[發明專利]一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規律試驗裝置

在審

• 申請號: 201410184471.2
• 申請日: 2014-05-04
• 公開（公告）號: CN103969282A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 唐益群;嚴婧婧;毛柏楊;李珺;肖思奇
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N25/00
• 分類號: G01N25/00
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

技術領域

本發明涉及巖土工程技術領域，尤其是涉及一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規律試驗裝置。

背景技術

人工地層凍結法是隨著人工制冷技術的發展而產生的一種較好的地層加固技術。人工地層凍結法即在預加固土體四周布置凍結管，通過管內低溫冷媒劑的循環，向地層連續或間斷供冷，使地層中的水結冰，將天然巖土轉變為人工凍土，加固軟弱地層，隔絕地下水與地下工程的聯系，在凍結壁的保護下進行掘進和襯砌。人工地層凍結法最早由德國工程師F.H.Poetech于1883年應用于礦井開鑿，之后被逐漸應用于其他地下工程。20世紀90年代以來，我國東南沿海地區開始大規模地開發利用地下空間，由于這一地區軟黏土分布較廣，為地下施工帶來極大不便，人工地層凍結法以其凍土強度高、隔水性好等優點而逐漸被廣泛應用。

然而，人工地層凍結法施工也對環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，產生凍脹，造成地面上鼓、道路開裂；施工結束后，土層中冰融化，由于土體結構受到破壞，產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法施工過程中的溫度分布規律、水分遷移規律以及凍脹融沉規律是很有必要的。

目前，在人工地層凍結法研究領域，尚無綜合研究如上所述規律的相關試驗裝置。申請號為201110387899.3的中國專利公開了深部土凍融過程測試系統，其結構特征是控溫箱與外部冷浴相接，控溫箱內，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，一個接導水管，另一個接壓力調節管。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，引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。該發明能較為系統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時凍脹率及吸、排水率的大小。與此專利相比，本發明重在研究應用人工地層凍結法的淺部土體的溫度場分布、水分遷移及變形規律，因而凍結板設置于裝置底部，而補水裝置與變形量測裝置則設置于上部，可以很好地符合工程實踐。本發明結構簡單，操作方便且可以得到較精確的結果。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種研究人工凍融土溫度場、水分遷移及變形規律的試驗裝置，可以模擬多種土質的土體在不同凍結溫度下的凍融過程，為研究土體凍脹融沉規律、溫度場分布規律、水分遷移規律、分凝冰層形成規律、土中應力(包括土壓力、超孔隙水壓力)的變化規律等提供便利。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種研究凍融土溫度場、水分遷移及變形規律試驗裝置，包括向裝置中通入冷凍液的凍結底板，架設在凍結底板上，盛裝土樣的對開式土樣腔，蓋設在對開式土樣腔頂部的頂蓋，設置在對開式土樣腔內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，連接在頂蓋及凍結底板之間的支架。

所述的凍結底板由上下兩部分組成，下部為扁圓柱形，內部開有環形槽，并設進口及出口，冷凍液從進口流入，沿環形槽流動后從出口流出，上部為覆蓋環形槽的蓋板，上下兩部分由螺釘連接并設有橡膠墊密封。

所述的環形槽外周還設有密封槽，該密封槽內加入密封圈使底板與土樣腔完全密封，密封槽的內邊界與所述的蓋板重合。

所述的對開式土樣腔的材質為透明有機玻璃，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，兩半圓腔經外部套設的環箍合為一體。

所述的頂蓋的直徑與底板相同，在與底板密封槽對應位置設置一密封槽，該密封槽內置有密封圈，使頂蓋與土樣腔完全密封。

所述的頂蓋中心設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。

所述的土樣蓋板上開設有使傳感器接線通過的孔洞，土樣蓋板的中心設有一弧形凹槽，使連桿下端放入以測定凍脹、融沉，靠近中心孔位置設置連接補水連接管的螺紋孔。

所述的土樣蓋板的上部為金屬蓋板，下部為透水石，經粘合劑相連。

所述的補水連接管經相互連接的橡膠管及滴定管連接補水裝置。

與現有技術相比，本發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位置取樣測量含水率，從而可得到土樣中水分遷移規律。

本發明的優點和產生的有益效果是：