CN205388581U - 一种标准击实下土体冻胀参数的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种标准击实下土体冻胀参数的测试装置，包括钢底板，钢底板上设置可分离式铁筒，土样置于其中，其外围设置有机玻璃筒；可分离式铁筒、钢底板、有机有机玻璃筒以及套环通过紧固装置锁紧；土样中设置水分温度传感器，外连接有水分温度数据采集器，土样上方安装位移传感器，外连接有位移数据采集器，两数据采集器连接于主控计算机上；有机玻璃筒内壁上盘绕有铜管，通过塑料软管与循环制冷仪器相连接。该实用新型能够对土样在标准击实、各种工况下土体冻胀率、水分迁移及温度传递进行测试，并能快速取出冻结的土样，观察土样表面及剖开后内部的冻结纹理，得到冻胀率变化规律、水分迁移及温度传递规律。

Description

一种标准击实下土体冻胀参数的测试装置

技术领域

本实用新型属于寒区土体特性检测技术领域，尤其涉及一种标准击实下土体冻胀参数的测试装置，研究路基冻胀翻浆机理及防治措施。

背景技术

寒区道路工程中出现的冻胀机理是路基土中水及水的迁移积聚冻结引起土体中水分重新分布，并平行于冻结界面而形成数层冻层，局部地段尚有冰透镜体或冰块，挤压土体，体积增大而产生路基隆起现象；而翻浆机理是由于春季温度上升使地表冰层融化较早，而下层尚未解冻时，融化层的水分无法向下消散，导致浅层土体含水量增大而出现软化，强度显著降低，由车辆动荷载反复作用下，从而出现翻浆现象。随着我国国民经济的发展，全国交通运输量与日俱增，更加剧寒区道路翻浆的问题。

当前对于处理路基冻胀翻浆问题的解决尚未形成有效统一的方法。为解决冻胀翻浆问题，不少专业人士尝试采用各种试验方法研究冻胀机理，包括现场试验和室内试验，鉴于现场试验周期较长、费用较高，一般不采用。而室内试验仅从冻胀量测试的角度出发研究冻胀机理，有很大的局限性。

实用新型内容

针对上述缺陷或不足，本实用新型提供了一种下标准击实下土体冻胀参数的测试装置，能够测试土体冻胀率、水分迁移以及温度传递规律。

为达到以上目的，被实用新型的技术方案为：

一种标准击实下土体冻胀参数的测试装置，包括测试系统、数据采集系统，以及制冷系统；

测试系统包括开设有若干孔的钢底板，钢底板上设置有可分离式铁筒，可分离式铁筒外围设置有机玻璃筒，可分离式铁筒中放置标准击实的土样；可分离式铁筒的顶端套设有套环，且套环的顶端与有机玻璃筒卡合，钢底板、有机玻璃筒以及套环通过紧固装置锁紧；

数据采集系统包括设置于土样中的若干水分温度传感器，水分温度传感器上连接有水分温度数据采集器，土样上方架设有横梁，横梁上安装有第一、第二位移传感器，第一、第二位移传感器上连接有位移数据采集器，水分温度数据采集器和位移数据采集器连接于主控计算机上；

制冷系统包括盘绕于有机玻璃筒内壁上的铜管，铜管的入口与出口分别通过第一、第二塑料软管与循环制冷仪器相连接。

所述紧固装置包括安装于有机玻璃筒两端的第一螺旋杆和第二螺旋杆，第一螺旋杆和第二螺旋杆结构相同，其中，第一螺旋杆的一端安装于钢底板上，另一端与套环连接于套环边缘，通过螺母将套环和钢底板锁紧。

所述第一、第二位移传感器沿土样表面直径对称安装。

所述横梁上安装有千分表，千分表安装于第一、第二位移传感器之间。

所述可分离式铁筒由第一半圆柱铁筒与第二半圆柱铁筒无缝对接而成。

所述钢底板上开设有内外两道环槽，第一、第二半圆柱铁筒、机玻璃筒分别嵌于内外两道环槽，第一、第二半圆柱铁筒实现无缝对接。

所述土样中设置有五个水分温度传感器，土样内部自上而下等差排布有第一、第二、第三、第四、第五水分温度传感器且相邻两个水分温度传感器间隔错开布置。

所述有机玻璃筒外设置有保温棉。

与现有技术像比较，本实用新型的有益效果为:

本实用新型提供了一种标准击实下土体冻胀率、水分迁移及温度传递的测试装置，通过在测试系统中的钢底板上设置盛放土样的可分离式铁筒，在可分离式铁筒中分层倒入待检测土样，并且放置水分温度传感器和位移传感器，根据实际工况设置有无荷载、有无水源补充；设定温度进行若干冻融循环并采集数据；结束后保持冻结状态取出完整非扰动的土样，观察表面及剖开后的冻结纹理，总结水分迁移、温度传递规律，对比每个冻融循环下同一冻结温度下冻胀率变化规律。该装置拆装简单，测试过程方便，数据结果更加直观、稳定、准确。

进一步的，本实用新型装置的主体框架能快速组装与拆卸取样，钢铁筒两部分嵌于钢底板上的内环槽，顶部以套环套牢，套环外搭于有机有机玻璃筒上沿，即可组装成结实的主体框架。

进一步的，本实用新型中的循环制冷系统，制冷仪器制备设定温度下的工业酒精，由塑料软管输送进入导热性良好的铜管道，再经由塑料软管流回制冷仪器，组成一个简单、实用的循环制冷系统，结构简单，有效。

附图说明

图1是本实用新型装置的结构示意图；

图2是本实用新型装置的主视图；

图3是本实用新型装置的侧视图；

图4是本实用新型装置的俯视图。

图中，1-1—第一螺旋杆、1-2—第二螺旋杆、2—有机玻璃筒、3—套环、4—横梁、5-1—第一位移传感器、5-2—第二位移传感器、6-1—第一半圆柱铁筒、6-2—第二半圆柱铁筒、7—千分表、8-1—第一位塑料软管、8-2—第二位塑料软管、9-1—第一水分温度传感器、9-2—第二水分温度传感器、9-3—第三水分温度传感器、9-4—第四水分温度传感器、9-5—第五水分温度传感器、10—铜管、11—保温棉、12—钢底板、13—位移数据采集器、14—水分温度数据采集器、15—主控计算机、16—循环制冷仪器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做详细描述。

本实用新型的测试装置旨在测定路基土体在标准击实功能下土体不同含水量、不同级配、不同冻结温度下的冻胀率，观察分析总结发生冻胀时土体中水分的迁移规律、温度传递规律。具体实施方式以装置顶部无荷载、底部有水源补充的工况为例作说明。

如图1～4所示，本实用新型提供了一种标准击实下土体冻胀率、水分迁移及温度传递的测试装置，能够检测标准击实功能下土体冻胀率、水分迁移规律、温度传递规律，包括测试系统、数据采集系统，以及制冷系统；

测试系统包括开设有若干孔的钢底板12，钢底板12上设置可分离式铁筒，所述可分离式铁筒由第一半圆柱铁筒6-1与第二半圆柱铁筒6-2无缝对接而成，可分离式铁筒外围设置有机玻璃筒2，可分离式铁筒中放置标准击实的土样；可分离式铁筒的顶端套设有套环3，且套环3的顶端与有机玻璃筒2卡合，钢底板12、有机玻璃筒2以及套环3通过紧固装置加紧；所述紧固装置包括安装于有机玻璃筒2两端的第一螺旋杆1-1和第二螺旋杆1-2，第一螺旋杆1-1和第二螺旋杆1-2结构相同，其中，第一螺旋杆1-1的一端安装于钢底板12上，另一端与套环连接于套环3边缘，通过螺母将套环3和钢底板12夹紧。本实用新型中有机玻璃筒2内直径为30cm；可分离式铁筒的内直径为27mm，钢底板12上开设有若干圆柱形小孔，小孔直径为3mm。

数据采集系统包括设置于土样中的若干水分温度传感器，水分温度传感器上连接有水分温度数据采集器14，土样上方安装有位移传感器，位移传感器上连接有位移数据采集器13，水分温度数据采集器14和位移数据采集器13连接于主控计算机15。

制冷系统包括盘绕于有机玻璃筒2内壁上的铜管10，铜管10通过第一、第二塑料软管8-1、8-2与循环制冷仪器16相连接。具体的，铜管10的入口与出口分别连接第一、二塑料软管8-1、8-2，第一、二塑料软管8-1、8-2连接循环制冷仪器16与铜管10，有机玻璃筒2外设置有保温棉11。本实用新型中由直径1cm的塑料软管、内径0.8cm的铜管、循环制冷仪器、保温棉组成的制冷系统。该循环制冷系统实现原理，制冷仪器制备设定温度下的工业酒精，由塑料软管输送进入导热性良好的铜管道，再经由塑料软管流回制冷仪器，循环利用，组成一个简单、实用的循环制冷系统。

进一步的，所述套环3中设置有横梁4，横梁4上安装有第一、第二位移传感器5-1、5-2，第一、第二位移传感器5-1、5-2沿土样表面直径对称安装。横梁4上安装有千分表7，千分表7安装于第一、第二位移传感器5-1、5-2之间。本实用新型中的测试数据采集系统，在土体内部自上而下、自左向右，呈错开布置5个功能两用的水分温度传感器，土样内部自上而下等差排布有第一、第二、第三、第四、第五水分温度传感器9-1、9-2、9-3、9-4、9-5且相邻两个水分温度传感器间隔错开布置。顶部布设2个位移传感器，固定于横梁上，外加一个千分表作为电子读数的参照，以细小的数据线连接数据采集器、主控计算机，实现升降温、采集数据自动化。

优选的，本实用新型钢底板12上开设有内外两道环槽，第一、第二半圆柱铁筒6-1、6-2、机玻璃筒2分别嵌于内外两道环槽，第一、第二半圆柱铁筒6-1、6-2实现无缝对接，即可组装成结实的主体框架。

本装置的测试方法，包括以下步骤：

1、将待测试的土样分层倒入可分离式铁筒，同时间隔埋置水分温度传感器；向钢铁筒内放置透水石及滤纸，将规定级配、含水量的路基土分6层填入，每层以手动击实锤击实358次。第1层击实完毕后，填入土体的同时按图1所示位置埋入水分温度传感器，依次埋入剩余传感器。填土完毕，在顶部垫以直径27cm的有机玻璃垫块，固定位移传感器5-1、5-2、千分表7，引出数据线，连接数据采集器13、14，主控计算机15，调试位移传感器，以千分表读数作参照。

2、击实得到土样后，根据实际工况需要，在顶部设置有无荷载，底部有无水源补充，安装连接位移传感器，连接组成数据采集系统；

3、试验开始，向水池中注水，水面浸没钢底板1cm。依次按20℃、15℃、10℃、5℃、0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃顺序降温冻结，20℃～0℃之间每个降温梯度间隔时间2小时，0℃～30℃之间每个降温梯度标准为：观察主控计算机15曲线变化图，待各项数据稳定后执行下一步升降温。

4、冻结过程结束，按照步骤3的降温顺序逆向升温，每个升温梯度标准为观察主控计算机15曲线变化图，待各项数据稳定后执行。

5、重复步骤3、4，完成2.5次冻融循环过程，计算每次冻融循环第i个冻结温度下的冻胀率：

${\mathrm{\η}}_{i(5-1)}=\frac{h_{t(5-1)}-h_{0(5-1)}}{h_{0(5-1)}}{\mathrm{\η}}_{i(5-2)}=\frac{h_{t(5-2)}-h_{0(5-2)}}{h_{0(5-2)}}$

${\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{2}\[{\mathrm{\η}}_{i(5-1)}+{\mathrm{\η}}_{i(5-2)}\]$

其中，η_i—第i个冻结温度下的冻胀率；

h_0(5-1)、h_0(5-2)—分别为第一位移传感器5-1和第二位移传感器5-2初始位移；

h_t(5-1)、h_t(5-2)—分别为第一位移传感器5-1和第二位移传感器5-2冻结位移；

6、测试结束，保持冻结状态，快速卸去套环3，分离第一、第二半圆柱铁筒6-1、6-2，取出完整非扰动的土样，观察表面及剖开后的冻结纹理，总结水分迁移、温度传递规律，对比每个冻融循环下同一冻结温度下冻胀率变化规律。

所述可分离式铁筒中填充最大粒60mm的土体击实，标准击实锤4.5kg，落距45cm，单位体积击实功能控制在2677.2～2687.0kJ/m³范围内，并分6层击实，每层击实次数为358次

本实用新型对于某些地区具有膨胀性土的土体，可向水池注水，水面浸过钢铁筒顶部，浸泡4个昼夜之后，抽去部分水，水面降至原水位，再进行冻胀试验，所得数据更接近工程实际。

Claims (7)

1.一种标准击实下土体冻胀参数的测试装置，其特征在于，包括测试系统、数据采集系统，以及制冷系统；

测试系统包括开设有若干孔的钢底板(12)，钢底板(12)上设置有可分离式铁筒，可分离式铁筒外围设置有机玻璃筒(2)，可分离式铁筒中放置标准击实的土样；可分离式铁筒的顶端套设有套环(3)，且套环(3)的顶端与有机玻璃筒(2)卡合，钢底板(12)、有机玻璃筒(2)以及套环(3)通过紧固装置锁紧；

数据采集系统包括设置于土样中的若干水分温度传感器，水分温度传感器上连接有水分温度数据采集器(14)，土样上方架设有横梁(4)，横梁(4)上安装有第一、第二位移传感器(5-1、5-2)，第一、第二位移传感器(5-1、5-2)上连接有位移数据采集器(13)，水分温度数据采集器(14)和位移数据采集器(13)连接于主控计算机(15)上；

制冷系统包括盘绕于有机玻璃筒(2)内壁上的铜管(10)，铜管(10)的入口与出口分别通过第一、第二塑料软管(8-1、8-2)与循环制冷仪器(16)相连接。

2.根据权利要求1所述的标准击实下土体冻胀参数的测试装置，其特征在于，所述紧固装置包括安装于有机玻璃筒(2)两端的第一螺旋杆(1-1)和第二螺旋杆(1-2)，第一螺旋杆(1-1)和第二螺旋杆(1-2)结构相同，其中，第一螺旋杆(1-1)的一端安装于钢底板(12)上，另一端与套环连接于套环(3)边缘，通过螺母将套环(3)和钢底板(12)锁紧。

3.根据权利要求1所述的标准击实下土体冻胀参数的测试装置，其特征在于，所述横梁(4)上安装有千分表(7)，千分表(7)安装于第一、第二位移传感器(5-1、5-2)之间。

4.根据权利要求1所述的标准击实下土体冻胀参数的测试装置，其特征在于，所述可分离式铁筒由第一半圆柱铁筒(6-1)与第二半圆柱铁筒(6-2)无缝对接而成。

5.根据权利要求4所述的标准击实下土体冻胀参数的测试装置，其特征在于，所述钢底板(12)上开设有内外两道环槽，第一、第二半圆柱铁筒(6-1、6-2)、机玻璃筒(2)分别嵌于两道环槽，第一、第二半圆柱铁筒(6-1、6-2)实现无缝对接。

6.根据权利要求1所述的标准击实下土体冻胀参数的测试装置，其特征在于，所述土样中设置有五个水分温度传感器，土样内部自上而下等差排布有第一、第二、第三、第四、第五水分温度传感器(9-1、9-2、9-3、9-4、9-5)且相邻两个水分温度传感器间隔错开布置。

7.根据权利要求1所述的标准击实下土体冻胀参数的测试装置，其特征在于，所述有机玻璃筒(2)外设置有保温棉(11)。