岩土体冻胀参数原位测试仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及寒区岩土工程原位测试领域，具体涉及一种可测岩土体冻胀参数的测试仪器。
【背景技术】
[0002]岩土体冻胀参数包括岩土体的冻胀率和冻胀力，岩土体冻胀参数的准确获取是寒区地下工程结构设计计算合理性的先决条件，岩体冻胀性参数测试主要有室内冻胀实验和现场冻胀力监测。室内冻胀实验具有快捷方便、测试成本低等优点，但室内试验试样制备破坏了岩土体的原有结构和状态，并且无法准确模拟现场的应力状态和地下水条件，室内实验所得的岩体冻胀参数无法如实反映岩土体的冻胀特性，其测试精度有限；现场冻胀力监测是通过在围岩与地下结构之间埋设压力传感器，监测围岩的冻胀力，该方法能准确获得岩体的冻胀力，但该方法需要在地下结构施工过程中预埋传感器，所得结果仅能用于检验设计计算的合理性，无法用于设计计算，存在滞后性，还存在监测周期长，监测成本高等缺点。
【发明内容】
[0003]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种结果准确、低成本、易于操作的岩土体冻胀参数原位测试仪。
[0004]技术方案:为解决上述技术问题，本发明提供的岩土体冻胀参数原位测试仪，包括测试探头、控制装置和数据采集装置，其中:
所述测试探头包括由内向外依次布置的中空轴、弹性气囊、绝热层、换热片和保护套，所述弹性气囊上下两端通过法兰盘固定在中空轴上，所述中空轴与气囊之间布置有冻胀力监测装置和冻胀位移监测装置；
所述控制装置包括温度控制装置和压力控制装置，所述温度控制装置与换热片通过保温管路相连接，所述压力控制装置与弹性气囊通过压力管路相连接；
所述数据采集装置与布置在测试探头上的传感器相连接。
[0005]作为优选，所述传感器包括位移传感器和压力传感器，所述冻胀力监测装置包括沿中空轴径向分布的第一连接杆、弹簧和压力传感器，所述连接杆的两端与弹性气囊内壁连接，所述弹簧和压力传感器串联于第一连接杆上；所述冻胀位移监测装置包括沿中空轴径向分布的第二连接杆和位移传感器，所述连接杆的两端与弹性气囊内壁连接，所述位移传感器串联于第二连接杆上。
[0006]作为优选，所述传感器还包括温度传感器，所述温度传感器布置于保护套两侧和弹性气囊两侧。
[0007]作为优选，所述换热片是沿着弹性气囊外壁周向布置的四组换热片，相邻换热片接头处的连接管路采用伸缩接头连接，每组换热片由热交换管组成，热交换管之间采用同程并联连接。
[0008]作为优选，所述热交换管的入口和出口处也安装有温度传感器。
[0009]作为优选，所述弹性气囊由弹性橡胶材料制成，长度为lm，外径为105mm;所述中空轴横截面为圆形，在底端1cm范围梅花形布置充气孔，在距离中空轴底端25cm、50cm和75cm处预留连接杆穿越孔。
[0010]作为优选，所述位移传感器和压力传感器分三层垂直交错布置，垂直间距为25cm。
[0011]作为优选，所述热交换管为方形铜管，边长为3mm，管间距为3mm，热交换管内填充有防冻液。
[0012]本发明同时提供上述岩土体冻胀参数原位测试仪的测试方法，其具体步骤如下: 第一步，将测试探头装入现场勘查钻孔中，测试探头中的弹性气囊在充气压力作用下发生膨胀，安装在气囊内部可伸缩的压力和位移监测装置与气囊内壁同步伸展；
第二步，在测试探头与钻孔壁紧密接触后，温度控制装置通过保温管路向测试探头内的热交换管路提供低温循环流体，利用热交换管内的低温循环流体与钻孔周围岩体之间的温差吸收岩体中的热量，从而冻结岩体；
第三步，利用压力传感器和位移传感器监测钻孔周围岩体的冻胀力和冻胀量随时间变化，利用温度传感器实时监测岩体、测试探头、热交换管进口和出口的温度随时间变化，利用监测数据反演岩体的热物性参数，计算岩体的冻胀率，评价岩体的冻胀性。
[0013]使用时，本发明的岩土体冻胀参数原位测试仪，包括测试探头、保温管路、压力管路、温度控制装置、压力控制装置和数据采集装置。测试探头通过保温管路与温度控制装置连接；温度控制装置提供用于冻结和加热钻孔周围岩土体的冷源和热源；压力控制装置提供用于弹性气囊膨胀所需要的压力；数据采集装置采集温度传感器、压力传感器和位移传感器监测数据；测试探头通过压力管路和保温管路分别与压力控制装置和温度控制装置连接。测试探头包括弹性气囊、绝热层、保护套、中空轴、连接杆、弹簧、法兰盘、换热片、温度传感器、位移传感器和压力传感器；弹性气囊上下两端通过法兰盘固定在中空轴上，连接杆垂直穿过中空轴预留孔洞与弹性气囊内壁、弹簧和压力传感器连接，形成冻胀力监测装置；连接杆垂直穿过中空轴预留孔洞与弹性气囊内壁和位移传感器连接，形成钻孔壁冻胀位移监测装置；绝热层粘贴在弹性气囊外侧；换热片布设于绝热层与保护套之间，通过保温管路与温度控制装置连接；换热片由四组热交换管组成，热交换管之间采用同程并联连接，连接管路采用伸缩接头连接。
[0014]热交换管为方形铜管，边长为3_，管间距为3_，热交换管内为防冻液。温度传感器布置于保护套两侧、弹性气囊两侧、热交换管路入口和出口。弹性气囊为弹性橡胶材料，长度为lm，外径为105mm。中空轴横截面为圆形，距离中空轴底端1cm范围梅花形布置充气孔，在距离中空轴底端25cm、50cm和75cm处预留连接杆穿越孔。位移和压力传感器分三层垂直交错布置，垂直间距为25cm。
[0015]有益效果:本发明的岩体冻胀性原位测试仪如实反映岩体的地应力状态、地下水条件、岩体结构特性对岩体传热性和冻胀性的影响，与室内冻胀实验相比，其测试精度更高；本发明的岩体冻胀性原位测试仪测试所得的岩体热物性参数和冻胀参数可直接用于寒区地下结构的设计计算，解决了地下结构冻胀力现场监测的滞后性问题；本发明的测试钻孔可利用岩土工程勘察钻孔，易操作、测试周期短、测试成本低；本发明测试的岩体冻胀性参数可指导隧道防冻保暖系统方案选择，对症下药使寒区隧道防冻设防更具有针对性，从根源解决寒区地下工程冻害难题，并且节省工程造价。
[0016]除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的岩土体冻胀参数原位测试仪所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。
【附图说明】
[0017]图1是本发明实施例中岩土体冻胀参数测试仪的结构示意图；
图2是图1中测试探头的立面图；
图3是测试探头的横断面图；
图4是测试探头内的换热片的结构示意图；
图中:I压力控制装置；2液氮瓶；3温度控制装置；4数据采集装置；5钻孔；6测试探头；7压力管路；8保温管路；9导线；10中空轴；11保护套；12换热片；13绝热层；14弹性气囊；15连接杆；16弹簧；17压力传感器；18位移传感