一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置的制作方法

本发明属于冻土地基评定，特别是一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置。

背景技术：

1、自然状态下、土无法达到绝对密实状态、土中孔隙往往由水和气体充填，当土壤含水率足够高、环境温度足够低，土中水将由液态向固态转变，进而形成冻土，冻土是一种特殊土，土中水季节性状态变化会形成季节性冻土、土中水常年保持固态会形成多年冻土，由于土中水的状态变化引起冻土体积的变化，进而引发土体冻胀。冻胀的发生会引起土体内部应力的改变，我们将这种因冻胀引起的内应力称之为冻胀力。冻胀力达到一定规模会引起建筑物、管线、公铁路、隧道等发生无法逆转的病害。因此、冻土地区勘察中必须对冻土冻胀力程度进行评定。现有的勘察技术多为野外观测或采取土样，进行室内试验模拟野外冻土条件，进行冻胀力测试，土体失去了原有的半无限空间条件，评价误差较大，甚至发生错误。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置，以解决了现有的问题：现有的勘测手段集中在室内，工作繁多且难以完全实现野外冻土冻胀条件，使用范围有限，同时，冻土样品的采取、保存、运输都会引起冻土样品的扰动，室内无法模拟自然状态下冻土的半无限空间条件，因此，难以获得真实状态的冻土冻胀力。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置，包括支撑系统、外力感应与传递系统、标准液输入输出系统、外力转换系统、外力转换系统固定装置和压力输出与测读装置，所述外力感应与传递系统系统为密封罐体，罐体内部充满低冰点、高密度液体作为力的均匀传递介质，系统外壁采用超薄铝箔，作为感应器同时作为传递介质的容器，顶部与底部与支撑系统上下端内侧固定连接，冻胀发生时挤压系统外壁采用超薄铝箔、铝箔发生位移将力通过液体介质均匀传递给外力转换系统，所述标准液输入输出系统下部通过单向阀与外力转换系统柔性连接，所述标准液输入输出系统上部与压力输出与测读装置固定连接，所述外力转换系统通过硅胶管与下部外力转换系统固定装置固定连接，所述外力转换系统悬浮于外力感应与传递系统内腔低冰点、高密度液体中，采用已知外表面积的高分子柔性薄膜制成，所述外力转换系统受外力感应与传递系统中介质压力，将其内部标准液挤压通过标准液输入输出系统，输出到压力输出与测读装置，排出标准液体积通过换算可得出冻胀力，所述压力输出与测读装置与支撑系统顶部固定连接、通过穿心管与标准液输入输出系统密封连接，采用已知管径、抵抗变形强的硅胶毛细管制作。

4、抵抗变形强的硅胶毛细管内径为1~2mm。

5、进一步地，所述支撑系统，支撑系统由上支撑板、下支撑板、上下支撑板各4枚穿心螺栓、4根刚性支撑螺杆通过固定连接形成一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置的骨架支撑系统、支撑系统上部通过密封、穿心管的形式设置开闭阀门。

6、进一步地，所述外力感应与传递系统由超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔、低冰点、高密度液体传力介质组成，所述超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔、顶部与支撑系统上支撑板下侧密封固定连接，所述超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔底部与支撑系统下支撑板上侧密封固定连接，所述低冰点、高密度液体传力介质充满超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔不留空气间隙。

7、进一步地，所述标准液输入输出系统由单向输出阀门、单向输入阀门、低温稳定高分子柔性毛细管组成，所述单向输出阀门具备低压打开，单向流通能力，下部与高分子柔性薄膜柔性连接、上部连有三通分路器，所述单向输入阀门具备低压不能打开，单向流通能力，下部与高分子柔性薄膜柔性连接、上部连有三通分路器，所述低温稳定高分子柔性毛细管下部与单向输出阀门、单向输入阀门通过三通分路器连接，上部与开闭阀门通过穿心密封方式连接。

8、进一步地，所述外力转换系统由高分子柔性薄膜、低温稳定性标准液组成。所述高分子柔性薄膜，低温稳定，外表面积为已知，封闭形成椭球囊状、上部留有毛细管，所述低温稳定性标准液充满高分子柔性薄膜内腔、不留间隙。

9、进一步地，所述外力转换系统固定装置由固定螺栓、低温稳定柔性线材组成。所述固定螺栓设置在支撑系统下支撑板上部、通过穿心密封方式固定于薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔内部，所述低温稳定柔性线材下端连接固定螺栓、上端连接高分子柔性薄膜下端，与标准液输入输出系统共同对外力转换系统进行限位，使其悬浮于超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔中部，便于均匀受压。

10、进一步地，所述压力输出与测读装置下部与开闭阀门密封连接，由低温稳定材料制成带有计量刻度的材料制成，且具备加长能力。

11、本发明中柔性线材包括硅胶管。

12、本发明具有以下有益效果：

13、本发明通过野外原位埋设，可根据测试部位深度埋设，根据实际环境选用标准液，不受地形限制，不受标准液类别限制，进而扩大整个装置的使用范围，提高装置的实用性。

14、本发明通过设置压力输出与测读装置可实现冻胀力实时测读、阶段测读，实现了野外测试的自由度，大大提高了测试数据的精确性、可靠性。

15、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

技术特征：

1.一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置，包括支撑系统（1）、外力感应与传递系统（2）、标准液输入输出系统（3）、外力转换系统（4）、外力转换系统固定装置（5）和压力输出与测读装置（6），其特征在于：所述外力感应与传递系统（2）系统为密封罐体，罐体内部充满低冰点、高密度液体，所述外力感应与传递系统（2）顶部与支撑系统（1）上端固定连接，外力感应与传递系统（2）底部与支撑系统（1）下端固定连接；所述标准液输入输出系统（3）下部通过单向阀与外力转换系统（4）柔性连接，所述标准液输入输出系统（3）上部与压力输出与测读装置（6）固定连接，所述外力转换系统（4）悬浮于外力感应与传递系统（2）内腔液体中并通过硅胶管与下部外力转换系统固定装置（5）固定连接，所述压力输出与测读装置（6）与支撑系统（1）顶部固定连接，压力输出与测读装置（6）通过穿心管与标准液输入输出系统（3）密封连接；所述的外力感应与传递系统（2）包括超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔（201）、低冰点、高密度液体传力介质（204），所述超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔（201）顶部与支撑系统（1）上支撑板（101）下侧密封固定连接，所述超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔（201）底部与支撑系统（1）的下支撑板（104）密封固定连接，所述低冰点、高密度液体传力介质（204）充满超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔（201）；所述支撑系统（1）包括上支撑板（101）、下支撑板（104）、上穿心螺栓（102）、刚性支撑螺杆（103）、开闭阀门（106），所述上支撑板（101）上部设置有四枚上穿心螺栓（102），所述上穿心螺栓（102）分别与四根刚性支撑螺杆（103）固定连接，所述上支撑板（101）上部设置有开闭阀门（106），所述下支撑板（104）上部设置有四枚下穿心螺栓（105），这四枚下穿心螺栓（105）分别与四根刚性支撑螺杆（103）固定连接；所述压力输出与测读装置（6）下部与开闭阀门（106）密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置，其特征在于：所述标准液输入输出系统（3）包括单向输出阀门一（301）、单向输入阀门二（302）、低温稳定高分子柔性毛细管（303），所述单向输出阀门一（301）具备低压打开，单向流通能力，下部与高分子柔性薄膜（401）柔性连接、上部连有三通分路器，所述单向输入阀门二（302）具备低压不能打开，单向流通能力，下部与高分子柔性薄膜（401）柔性连接、上部连有三通分路器，所述低温稳定高分子柔性毛细管（303）下部与单向输出阀门一（301）、单向输入阀门二（302）通过三通分路器连接，上部与开闭阀门（106）通过穿心密封方式连接。

3.根据权利要求1所述的一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置，其特征在于：所述外力转换系统（4）包括高分子柔性薄膜（401）、低温稳定性标准液（402），所述高分子柔性薄膜（401）低温稳定，外表面积为已知，封闭形成椭球囊状、上部留有毛细管，所述低温稳定性标准液（402）充满高分子柔性薄膜（401）内腔。

4.根据权利要求1所述的一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置，其特征在于：外力转换系统固定装置（5）包括固定螺栓（501）、低温稳定柔性线材（502），所述固定螺栓（501）设置在支撑系统（1）下支撑板（104）上部、通过穿心密封方式固定于薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔（201）内部，所述低温稳定柔性线材（502）下端连接固定螺栓（501）、上端连接高分子柔性薄膜（401）下端，与标准液输入输出系统（3）共同对外力转换系统（4）进行限位，使其悬浮于超薄铝箔马鞍形椭圆柱体容腔（201）中部。

技术总结
一种直埋式冻土冻胀力原位测试装置，涉及冻土地基评定技术领域，它包括支撑系统、外力感应与传递系统、标准液输入输出系统、外力转换系统，外力转换系统固定装置、压力输出与测读装置。外力感应系统密封，内部充满低冰点、高密度液体作为力的均匀传递介质，系统外壁采用超薄铝箔，作为感应器同时作为传递介质的容器，系统外壁上下部与支撑系统上下端固定连接。外力转换系统通过上部标准液输入输出系统、下部外力转换系统固定装置共同作用，悬浮于外力感应系统与传递系统传递介质中。本发明标准液允许根据野外实际情况选用，扩大了装置的使用范围，提高了装置的实用性。

技术研发人员：武新发,丁晓峰,刘月萍,姜英豪,赵秀丽
受保护的技术使用者：山西华晋岩土工程勘察有限公司
技术研发日：20230629
技术公布日：2024/1/15