[发明专利]一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是涉及一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置。

背景技术

人工地层冻结法是随着人工制冷技术的发展而产生的一种较好的地层加固技术。人工地层冻结法即在预加固土体四周布置冻结管，通过管内低温冷媒剂的循环，向地层连续或间断供冷，使地层中的水结冰，将天然岩土转变为人工冻土，加固软弱地层，隔绝地下水与地下工程的联系，在冻结壁的保护下进行掘进和衬砌。人工地层冻结法最早由德国工程师F.H.Poetech于1883年应用于矿井开凿，之后被逐渐应用于其他地下工程。20世纪90年代以来，我国东南沿海地区开始大规模地开发利用地下空间，由于这一地区软黏土分布较广，为地下施工带来极大不便，人工地层冻结法以其冻土强度高、隔水性好等优点而逐渐被广泛应用。

然而，人工地层冻结法施工也对环境带来了许多不利影响。对于粉土及黏性土，施工过程中，土层中水分迁移而形成分凝冰层，产生冻胀，造成地面上鼓、道路开裂；施工结束后，土层中冰融化，由于土体结构受到破坏，产生融沉而引起不均匀沉降，使得地铁轨道不平顺、周边建筑物开裂，影响地铁运营安全及周围建筑物的使用安全。因此研究人工土层冻结法施工过程中的温度分布规律、水分迁移规律以及冻胀融沉规律是很有必要的。

目前，在人工地层冻结法研究领域，尚无综合研究如上所述规律的相关试验装置。申请号为201110387899.3的中国专利公开了深部土冻融过程测试系统，其结构特征是控温箱与外部冷浴相接，控温箱内，耐高压的有机玻璃筒体置于可控温的钢制底座上，底座上开有两个小孔，一个接导水管，另一个接压力调节管。下底座上部依次放置透水石、滤纸、试样，并在试样中安装温度传感器。试样上部放置可控温的上压头。上压头上开有出线孔，引出线后用密封胶密封。上压头将与试验机传力杆相接。通过导水管将量筒与试样连接。量筒置于称重传感器上，并通过支架固定。该发明能较为系统的研究深部土的冻融过程，获得不同深度的深部土在不同温度梯度作用下冻结时冻胀率及吸、排水率的大小。与此专利相比，本发明重在研究应用人工地层冻结法的浅部土体的温度场分布、水分迁移及变形规律，因而冻结板设置于装置底部，而补水装置与变形量测装置则设置于上部，可以很好地符合工程实践。本发明结构简单，操作方便且可以得到较精确的结果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种研究人工冻融土温度场、水分迁移及变形规律的试验装置，可以模拟多种土质的土体在不同冻结温度下的冻融过程，为研究土体冻胀融沉规律、温度场分布规律、水分迁移规律、分凝冰层形成规律、土中应力(包括土压力、超孔隙水压力)的变化规律等提供便利。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种研究冻融土温度场、水分迁移及变形规律试验装置，包括向装置中通入冷冻液的冻结底板，架设在冻结底板上，盛装土样的对开式土样腔，盖设在对开式土样腔顶部的顶盖，设置在对开式土样腔内压紧土样用的土样盖板，连接补水装置，向土样中加水的补水连接管，连接在顶盖及冻结底板之间的支架。

所述的冻结底板由上下两部分组成，下部为扁圆柱形，内部开有环形槽，并设进口及出口，冷冻液从进口流入，沿环形槽流动后从出口流出，上部为覆盖环形槽的盖板，上下两部分由螺钉连接并设有橡胶垫密封。

所述的环形槽外周还设有密封槽，该密封槽内加入密封圈使底板与土样腔完全密封，密封槽的内边界与所述的盖板重合。

所述的对开式土样腔的材质为透明有机玻璃，分为两个半圆腔，其中一个半圆腔沿竖直方向设置可使电热偶通过该孔插入土体采集温度的小孔，两半圆腔经外部套设的环箍合为一体。

所述的顶盖的直径与底板相同，在与底板密封槽对应位置设置一密封槽，该密封槽内置有密封圈，使顶盖与土样腔完全密封。

所述的顶盖中心设有使连杆通过的圆孔，所述的连杆下部为圆弧形，抵接在土样盖板上，上端部直径较大，承接位移传感器。

所述的土样盖板上开设有使传感器接线通过的孔洞，土样盖板的中心设有一弧形凹槽，使连杆下端放入以测定冻胀、融沉，靠近中心孔位置设置连接补水连接管的螺纹孔。

所述的土样盖板的上部为金属盖板，下部为透水石，经粘合剂相连。

所述的补水连接管经相互连接的橡胶管及滴定管连接补水装置。

与现有技术相比，本发明在试验过程中的任何时刻，可将土样腔取下，从与温度传感器对应位置取样测量含水率，从而可得到土样中水分迁移规律。

本发明的优点和产生的有益效果是：