[发明专利]高压土冻结温度测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种室内深部土物理性质研究过程中，对深部土冻结温度的测试装置。利用此装置，可实现对高压力作用土体冻结温度的测定及冻结过程中土体温度变化过程的实时监测。

背景技术

土的冻结温度是土中孔隙水发生冻结的最高温度或起始冻结温度。冻结温度的大小不仅受到土颗粒大小、矿物成份、含水量等众多内在因素的影响，还受到外界压力的作用。所以说冻结温度是反映土体在各种综合因素作用下，当温度降低至零度以下时，是否有孔隙冰形成的综合判定指标，是区别冻土与未冻土的重要判据。在工程实际中，冻结温度又是确定土的冻结深度和融化深度的重要参数。因此，如何测定冻结温度的大小是认识冻土物理性质的前提，是利用冻土、改良冻土的基础。

目前对土冻结温度的测定方法虽有好几种，但由于测温法费用低廉、操作简便等优点，在室内冻结温度测试中得到广泛应用。所谓测温法就是基于土中水发生相变时，将会释放结晶潜热，引起温度突变这一原理，通过对土体降温过程中温度的监测，捕捉温度跃变后土中出现的最高、最稳定的温度，来获得土的起始冻结温度的方法。这一方法虽然在无压土冻结温度研究中应用很广，但对于有压土，考虑到温度传感器测温时压力的适用范围、土样压力的加荷方式及土样筒在高压力作用下如何密封等问题，还未做进一步的尝试。近年来，随着人工冻结技术在深部地下空间开挖中的广泛应用，深部冻结壁的安全与稳定成为影响冻结法施工成功与否的关键所在，而冻结壁的厚度问题是影响冻结壁稳定性的一个重要因素。要确定冻结壁厚度，首先要确定冻结锋面的位置，而冻结温度就是确定冻结锋面位置的重要指标。所以目前基于人工冻结技术在深部地下空间开挖过程中的需要，对高压力作用下土的冻结温度的研究越来越迫切。崔广心教授曾利用电阻式冰点仪对土的结冰温度进行研究，但由于冰点仪最大工作压力不是太高，且受到细颗粒湿土(如粘土)结冰过程较长，电阻变化率较低，致使结冰点难以判定等局限性，没有广泛推广。因此，不论在实验室研究还是工程实际中，亟需一套结构简单、操作方便、承压较高、准确度较高的测量高压土冻结温度的测试装置，来深入研究深部土的冻结过程。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种高压土冻结温度测试装置。该装置能简捷且准确测定高压力作用下土的冻结温度。同时利用该装置还可实现对土冻结及融化过程进行实时监测，为进一步研究高压力作用下土的冻结与融化过程提供必要的技术保证。

本发明的目的是通过以下措施来实现：一种高压土冻结温度测试装置，紫铜筒体、降温介质、不锈钢筒体、土体、温度传感器、上压头、下压头、隔热层、出线孔、排水透气孔、密封圈、透水石、控温箱、试验机传力杆、底座和数据采集仪。控温箱与外部冷浴相接，控温箱内，紫铜筒体插入不锈钢筒体中构成双层筒体，紫铜筒体外围与不锈钢筒体内侧间盛放降温介质；紫铜筒体内置有隔热层、密封圈、温度传感器、上压头、土体和下压头，密封圈嵌入隔热层和下压头内，隔热层位于上压头与土体间，上压头中间有一出线孔，插入土体中的温度传感器引线穿过出线孔与数据采集仪连接；紫铜筒体下部的下压头上置透水石和一滤纸，下压头下部有排水透气孔，试验机传力杆与紫铜筒体内上压头接触，下压头与底座接触。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、本发明充分利用控温箱的保温效果，控温箱与外部冷浴相接使控温箱空气温度降低而改变降温介质的温度，并利用紫铜较好的导热性能为土体提供一个非常稳定的低温环境，有助于捕捉到孔隙水发生相变时，释放的结晶潜热引起温度突变这一现象，从而获得土的冻结温度。

2、紫铜筒体既是装土体和承压的容器，又由于其具有良好的导热性，而成为降温介质与土体之间冷热交换的媒体。紫铜筒体下压头上有排水透气孔，即可排水又可排气，从而保证土样所受压力较为稳定。上压头下部设有一2cm厚的尼龙隔热层，此隔热层材质与下压头相同，可以阻止土体通过上下压头与外界进行热交换，从而保证土样温度均衡。

3、利用现有的可控制力值大小的任何材料试验机，就可给土体加载，从而实现高压力作用土体冻结温度及其冻结过程中温度变化的监测，为深部人工冻结法施工时有压土冻结温度的确定提供资料。

4、此装置结构简单、操作方便、适用性广，并不受加载方式的限制。

附图说明

图1为本发明的高压土冻结温度测量装置的结构示意图。

图2为本发明的高压土冻结温度测量装置测试结果图。

图3无压条件下新方法与传统方法测量结果对比图，新方法冻结温度：-0.15℃，传统方法冻结温度：-0.15℃。