基座(31)外露部位均设置有密封层。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介质槽管(22)内壁上设置有超亲水涂层，超亲水涂层具体为纳米TiO2涂层。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括辅助装置(5)；所述辅助装置(5)包括安装底座(51)，安装在安装底座(51)上能够构成箱体(52)的板材(520)以及安装在安装底座(1)上的样品放置单元；所述样品放置单元包括安装在安装底座(51)上的底部封板(53)，底端能够与底部封板(53)活动连接用于放置待测土样的试样放置管(54)，安装在箱体(52)顶部能够与试样放置管(54)顶端活动连接且内部盘设有冷冻液盘管的顶部封板(55)以及两组分别用于对底部封板(53)、顶部封板(55)进行温控的冷冻液循环控温；
所述试样放置管(54)侧壁上开设有测量孔(540)。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助装置(5)还包括用于向试样放置管(54)内部进行补水的补水装置。
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