一种冻胀应力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，具体涉及一种冻胀应力检测装置及其检测方法。

背景技术：

冻胀力是在冻土的形成过程中，当温度降低到土体的冻结温度以下时，水分向正在冻结的土体中迁移并发生相态变化所产生的力。当此温度持续或继续降低时，土体中的液态水大部分转变为固态水，相态变化逐渐缓慢直至消失。在这个过程中，土体中的液态水凝固并以冰的形式填充到土颗粒间隙中，当土体中水相态变化的体积膨胀足以引起土颗粒之间的相对位移时就引起了土体的冻胀.。土体产生冻胀必须同时具备三个条件：冻胀敏感性土、初始水分或水分补给、冻结温度和冻结时间。三个条件中缺少任何一个条件都不能引起土体冻胀,若采取措施消除其中任何一个条件便可抑制土体冻胀。

专利“200620083578.9超深厚表土冻胀压力专用测量管”，实现了超深厚表土立井冻结凿井施工中冻胀应力的测量，因为压力传感器和土体的相接触，该装置仅能测量该测点小区域范围内冻土的冻胀应力，土体冻胀的不均匀性会导致较大误差。专利“201811504181.6水平冻结法冻胀融沉受力实验模拟装置”，“201510434795.1一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法”，“201510074655.8一种冻胀仪”均涉及的是实验室检测冻胀应力的模拟试验装置及试验方法，不适用于施工现场不同深度土体冻胀应力的监测。

然而，现场土体冻胀应力由于各地冻结深度、地质条件的不同，其冻胀力值相差很大,因此需要获得工程建设区域冻胀应力的实际值。因此，需要现场土体冻胀应力准确、可靠且快速的获取手段。总之，由于施工现场地质条件复杂，冻土的冻胀应力检测难度大、效率低、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。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种冻胀应力检测装置及其检测方法，以解决由于施工现场地质条件复杂，冻土的冻胀应力检测难度大、效率低、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：

一种冻胀应力检测装置，它包括底盘、连接杆、运动杆、锚盘、滑套、套筒、上盖和压力传感器，滑套套装在套筒外且二者滑动配合，锚盘固定套装在滑套外，连接杆沿滑套的径向方向依次穿过滑套和套筒，套筒的侧壁上加工有长孔，长孔的长度方向与套筒的轴向方向同向，连接杆沿长孔的长度方向往复移动，套筒的下端固定连接在底盘上，套筒的上端设置有上盖，压力传感器处于套筒内且其设置在上盖上，运动杆的上端与压力传感器的测头相接触，运动杆的下端设置在连接杆上。

作为优选方案：运动杆的上端与压力传感器相接触。

作为优选方案：上盖沿其厚度方向加工有配合压力传感器的线路用穿过孔。

作为优选方案：滑套的下端与底盘间隙配合。

一种利用具体实施方式一所述的一种冻胀应力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，根据各个测点的分布情况确定安装冻胀应力检测装置的个数以及每个冻胀应力检测装置的所在位置，通过检测冻胀应力检测装置获取各个测点所在冻胀层的冻胀应力数据，根据各个测点反馈的冻胀应力数据汇总得到测试区域内冻胀应力的全面情况。

作为优选方案：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的过程如下：

根据地质勘查报告分别确定冻胀敏感冻土区的个数n以及冻胀非敏感冻土区的个数m，在每个冻胀敏感冻土区以及冻胀非敏感冻土区内分别确定测点个数；

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正方格，每个第一正方格的面积为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，每个第一正方格中两条对角线的交点即为一个测点位置；

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正方格，每个第二正方格的面积为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，每个第二正方格中两条对角线的交点即为一个测点位置。

作为优选方案：s1的取值范围为0.25～1m²；s2的取值范围为9～16m²。

作为优选方案：每个冻胀应力检测装置的检测过程包括以下三个步骤：

步骤一：查阅地质资料，获得测试区域土壤未冻层的深度，开挖孔洞，将冻胀应力检测装置安装在孔洞中，在冻胀应力检测装置的外侧分层回填沙土，分层捣实；

步骤二：记录测试时间，在土体冻胀过程中，随着底盘和锚盘之间土体的冻胀上移，锚盘向上移动，带动滑套同步向上移动，滑套移动带动连接杆向上移动，连接杆移动推动运动杆朝向压力传感器移动直至压紧压力传感器，压力传感器接收压力信号并传递给与其相连接的记录仪表，按照预先设置的通道采集、记录以及保存；

步骤三：从记录仪表处获取压力传感器记录的压力值随时间的变化规律，即获取该测点处冻土冻胀应力数据，将多个测点的冻土冻胀应力数据进行汇总统计，获得测试区域内冻胀应力的全面情况。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明通过底盘、连接杆、运动杆、锚盘、滑套、套筒、上盖和压力传感器之间相互配合实现对冻土冻胀应力的定量检测，获取方式简单直接，有效省去计算过程，获取冻胀应力的数据更加准确。有利于对土体的冻胀与融沉作出全面评价。

2、本发明中检测方法具有采样点多、测试区域范围大、效率高、操作步骤简单、操作难度低、省时省力的特点，既可以土体冻胀层的整体，也可以是局部冻胀层，检测结果可靠。

3、本发明既能够实现在土体中水平检测还能够实现竖直检测，安装位置和方向不受限。

4、本发明不但适用于实验室检测使用，还适用于现场检测。

附图说明

图1是本发明的主视结构剖面示意图；

图2是本发明在实验室模拟土体试验时工作状态示意图；

图3是本发明在施工现场检测时工作状态示意图；

图中，1-底盘；2-连接杆；3-运动杆；4-锚盘；5-滑套；6-套筒；7-上盖；8-压力传感器；9-长孔；10-线路用穿过孔；11-孔洞；14-冻胀层；15-容器。

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、连接杆2、运动杆3、锚盘4、滑套5、套筒6、上盖7和压力传感器8，滑套5套装在套筒6外且二者滑动配合，锚盘4固定套装在滑套5外，连接杆2沿滑套5的径向方向依次穿过滑套5和套筒6，套筒6的侧壁上加工有配合连接杆2沿其轴向方向上下运动的长孔9，套筒6的下端固定连接在底盘1上，套筒6的上端固定连接有上盖7，压力传感器8处于套筒6内且其设置在上盖7上，运动杆3的上端朝向压力传感器8的测头设置，此时二者无相对挤压运动，二者处于无压紧状态，运动杆3的下端设置在连接杆2上。连接杆2和运动杆3均为现有轻质高强材料制成的杆体，如此设置能够有效提高本发明获取检测数据的准确性。

进一步的，上盖7沿其厚度方向加工有配合压力传感器8的线路用穿过孔10。

进一步的，压力传感器8为现有产品，其工作过程与现有压力传感器的工作过程相同。

进一步的，滑套5的下端与底盘1间隙配合，二者之间无直接连接关系，便于底盘1和锚盘4之间冻土冻胀时滑套5能够顺利向上移动。

进一步的，连接杆2沿滑套5的径向方向穿过滑套5，滑套5上加工有安装孔，安装孔与连接杆2过盈配合，确保连接杆2和滑套5同步移动，确保本发明的检测准确性。本发明的检测精度受压力传感器8的检测精度影响。

具体实施方式二：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，根据各个测点的分布情况确定安装冻胀应力检测装置的个数以及每个冻胀应力检测装置的所在位置，通过检测冻胀应力检测装置获取各个测点所在冻胀层的冻胀应力数据，根据各个测点反馈的冻胀应力数据汇总得到测试区域内冻胀应力的全面情况。

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，其中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正方格，每个第一正方格的面积为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每两个相邻测点之间的间距g1为50～100cm，为了计算方便，第一正方格的形状为正方形；每个第一正方格中两条对角线的交点即为一个测点位置；

本步骤中也可根据锚盘4的外径、大于两个锚盘4之间互不干扰的最小距离以及工程需求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，获得第一正方格的面积为s1，最终确定测点个数n1＝a1/s1；

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是指两个锚盘4的圆心之间的距离，间距g1的取值范围是根据锚盘4的外径以及大于两个锚盘4之间互不干扰的最小距离要求确定的，间距g1的取值范围为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，s1的取值范围为0.25～1m²，再进行实际划格操作，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，其中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正方格，每个第二正方格的面积为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；s2的取值范围为4～16m²，即冻胀非敏感冻土区每两个相邻测点之间的间距g2为200～400cm，为了计算方便，第二正方格的形状为正方形；每个第二正方格中两条对角线的交点即为一个测点位置；

本步骤中也可根据锚盘4的外径、大于两个锚盘4之间互不干扰的最小距离以及工程需求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；

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是指两个锚盘4的圆心之间的距离，间距g2的取值范围是根据锚盘4的外径、大于两个锚盘4之间互不干扰的最小距离以及工程要求确定的，间距g2的取值范围为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，本步骤中s2的取值范围为4～16m²，再进行实际划格操作，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，准备对应数目的冻胀应力检测装置。

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，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个数选择对应个数的冻胀应力检测装置，本发明根据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50cm～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200cm～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。

土体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。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，每个冻胀应力检测装置的检测过程包括以下三个步骤：

步骤一：查阅地质资料，获得测试区域土壤未冻层的深度，开挖孔洞11，将冻胀应力检测装置安装在孔洞11中，在冻胀应力检测装置的外侧分层回填沙土，分层捣实；

步骤二：记录一次测试时间，在土体冻胀过程中，随着底盘1和锚盘4之间土体的冻胀上移，锚盘4向上移动，带动滑套5同步向上移动，滑套5移动带动连接杆2向上移动，连接杆2移动推动运动杆3朝向压力传感器8移动压紧压力传感器8，压力传感器8接收压力信号并传递给与其相连接的记录仪表，按照预先设置的通道采集、记录以及保存；

步骤三：经过预设的检测时间间隔，从记录仪表处获取压力传感器8记录的压力值，从而获取该测点处冻土应力数据，将多个测点的冻土应力数据进行汇总统计，获得测试区域内冻胀应力的全面情况。

上述过程中记录仪为配合压力传感器4将力值进行存储记录的现有仪器，相互配合的工作过程为现有技术。

上述过程中，将测试区域内各个测点记录的冻胀层14的冻胀应力数据汇总，将各测点平面位置与其冻胀应力数据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应力过大时，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。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，本发明的检测周期长且检测数据准确全面，检测周期为整个冬季，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。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，在测试区域内划分完毕多个第一正方格后，测点的位置还可选定为多个第一正方格的横纵线交叉点处，更加方便冻胀量计算，同理于在多个第二正方格上确定测点的过程。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，冻胀应力检测装置设置在容器15中，并在容器15中填装土体，进行小规模模拟土体的试验检测。

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n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、该区域不同位置水分和冻胀深度的不同，划分测试区域内冻胀敏感冻土区的个数n以及冻胀非敏感冻土区的个数为m，最终确定冻胀应力检测装置的使用个数。

将检测冻胀应力检测装置安装及检测的具体操作过程如下：

步骤一：查阅地质资料，获得测试区域土壤未冻层的深度，2018年11月20日，开挖孔洞11，将冻胀应力检测装置安装在孔洞11中，锚盘4与底盘1间的距离为50cm，在冻胀应力检测装置的外侧分层回填沙土，分层捣实，此时运动杆3的上端朝向压力传感器8的测头相接触，二者无相对挤压运动，压力传感器8的初始值为零；

步骤二：同年的12月20日，在土体冻胀过程中，随着底盘1和锚盘4之间土体的冻胀上移，锚盘4向上移动，带动滑套5同步向上移动，滑套5移动带动连接杆2向上移动，连接杆2移动推动运动杆3朝向压力传感器8移动直至压紧压力传感器8，压力传感器8显示19.8kpa，将压力信号传递给与其相连接的记录仪表，按照预先设置的通道采集、记录以及保存；

步骤三：次年1月20日，从记录仪表处获取压力传感器8记录的压力值，压力传感器8显示24.8kpa，从而获取该测点区域内冻土的冻胀应力为24.8kpa，将多个测点的冻土应力数据进行汇总统计，获得测试区域内冻胀应力的全面情况。

将各测点平面位置与其冻胀应力数据汇总绘制三维图像，并标注随时间的变化趋势，以定量评价测试区域冻胀应力的程度，给出指导意见。当测试区域中的一个局部区域冻胀应力过大时，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。