冻土冻胀实验装置以及测量冻土冻胀测量的方法

摘要

本发明涉及一种冻土冻胀实验装置以及测量冻土冻胀测量的方法。该冻土冻胀实验装置包括用于容纳实验土体的顶部开口而侧壁和底壁热绝缘的容纳腔和与所述实验土体的顶部表面相接触的位移采集器，所述容纳腔由底壁和在所述底壁上沿轴向叠置的多个刚性热绝缘式环体形成，在所述实验土体发生冻胀时，所述多个环体能沿所述容纳腔的轴向自由移动而彼此间隔开。通过这种冻土冻胀实验装置能够在实验室中精确测量实验土体的冻胀量。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程领域，更具体来说涉及冻土冻胀实验室测量领域。本发明还涉及测量冻土冻胀量的方法。

背景技术

我国幅员辽阔，东西经度和南北经度跨度很大，具有很大面积的冻土地区，其分类主要有三类：多年冻土、季节性冻土和临时性冻土。多年冻土主要分布在青藏高原、东北大兴安岭一带。季节性冻土较为广阔，秦岭淮河以北的华北、西北和东北地区多为季节性冻土区。临时性冻土主要出现在采用冻结法施工的工程中，例如地下铁道、越江隧道，煤矿凿井等。

季节性冻土地基对建筑物破坏的主要原因是冬季冻土所产生的冻胀作用和春季升温产生的融降作用，临时性冻土对周围建筑物地基的影响既有冻胀作用也有融沉作用。随着我国的经济发展，在广泛分布有季节性冻土的地区，工程建设日趋频繁，尤其是公路和铁路建设，这些将直接面临着季节性冻土区的冻胀问题。

因此，为了能在实验室内更好地研究季节性冻土的冻胀问题，需要一种能测量冻土冻胀量的实验装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种冻土冻胀实验装置。通过这种冻土冻胀实验装置能够在实验室中精确测量实验土体的冻胀量。

根据本发明的第一方面，提出了一种冻土冻胀实验装置，包括用于容纳实验土体的顶部开口而侧壁和底壁热绝缘的容纳腔和与实验土体的顶部表面相接触的位移采集器，其中，容纳腔由底壁和在底壁上沿轴向叠置的多个刚性热绝缘式环体形成，在实验土体发生冻胀时，多个环体能沿容纳腔的轴向自由运动而彼此间隔开。

根据本发明的实验装置，由于在进行冻胀实验时，随着实验土体逐层发生冻 胀，构成容纳腔的环体也能相应地沿轴向自由运动，即环体的轴向运动不受任何阻碍，因此实验土体在轴向上的膨胀也不受任何阻碍，从而位移采集器测得到的实验土体在轴向上的冻胀量更加接近真实情况。另外，在实际环境中，土体总是由地表朝向地层深处逐层冻结。根据本发明的容纳腔的侧壁和底壁均为热绝缘，仅顶部能受冷，因此在实验过程中，容纳腔内的实验土体也仅是从顶部表面沿轴向朝向实验土体内部逐层冻结，在每一层实验土体发生冻胀时，相应的环体就会由于实验土体的冻胀而发生轴向运动并由位移采集器采集这些轴向位移。当下层土体进一步发生冻胀时，其会推动上层已冻胀的土体轴向向上运动，从而位移采集器会测得包括下层土体冻胀量和上层土体冻胀量的总冻胀量，这与实际环境是完全相同的。由此，根据本发明的实验装置能真实地反映实际环境中土体的冻胀情况，大大提高了实验数据的可信度。

在一个实施例中，在容纳腔的周向侧壁和底壁的外侧设置有热绝缘层。这些热绝缘层能进一步阻止实验土体通过容纳腔的侧壁和底壁与外界发生热交换，从而提高了实验数据的可信度。

在一个实施例中，冻土冻胀实验装置还包括覆盖在实验土体的顶部表面上的并且能相对于容纳腔沿轴向自由运动的盖体，位移采集器与盖体的顶面相接触。在本申请中，用语“自由运动”是指运动不受任何阻碍。在一个优选的实施例中，盖体由导热性材料制成，在盖体内构造有容纳制冷剂的制冷剂室。制冷剂为乙醇、液氨、氯化钠水溶液和尿素水溶液中的一种。通过设置这种盖体，仅通过将盖体内的制冷剂降温就能对实验土体进行冻胀实验，而不需要对实验装置所处的整个环境进行降温，这大大方便了在实验室中进行实验并且节约能耗。

在一个实施例中，在容纳腔底壁上构造有将容纳腔的内部与外界环境连通的通孔。通过通孔能够在进行冻胀实验前，将实验土体内多余的水排出，以使得实验土体的含水量与实际环境中土体的含水量相一致，提高了实验数据的可信度。

根据本发明的第二方面，提出了使用根据上文所述的装置测量冻土冻胀量的方法，包括以下步骤：

步骤一：向容纳腔内填充实验土体，并密实到预定要求；

步骤二：将位移采集器与密实后的实验土体的顶部表面相接触；

步骤三：将填充有实验土体的容纳腔放到冷冻室内冻结，通过位移采集器测量实验土体的冻胀量。

根据本发明的方法，在实验土体发生冻结时，构成容纳腔的环体能随着实验土体的冻胀而沿轴向自由运动，从而位移采集器采集的实验土体的沿轴向的冻胀量更加接近真实情况。此外，根据本方法的冻胀过程与实际环境中的土体冻胀过程相同，因此实验测得的冻胀量能准确反映实际环境中土体的冻胀情况。

在一个实施例中，在步骤二中，在实验土体的顶部表面上覆盖有能相对于容纳腔自由运动的盖体，位移采集器与盖体的顶面相接触，在盖体内填充有制冷剂。这样，容纳腔内的实验土体实际上通过盖体内的制冷剂制冷而发生冻结，由此可在冷冻室内放置多个实验装置，并且使每个实验装置的制冷剂的温度各不相同以同时进行冻胀量不同的实验，这大大方便了实验室操作，提高了实验效率。此外，通过本方法，也不需要将冷冻室内的温度降低到实验土体的冻胀温度而是仅需要对制冷剂降温到实验土体的冻胀温度，这也更加节能环保。

在一个实施例中，装置还包括通过拉杆能拆卸地与容纳腔的底壁相连并且与容纳腔顶部紧密接触的顶板，在顶板上设置有与容纳腔开口正对的尺寸小于或等于容纳腔开口尺寸的孔，在步骤一中，通过拉杆将顶板与容纳腔的底壁连在一起，接着向容纳腔内填充实验土体并密实，直到至少一个环体不承载实验土体，然后将不承载试验土体的环体拆卸下来，完成实验土体的密实。通过设置顶板，在填充和密实实验土体时，土体不会大量洒落到容纳腔之外，方便了使用者使用。

在一个优选的实施例中，容纳腔底壁还包括延伸到容纳腔之外的承载区，顶板通过拉杆能拆卸地与承载区相连。这方便了顶板的安装的拆卸。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)根据本发明的实验装置，容纳腔由底壁和在底壁上沿轴向叠置的多个刚性热绝缘式环体形成。在进行冻胀实验时，环体能随着实验土体的冻胀而沿轴向自由移动，从而位移采集器测得的实验土体的轴向冻胀量更加接近于真实情况。另外，这种实验冻胀过程与实际环境中的土体冻胀过程相同，因此所测得的冻胀量能准确反映实际环境中土体的冻胀情况。(2)在实验土体的顶部表面上覆盖有能相对于容纳腔沿轴向自由运动的盖体，位移采集器与盖体的顶面相接触，在盖体内填充有制冷剂。这样仅通过将盖体内的制冷剂降温就能将实验土体冻结，而不需要对实验装置所处的整个环境进行降温，这大大方便了在实验室进行实验。而且，这种实验装置能够同时进行多个冻胀量不同的实验，大大方便了实验室操作。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性地显示了根据本发明的冻土冻胀实验装置的第一实施例；

图2和图3示意性地显示了根据本发明的环体的连接方式；

图4示意性地显示了根据本发明的冻土冻胀实验装置的第二实施例；

图5示意性地显示了根据本发明的盖体的结构。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1显示了根据本发明第一实施例的冻土冻胀实验装置10(以下称实验装置10)的示意图。实验装置10包括圆柱形的用于容纳实验土体14的容纳腔11和与实验土体14的顶部表面相接触的位移采集器12。容纳腔11的顶部开口以向其中放置实验土体。位移采集器12用于测量实验土体14发生冻胀时的轴向冻胀量，位移采集器12是本领域的技术人员所熟知的，为了简单起见，这里不再赘述。

容纳腔11包括底壁15和在底壁15上沿轴向叠置多个环体13，这些环体13形成了容纳腔11的周向侧壁16。这些环体13不彼此固定连接，以使得在实验土体14发生冻胀时，能彼此相对比彼此而自由运动。在底壁15上构造有将容纳腔11的内部与外界环境连通的通孔18。在将实验土体14密实期间，实验土体14内多余的水分能够通过通孔18排出到实验装置10之外，从而实现调整实验土体14的含水量。

环体13和底壁15优选为由刚性热绝缘材料构成，因此容纳腔11的周向侧壁16和底壁15作为一个整体也为热绝缘。在进行冻胀实验时，实验土体14不能通过容纳腔11的周向侧壁16和底壁15与外界进行热交换，而是仅能从容纳腔11的顶部开口朝向实验土体14的内部逐层冻结，这与实际环境中土体的冻结过程一致。在一个优选的情况中，在容纳腔11的周向侧壁16和底壁15的外侧还设置有热绝缘层(未示出)。在一个具体的实施例中，热绝缘层可为泡沫、石棉、玻璃纤维、气凝胶毡中的一种或多种。通过设置热绝缘层，进一步阻止了通过容纳腔11的周向侧壁16和底壁15与外界的热交换，从而实验测得的冻胀量能准确地反映实际环境的土体的冻胀情况。

图2和图3示意性地显示了环体13之间的连接方式。如图2和图3所示，在环体13上均构造有能拆开的配合结构20。这些配合结构20使得环体13在径向方向中能稳定地装配在一起，而在轴向方向中能自由地拆开。在实验土体14在发生冻胀期间，这些环体13会随着实验土体14的体积膨胀而沿容纳腔11的轴向移动并彼此间隔开。也就是说，实验土体14的冻胀在轴向上不受任何阻碍，而是自由膨胀，这与实际环境的冻结情况相一致，从而使用根据本发明的实验装置10所测得的冻胀量能准确地反映环境中的土体冻结情况。

为了方便地向容纳腔11内填充实验土体14并将其密实，实验装置10还包括顶板17，其通过拉杆19可拆卸地与容纳腔11的底壁15相连并且与容纳腔11的顶部紧密接触。在顶板17上设置有与容纳腔11的开口正对的孔，以向容纳腔11内填充实验土体14。孔的尺寸小于或等于容纳腔11的开口尺寸，以便于顶板17能与容纳腔11的顶部紧密接触。为了方便顶板17的安装和拆卸，底壁15还包括延伸到容纳腔11之外的承载区21，拉杆19的一端与顶板17相连，另一端与承载区21相连，从而实现顶板17与底壁15的连接。在使用期间，首先通过拉杆19将顶板17与底壁15连接在一起，这时顶板17会与容纳腔11的顶部紧密接触。接着通过顶板17上的孔向容纳腔11内填充实验土体14并密实，直到至少一个环体不承载实验土体为止，也就是说至少一个环体不再容纳实验土体。然后将不承载试验土体的环体拆卸下来，完成实验土体的密实。

图4显示了根据本发明第二实施例的冻土冻胀实验装置10’(以下称实验装置10’)的示意图。图4所示的实验装置10’与图1所示的实验装置10的主体结构相同，不同之处仅在于：在实验土体的顶部表面上设置了用于给实验土体传递冷量的圆形盖体40，位移采集器12与盖体40的顶面相接触。也就是说，在实验装置10’中，通过盖体40给实验土体传递冷量，而不需要将容纳腔11周围环境的温度整体降低，这大大方便了实验装置10’在实验室中的使用。此外，通过设置多个实验装置10’，并且将每一个盖体40的温度控制为不同，可以实现同时进行多个冻胀量不同的实验，提高了实验效率。

盖体40能在容纳腔11中沿轴向自由运动，因此实验土体14沿轴向方向的冻胀不会受到任何限制，从而位移采集器12测得的实验土体14的冻胀量更加接近于真实情况。可将盖体40构造为其直径小于所述容纳腔11的内径(或环体13的内径)，例如盖体40的直径比容纳腔11的内径的小1mm到0.5mm，以实现 盖体40能在容纳腔11中沿轴向自由运动的目的。

图5示意性地显示了盖体40的内部结构。在盖体40内构造有制冷剂室41。在使用时，向制冷剂室41内填充制冷剂，并且通过制冷剂将冷量传递给实验土体14以进行冻胀实验。在一个优选的实施例中，盖体40由导热性材料制成，例如不锈钢、铜等，以进一步提高冷量传递效果。为了满足冻胀实验要求，要求制冷剂在-50℃的温度下保持为液态，通常使用的制冷剂为乙醇或液氨。当要求的冻胀实验温度较高时，也可以采用氯化钠水溶液、尿素水溶液等。使用者也可根据自己的需求自行选择适当的制冷剂。

下面来描述使用实验装置10测量冻土冻胀量的方法。该方法包括以下步骤：

步骤一：向容纳腔11内填充实验土体14，并密实到预定要求；

步骤二：将位移采集器12与密实后的实验土体14的顶部表面相接触；

步骤三：将填充有实验土体14的容纳腔11放到冷冻室(未示出)内冻结，通过位移采集器12测量实验土体14的冻胀量。

当使用图4所示的实验装置10’时，在步骤二中，在实验土体14的顶部表面上覆盖盖体40，并且将位移采集器12与盖体40的顶面相接触。通过给盖体40内的制冷剂降温，而实现将实验土体14冻结。这样，就不再需要将冷冻室的温度降低到很低的温度，达到了节能环保的目的。此外，通过设置多个实验装置10’，并且将每一个盖体40的温度控制为不同，可以实现同时进行多个冻胀量不同的实验，提高了实验效率。

虽然在本申请的实施例和附图中显示了圆柱形的容纳腔11，实际上，容纳腔11还可以为其他适当的形状，例如长方体形、正方体形等，这些均在本发明的保护范围中。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。