一种无外接电源的土冻胀检测装置及其检测方法与流程

本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种无外接电源的土冻胀检测装置及其检测方法。

背景技术：

中国是世界冻土第三大国，季节冻土占中国领土面积一半以上。在冻土区修筑工程构筑物由于冻胀和融沉造成工程灾害案例数不胜数。无论在实验室冻胀与融沉的发展过程还是施工现场准确获得冻土冻胀变形的特征值，都需要可靠的检测装置和方法。然而，现场土体冻胀变形由于各地冻结深度、地质条件的不同，其冻胀率值相差很大，因此需要获得工程建设区域冻胀变形的实际值。获得土体冻胀的一个重要手段是现场观测季节性冻胀层的冻胀量，如埋置数个冻胀钉，固定冻胀钉间距，用水准仪定期观测冻胀钉的高程。通过各冻胀钉高程的变化量反映各点的冻胀量。如果冻胀量变化微小，通过监测冻胀钉高程变化很难满足精度要求；发明专利“cn104929098a现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置”提出在冻土层中开挖孔洞，埋置下锚盘，用等径接头连接测杆位移计与上锚盘，季节冻土层冻胀变形带动上、下锚盘移动,通过测杆位移计观测季节冻土层的冻胀量。为了防止土体冻胀变形后上锚盘上抬,上锚盘与塑料管、填充的低温润滑脂形成真空腔体,产生负压吸附上锚盘,在上锚盘安装通气管,使通气管伸到土层外面，通气孔一方面与外部连通干扰了土体温度，另一方面限制了该装置的水平设置。专利“cn103966993a土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法”，在冻胀层开挖检测孔，将管体和测杆通过锚固件固定于未冻胀层中，检测孔的孔口处设置位移测量器，管体上间隔设置有多个环形弱化区，当土体冻胀时，弱化区将管体分成多个能独立运动的管段，保证土体冻胀测量的基准点不发生变化。该测量装置的弊端是在检测孔的孔口设置在地表处，位移测量器需设置在地表，不能获得地下某一区域的冻胀变形，管体和检测孔孔壁之间的间隙填充填料，为非弱化区填充水泥浇筑层，而弱化区填充散沙层。两种填料的分别回填就可能导致了观测区域土体特性发生改变，直接影响测量结果；

实验室测量土样冻胀位移的手段多采用千分表、弹簧抽杆位移传感器、应变规等,由于这些手段必须与试样接触，无意中给了试样一个约束力，从而降低了测量准确度。专利(201410068723.5一种激光传感器测量冻土冻胀位移的装置)提出了利用激光位移传感器在不接触土样的情况下精确测量冻土的冻胀位移,操作简单,可靠,大大的提高了试验的测试效率和精度，但该方法目前仅能适用于实验室土样，不能用于施工现场。同样专利“cn108572189a一种考虑温度梯度下土体涨缩特性的静动力综合试验系统”、“cn108519405a一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备”、“cn108445192a一种多功能冻胀、融沉试验装置”、“cn108333323a一种土体冻胀率测量装置和测量方法”、“cn207557254u一种可控温土体冻胀试验装置”等等都是将传感器置于土体外部监测整个土体的冻胀变形，适用于实验室模拟现场环境条件的试验装置或试验系统。

因此，土体冻融循环过程中冻胀变形以及冻结法施工过程中水平或垂直方向上的变形的监测对冻土地区基础设施建设具有重要意义，需要现场土体冻胀变形准确、可靠且快速的获取手段。总之，由于施工现场地质条件复杂以及实验室局部土体冻胀与融沉过程的研究需要，冻土的冻胀变形监测难度大、准确度差，导致了冻土地区基础设施建设质量受到严重影响，至今未得到很好解决。尤其表现为现有的土冻胀检测装置大多需要持续的外用电源，使地表相应的配合仪器设备较多，结构复杂，占地面积大，对地表破坏之处较多，操作步骤繁琐。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种土冻胀检测装置以及检测方法，以解决由于施工现场地质条件复杂以及实验室局部土体冻胀与融沉过程的研究需要，冻土的冻胀变形监测难度大、准确度差而导致冻土地区基础设施建设质量控制难以保证的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种无外接电源的土冻胀检测装置，它包括底盘、套管、上锚盘、拉力传感器、弹力件和连接杆，所述底盘上设置有套管，套管的上端固定连接有上锚盘，弹力件设置在套管内，拉力传感器的受力端穿过上锚盘与弹力件的一端相连接，弹力件的另一端通过连接杆与底盘相连接。

作为优选方案：底盘上设置有内筒，底盘与内筒同轴设置且二者固定连接制为一体，套管的下端套装在内筒上，套管的内壁与内筒的外壁滑动配合。

作为优选方案：拉力传感器为挂钩式电子天平。

作为优选方案：上锚盘上设置有防护罩。

作为优选方案：弹力件为弹簧。

利用具体实施方式一、二、三、四或五所述的一种无外接电源的土冻胀检测装置实现的检测方法，根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处对应安装一个无外接电源的土冻胀检测装置，通过无外接电源的土冻胀检测装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

作为优选方案：根据地质勘查报告划分测试区域中冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区的个数，测量一个冻胀敏感冻土区的面积a1，将该冻胀敏感冻土区的地表面上划分多个第一小格，每个第一小格的面积为s1，每个第一小格内的中心位置即为一个测点的位置，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数n1＝a1/s1，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为n2、n3…nn；

测量一个冻胀非敏感冻土区的面积b1，将该冻胀非敏感冻土区的地表面上划分多个第二小格，每个第二小格的面积为s2，该冻胀非敏感冻土区内设置测点的个数m1＝b1/s2，同理，逐一确定其他冻胀非敏感冻土区内测点个数分别为m2、m3…mm；从而得到测试区域中总测点数。

作为优选方案：土冻胀检测装置的检测过程包括以下四个步骤：

步骤一：查阅地质资料，获得该地区土壤未冻层的深度，根据测试精度要求，选择精度对应的拉力传感器；

步骤二：开挖孔洞，人工夯平孔洞底部后，放入底盘；

步骤三：将弹力件与连接杆的上端相连接，再将连接杆的下端与底盘连接，在底盘上放入套管，在套管的外侧分层回填原土，分层捣实，将上锚盘固定安装在套管上，上锚盘上设置有拉力传感器；

步骤四：启动拉力传感器，记录拉力传感器的拉力值为f0，当套管在冻土层冻胀变形带动下向上移动，弹力件被拉长，再记录拉力传感器的拉力值为f1，冻胀变形量即为(f1-f0)/弹力件的弹性系数，记录数据，关闭拉力传感器。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明结构简单，适用范围灵活，无需地表外设结构辅助支撑，组装难度低且步骤简单，填埋深度和填埋方向灵活不受限，大小区域均可适用。获取冻土冻胀量简单直接且准确。监测难度低，对现场土体造成的扰动小，能够在短时间内快速得到全面且准确的监测数据。

2、本发明不但能够用于局部区域的单独测点的检测，还能够用于区域较大的批量测点的检测，从而对实验室及现场土体的冻胀与融沉作出全面评价。

3、本发明的检测目标为上锚盘和底盘之间的冻土，二者之间的距离变化能够反映出二者之间土体的冻胀程度，通过拉力传感器上力值的变化实时、间接且准确的记录，检测结果可靠。

4、本发明的拉力传感器为挂钩式电子天平，测量量程选择范围大，精度高，只需电池，不需要外接电源，有液晶屏显示测试数据，该装置用于长期监测时，可采取测量时打开电源开关，读取数据，平时电子天平处于关闭状态，节省能耗克服了以往各种位移传感器需要提供外接电源造成的不便。

5、本发明根据工程和实验室需求设计套管的长度，即灵活方便地监测不同深度的冻胀变形，也可以在土体中不同深度同时埋入多个该测量装置，获得不同冻胀层的冻胀量的差值。

6、本发明结构简单、制作成本低，操作步骤简单，难度低，省时省力。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的主视结构剖面示意图；

图3是本发明的工作状态示意图；

图中，1-底盘；2-套管；3-上锚盘；4-拉力传感器；5-弹力件；6-连接杆；7-内筒；8-防护罩；11-孔洞；14-冻胀层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式包括底盘1、套管2、上锚盘3、拉力传感器4、弹力件5和连接杆6，所述底盘1上设置有套管2，套管2的上端固定连接有上锚盘3，弹力件5设置在套管2内，拉力传感器4的受力端穿过上锚盘3与弹力件5的一端相连接，弹力件5的另一端通过连接杆6与底盘1相连接。

进一步的，连接杆6优选为一根钢绞线，所选用的材料为高强高模量的金属材料。连接杆6的长度为套管2长度的1/3～1/2。连接杆6的设置起到辅助本发明延长测试深度的效果，其能够辅助弹力件5延长弹性测量深度，从而有助于延长套管2的使用长度，使本发明的适用的测量深度不受限，还有利于降低制造成本。

进一步的，套管2为金属圆管，所选用的材料为轻质铝合金材料，根据各地区非冻层土的深度，套管2的长度、直径进行调整，套管2的长度取值范围为30cm～150cm，套管2的直径取值范围为7cm～9cm。

进一步的，套管2的上端与上锚盘3螺纹连接，上锚盘3为金属圆盘，其直径的取值范围为16～20cm。所选用的材料为轻质高强的铝合金材料。

进一步的，底盘1为一段套管与金属圆盘固定连接而成，直径16～20cm。

进一步的，上锚盘3的圆心处加工有中心孔，拉力传感器4的受力端穿过中心孔与弹力件5的上端相连，弹力件5的下端与底盘1相连。

具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，底盘1上设置有内筒7，底盘1与内筒7同轴设置且二者固定连接制为一体，套管2的下端套装在内筒7上，套管2的内壁与内筒7的外壁滑动配合。

进一步的，底盘1和内筒7的连接方式优选为一段套管与金属圆盘固定连接而成，金属圆盘直径的取值范围为16～20cm。

具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，拉力传感器4为挂钩式电子天平。其为现有产品，其工作过程与现有电子天平的工作过程相同。本发明使用的拉力传感器4为内置电池的拉力传感器。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，上锚盘3上设置有防护罩8。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，弹力件5为弹簧。弹簧由不锈钢材料制成，其线径、弹簧外径、长度可根据冻土的最大冻胀量以及测试精度计算确定，也可根据套管的长度选择相应的弹簧。其他具有弹性的成品件也可替换。

具体实施方式六：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式包括以下内容：

根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处对应安装一个无外接电源的土冻胀检测装置，通过无外接电源的土冻胀检测装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

根据地质勘查报告将测试区域进行划分，划分原则是根据冻胀敏感和冻胀非敏感的性质进行划分，冻胀敏感和冻胀非敏感的划分依据来源于地质勘查报告的数据，划分原则为现有技术，将测试区域划分后分别统计冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区的个数，在每个冻胀敏感冻土区内确定测点个数和每个冻胀非敏感冻土区内确定测点个数，确定过程如下：

当冻胀敏感冻土区的个数为n个时，一个冻胀敏感冻土区的面积a1，该冻胀敏感冻土区的地表面上划分多个第一小格，每个第一小格的面积为s1，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数n1＝a1/s1，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为n2、n3…nn；s1的取值范围为0.25～1m²，即冻胀敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距g1为50～100cm，为了计算方便，第一小格的形状为正方形；

本步骤中先确定冻胀敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距g1，再根据间距进行划格，最终确定测点个数n1＝a1/s1；

本步骤中s1的取值范围为0.25～1m²，s1的取值范围是根据冻胀敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距g1计算得出，为了计算方便，第一小格的形状为正方形；每个第一小格中两条对角线的交点即为一个测点位置，每两个相邻测点之间的间距g1是指两个上锚盘3的圆心之间的距离，间距g1的取值范围是根据上锚盘3的外径以及相邻两个上锚盘3之间互不干扰的最小距离要求确定的，上锚盘3的外径是根据其与拉力传感器4、套管2的尺寸之间要求决定的，确保上锚盘3和底盘1之间夹持有足量的土体，即g1为50～100cm，每两个相邻测点之间的间距g1的确定后，由于测点位置为所在第一小格的中心位置，即可得出测点所在第一小格的面积，在进行实际划格操作，通过划格的方式能够确保测点最终的确定位置更加准确。

当冻胀非敏感冻土区的个数为m个时，一个冻胀非敏感冻土区的面积b1，该冻胀非敏感冻土区的地表面上划分多个第二小格，每个第二小格的面积为s2，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数m1＝b1/s2，同理，逐一确定其他非冻胀敏感冻土区内测点个数分别为m2、m3…mm；s2的取值范围为4～16m²，即冻胀非敏感冻土区纵向或横向每两个相邻测点之间的间距g2为200～400cm，为了计算方便，小格的形状为正方形；

本步骤中先确定冻胀敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距g2，再根据间距进行划格，最终确定测点个数m1＝b1/s2；

本步骤中s2的取值范围为4～16m²，s2的取值范围是根据冻胀非敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距g2计算得出，为了计算方便，第二小格的形状为正方形；每个第二小格中两条对角线的交点即为一个测点位置，每两个相邻测点之间的间距g2是指两个上锚盘3的圆心之间的距离，间距g2的取值范围是根据上锚盘3的外径以及相邻两个上锚盘3之间互不干扰的最小距离要求确定的，上锚盘3的外径是根据其与拉力传感器4、套管2的尺寸之间要求决定的，确保上锚盘3和底盘1之间夹持有足量的土体，即g2为200～400cm，每两个相邻测点之间的间距g2的确定后，由于测点位置为所在第二小格的中心位置，即可得出测点所在第二小格的面积，在进行实际划格操作，通过划格的方式能够确保测点最终的确定位置更加准确。

n1、n2、n3…nn以及m1、m2、m3…mm的总和即为测试区域中总测点数，在准备对应数目的土冻胀检测装置，每个第一小格或每个第二小格内的中心位置即为无外接电源的土冻胀检测装置所在位置；

冻胀敏感冻土区为测试区域中测点集中区域，根据冻胀敏感冻土区内测点分布位置情况安装土冻胀检测装置，确保每个测点处安装有一个土冻胀检测装置，通过土冻胀检测装置获取不同时段该区域内各个测点所在冻胀层14的冻胀量数据，根据各个冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形的情况。同理于冻胀非敏感冻土区的安装过程。

本发明结合地质勘察情况结合样机进行多次试验，在冻胀敏感冻土区平面内横向及纵向间距50～100cm布置测点为最佳设置范围，按照每平方米单位面积内1～4测点设置，而冻胀非敏感区平面内横向及纵向间距200～400cm布置测点，可按照每16平方米单位面积内1～4测点设置，此外，地质条件复杂、有特殊要求工程场地按照不等间距设置测点数目。

土的冻胀性常根据冻胀率0～1％、1～3.5％、3.5～6％、6～10％和10％以上区间分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀。冻胀、强冻胀和特强冻胀属于冻胀敏感冻土，而不冻胀、弱冻胀属于冻胀非敏感冻土。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式六的进一步限定，冻土的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀，原位冻胀是由土骨架的弹性变形和水-冰相变增量变形组成，分凝冻胀取决于温度场的变化和未冻水迁移量，冻胀敏感型冻土区、冻胀非敏感型冻土区以及监测区域都决定传感器量程的选择和测点布置数目，重要基础设施工程、路基、路面下面的土体含水量丰富、局域差异大均需要增加监测点个数，如河流沿岸的季节性冻土区，由于土体的含水率普遍偏高，平面内每横向、纵向间隔50～100cm布置一个测点，按照每平方米单位面积内1～4测点设置，远离河流，每间隔200～400cm布置一个测点，按照每16平方米单位面积内1～4测点设置，地质条件复杂、有特殊要求工程场地按照不等间距设置测点数目。

具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式六或七的进一步限定，具体实施方式八的检测过程包括以下四个步骤：

步骤一：查阅地质资料，获得该地区土壤未冻层的深度，根据测试精度要求，选择精度对应的拉力传感器4；

步骤二：开挖孔洞11，人工夯平孔洞11底部后，放入底盘1；

步骤三：将弹力件5与连接杆6的上端相连接，再将连接杆6的下端与底盘1连接，在底盘1上放入套管2，在套管2的外侧分层回填原土，分层捣实，将上锚盘3固定安装在套管2上，在上锚盘3上设置拉力传感器4；

步骤四：启动拉力传感器4，记录拉力传感器4的拉力值为f0，当套管2在冻土层冻胀变形带动下向上移动，弹力件5被拉长，再记录拉力传感器4的拉力值为f1，冻胀变形量即为(f1-f0)/弹力件5的弹性系数，记录数据，关闭拉力传感器4；

最后将测试区域内各个测点通过无外接电源的土冻胀检测装置记录的冻胀层14的冻胀量汇总，将各测点平面位置与其冻胀变形量绘制三维图像以及随时间的变化趋势，当测试区域中的一个局部区域冻胀变形过大时，说明该局部区域土体含水率偏高，后续可采取相应的技术措施降低冻胀的影响，通过冻胀量最大值、最小值及平均值的分析可全面评价出测定区域内冻胀层14的冻胀情况。

进一步的，上述步骤中孔洞11的开设直径为15～25cm，直径的最佳取值为20cm，该直径具有通用性。

具体实施方式九：本实施方式为具体实施方式六、七或八的进一步限定，本发明的监测周期长且监测数据准确全面，监测周期为整个冬季，具体时间为第一年的平均气温接近0℃的秋末起始至第二年的平均气温回升至0℃以上的春初。

结合本发明的有益效果说明以下实施例：

实施例一：

测试区域为东北h市x地区路肩，获得地质勘查报告获知测试区域土壤未冻层的深度为2100mm，根据测试区域的尺寸为10m×20m，划分测试区域内冻胀敏感冻土区的个数为8个，冻胀非敏感冻土区的个数为12个，根据地质勘查部位的重要程度确定一个冻胀敏感冻土区的面积a1以及该冻胀敏感冻土区内第一小格面积s1，测量可知a1＝8m²每个第一小格的面积s1＝1m²在每个第一小格内安装土冻胀检测装置，进行下一步的检测，具体操作过程如下：

步骤一：查阅地质资料，获得该地区土壤未冻层的深度，根据测试精度要求，选择精度对应的拉力传感器4；

步骤二：开挖孔洞11，人工夯平孔洞11底部后，放入底盘1；

步骤三：将弹力件5与连接杆6的上端相连接，再将连接杆6的下端与底盘1连接，在底盘1上放入套管2，在套管2的外侧分层回填原土，分层捣实，将上锚盘3固定安装在套管2上，在上锚盘3上设置拉力传感器4；

步骤四：记录时间点为2018年11月20日上午8时，启动拉力传感器4，记录拉力传感器4的拉力值f0＝20g，底盘1和上锚盘3之间的间距为500mm，弹力件5的弹性系数为300g/mm，2018年12月20日上午8时当套管2在冻土层冻胀变形带动下向上移动，弹力件5被拉长，拉力传感器4显示屏上的显示值为f1＝920g，冻胀变形量即为(f1-f0)/弹力件的弹性系数＝900/300＝3.0mm，记录数据，关闭拉力传感器4。

随着土体的冻胀上移，底盘1与上锚盘3之间的距离不断增大，使拉力传感器4与底盘1之间的距离逐渐增大，在2019年1月30日上午8时，在同一测点处启动拉力传感器4，拉力传感器4显示屏上的显示值为f1＝1120g，冻胀变形量即为(f1-f0)/弹力件的弹性系数1100/300＝3.6mm，记录数据，关闭拉力传感器4。将两次获取的冻胀变形量进行对比，二者之间差距较小，表明环境温度对该测点对应的土体冻胀变形在12月末至次年一月底期间影响较小，以此类推，对其他测点进行测试，将各测点平面位置与其冻胀变形量汇总绘制三维图像，并标注随时间的变化趋势，以定量评价测试区域冻胀变形的程度，给出指导意见。当测试区域中的一个局部区域冻胀变形过大时，说明该局部区域土体含水率偏高，后续可采取相应的技术措施降低冻胀的影响，通过冻胀量最大值、最小值、平均值及随时间的变化规律的分析可全面评价出测定区域内冻胀层14的冻胀情况。