冻土孔隙水压力测量装置的制作方法

本申请涉及岩土安全监测技术领域，特别是涉及一种冻土孔隙水压力测量装置，可用于监测冻土中未冻水压力以及天然气水合物沉积层中的未水合水压力变化。

背景技术：

冻胀融沉是寒区工程建设的两个最主要的病害，给寒区工程建设及其运营带来了极大的危害。水分迁移和冰分凝是导致冻胀和融沉变形最根本的原因。土体在冻结过程中，土体会形成层状分凝冰，从而产生冻胀。而且当温度低于水的冻结点时，土体仍有一定量的未冻水存在，冰分凝锋面处的孔隙水压力会产生下降，从而导致水分在孔隙水压力梯度下经由未冻水膜向冷端迁移。土体在融化过程中，分凝冰融化，未冻水压力增加，从而导致土体融沉。因而，未冻水压力是反映冻结过程中水分迁移和冰分凝过程的关键参数。

现有技术中，冻土孔隙水压力测量装置至少存在尺寸大、密封性能差、量程小、饱和技术难等技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种冻土孔隙水压力测量装置，以克服现有技术中测量装置密封性差以及量程小的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种冻土孔隙水压力测量装置，包括壳体、渗透体、压力传感器和传力介质，

所述壳体具有介质腔体以及与介质腔体连通的安装腔体，

所述传力介质填充于所述介质腔体内，所述渗透体的一端插置于所述安装腔体内，另一端凸伸出所述安装腔体外，

所述传力介质位于所述渗透体和压力传感器之间，

还包括帽体和第一密封圈，所述帽体和第一密封圈套设于所述渗透体的外部，所述帽体将第一密封圈挤压于渗透体和壳体的缝隙之间。

优选的，在上述的冻土孔隙水压力测量装置中，所述帽体与壳体之间采用螺纹方式配合。

优选的，在上述的冻土孔隙水压力测量装置中，所述壳体包括主体部和套体，所述介质腔体形成于所述主体部上，所述安装腔体形成于所述套体上，

所述主体部和套体之间可拆卸连接。

优选的，在上述的冻土孔隙水压力测量装置中，所述主体部和套体之间采用螺纹方式配合。

优选的，在上述的冻土孔隙水压力测量装置中，所述套体的一端套设于所述主体部的外侧。

优选的，在上述的冻土孔隙水压力测量装置中，所述主体部、渗透体和套体之间挤压有第二密封圈。

优选的，在上述的冻土孔隙水压力测量装置中，所述渗透体与安装腔体的内壁之间填充有密封介质。

优选的，在上述的冻土孔隙水压力测量装置中，所述介质腔体具有亲水性的内壁表面。

优选的，在上述的冻土孔隙水压力测量装置中，所述渗透体选自透水石、陶土板、多孔陶瓷或其他定孔径石墨烯材料。

优选的，在上述的冻土孔隙水压力测量装置中，所述的传压介质选自蒸馏水、癸烷、石油醚、二甲基硅油、三氯甲烷或乙醇。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过帽体将密封圈挤压于渗透体和壳体之间，可以提高渗透体和壳体之间的密封效果以及增大测试量程。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中冻土孔隙水压力测量装置的结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中冻土孔隙水压力测量装置的分解示意图。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

结合图1和图2所示，本申请实施例提供了一种冻土孔隙水压力测量装置，包括壳体10、渗透体20、压力传感器(图未示)和传力介质(图未示)。

壳体10具有介质腔体13以及与介质腔体连通的安装腔体121，传力介质填充于介质腔体内，渗透体20的一端插置于安装腔体内，另一端凸伸出安装腔体121外，传力介质位于所述渗透体20和压力传感器之间。

该技术方案中，渗透体起着半透膜的作用，在一定压力范围内其只允许水分通过而不允许气体通过，渗透体采用多孔介质材料，优选自透水石、陶土板或多孔陶瓷或定孔径石墨烯材料。从而使得渗透体中的水分起到连接土体中孔隙水与空腔中传力介质的作用，不仅能保持土体内孔隙水压力与空腔中传力介质压力的平衡；而且还能防止土样中的气体经由渗透体进入渗透体空腔内部从而破坏二者的热力学平衡，进而导致渗透体失效。

本实施例装置在负温条件下可以监测冻土的孔隙水压力。在负温环境中，由于空腔内的传力介质(薄膜水)不会发生冻结，当达到热力学平衡时，土体内的孔隙水压力与空腔内的薄膜水的压力经由渗透体的连通作用而保持力学平衡，从而经由压力传感器内芯片测试的薄膜水压力便可知道土体内部的孔隙水压力。

在一实施例中，介质腔体为圆柱形空腔，压力传感器设置于圆柱形空腔内，可测试获得空腔内液体的压力。圆柱形空腔根据量程大小设有特定半径尺寸，采用亲水性材料或进行亲水性材料镀膜。

传统渗透体的空腔大，表面吸附特性差，因而测量量程一般不低于负的一个大气压。本实施例可以根据应用需要，在设计或者加工过程中，可以通过控制空腔的尺寸以及表面特性、空腔内填充液体性质、渗透体进气值以及传感器量程大大提高渗透体的测试量程。

另外，渗透体的灵敏性主要基于空腔中水体的体积含量以及渗透体的连通性；在渗透体一致的情况下，空腔中的水体体积含量越小越灵敏。

作为本实施例的主要创新之一，测量装置还包括帽体30和第一密封圈40，帽体30和第一密封圈40套设于渗透体20的外部，帽体30将第一密封圈40挤压于渗透体20和壳体10的缝隙之间。

该技术方案中，帽体30上开设有一窗口用以将渗透体的端部暴露，在一实施例中，渗透体的末端可以凸伸出帽体30的外部。

该技术方案中，通过帽体将密封圈挤压于渗透体和壳体之间，可以提高渗透体和壳体之间的密封效果。

在优选的实施例中，帽体30与壳体10之间采用螺纹方式配合。

该技术方案中，帽体30与壳体10之间的螺纹锁紧方式，不仅可以实现帽体30和壳体10之间的可拆卸，而且通过转动可以控制锁紧的压力大小。

另外，当第一密封圈发生老化或损坏时，方便快速进行更换。

在其他实施例中，帽体30与壳体10之间也可以采用其他的固定方式，比如胶粘、卡扣等方式。

进一步地，壳体10包括主体部11和套体12，介质腔体形成于主体部11上，安装腔体形成于套体12上。主体部11和套体12之间可拆卸连接。

该技术方案中，主体部11和套体12可分离，而由于传感器和外部引出线缆50集成在主体部11上，渗透体安装于套体12上，这样当传感器或渗透体之一损坏时，无需整体进行更换，降低成本。

在优选的实施例中，主体部11和套体12之间采用螺纹方式配合。

进一步地，套体12的一端套设于主体部11的外侧。

该技术方案中，套体12具有轴向相通的通道，安装腔体形成于通道的一端，通道的另一端套设于主体部的外侧，安装后，主体部的端部抵持于渗透体的端部。

在其他实施例中，主体部11上的介质腔体也可以套设在套体12的外侧。

在一实施例中，主体部11、渗透体20和套体12之间挤压有第二密封圈60。

该技术方案中，通过第二密封圈60可以进一步实现渗透体的密封性，而且主体部11和套体12的安装方式，可以方便进行第二密封圈的安装和更换。

在一实施例中，渗透体20与安装腔体121的内壁之间填充有密封介质。

优选的，密封介质为胶水。通过密封介质实现渗透体20与安装腔体121的内壁之间的粘合和密封。

在优选的实施例中，所述的传压介质选自蒸馏水、癸烷、石油醚、二甲基硅油、三氯甲烷或乙醇。

在优选的实施例中，压力传感器选自钢弦式压力传感器、压阻式压力传感器、光纤光栅式压力传感器、电阻应变片式压力传感器、差动电阻式压力传感器、电容式压力传感器或差动电容式压力传感器。

本实施例还提供了一种利用上述冻土孔隙水压力测量装置的使用方法：

(1)、试验前检查：

观察渗透体20侧面与套体12内侧面胶水密封粘合是否裂开，如果裂开，利用防冻抗水胶水进行重新密封；检查两个密封圈是否老化，如果老化进行更换。

(2)、介质腔体内特定浓度酒精溶液(传力介质)准备：

利用脱气蒸馏水和无水乙醇配备特定浓度的酒精溶液，以备填充介质腔体使用。

(3)、试验前渗透体装备及饱和：

试验前首先对渗透体部件进行清洗，去除其表面附着的污垢杂质；然后对渗透体部件利用真空泵进行脱气饱和，或长时间脱气水中侵泡饱和，使得渗透体部件中不残留气泡。

然后，将饱和完的渗透体部件迅速放入制备好的特定浓度酒精溶液中静置一段时间，使渗透体中的介质腔体中酒精浓度均匀后进而进行液装备；将渗透体20外端第一密封圈40经由帽体30与套体12挤压密封，将渗透体20外套第二密封圈60经由套体12与主体部11挤压密封。

装备完成后渗透体内部空腔被特定浓度的酒精完全填充饱和。

最后，将渗透体浸泡在脱气蒸馏水中，并洗去其表面的酒精溶液，以备试验使用。

(4)、进行试验：

试验过程中将渗透体完全插入土体中，与土体充分接触；将压力传感器与数采仪连接，即可开展试验。

(5)、试验后处理：

试验后首先清洗渗透体表面的土体，以免土体干燥后造成渗透体的堵塞；清洗完把渗透体进行拆解，将帽体30与套体12旋开，将套体12与主体部11旋开，然后浸泡在清水中，以免渗透体长时间未拆解，造成下次使用前难以拆解，影响其使用。

(6)、数据分析：

由渗透体测定的孔隙水压力可用来分析土体冻融过程中的水分迁移和冰分凝过程。

综上所述，本发明还具有如下优点：

1、由于该种测试方法的实现主要基于空腔中薄膜水的封装性能，而本发明基于三重密闭封装，密封效果远远大于传统渗透体的一层封装效果。

2、装置尺寸较小，可满足室内试验的测试工作，且使用及操作方便。渗透体如果尺寸太大，放置到土样中，会破坏土体的本来结构，影响冻融试验效果；此外，室内试验的试样一般较小，渗透体的尺寸越小测试精度越好。

3、本发明部件的设计可实现渗透体的灵活组装，大大方便了渗透体的饱和以及排气泡操作及性能，因而测试操作方便简单；另外本发明测试方法理论明确可靠，而且测试稳定、可靠，可满足监测土体冻结过程中的孔隙水压力变化情况，从而为分析冻融过程中的土体的水分迁移及冰分凝过程提供依据。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本申请案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。

在本申请案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。

在本申请案中，在将元件或组件称为包含于及/或选自所叙述元件或组件列表之处，应理解，所述元件或组件可为所叙述元件或组件中的任一者且可选自由所叙述元件或组件中的两者或两者以上组成的群组。此外，应理解，在不背离本发明教示的精神及范围的情况下，本文中所描述的组合物、设备或方法的元件及/或特征可以各种方式组合而无论本文中是明确说明还是隐含说明。

除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。

除非另外具体陈述，否则本文中单数的使用包含复数(且反之亦然)。此外，除非上下文另外清楚地规定，否则单数形式“一(a、an)”及“所述(the)”包含复数形式。另外，在术语“约”的使用在量值之前之处，除非另外具体陈述，否则本发明教示还包括特定量值本身。

应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。

应理解，本发明的各图及说明已经简化以说明与对本发明的清楚理解有关的元件，而出于清晰性目的消除其它元件。然而，所属领域的技术人员将认识到，这些及其它元件可为合意的。然而，由于此类元件为此项技术中众所周知的，且由于其不促进对本发明的更好理解，因此本文中不提供对此类元件的论述。应了解，各图是出于图解说明性目的而呈现且不作为构造图式。所省略细节及修改或替代实施例在所属领域的技术人员的范围内。

可了解，在本发明的特定方面中，可由多个组件替换单个组件且可由单个组件替换多个组件以提供一元件或结构或者执行一或若干给定功能。除了在此替代将不操作以实践本发明的特定实施例之处以外，将此替代视为在本发明的范围内。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。