[发明专利]一种冻胀仪

说明书

技术领域

本发明属于路基测量设备。具体涉及一种冻胀仪。

背景技术

冻胀是由于土中水的冻结和冰体（特别是凸镜状冰体）的增长引起土体膨胀、地表不均匀隆起的作用。由于我国北方覆盖了大量季节性冻土，随着工程建设飞速发展与规模不断扩大，铁路以及公路路基冻胀已经成为一个不可忽视亟待解决的工程问题，冻胀现象严重损害工程质量甚至危机到结构安全，研究冻胀的问题的实质即为研究土中水分迁移以及结冻过程。研究表明，在冬季外界温度足够低的情况下，列车通过路基时会产生一定频率（10-30HZ）的动荷载，动荷载施加在路基土体时会产生超孔隙水压，使得土体中水份往上迁移至冻结锋面（温度为0°C的位置）与冰透镜体接触完成冻结过程，进一步加深冻胀。其中现有理论已经完善地论证了循环动荷载与超空隙水压的数值关系（盛岱超, 张升, 李希“高速列车与路基冻胀相互作用机理” [J]. 《岩土工程学报》, 2013, 35(12): 2186-2191），即可将循环动荷载折算为对应的地下水位水头高度。一般认为土体的冻胀力大小、冻胀位移等力学参数与土壤种类，外界环境温度，上覆压力，以及水头高度（等价于循环动荷载产生的超空隙水压作用）有关。因此，在铁路特别是高速铁路施工中需要借助专门测量设备获取沿线路基冻胀以及水分迁移的情况，为工程实践提供理论支撑与可靠依据。现有测量路基冻胀的设备存在功能少、精度不高、适用性不广、使用不方便等不足，已不能适应铁路快速发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种功能多、精度高、适用性广、使用方便的冻胀仪。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供的冻胀仪，包括支撑部分、温度控制部分、土工试验部分和数据采集部分；所述支撑部分包括底板、固定在底板上的两根导向柱、设在所述导向柱上部的连接板、设在连接板上的限位部件；所述土工试验部分包括土样装置和砝码加载装置，其中土样装置包括设在所述底板上的下温盘、设在下温盘上的玻璃试样筒、设在玻璃试样筒顶上的上温盘、设在玻璃试样筒外围的保温罩、通入下温盘内的补水装置，砝码加载装置包括位于所述限位部件下方且套在所述两根导向柱上可上下运动的活动板、与所述活动板连接的砝码盘；所述温度控制部分包括分别与上温盘和下温盘连接的温度控制系统；所述数据采集部分包括设在所述玻璃试样筒上的温度探头和含水率探头、设在所述上温盘与所述活动板之间的压力传感器、设在所述砝码加载装置和所述支撑部分之间的位移传感器。

所述保温罩为铰接在所述导向柱上的两片弧形罩。

所述玻璃试样筒外侧设有凹槽。

所述补水装置采用可调节高度的马氏瓶量筒。

所述连接板和活动板上分别设有相互配合的挂钩和吊环。

所述玻璃试样筒上设有竖直布置的若干温度测量孔和含水率测量孔、与温度测量孔和含水率测量孔配套的插销，所述温度探头和含水率探头的数量及尺寸分别与所述温度测量孔和含水率测量孔相适配。

所述位移传感器采用磁环传感器，包括设在所述导向柱上的固定部分和设在所述活动板上的活动部分。

所述压力传感器采用S形压力传感器。

本发明的有益效果：

本发明能真实地反映冻结与融化全过程中路基土层的水分迁移及冻胀与融沉规律，可设置不同的温度梯度、上覆压力以及水位高度等外界条件以此观察土样在其不同环境下的冻胀力大小或者冻胀位移及探究土样中水分迁移情况，且能实时测出相关试验数据，包括冻胀位移、冻胀力大小、土样各点含水率以及土样的温度分布，可由PC机及编译程序实时绘制出相关曲线。具有功能多、测量精度高、适用性广、使用方便等优点。其特点如下：

1、更高的温度控制范围与控制精度，通过温度控制系统可使上温盘和下温盘的温度各自在-30至90度范围内调节，精度为0.1°C。

2、通过砝码加载装置加载砝码，可现实上覆压力的模拟，探究不同上覆压力条件下对土的冻胀力及冻胀位移的影响。

3、可以通过压力传感器测出冻胀力的大小。

4、保温罩能够保持玻璃试样筒内土样温度的稳定性。

5、通过补水装置可模拟调节土样中地下水位高度，探究不同地下水位高度条件下对土的冻胀力及冻胀位移的影响。

6、通过含水率探测器可测出土中各点的含水率，观察出温度梯度下含水率变化的情况，从而探究水分迁移的过程。

7、通过位移传感器可测出冻胀位移量。