[发明专利]一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器

说明书

本发明公开了一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器，包括嵌有无损TDR探头的有机玻璃顶盖，有机玻璃顶盖设置在填充有防冻液的压力室内，位于土样的上方，有机玻璃顶盖通过加载杆与压力室外部的竖向应力加载架连接用于施加竖向荷载，土样与用于热交换的冻融温控系统连接，压力室内防冻液与液压系统连接用于施加围压加载，无损TDR探头通过同轴电缆与信号发射器连接，通过脉冲反射信号获得介质的介电常数进而确定未冻结含水量。本发明加载系统在加入TDR无损探头和冻融温度控制系统后，应力状态控制准确，工作正常，可准确测试不同应力状态下冻土中未冻结含水量。

技术领域

本发明属于冻土未冻水含量测量技术领域，具体涉及一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器。

背景技术

中国的多年冻土面积占国土面积的22.3％，在世界上占第三位。在冻土地区进行基础设施建设面临的一个棘手问题是土样的冻胀和融沉，如公路和铁路路基冻融后产生的不均沉降以及建筑物地基冻融后产生的倾斜变形等等。土样的冻胀和融沉是由于孔隙中的液态水和固态冰在温度作用下产生相变，进而导致土样体积变化而造成的。根据已有研究发现，随温度降低，土样中液态水的冻结是一个渐变的过程。在负温度下，土样中部分孔隙水可通过毛细和吸附作用降低自身的能量状态，保持液体状态。因此，确定土样中某一温度下剩余的未冻结含水量对估算土样的冻胀和融沉具有重要的意义。

目前测试冻土中未冻结含水量的方法主要有热量法、时域反射仪法、计算机析识别技术法和核磁共振仪法等。然而，现有基于这些方法的测试仪器大都测量的是土样无载荷作用下的未冻结含水量，这与通常情况下土样受到一定应力状态的原位条件并不一致。尤其是岩土工程中频繁接触较深土层冻土，冻结过程中土样的应力状态更是不容忽视。因此发明一种能够测试不同应力状态下冻土中未冻结含水量的仪器，对多年冻土区的冻胀和融沉分析具有重要作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器，操作简单，结果准确，满足科研和工程实际的需要。

本发明采用以下技术方案：

一种可控制应力状态的冻土未冻结含水量测试仪器，包括嵌有无损TDR探头的有机玻璃顶盖，有机玻璃顶盖设置在填充有防冻液的压力室内，位于土样的上方，有机玻璃顶盖通过加载杆与压力室外部的竖向应力加载架连接用于施加竖向荷载，土样与用于热交换的冻融温控系统连接，压力室内防冻液与液压系统连接用于施加围压加载，无损TDR探头通过同轴电缆与信号发射器连接，通过脉冲反射信号获得介质的介电常数进而确定未冻结含水量。

具体的，冻融温控系统用于进行-20~0^oC的冻融循环，包括环绕设置在土样外部的螺旋铜管圈，螺旋铜管圈的两端分别与泵连接，泵与恒温控制器连接，螺旋铜管圈内设置有防冻液。

具体的，压力室外部的加载杆上分别设置有力传感器和位移传感器。

具体的，无损TDR探头包括三条蛇形铜片，通过印制电路板制成，蛇形铜片平行设置在电路板上，位于中间的蛇形铜片与同轴电缆内导体连接，剩余两个蛇形铜片与同轴电缆外导体连接。

具体的，三条蛇形铜片之间的间距为3~5mm，每个蛇形铜片的高度为0.01~0.03mm，宽度为1~2mm。

具体的，电路板直径为65~72mm，厚度为6~10mm。

具体的，土样为直径76mm，高20~40mm的圆柱体。

具体的，压力室外部设置有保温棉。

具体的，未冻结含水量由介电混合模型标定，具体为：

其中，为测试土样的体积含水量，为标定参数，、、分别为土颗粒、空气和液态水的介电常数，n为土样的孔隙率，为土样介电常数。