一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，包括向裝置中通入冷凍液的凍結(jié)底板，架設(shè)在凍結(jié)底板上，盛裝土樣的對開式土樣腔，蓋設(shè)在對開式土樣腔頂部的頂蓋，設(shè)置在對開式土樣腔內(nèi)壓緊土樣用的土樣蓋板，連接補水裝置，向土樣中加水的補水連接管，連接在頂蓋及凍結(jié)底板之間的支架。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，為人工地層凍結(jié)法施工提供一定的依據(jù)。
【專利說明】一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]人工地層凍結(jié)法是隨著人工制冷技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種較好的地層加固技術(shù)。人工地層凍結(jié)法即在預(yù)加固土體四周布置凍結(jié)管，通過管內(nèi)低溫冷媒劑的循環(huán)，向地層連續(xù)或間斷供冷，使地層中的水結(jié)冰，將天然巖土轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯鐾粒庸誊浫醯貙?，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，在凍結(jié)壁的保護下進行掘進和襯砌。人工地層凍結(jié)法最早由德國工程師F.H.Poetech于1883年應(yīng)用于礦井開鑿，之后被逐漸應(yīng)用于其他地下工程。20世紀90年代以來，我國東南沿海地區(qū)開始大規(guī)模地開發(fā)利用地下空間，由于這一地區(qū)軟黏土分布較廣，為地下施工帶來極大不便，人工地層凍結(jié)法以其凍土強度高、隔水性好等優(yōu)點而逐漸被廣泛應(yīng)用。
[0003]然而，人工地層凍結(jié)法施工也對環(huán)境帶來了許多不利影響。對于粉土及黏性土，施工過程中，土層中水分遷移而形成分凝冰層，產(chǎn)生凍脹，造成地面上鼓、道路開裂；施工結(jié)束后，土層中冰融化，由于土體結(jié)構(gòu)受到破壞，產(chǎn)生融沉而引起不均勻沉降，使得地鐵軌道不平順、周邊建筑物開裂，影響地鐵運營安全及周圍建筑物的使用安全。因此研究人工土層凍結(jié)法施工過程中的溫度分布規(guī)律、水分遷移規(guī)律以及凍脹融沉規(guī)律是很有必要的。
[0004]目前，在人工地層凍結(jié)法研究領(lǐng)域，尚無綜合研究如上所述規(guī)律的相關(guān)試驗裝置。申請?zhí)枮?01110387899.3的中國專利公開了深部土凍融過程測試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特征是控溫箱與外部冷浴相接，控溫箱內(nèi)，耐高壓的有機玻璃筒體置于可控溫的鋼制底座上，底座上開有兩個小孔，一個接導(dǎo)水管，另一個接壓力調(diào)節(jié)管。下底座上部依次放置透水石、濾紙、試樣，并在試樣中安裝溫度傳感器。試樣上部放置可控溫的上壓頭。上壓頭上開有出線孔，弓丨出線后用密封膠密封。上壓頭將與試驗機傳力桿相接。通過導(dǎo)水管將量筒與試樣連接。量筒置于稱重傳感器上，并通過支架固定。該發(fā)明能較為系統(tǒng)的研究深部土的凍融過程，獲得不同深度的深部土在不同溫度梯度作用下凍結(jié)時凍脹率及吸、排水率的大小。與此專利相t匕，本發(fā)明重在研究應(yīng)用人工地層凍結(jié)法的淺部土體的溫度場分布、水分遷移及變形規(guī)律，因而凍結(jié)板設(shè)置于裝置底部，而補水裝置與變形量測裝置則設(shè)置于上部，可以很好地符合工程實踐。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便且可以得到較精確的結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種研究人工凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律的試驗裝置，可以模擬多種土質(zhì)的土體在不同凍結(jié)溫度下的凍融過程，為研究土體凍脹融沉規(guī)律、溫度場分布規(guī)律、水分遷移規(guī)律、分凝冰層形成規(guī)律、土中應(yīng)力(包括土壓力、超孔隙水壓力)的變化規(guī)律等提供便利。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):[0007]—種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，包括向裝置中通入冷凍液的凍結(jié)底板，架設(shè)在凍結(jié)底板上，盛裝土樣的對開式土樣腔，蓋設(shè)在對開式土樣腔頂部的頂蓋，設(shè)置在對開式土樣腔內(nèi)壓緊土樣用的土樣蓋板，連接補水裝置，向土樣中加水的補水連接管，連接在頂蓋及凍結(jié)底板之間的支架。
[0008]所述的凍結(jié)底板由上下兩部分組成，下部為扁圓柱形，內(nèi)部開有環(huán)形槽，并設(shè)進口及出口，冷凍液從進口流入，沿環(huán)形槽流動后從出口流出，上部為覆蓋環(huán)形槽的蓋板，上下兩部分由螺釘連接并設(shè)有橡膠墊密封。
[0009]所述的環(huán)形槽外周還設(shè)有密封槽，該密封槽內(nèi)加入密封圈使底板與土樣腔完全密封，密封槽的內(nèi)邊界與所述的蓋板重合。
[0010]所述的對開式土樣腔的材質(zhì)為透明有機玻璃，分為兩個半圓腔，其中一個半圓腔沿豎直方向設(shè)置可使電熱偶通過該孔插入土體采集溫度的小孔，兩半圓腔經(jīng)外部套設(shè)的環(huán)箍合為一體。
[0011]所述的頂蓋的直徑與底板相同，在與底板密封槽對應(yīng)位置設(shè)置一密封槽，該密封槽內(nèi)置有密封圈，使頂蓋與土樣腔完全密封。
[0012]所述的頂蓋中心設(shè)有使連桿通過的圓孔，所述的連桿下部為圓弧形，抵接在土樣蓋板上，上端部直徑較大，承接位移傳感器。
[0013]所述的土樣蓋板上開設(shè)有使傳感器接線通過的孔洞，土樣蓋板的中心設(shè)有一弧形凹槽，使連桿下端放入以測定凍脹、融沉，靠近中心孔位置設(shè)置連接補水連接管的螺紋孔。
[0014]所述的土樣蓋板的上部為金屬蓋板，下部為透水石，經(jīng)粘合劑相連。
[0015]所述的補水連接管經(jīng)相互連接的橡膠管及滴定管連接補水裝置。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在試驗過程中的任何時刻，可將土樣腔取下，從與溫度傳感器對應(yīng)位置取樣測量含水率，從而可得到土樣中水分遷移規(guī)律。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點和產(chǎn)生的有益效果是:
[0018]1.本發(fā)明中的凍結(jié)底板下部采用環(huán)形槽，可使冷凍液由中心向四周均勻流動，使底板中氣體充分排出，保證冷量在地板面上均勻分布，使得試驗結(jié)果更加準確。將底板設(shè)置為上下兩部分，可以方便儀器制作，并可在冷凍液流動出現(xiàn)異常后拆卸，檢查其內(nèi)部是否有雜物。
[0019]2.本發(fā)明中土樣腔設(shè)置為對開式，可以方便土樣裝卸，含水率試驗土樣的取樣；土樣腔壁設(shè)置溫度傳感器小孔，可以準確定位溫度監(jiān)測位置，并在取含水率試驗土樣時有一個高度標志，使溫度監(jiān)測點和含水率測試點相對應(yīng)。
[0020]3.本發(fā)明中土樣蓋板由兩部分組成，其作用有三:一，上部采用金屬材質(zhì)，可以方便設(shè)置放置連桿端部的凹槽，并開設(shè)連接補水連接管的螺紋孔，而下部透水石并不在此孔對應(yīng)位置開設(shè)孔洞，使得土樣上部覆蓋物較為完整，不會使土樣擠出；二，下方設(shè)置透水石可以很容易飽和，在試驗中可以使土樣上部各處得到均勻的水分補充；三，透水石的導(dǎo)熱性較差，可以減小環(huán)境溫度對土樣溫度場分布的影響。
[0021 ] 4.本發(fā)明的頂蓋設(shè)置一個連桿，其上部直徑較大，使其不僅可以連接位移傳感器，還可以將裝置置于反力裝置中，通過測力環(huán)與連桿接觸測量凍脹力。
【專利附圖】

【附圖說明】[0022]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為凍結(jié)底板的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為圖2中A-A面的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為圖2中B-B面的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖中，I為凍結(jié)底板下部；2為凍結(jié)底板上部；3為密封圈；4為對開式土樣腔；5為熱電偶；6為頂蓋；7為連桿；8為金屬蓋板；9為透水石；10為支架；11為環(huán)箍；12為進口 ；13為出口 ；14為環(huán)形槽；15為補水連接管。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0028]實施例
[0029]一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1-4所示，包括向裝置中通入冷凍液的凍結(jié)底板，架設(shè)在凍結(jié)底板上，盛裝土樣的對開式土樣腔4，蓋設(shè)在對開式土樣腔4頂部的頂蓋6，設(shè)置在對開式土樣腔4內(nèi)壓緊土樣用的土樣蓋板，連接補水裝置，向土樣中加水的補水連接管15，以及連接在頂蓋6及凍結(jié)底板之間的支架10。
[0030]凍結(jié)底板材質(zhì)選取為高強鋁合金，由凍結(jié)底板下部I以及凍結(jié)底板上部2兩部分粘合而成。凍結(jié)底板下部I為扁圓柱形，外徑為20cm，內(nèi)部開有環(huán)形槽14，并設(shè)有進口 12及出口 13，冷凍液可從進口 12流入，沿環(huán)形槽14流動后從出口 13流出；環(huán)形槽14外一周為密封槽，其內(nèi)徑12cm，其內(nèi)加入密封圈3后可使得凍結(jié)底板與土樣腔完全密封；密封圈3的外部設(shè)置四個對稱的螺紋孔。凍結(jié)底板上部2為一蓋板，直徑12cm，可將環(huán)形槽14覆蓋，外邊界為與密封槽內(nèi)邊界重合，并使用粘合劑與凍結(jié)底板下部I粘合。
[0031]對開式土樣腔4的材質(zhì)選取透明有機玻璃，內(nèi)徑12cm，厚度與密封槽的厚度相等，可分為兩個半圓腔，方便裝樣及取樣。其中一個半圓腔沿豎直方向每隔2cm設(shè)置一個直徑2mm的小孔，可使電熱偶5通過該孔插入土體采集溫度。試驗時將削好的土樣放入土樣腔的一個半圓壁中，將另一半腔體合于土樣之上，用環(huán)箍11將兩半圓腔合為一體進行試驗。
[0032]頂蓋6材質(zhì)選取為高強鋁合金，直徑為與凍結(jié)底板直徑相同，為20cm，并在與凍結(jié)底板的密封槽對應(yīng)位置同樣設(shè)置一密封槽，其內(nèi)置有密封圈，使頂蓋與土樣腔完全密封。在與凍結(jié)底板對應(yīng)位置同樣設(shè)置四個對稱的孔洞。頂蓋中心設(shè)有直徑為Icm的圓孔，可使連桿7通過。另外，頂蓋6根據(jù)試驗需要開設(shè)若干孔洞，可使傳感器接線通過。
[0033]連桿7的材質(zhì)選取為鋁合金，其下部為圓弧形，上部連接一直徑為2cm的端部用于承接位移傳感器。土樣蓋板的上部材質(zhì)選取為鋁合金的金屬蓋板8，下部為透水石9，二者通過粘合劑相連，蓋板上根據(jù)試驗要求開設(shè)若干孔洞，可使傳感器接線通過。在金屬蓋板8的中心設(shè)有一弧形凹槽，將連桿7下端放入，便于凍脹、融沉的測定；靠近中心孔位置設(shè)一螺紋孔，將補水連接管15旋于其中。補水裝置由橡膠管連接滴定管與補水連接管15連接，從而向土樣補水。
[0034]支架10材質(zhì)選取為為高強鋁合金，上下端均有螺紋，下端可以旋轉(zhuǎn)入冷凍底板的螺紋孔中，上端穿過頂板孔洞，由螺母固定。
[0035]在試驗過程中的任何時刻，可將土樣腔取下，從與溫度傳感器對應(yīng)位置取樣測量含水率，從而可得到土樣中水分遷移規(guī)律。[0036]試驗過程中，將削好的某地軟黏土試樣裝入土樣腔中，在土樣上下各貼一濾紙，箍緊環(huán)箍，置于凍結(jié)底板之上，插入溫度傳感器；依次安裝好土樣蓋板、頂蓋、位移傳感器；由于黏土層滲透性差，選擇不進行補水。將各傳感器均與采集儀相連，通過計算機軟件進行讀數(shù)。在土樣腔外壁包裹一層保溫材料，防止冷量耗散，保持試驗環(huán)境溫度為16°C，即取樣土層的平均溫度，將-20°C的冷凍液通入凍結(jié)底板，開始凍結(jié)。當(dāng)土樣中各點溫度穩(wěn)定不再變化，再保持凍結(jié)一段時間后，停止通入冷凍液，開始解凍。通過計算機不間斷讀數(shù)，可以得到在冷端溫度為-20°C時，土樣各時刻的溫度場分布，以及融化過程中的溫度場分布，并可通過計算溫度梯度判斷土樣中凍結(jié)速率的變化規(guī)律。位移傳感器可以檢測到凍融過程中土樣高度的變化，得出土樣的凍脹融沉規(guī)律。當(dāng)土樣融化后，對試驗后土樣的含水量進行分層測定，取樣處分別與各溫度傳感器對應(yīng)，可得到土樣凍融后含水量沿土樣高度的分布情況。調(diào)節(jié)冷凍液溫度，可以得到不同凍結(jié)溫度對土體變形的影響。人工凍結(jié)法施工中，土中溫度場分布和水分場分布及其相互耦合是影響土體凍脹融沉變形機理的關(guān)鍵因素，因此本發(fā)明可以為地鐵隧道不均勻變形，地面不均勻沉降的研究提供一定的便利。
【權(quán)利要求】
1.一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其特征在于，該裝置包括向裝置中通入冷凍液的凍結(jié)底板，架設(shè)在凍結(jié)底板上，盛裝土樣的對開式土樣腔，蓋設(shè)在對開式土樣腔頂部的頂蓋，設(shè)置在對開式土樣腔內(nèi)壓緊土樣用的土樣蓋板，連接補水裝置，向土樣中加水的補水連接管，連接在頂蓋及凍結(jié)底板之間的支架。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其特征在于，所述的凍結(jié)底板由上下兩部分組成，下部為扁圓柱形，內(nèi)部開有環(huán)形槽，并設(shè)進口及出口，冷凍液從進口流入，沿環(huán)形槽流動后從出口流出，上部為覆蓋環(huán)形槽的蓋板，上下兩部分由螺釘連接并設(shè)有橡膠墊密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其特征在于，所述的環(huán)形槽外周還設(shè)有密封槽，該密封槽內(nèi)加入密封圈使底板與土樣腔完全密封，密封槽的內(nèi)邊界與所述的蓋板重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其特征在于，所述的對開式土樣腔的材質(zhì)為透明有機玻璃，分為兩個半圓腔，其中一個半圓腔沿豎直方向設(shè)置可使電熱偶通過該孔插入土體采集溫度的小孔，兩半圓腔經(jīng)外部套設(shè)的環(huán)箍合為一體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其特征在于，所述的頂蓋的直徑與底板相同，在與底板密封槽對應(yīng)位置設(shè)置一密封槽，該密封槽內(nèi)置有密封圈，使頂蓋與土樣腔完全密封。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其特征在于，所述的頂蓋中心設(shè)有使連桿通過的圓孔，所述的連桿下部為圓弧形，抵接在土樣蓋板上，上端部直徑較大，承接位移傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其特征在于，所述的土樣蓋板上開設(shè)有使傳感器接線通過的孔洞，土樣蓋板的中心設(shè)有一弧形凹槽，使連桿下端放入以測定凍脹、融沉，靠近中心孔位置設(shè)置連接補水連接管的螺紋孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其特征在于，所述的土樣蓋板的上部為金屬蓋板，下部為透水石，經(jīng)粘合劑相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規(guī)律試驗裝置，其特征在于，所述的補水連接管經(jīng)相互連接的橡膠管及滴定管連接補水裝置。
【文檔編號】G01N25/00GK103969282SQ201410184471
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】唐益群, 嚴婧婧, 毛柏楊, 李珺, 肖思奇 申請人:同濟大學(xué)