CN104360042B - 一种压实土内部冻胀量的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种压实土内部冻胀量的测试装置及测试方法，它涉及一种冻胀量的测试装置及测试方法。本发明为解决现有冻胀测试过程中不能测定土体内部的冻胀变形量和无法实现由上而下对土体进行冻结的问题。装置：泡沫板均匀的设置在方槽的内侧表面上，泡沫板的内侧均布设有保温层，保温层的中心位置设有土样圆槽，土样圆槽的底面上设有半透膜，半透膜的下端设有补水层，土样圆槽的内侧壁上沿轴向方向均布设有多个温度传感器，套筒插装在土样圆槽的中轴线上，套筒的内部呈螺旋状均布设有多个探针。方法：试验土样压实成型；固定试验土样；完成送针；测量探针初始高度；冷冻试验土样；记录位移变化量；计算冻胀率。本发明用于压实土内部冻胀量的测试。

Description

一种压实土内部冻胀量的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种冻胀量的测试装置及测试方法。

背景技术

我国地域广阔，地理位置跨度较大，季冻地区占国土面积的53％，包括14个省份和地区，季冻地区现有高速公路近2.5万公里，等级公路70万公里左右。这些公路每年冬季都要发生不同程度的冻胀，轻者几公分，重者达十几公分，当冻胀引起的路面变形超过材料的容许变形值时，路面发生横纵开裂、冻胀隆起、断板等现象，影响路面使用质量，降低路面的使用寿命。

冻胀是土体在一定含水量下、当温度降到零度以下，土体孔隙中的结合水迁移积聚至冻结锋面处，凝结成冰，土体体积增大，产生向外的作用力。不同土质在不同的含水量情况下，其冻胀值是不同的。在修筑路基之前需要对其所处地区土体的冻胀量进行测试，而现有的测量设备存在以下问题：一方面测量设备不能测定土体内部在冻胀后的变形，只能测定土体表面冻胀后的形变；另一方面现有设备未能实现与实际情况相符的由上而下对土进行冻结，在冻结时不符合实际情况。

发明内容

本发明为了解决现有冻胀测试过程中不能测定土体内部的冻胀变形量和无法实现由上而下对土体进行冻结的问题，进而提出一种压实土内部冻胀量的测试装置及测试方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种压实土内部冻胀量的测试装置包括方槽、泡沫板、保温层、多个探针、套筒和送针机构，方槽的横截面为正方形，泡沫板均匀的设置在方槽的内侧表面上，泡沫板的内侧均布设有保温层，保温层的中心位置设有土样圆槽，土样圆槽的底面上设有半透膜，半透膜的下端设有补水层，土样圆槽的内侧壁上沿轴向方向均布设有多个温度传感器，套筒插装在土样圆槽的中轴线上，套筒的内部呈螺旋状均布设有多个探针，每个探针的针头均朝外向设置，套筒的侧壁上沿外圆周表面均布设有多个通槽，每个通槽分别与一个探针配合，每个探针的末端均设有连杆，每个连杆均与一个位移传感器连接，送针机构设置在套筒的轴线上。

一种利用压实土内部冻胀量的测试装置实现压实土内部冻胀量的测试方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：试验土样压实成型：将试验土样静压成型，在试验土样中心钻取孔洞，孔洞的直径与套筒的外径相同，孔洞的深度与试验土样的高度相同，然后在试验土样的一侧沿轴向方向钻取多个圆孔，每个圆孔的直径为5mm，每个圆孔的深度为10mm，相邻两个圆孔之间的距离为20mm，在每个圆孔中插入温度传感器，用与试验土样含水率相同的土屑压实密封；

步骤二：固定试验土样：将压实成型的试验土样放入到土样圆槽中，将土样圆槽放置在带有泡沫板和保温板的方槽中；

步骤三：完成送针：转动旋转手柄，通过送针机构将探针依次推入试验土样内部；

步骤四：测量探针初始高度：设定探针的初始位置，将多个探针由上至下依次编号为1，2，……，i，分别测量多个探针相对于试验土样底面的高度H_i；

步骤五：冷冻试验土样：将整个测试装置和装置内的试验土样放置在密闭容器中，密闭容器外接制冷源降温，试验降温速率为0.5℃/h，最低温度为-20℃；

步骤六：记录位移变化量：每间隔0.5h采集与每个探针相对应的位移传感器和多个温度传感器的读数，记录不同探针沿竖直方向上的位移量大小ΔH_i；

步骤七：计算冻胀率：每个探针剖面试验土样冻胀率η_fi，

公式一： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{fi}}=\frac{{\mathrm{\ΔH}}_i}{H_i}$

公式一中，i表示多个探针由上至下依次的编号，i＝1，2，……，i，H_i表示第i个探针相对于试验土样底面的高度，ΔH_i表示第i个探针沿竖直方向上的位移量。

本发明与现有技术相比包含的有益效果是：本发明可以测试压实土内部任意一点的变形量，测量精度高，且结构简单，操作方便，本发明可以对土样四周进行保温，保证降温从上之下模拟室外冬季真实情况，使测试结果更加真实有效；根据不同需求可实现土样的单向冻胀和三维冻胀，满足不同试验要求。

附图说明

图1是本发明整体结构竖直方向的剖视图；图2是本发明整体结构水平方向的剖视图；图3是图2中I处放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种压实土内部冻胀量的测试装置包括方槽1、泡沫板2、保温层3、多个探针12、套筒4和送针机构，方槽1的横截面为正方形，泡沫板2均匀的设置在方槽1的内侧表面上，泡沫板2的内侧均布设有保温层3，保温层3的中心位置设有土样圆槽3-1，土样圆槽3-1的底面上设有半透膜3-2，半透膜3-2的下端设有补水层5，土样圆槽3-1的内侧壁上沿轴向方向均布设有多个温度传感器6，套筒4插装在土样圆槽3-1的中轴线上，套筒4的内部呈螺旋状均布设有多个探针12，每个探针12的针头均朝外向设置，套筒4的侧壁上沿外圆周表面均布设有多个通槽4-1，每个通槽4-1分别与一个探针12配合，每个探针12的末端均设有连杆7，每个连杆7均与一个位移传感器8连接，送针机构设置在套筒4的轴线上。

如此设计将试验土样置于土样圆槽3-1中，试验土样的侧面填充保温层3，对试验土样进行保温，使试验土样在降温过程中由上至下进行，土样圆槽3-1侧壁上的温度传感器6，可随时测定试验土样的温度变化；补水层5中可以放置透水石，补水层5中的水可透过透水石和半透膜3-2进入到试验土样中，以便能够模拟土体实际冻胀过程中的水分迁移；送针机构将通槽4-1处的多个探针12插入到试验土样中，在试验土样经过冻胀后，探针12连同连杆7发生竖直方向上位移的变化，通过位移传感器8记录探针12的位移变化。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述送针机构包括回转轴9、两个内槽凸轮10和多个支杆11，回转轴9竖直设置在套筒4的轴线上，回转轴9的上端插装有定位盖板9-1，定位盖板9-1与回转轴9转动连接，定位盖板9-1与套筒4的顶端内壁配合，回转轴9的两端分别各插装有一个内槽凸轮10，两个内槽凸轮10同向设置，每个内槽凸轮10的外圆周上均布设有多个支杆11，每个支杆11的一端分别配合内槽凸轮10的凹槽，每个支杆11的另一端分别设有推板11-1，每个推板11-1分别与一个连杆7配合，回转轴9的顶端设有旋转手柄9-2。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

如此设计定位盖板9-1将送针机构固定在套筒4上，通过转动旋转手柄9-2带动回转轴9旋转，从而使回转轴9上的两个内槽凸轮10转动，旋转到一个位置时，上下两个支杆11同时伸出，对应的两个推板11-1将一个连杆7沿水平方向推出，从而将连杆7上的探针12插入到试验土样中，继续转动旋转手柄9-2，多个支杆11依次伸出，分别将探针12依次插入到试验土样中。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述套筒4上每个通槽4-1的长度大于顶端探针12与底端探针12竖直方向上的距离。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

如此设计可以将探针12放置在任意一高度的位置，同时探针12在经过冻胀发生位移变化时，由于通槽4-1的长度较长，不会对探针12的位移产生影响，使测量的结果更加准确。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述多个探针12在套筒4的内部呈螺旋状均布旋转一周。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

如此设计探针12的位置可以测量不同高度不同方向上试验土样的冻胀量。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述土样圆槽3-1的深度为100mm，土样圆槽3-1的直径为100mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述多个探针12的数量为六个，多个通槽4-1的数量为六个。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

如探针12的数量过多，由于插入的探针12密度过大，容易对试验土样造成损伤，如探针12的数量过少，相邻两个探针12的间隔较大，造成测量结果误差较大，影响测量的精准性。

具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述每个内槽凸轮1的外圆周上均布的多个支杆11的数量为六个。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。

具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式利用具体实施方式一所述一种压实土内部冻胀量的测试装置实现压实土内部冻胀量的测试方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：试验土样压实成型：将试验土样静压成型，在试验土样中心钻取孔洞，孔洞的直径与套筒4的外径相同，孔洞的深度与试验土样的高度相同，然后在试验土样的一侧沿轴向方向钻取多个圆孔，每个圆孔的直径为5mm，每个圆孔的深度为10mm，相邻两个圆孔之间的距离为20mm，在每个圆孔中插入温度传感器6，用与试验土样含水率相同的土屑压实密封；

步骤二：固定试验土样：将压实成型的试验土样放入到土样圆槽3-1中，将土样圆槽3-1放置在带有泡沫板2和保温板3的方槽1中；

如进行单向冻胀试验，则将土样圆槽3-1放置在方槽1中，方槽1与土样圆槽3-1之间设置泡沫板2和保温层3，再按照以下试验步骤完成试验；如进行三维冻胀试验，则将压实成型的试验土样直接按照以下试验步骤完成试验。此外如试验要求确定试验土样的固结程度，则可在试验土样顶端利用杠杆压力仪施加上覆固结荷载，然后再按照以下试验步骤完成试验。

步骤三：完成送针：转动旋转手柄9-2，通过送针机构将探针12依次推入试验土样内部；

步骤四：测量探针12初始高度：设定探针12的初始位置，将多个探针12由上至下依次编号为1，2，……，i，分别测量多个探针12相对于试验土样底面的高度H_i；

步骤五：冷冻试验土样：将整个测试装置和装置内的试验土样放置在密闭容器中，密闭容器外接制冷源降温，试验降温速率为0.5℃/h，最低温度为-20℃；

根据试验要求选择不同冷冻方式，如进行单向冻胀试验，则采用单向制冷，将试验土样连同土样圆槽3-1和方槽1以及方槽1与土样圆槽3-1之间设置的泡沫板2和保温层3一同放置在密闭容器中，完成冻胀过程；如进行三维冻胀试验，则采用多向制冷，将试验土样直接放置在密闭容器中，完成冻胀过程。

步骤六：记录位移变化量：每间隔0.5h采集与每个探针12相对应的位移传感器8和多个温度传感器6的读数，记录不同探针12沿竖直方向上的位移量ΔH_i；

步骤七：计算冻胀率：每个探针12剖面试验土样冻胀率η_fi，

公式一： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{fi}}=\frac{{\mathrm{\ΔH}}_i}{H_i}$

公式一中，i表示多个探针12由上至下依次的编号，i＝1，2，……，i，H_i表示第i个探针12相对于试验土样底面的高度，ΔH_i表示第i个探针12沿竖直方向上的位移量。

具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中，测量压实成型的试验土样高度，用游标卡尺分别测量试验土样顶面两垂直方向试验土样的高度，两垂直方向试验土样的高度差不超过两垂直方向试验土样的平均值的0.5％。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八相同。

Claims (9)

1.一种压实土内部冻胀量的测试装置，其特征在于：所述一种压实土内部冻胀量的测试装置包括方槽(1)、泡沫板(2)、保温层(3)、多个探针(12)、套筒(4)和送针机构，方槽(1)的横截面为正方形，泡沫板(2)均匀的设置在方槽(1)的内侧表面上，泡沫板(2)的内侧均布设有保温层(3)，保温层(3)的中心位置设有土样圆槽(3-1)，土样圆槽(3-1)的底面上设有半透膜(3-2)，半透膜(3-2)的下端设有补水层(5)，土样圆槽(3-1)的内侧壁上沿轴向方向均布设有多个温度传感器(6)，套筒(4)插装在土样圆槽(3-1)的中轴线上，套筒(4)的内部呈螺旋状均布设有多个探针(12)，每个探针(12)的针头均朝外向设置，套筒(4)的侧壁上沿外圆周表面均布设有多个通槽(4-1)，每个通槽(4-1)分别与一个探针(12)配合，每个探针(12)的末端均设有连杆(7)，每个连杆(7)均与一个位移传感器(8)连接，送针机构设置在套筒(4)的轴线上。

2.根据权利要求1所述一种压实土内部冻胀量的测试装置，其特征在于：所述送针机构包括回转轴(9)、两个内槽凸轮(10)和多个支杆(11)，回转轴(9)竖直设置在套筒(4)的轴线上，回转轴(9)的上端插装有定位盖板(9-1)，定位盖板(9-1)与回转轴(9)转动连接，定位盖板(9-1)与套筒(4)的顶端内壁配合，回转轴(9)的两端分别各插装有一个内槽凸轮(10)，两个内槽凸轮(10)同向设置，每个内槽凸轮(10)的外圆周上均布设有多个支杆(11)，每个支杆(11)的一端分别配合内槽凸轮(10)的凹槽，每个支杆(11)的另一端分别设有推板(11-1)，每个推板(11-1)分别与一个连杆(7)配合，回转轴(9)的顶端设有旋转手柄(9-2)。

3.根据权利要求1所述一种压实土内部冻胀量的测试装置，其特征在于：所述套筒(4)上每个通槽(4-1)的长度大于顶端探针(12)与底端探针(12)竖直方向上的距离。

4.根据权利要求1所述一种压实土内部冻胀量的测试装置，其特征在于：所述多个探针(12)在套筒(4)的内部呈螺旋状均布旋转一周。

5.根据权利要求1所述一种压实土内部冻胀量的测试装置，其特征在于：所述土样圆槽(3-1)的深度为100mm，土样圆槽(3-1)的直径为100mm。

6.根据权利要求1所述一种压实土内部冻胀量的测试装置，其特征在于：所述多个探针(12)的数量为六个，多个通槽(4-1)的数量为六个。

7.根据权利要求2所述一种压实土内部冻胀量的测试装置，其特征在于：所述每个内槽凸轮(10)的外圆周上均布的多个支杆(11)的数量为六个。

8.利用权利要求1所述一种压实土内部冻胀量的测试装置实现压实土内部冻胀量的测试方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：试验土样压实成型：将试验土样静压成型，在试验土样中心钻取孔洞，孔洞的直径与套筒(4)的外径相同，孔洞的深度与试验土样的高度相同，然后在试验土样的一侧沿轴向方向钻取多个圆孔，每个圆孔的直径为5mm，每个圆孔的深度为10mm，相邻两个圆孔之间的距离为20mm，在每个圆孔中插入温度传感器(6)，用与试验土样含水率相同的土屑压实密封；

步骤二：固定试验土样：将压实成型的试验土样放入到土样圆槽(3-1)中，将土样圆槽(3-1)放置在带有泡沫板(2)和保温板(3)的方槽(1)中；

步骤三：完成送针：转动旋转手柄(9-2)，通过送针机构将探针(12)依次推入试验土样内部；

步骤四：测量探针(12)初始高度：设定探针(12)的初始位置，将多个探针(12)由上至下依次编号为1，2，……，i，分别测量多个探针(12)相对于试验土样底面的高度H_i；

步骤五：冷冻试验土样：将整个测试装置和装置内的试验土样放置在密闭容器中，密闭容器外接制冷源降温，试验降温速率为0.5℃/h，最低温度为-20℃；

步骤六：记录位移变化量：每间隔0.5h采集与每个探针(12)相对应的位移传感器(8)和多个温度传感器(6)的读数，记录不同探针(12)沿竖直方向上的位移量ΔH_i；

步骤七：计算冻胀率：每个探针(12)剖面试验土样冻胀率η_fi，

公式一：

公式一中，i表示多个探针(12)由上至下依次的编号，i＝1，2，……，i，H_i表示第i个探针(12)相对于试验土样底面的高度，ΔH_i表示第i个探针(12)沿竖直方向上的位移量。

9.根据权利要求8所述压实土内部冻胀量的测试方法，其特征在于：所述步骤一中，测量压实成型的试验土样高度，用游标卡尺分别测量试验土样顶面两垂直方向试验土样的高度，两垂直方向试验土样的高度差不超过两垂直方向试验土样的平均值的0.5％。