交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程的试验系统

摘要

本发明涉及一种交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程的试验系统，包括：土样冻结装置，包括土样腔和冷冻模块，土样腔用于放置土样，冷冻模块用于冻结土样腔内的土样；温度测量装置，用于测量土样腔内土样的温度；水分测量装置，用于测量土样腔内土样的水分变化；位移测量装置，用于测量土样位移变化；加载装置，用于对土样进行单点模拟加载；数据接收处理装置，连接温度测量装置、水分测量装置和位移测量装置，接收数据并进行处理。与现有技术相比，本发明通过竖向分层分区域的温度测量、平面位移测量及水分测量相结合来分析循环振动作用下冻融软土水分迁移演化过程，从而可以达到对交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程进行实时监测。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是涉及一种交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程的试验系统。

背景技术

在冻土中，冰作为一种胶结材料，将相邻的土颗粒或者岩块体胶连接而结构体的强度增大，同时降低了土的透水性。而冻结法就是利用冻土的这些特性的一种施工方法。冻结法是利用冷盐水、液氮等制冷剂，进行人工降温制冷的方法，其将待开挖的地下空间周围土体中的水冻结成冰并与土体胶结在一起，形成一个冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土压力，隔绝地下水，增加天然岩石或土的强度。

在我国，冻结法主要应用于地铁联络通道、盾构进出洞、越江或跨海隧道等，甚至一些工程事故的抢险急救也会用到冻结法。人工冻结法由于基本不受支护范围和支护深度的限制,以及能够有效地防止涌水以及城市挖掘、钻凿施工中相邻土体的变形而受到越来越多的重视。但随着社会经济的快速发展，进行了越来越多的建设工程，地下空间更多的开发，变得越来越拥挤，工程建设施工的难度也随之越来越大。因此会常常出现较为复杂的施工环境，如周围会有其他构筑物的干扰(临近的其他隧道、管道，交通工具引发振动荷载)。大多数的施工方法在这些工况下将难以发挥作用，而冻结法适应性较强，可以用于多种土层条件，同时形成的冻结墙体能够有效阻隔工程与地下水的联系。因此，研究发展在复杂的地下工程建设中的冻结法有广阔的应用前景。

而对于交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程的研究较少，能够实时观察和采集交通荷载长期作用下冻融软土水分迁移演化过程试验设备更是没有。其中交通荷载引起的动荷载与其在土体中引起的动应力的大小及作用方向一般是会随着时间的变化而变化的，相较于静荷载及其在土体中引起的静应力的大小及作用方向是基本不会改变的。因此，在交通荷载的影响下，土中应力、温度、水分含量等都将会产生较为复杂的分布。此时对土体进行冻结法施工，将会有别于在一般情况形成不同的应力场分布，水分迁移的过程也会有所不同。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程的试验系统，通过竖向分层分区域的温度测量、平面位移测量及水分测量相结合来分析循环振动作用下冻融软土水分迁移演化过程，从而可以达到对交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程进行实时监测，得到的结果可以很好地为实际工程提供帮助。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程的试验系统，包括：

土样冻结装置，包括土样腔和冷冻模块，所述土样腔用于放置土样，所述冷冻模块用于冻结土样腔内的土样；

温度测量装置，用于测量土样腔内土样的温度；

水分测量装置，用于测量土样腔内土样的水分变化；

位移测量装置，用于测量土样位移变化；

加载装置，用于对土样进行单点模拟加载；

数据接收处理装置，连接温度测量装置、水分测量装置和位移测量装置，接收数据并进行处理。

进一步地，所述土样冻结装置为圆柱形结构，圆柱形的内部为土样腔，所述冷冻模块包括冷冻循环液和冷冻液腔，所述冷冻液腔设置在圆柱形结构的底部，冷冻循环液流经所述冷冻液腔以冻结土样腔内的土样。

进一步地，所述圆柱形结构为有机玻璃制成，外部包覆有隔热材料，并设置有可视区域。

进一步地，所述温度测量装置包括多个温度传感器，所述土样腔的侧壁上开设有测温孔，所述测温孔插入温度传感器。

进一步地，所述温度测量装置包括光纤光栅解调模块和光纤，所述光纤伸入土样腔内的土样中，所述光纤光栅解调模块分别连接光纤和数据接收处理装置。

进一步地，所述位移测量装置包括高精度摄像机和标记点，所述土样腔上留有可视区域，土样腔内的土样中自下而上对应测温孔位置每隔一段设置所述标记点且所述标记点对应可视区域，所述高精度摄像机用于采集土样腔可视区域的图像，所述数据接收处理装置根据不同时刻的图像计算土样腔内不同区域位置土样的位移变化。

进一步地，所述水分测量装置包括光纤光栅解调模块、电阻丝和光纤，所述电阻丝和光纤伸入土样腔内的土样中，所述光纤光栅解调模块分别连接光纤和数据接收处理装置，所述数据接收处理装置根据温度变化数据计算得到水分含量。

进一步地，所述加载装置包括激振器、信号发生器和功率放大器，所述信号发生器连接数据接收处理装置，所述激振器通过功率放大器与信号发生器相连，所述激振器的下端安装有探杆，所述土样腔内土样的上方设置有透水石，所述探杆伸入土样腔并抵住土样上方的透水石。

进一步地，所述加载装置还包括底座，所述激振器设置在底座上，所述激振器基座与底座之间垫有弹性件。

进一步地，还包括水箱，所述水箱通过管道伸入土样腔内，为土样进行水分补给。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)利用加载装置对土样施加振动荷载，能够较为准确地模拟实际交通荷载，探究交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程。

(2)水分测量装置包括光纤光栅解调模块、电阻丝以及光纤，数据由数据接收处理装置进行分析处理，从而可以测量土样中的水分含量，具有体积小、质量轻、耐腐蚀、性质安全、传输距离远等优秀的性能，且结果与烘干法有较好的一致性，误差很小，能够方便快捷准确地测量水分含量。

(3)在土样设置标记点，利用高精度摄像机进行拍摄，通过分析照片中标记点的变化得到土样的位移量进而进行位移监测，其为非接触测量，测量速度快、精度高，抗干扰能力强。

(4)使用带有刻度的水箱对土样进行水分的补给，通过水量的变化能够对土样中水分的迁移进行监测。

附图说明

图1为本发明的主要结构示意图；

图2为本发明的测温孔热电偶分布示意图；

附图标记：1、数据收集处理装置(计算机)，2、信号发生器，3、功率放大器，4、激振器，5、光纤光栅解调模块，6、高精度摄像机，7、水箱(带有刻度)，8、冷冻液进口，9、冷冻液出口，10、隔热材料，11、有机玻璃，12、热电偶，13、透水石，14、土样腔，15、标记点(彩砂)，16、光纤，17、冷冻液腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程的试验系统，如图1所示，包括：土样冻结装置，包括土样腔14和冷冻模块，土样腔14用于放置土样，冷冻模块用于冻结土样腔14内的土样；温度测量装置，用于测量土样腔14内土样的温度；水分测量装置，用于测量土样腔14内土样的水分变化；位移测量装置，用于测量土样位移变化；加载装置，用于对土样进行单点模拟加载；数据接收处理装置1，连接温度测量装置、水分测量装置和位移测量装置，接收数据并进行处理。

数据接收处理装置1可采用笔记本或计算机。

其中，土样冻结装置为圆柱形结构，圆柱形的内部为土样腔14，冷冻模块包括冷冻循环液和冷冻液腔17，冷冻液腔17设置在圆柱形结构的底部，冷冻循环液流经冷冻液腔17以冻结土样腔14内的土样，冷冻循环液通过管道从冷冻液进口8流入到冷冻液腔17内，再从冷冻液出口9出来，由此进行循环，并实现了对土样的冻结。基于单向冻结平板温度场理论，认为在单向冻结中土体同一平面内各点温度参数近似相等，因此本发明中通过冷冻液腔17对土样进行单向冻结，便于进行温度分布观测。

具体的，本实施例中，圆柱形结构为有机玻璃11制成，透明材质有利于从外部观察土样的变化。

在装填土样前，在土样腔14内壁涂抹凡士林等润滑剂，用于减小摩擦而引起的边界效应，将土样放置于土样腔14内，放置过程中每隔一段就放置标记点15，以便后续进行位移测量，土样放置完后，在上方放置一块透水石13，一方面，加载装置与透水石13相互配合，便于加载装置对土体进行均匀加载，另一方面，透水石13可使得整个试验系统形成一可排水的开放系统，便于研究水分迁移。同时，装置外部包覆有隔热材料10，隔热材料10的填充包裹可以有效地隔绝热量传导。需要注意的是，为了后续便于进行基于PIV(ParticleImage Velocimetry，粒子图像测速法)技术的位移测量，包覆隔热材料10时需留下可视区域，通过可视区域可直接观察到土样腔14内的土样以及标记点15。本实施例中，标记点15为条带状彩砂。

加载装置包括激振器4、信号发生器2和功率放大器3，信号发生器2通过导线连接数据接收处理装置1，功率放大器3通过导线与信号发生器2相连，激振器4通过导线连接功率放大器3，激振器4的下端安装有探杆，土样腔14内土样的上方设置有透水石13，探杆伸入土样腔14并抵住土样上方的透水石13，从而将荷载通过透水石13传递至土样，以便对土体均匀加载。可以预先设置所需要模拟的交通荷载，然后转化为控制信号输入数据接收处理装置1，由数据接受处理装置控制信号发生器2产生所需的各种频率、波形的电信号，放大后输入至激振器4，激振器4工作，从而模拟荷载，通过探杆对土样进行单点模拟加载。激振器4的安装需要稳定坚实的安装基础，保持激振器4所处位置和状态不变，故而，加载装置还包括底座，激振器4设置在底座上，激振器基座与底座之间垫有弹性，确保激振器4工作时振动不向外界传递，同时，安装激振器4的基础面(即底座)要平整，避免激振器4产生摇晃。

温度测量装置包括多个温度传感器，温度传感器使用热电偶12，土样腔14的侧壁上开设有测温孔，测温孔插入温度传感器。本实施例中，如图2所示，在有机玻璃11外壳上每隔2厘米开设测温孔，插入热电偶12，用于测量土样外侧的温度。此外，还利用插入土样内部的光纤16测量冻结过程中土样中心位置的温度。具体的，光纤16伸入土样腔14内的土样中，光纤光栅解调模块5通过导线分别连接光纤16和数据接收处理装置1，通过光纤16直接对土样中心温度进行测量，数据接收处理装置1可得到土样中心温度。如上文所述，本发明基于单向冻结平板温度场理论，认为在单向冻结中土体同一平面内各点温度参数近似相等，因此，利用温度传感器从土样侧表面处测量温度，并用光纤测得的中心温度进行校核，从而完成竖向分层区域的温度测量。

而同时，光纤16还可以参与水分的测量，将电阻丝与光纤16一体设置，或者选用可自加热的光纤，或者使用其他方式设置电阻丝，使得可以通过电阻丝对光纤16周围小范围内土体进行电加热，由光纤16测量温度变化，再利用升温过程中温度特征值与土壤含水率之间的关系，以测定土壤中的水分含量。

此外，系统还包括水箱7，水箱7通过管道伸入土样腔14内，为土样进行水分补给，水箱7上带有刻度线，以便精确控制补水量。

位移测量装置包括高精度摄像机6和标记点15，土样腔14上留有可视区域，土样腔14内的土样中自下而上每隔一段对应测温孔(插入热电偶12的测温孔)设置标记点15且标记点15对应可视区域，高精度摄像机6用于采集土样腔14可视区域的图像，数据接收处理装置1利用粒子图像测速法，根据不同时刻的图像计算土样腔14内不同区域位置土样的平面位移变化。PIV方法是一种无接触测量方法，可以减少对土样的扰动，以免干扰试验。本实施例中，高精度摄像机6置于土样装置旁，实时对土样彩砂标记点15进行拍照，后传输至数据接收处理装置1进行处理分析，得到位移测量。为实现对应温度分布的竖向分层、分区域位移测量，本实施例中，在土样腔内的土样中自下而上每隔2cm(对应测温孔位置)设置标记点，从而测量位移，便于后续分区域分析温度、水分等参数及水分迁移演化过程。

为研究循环振动作用下冻融软土水分迁移演化过程，本发明利用加载装置模拟交通荷载，通过温度传感器和光纤16对土体进行竖向分层分区域温度测量，同时在对应测温孔位置处布设彩砂作为标记点15以便进行对应区域的位移监测，再结合竖向各区域的水分测量数据，从而分析循环振动作用下冻融软土在单向冻结过程中不同区域水分迁移演化过程。其数据具有实时性、连续性，能够为研究交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程提供精细化依据，可以达到对交通荷载作用下冻融软土水分迁移演化过程进行实时监测，得到的结果可以很好地为实际工程提供帮助。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。