[发明专利]冻土冻胀实验装置以及测量冻土冻胀测量的方法

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。