[发明专利]一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法

说明书

本发明公开了一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法，适用于城市地下工程的人工冻结过程的相关研究。包括测试装置主体、框体结构和承载装置，测试装置主体设置在上、下方两个承载装置之间，所述测试装置主体包括多个叠放在一起的半圆形透明玻璃筒，最顶部设有上恒温冷板，底部设低温冷板，上下相邻的两个半圆形透明玻璃筒之间设有用以测试冻结土体内部冻胀压力的不透水柔性压力测试薄膜，每个半圆形透明玻璃筒上均连接有水平盘管，所述每个半圆形透明玻璃筒内分别装满测试土体。冻胀综合测试装置结构简单，使用效果好，可以模拟各种不同土层的独立补水过程，实现不同高度、不同土样、不同冻结过程的多物理量同步动态测试。

技术领域

本发明涉及一种冻胀综合测试装置及测试方法，尤其适用于城市地下工程人工冻结过程研究的一种全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法。

背景技术

在地下工程建设中，如遇软弱富水地层，常采用人工冻结法对土层进行改良加固，但冻结过程中的冻胀量会造成地下管线及周围建筑基础的破坏，若控制不当甚至会造成严重的工程事故，因此，近年来众多学者都将目光转向冻胀的研究，而室内试验则是研究冻胀的重要手段之一。传统的冻胀试验装置一般由玻璃筒、控温板、马氏补水瓶、位移计等组成，将土体试样放置在玻璃筒中，顶端与底端的控温板分别保持恒定低温与高温，沿试样高度形成温度梯度，实现土体试样的一维冻结，与玻璃筒底部相连的无压马氏补水瓶为试样冻胀提供充足的水分，位移计则测量试样顶端的冻胀量。传统的冻胀试验装置主要是模拟天然冻土形成过程中的补水方式，即天然冻土从地表向下逐渐发展，过程中水分从冻土下部进行补充和迁移，所以传统冻胀实验装置中冻土从上向下发展，并从下部未冻土中进行整个试样的补水。

所以，传统冻胀实验装置只能通过位移计及马氏瓶刻度获得试样在冻结过程中的总体冻胀量及水分迁移量的变化，亦或在试验结束后立即对试样切片，通过测量不同高度处试样的最终含水率来粗略判断不同高度试样位置水分迁移的差异性，但它无法测量冻结过程中不同深度位置土体的冻胀位移、冻胀力，也无法实现对深度位置的土体进行分别补水及排水量的同步、连续动态综合测试，所以无法建立土体冻结过程中冻胀位移、冻胀力和水分迁移量之间的动态关系。对于城市地下工程的冻结过程来说，由于形成的冻土体积小，冻土周围与未冻土相连，所以冻结过程中冻土的六个方向都会向冻土进行水分迁移，而施工中更关注冻土从地层内部向上发展过程中，产生的冻胀对上部管线及建筑物的影响，形成的冻土与周围地层的补水是影响冻胀的关键因素，传统的冻胀试验装置中冻土的形成过程与市政工程中实际过程差别较大，也无法实现侧向补水，特别是形成冻土后切断了水分补充的路径，不能实现冻结过程中冻胀的测试。另外，在试件顶端布置的位移计，仅能测试试件整体冻胀量，无法获得冻胀过程中土样不同位置的水分迁移量、冻胀量和冻胀压力等研究参数。

发明内容

针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，使用效果好，能够模拟各种土层冻结变化的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置及测试方法

为实现上述技术目的，本发明的全过程分层动态补水的冻胀综合测试装置，包括测试装置主体、框体结构和承载装置，测试装置主体设置在上方和下方两个承载装置之间，所述承载装置为框体结构上下中心相对设置的两个基座，测试装置主体设置在下方承载装置上，并与上方承载装置之间设有约束装置，并通过约束装置将测试装置主体垂直固定住；

所述测试装置主体包括多个叠放在一起的半圆形透明玻璃筒，最下方的半圆形透明玻璃筒底部设有结构匹配的低温冷板，低温冷板下方设有底座，上下相邻叠放的两个半圆形透明玻璃筒之间设有用以测试冻结土体内部冻胀压力的不透水柔性压力测试薄膜，通过柔性压力测试薄膜将所有半圆形透明玻璃筒分隔为独立的封闭空间，每个半圆形透明玻璃筒侧面均连接有一个水平布置的水平盘管，所述每个半圆形透明玻璃筒内分别装满待测试的土体，并与水平盘管相连，用以显示封闭空间内土体在不同冻结阶段的排水量和吸水量，土体内不同水平位置设有轻质荧光标识点，最顶部的半圆形透明玻璃筒内部在土体上设有与半圆形透明玻璃筒结构匹配的上恒温冷板；