[发明专利]多功能冻土复杂边界融沉系数测定仪

说明书

技术领域

本专利涉及模型试验和人工冻土工程，具体说是通过模型试验方法将现场冻土的基本物理现象(冻土的冻胀与融沉、融沉后的受力变化情况、融沉系数)，按一定几何比进行设计从现场取样，模拟在同等边界条件下的室内试验(冻土融沉试验)，得出融沉系数，对该土样进行评估以及决定现场施工方案。

背景技术

模型试验方法是将体现在现场原型上的基本物理力学现象，按一定几何比进行设计，在模拟同等的边界条件下进行室内试验。以尽可能小的人力、物力、财力，从本质上掌握现场实际物理、力学现象。

冻土即温度低于0℃的土或岩石。我国多年冻土区的分布面积约占国土面积的21.5％且含有大面积的季冻区，而冻土的融沉会对建筑物以及道路、铁路等造成巨大的危险，目前多采用冻土融沉系数来判断该土壤的融沉状况。而目前市面上并没有直接测量冻土融沉系数的试验装置，因此我们设计了一个可以测量单双向冻结融沉的试验装置来确定融沉系数。

发明内容

因为冻土的融沉性评价是工程地质勘察的主要内容之一,融沉性分类等资料是冻土地基基础设计施工的重要依据，所以我们设计了该装置来确定冻土的融沉系数。

多功能冻土复杂边界融沉系数测定仪：

1、加载系统：包括加载装置底板、重锤、杠杆、加载支撑柱和砝码。可以实现以下功能：通过将砝码加在杠杆上，调平杠杆，可以将规定的压力一瞬间施加在传压导热板上，使试样垂直地瞬间受到规定的压力。

(1)重锤：重锤具有平衡杠杆的作用。

(2)杠杆：杠杆具有使试样垂直、瞬间、均匀地受到压力的作用。

(3)加载支撑柱：该支撑柱可以调节高度，并使加压节点正好位于试样的中心。

(4)砝码：砝码应根据实际试验的需要准备，但最后一次加压的大小应比土层荷载大100～200kpa。

2、数据采集系统：包括计算机、温度传感器、位移计。可以实现以下功能：可以通过计算机实时记录土体温度、试样高度的变化过程，并绘制成曲线观察变化趋势。

(1)温度传感器：通过温度传感器记录不同试样每一段的温度，可以得出在不同温度梯度下的融沉系数。由于试样的高度为40mm，因此温度梯度的变化较低，所以要求温度传感器的精度较高，达到0.01℃，并且由于试样会发生冻胀和融沉的过程，因此要求温度传感器在负温与高温下均能正常工作。

(2)位移计：通过位移计记录冻土在冻结、融沉以及加压过程中高度的变化情况。其中冻胀与融沉时位移2h内不超过0.05mm即视为完成。由于试样的高度为40mm，因此位移计的量程精度要求较高，要求量程为30mm，最小分度值为0.01mm。

(3)计算机：该计算机可以通过数据线与各温度传感器和位移计连接，并能实时对数据进行监测和采集保存，并绘制出在不同温度下压力--位移变形量的图，从而计算出融沉系数。

3、制冷系统：包括循环系统、下透水板、外箱体1。可以实现以下功能：在外箱体1中将制冷剂(酒精)降温至指定温度并保持恒温，然后将酒精通过在下透水板中的导热板，使土体降温达到冷冻的目的。

(1)循环系统：通过胶管将冷冻酒精输送至冷冻液进口，再通过胶管在冷冻液出口将酒精送至循环处，使冷冻酒精循环，使土体降温冷冻。

(2)下透水板：由于现实环境中土体融化会有水分的迁移，因此需要将土体融化时的水通过下透水板和底板上的排水孔流出，使水分不会聚集在试样底部。

(3)外箱体1：箱体应可以实现以下功能。A、实现制冷功能。通过压缩制冷剂(如：氟利昂)将酒精降低到指定温度并保持恒温，通过胶管使降温后的酒精进入冷冻液进口。制冷剂流经在下透水板中的导热板冻结土体，再由冷冻液出口管路流回箱体内部，重新进行降温。

4、热循环系统：包括传压导热板、上透水板、外箱体2。具有以下功能：在外箱体2中将水加热，然后通过胶管将热水输送至传压导热板中存水的地方，再通过水泵在出口处一直抽水，使水循环起来，达到融化冻土的目的。

(1)传压导热板：传压导热板由导热性能良好的金属材料制作，其中内部空心为存水的地方，上表面留有4个孔，分别为热循环水进出口、补水口、位移计插入孔，板的中心与加载装置压力作用点接触。

(2)上透水板：热水透过透水板渗透到土体上，使土体融化。

(3)外箱体2：箱体应可以实现以下功能：实现制冷功能。通过加热使水升温至指定的温度并保持恒温，并将热水送至热循环水进口。热水流经导热加压板融化土体，再由热循环水出口流回箱体内部，重新进行加热。