器；19充气孔；20法兰盘；21伸缩接头；22温度传感器；23热交换管。
【具体实施方式】
[0018]实施例:
本实施例的岩土体冻胀参数原位测试仪如图1所示，包括布置在钻孔5外部的压力控制装置1，液氮瓶2、温度控制装置3和数据采集装置4，以及布置在钻孔5中的测试探头6，通过压力管路7、保温管路8和导线9将两者相连接。其中温度控制装置3提供用于冻结钻孔周围岩土体的冷源，通过保温管路8连接到测试探头6 ;压力控制装置I提供用于弹性气囊膨胀所需要的压力，通过压力管路连接到测试探头6。数据采集装置4用于采集各传感器的监测数据，通过导线9连接到测试探头6上的各个传感器。
[0019]如图2和图3所示，测试探头包括从内向外依次布置的中空轴10、弹性气囊14、绝热层13、换热片12和保护套11，弹性气囊14上下两端通过法兰盘20固定在中空轴10上。中空轴10上具有多个预留孔，并沿径向穿设有多条连接杆15，其中第一连接杆垂直穿过第一预留孔并将弹性气囊14内壁、弹簧16和压力传感器17相连接，形成冻胀力监测装置；第二连接杆垂直穿过第二预留孔与弹性气囊14内壁和位移传感器18连接，形成钻孔壁冻胀位移监测装置。中空轴10的底端布置有连通弹性气囊14内外的充气孔19。温度传感器22布置于保护套11两侧、弹性气囊14两侧、热交换管路入口和出口 ；温度传感器22、压力传感器17和位移传感器18将监测数据反馈到外部的数据采集装置。绝热层13粘贴在弹性气囊14外侧，换热片12布设于绝热层13与保护套11之间，通过保温管路连接到外部的温度控制装置。四组换热片12沿着弹性气囊14外壁的周向布置，接头处的连接管路采用伸缩接头21连接。
[0020]如图4所示，每组换热片12由热交换管23组成，热交换管23之间采用同程并联连接。
[0021]制造时，弹性气囊由弹性橡胶材料制成，长度为lm，外径为105_。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。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。热交换管为方形铜管，边长为3mm，管间距为3mm，热交换管内为防冻液。
[0022]使用时，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。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。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。
[0023]以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种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，其特征在于: 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。2.根据权利要求1所述的岩土体冻胀参数原位测试仪，其特征在于: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。3.根据权利要求1所述的岩土体冻胀参数原位测试仪，其特征在于: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。4.根据权利要求1所述的岩土体冻胀参数原位测试仪，其特征在于: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。5.根据权利要求4所述的岩土体冻胀参数原位测试仪，其特征在于:所述热交换管的入口和出口处也安装有温度传感器。6.根据权利要求1所述的岩土体冻胀参数原位测试仪，其特征在于: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。7.根据权利要求2所述的岩土体冻胀参数原位测试仪，其特征在于: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。8.根据权利要求4所述的岩土体冻胀参数原位测试仪，其特征在于: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。9.根据权利要求1所述的岩土体冻胀参数原位测试仪的测试方法，其特征在于包括以下步骤: 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。
【专利摘要】本发明公开了一种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，弹性气囊上下两端通过法兰盘固定在中空轴上，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；控制装置包括温度控制装置和压力控制装置，温度控制装置与换热片通过保温管路相连接，压力控制装置与弹性气囊通过压力管路相连接；数据采集装置与布置在测试探头上的传感器相连接。本发明具有结果准确、低成本和易于操作等优点。
【IPC分类】G01N25/14
【公开号】CN105181736
【申请号】CN201510502088
【发明人】张国柱, 刘松玉
【申请人】东南大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月14日