一种土体冻胀力测试装置的制作方法

本实用新型属于岩土工程现场实验监测与测量领域，具体地说是一种土体冻胀力测试装置，适用于冻土地区沟渠、挡土墙、基坑等支护结构土体水平和竖向冻胀力的测试。

背景技术：

多年冻土区和季节性冻土地区沟渠、挡土墙、基坑等工程的结构物因土体冻胀而承受了极大的负载，对其结构物的安全、耐久性和运行都是严峻的考验。因此，对支挡结构物的水平及竖向冻胀力的分布方式和极值进行研究对支挡结构物的设计、加固和防护均有重要意义。目前，行业内支挡结构物的设计和施工多未考虑冻胀力的影响，且缺乏成熟的测试装置和技术手段对冻胀力进行测试。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种土体冻胀力测试装置。该测试装置可对冻土地区沟渠、挡土墙、基坑等支护结构后土体冻胀力场(水平和竖向)的自动监测。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型包括装配管及设置在该装配管内的至少一个测试单元，所述测试单元包括变形协调锚定板组件及测试杆组件，该测试杆组件的两端均设有安装在装配管上的变形协调锚定板组件，所述测试杆组件包括测试传感器、冻胀力测试杆及外部保护筒，该冻胀力测试杆的两端分别与位于测试杆组件两端的变形协调锚定板组件铰接，在冻胀力测试杆外部套设有外部保护筒，所述冻胀力测试杆位于外部保护筒内的部分安装有监测冻胀力测试杆应变的测试传感器；所述装配管上设有开口，通过该开口向装配管内回填被测试回填土体；

其中：所述变形协调锚定板组件包括锚定板、垫片、固定螺母及连接杆，该锚定板安装在所述装配管内，所述锚定板上开有供连接杆穿过的通孔，该连接杆的一端与锚定板相连，另一端与所述冻胀力测试杆铰接；所述锚定板的两侧对称设有固定螺母，每侧的固定螺母均螺纹连接在所述连接杆的一端，每侧的固定螺母与所述锚定板之间均设有套在连接杆上的垫片；

所述锚定板的两侧均设有临时固定插销，该临时固定插销插设于所述装配管上，并与所述锚定板抵接，相邻两锚定板通过临时固定插销按照设定的目标距离进行定位；

所述锚定板上的通孔水平两侧对称开设有用于测试传感器导线穿过的数据线预留孔；

所述装配管的内径与锚定板的外径相等，该锚定板的外径为所述冻胀力测试杆直径的五～十倍；

所述连接杆的另一端开孔，通过铰链与冻胀力测试杆铰接；所述测试传感器在冻胀力测试杆上的布置区与连接杆另一端开孔之间的间距大于或等于冻胀力测试杆直径的三倍；

所述连接杆、冻胀力测试杆、外部保护筒、锚定板及装配管同轴设置；

所述测试传感器为全桥测试传感器，包括两组水平对称分布的应变片，每组包括一个轴向布置的应变片及一个环向布置的应变片；

所述测试单元为多个时，相邻两测试单元之间共用同一个变形协调锚定板组件，该共用的变形协调锚定板组件分别与相邻两测试单元中的冻胀力测试杆铰接；

所述连接杆上布置测试传感器的布置区安装有温度修正探头。

本实用新型的优点与积极效果为：

本实用新型可根据需要设置一个或多个测试单元，每个测试单元相对独立，能最大程度地与周边土体变形协调，从而可相对精细地描述每个测试单元内土体的冻胀力场时程变化情况，并采用自动化的数据采集方式根据需要设置采集频率，减少人工工作量；本实用新型提高了测试精度和并对深层次的土体冻胀力场有更深入的了解；本实用新型可为实际工程和冻土冻胀机理的研究提供有效可靠方法。

附图说明

图1为本实用新型的结构纵剖面图；

图2为图1中的A—A剖面图；

图3为图1中的B—B剖面图；

图4为本实用新型测试传感器全桥组方式示意图；

其中：1为锚定板，2为垫片，3为固定螺母，4为连接杆，5为测试传感器，6为冻胀力测试杆，7为外部保护筒，8为装配管，9为数据线预留孔，10为临时固定插销，11为温度修正探头，12为铰链，13为被测试回填土体，14为开口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1～4所示，本实用新型包括装配管8及设置在该装配管8内的至少一个测试单元，测试单元包括变形协调锚定板组件及测试杆组件，测试杆组件的两端均设有安装在装配管8上的变形协调锚定板组件；其中变形协调锚定板组件包括锚定板1、垫片2、固定螺母3及连接杆4，该锚定板1的端面为圆形，安装在装配管8内，装配管8的内径与锚定板1的外径相等，在锚定板1的圆心位置开有供连接杆4穿过的通孔；锚定板1的两侧对称设有固定螺母3，每侧的固定螺母3均螺纹连接在连接杆4的一端，使锚定板1与连接杆4同步移动，每侧的固定螺母3与锚定板1之间均设有套在连接杆4上的垫片2。连接杆4的一端通过垫片2及固定螺母3固定到锚定板1上，另一端开孔，并与冻胀力测试杆6通过铰链12铰接，使测试杆组件随锚定板1同轴受力。锚定板1的两侧均设有临时固定插销10，该临时固定插销10插设于装配管8上，并与锚定板1抵接，相邻两锚定板1通过临时固定插销10按照设定的目标距离进行定位。锚定板1上的通孔水平两侧对称开设有用于测试传感器5导线穿过的数据线预留孔9。本实用新型锚定板1的材料为铝合金或不锈钢板，刚度应较大(弹模在40GPa以上)；锚定板1的外径D1为冻胀力测试杆6直径d2的五～十倍，连接杆4的长度不应小于其三倍直径d1，连接杆4的直径d1可以是冻胀力测试杆6直径d2的一～三倍。

测试杆组件包括测试传感器5、外部保护筒7及一根设定长度的冻胀力测试杆6，冻胀力测试杆6的材料为铝合金，弹性模量小(在40～250GPa范围)、且变形能力强(弹性应变能达到2％～5％)，冻胀力测试杆6的两端分别与位于测试杆组件两端的变形协调锚定板组件中的连接杆4铰接。在冻胀力测试杆6中间(应力分布均匀区)布置测试传感器5，本实用新型的测试传感器5为全桥测试传感器，包括两组水平对称分布的应变片，每组包括一个轴向布置的应变片及一个环向布置的应变片、共四片应变片。在安装测试杆组件时，应将测试传感器5的位置放在水平两侧表面而非冻胀力测试杆6的上表面和下表面，通过全桥电路和几何位置的布置最大限度降低环境对测试的影响；冻胀力测试杆6的直径d2宜取值为5mm～30mm，条件允许的情况下应该做成变直径截面(冻胀力测试杆6两端2倍d2范围的直径应取1.5-3倍d2，并通过1倍d2范围渐变区过渡到正常测试直径d2)，主要取决于测试目标的预估冻胀力。冻胀力测试杆6的最小长度不应小于6倍冻胀力测试杆6的直径d2，且不应小于2倍的锚定板1的直径D1。测试传感器5的布置区应在固定螺母3和连接杆4另一端开孔3倍直径之外(应力分布均匀区)，即测试传感器5在冻胀力测试杆6上的布置区与连接杆4另一端开孔之间的间距大于或等于冻胀力测试杆6直径的三倍。每片应变片布置之前应该检测是否符合标准(阻值误差在允许范围内)，并应采用丙酮或无水乙醇连续多次单向清洁以保证传感器粘贴区洁净，粘贴应该使用性能稳定的高强度快干胶，粘贴时严格控制轴向和环向的定位，不能偏离方向，同时采用防水防尘薄膜覆盖，用拇指肚滚动按压的方式挤出应变片底下的空气和多余胶水，待胶水硬化后松开；一侧粘贴完毕在另一侧对称位置按同样方法粘贴。四片应变片粘贴完毕用万用表检查完好后在合适位置布置接线端子，通过接线端子配合组成全桥电路，并在相应位置焊接数据采集导线。焊接完毕除掉多余的线头，采用硅胶将测试传感器5及焊接端子封装。导线通过锚定板1上的数据线预留孔9穿出。

在冻胀力测试杆6外部套设有外部保护筒7，外部保护筒7的主要作用是防止外部的土体影响冻胀力测试杆6的性能。测试传感器5粘贴在冻胀力测试杆6位于外部保护筒7内部分的中间位置。装配时，应将变形弹簧6和外部保护筒7内部涂油以起到防腐和降低弹簧与保护筒摩阻的作用。每个测试单元的导线外层可涂抹凡士林等润滑物质，在每个测试单元走线布置时应预留有变形量，防止导线随土体的变形而扯紧。应对测试杆组件和变形测试组件等相关金属部件进行防腐处理，以免在测试过程中其性能因腐蚀而变化，影响测试精度。装配管8上沿长度方向设有开口14，通过该开口14向装配管8内回填被测试回填土体13，开口14的长度要小于或等于装配管8的长度。

当测试单元为多个时，相邻两测试单元之间共用同一个变形协调锚定板组件，该共用的变形协调锚定板组件分别与相邻两测试单元中的冻胀力测试杆6铰接。

本实用新型的连接杆4、冻胀力测试杆6、外部保护筒7、锚定板1及装配管8同轴设置。本实用新型在冻胀力测试杆6上布置测试传感器5的布置区安装有温度修正探头11。

本实用新型的量程包括冻胀力测试杆6的量程和铰接处铰链12的量程两部分，最终每个测试单元的量程取两者较小者。其中，冻胀力测试杆6的量程取为(0.5～0.8)A·σb，冻胀力测试杆6的轴向变形应变量ε应控制在弹性且2％范围内(采用大应变应变片除外)。其中，A为冻胀力测试杆6的截面面积，σb为材料的屈服强度。

本实用新型冻胀力测试杆6计算长度L1(即冻胀力测试杆6两端通过铰链12铰接处之间的距离)不小于六倍的冻胀力测试杆6的直径d2、且不小于两倍的锚定板1的直径(或不小于两倍装配管8的内径)。本实用新型外部保护筒7端部与距离其最近的固定螺母3之间的预留距离，拉伸测试时以20～50mm为宜。

本实用新型为冻土地区沟渠、挡土墙、基坑等支护结构后土体冻胀力场(水平和竖向)的自动监测提供一种简便可靠的测试装置，其测试方法包括以下步骤：

步骤1：对每个测试单元的冻胀力测试杆6进行标定，建立冻胀力测试杆6应变数值与负载之间的函数关系；具体为：每一组测试装置(几个测试单元串联到一起共同工作成为一组)在贴好测试传感器5后，需要对每个单元的冻胀力测试杆6进行标定才能装配在一起使用。将每个测试单元连接目标测试所需的导线长度，带着导线进行综合标定。将一个测试单元锚定板1通过临时固定插销10固定，并将测试传感器5的应变片组成的桥路连接到静态电阻应变采集仪，在冻胀力测试杆6没有负载的情况下进行通道平衡，在另一端沿着冻胀力测试杆6的轴向逐级施加负载并记录冻胀力测试杆6的响应数值、负载值:0-20N-40N-80N-……-(0.5Aσb)。其中，σb为材料的屈服强度，即施加的最大负载应该在材料的弹性阶段，冻胀力测试杆6的量程为(0.5Aσb)，也可根据测试条件预估最大工况负载，只要标定到超出使用负载的范围即可，以减少工作量。每级加载的读数应该稳定后再读，并保持连续五次读数一致的数据作为该级荷载响应数值，后续跟进测试结果，建立冻胀力测试杆6响应数值与负载之间的函数关系(在冻胀力测试杆6弹性范围内呈线性关系)。

同时，在测试单元的冻胀力测试杆6标定结束后，还应进行设定负载下的温度影响标定。标定冻胀力测试杆6在不同温度环境下(相对于平衡时的温度)的读数变化规律并记录；将每个冻胀力测试杆6进行编号，将标定数据按照编号一一对应记录。

装配管8的内径D1应该与锚定板1的外径相同，装配管8的壁厚尽量小且有足够的硬度和刚度，以1～3mm左右为佳，以减少装配管8抽出后对填充土样的扰动。

步骤2：在目标测试场景中装配各个测试单元；装配包括在目标测试场景为临空面时，进行水平测试装配；在目标测试场景为非临空面时，进行非水平测试装配。

水平测试装配：水平测试主要用于冻土地区沟渠、边坡、基坑或其他具有临空面的工程项目中，监测工程实施过程中或项目投入运营后的健康监测中。将装配管8的内外涂抹薄薄一层凡士林或油以便于在目标测试位置安装好后抽出；使用临时固定插销10将各测试单元的相邻两块锚定板1按照目标距离临时固定在装配管8中，张贴的应变片应分布在冻胀力测试杆6的水平两侧而非上下部位，将外部保护筒7装配到冻胀力测试杆6上(外部保护筒7的内外也应涂抹凡士林或油以减少摩阻)，对外部保护筒7两端用薄膜包扎以防土颗粒掉落到外部保护筒7内而影响测试；将配置好的土样(比要测的目标位置土层含水量高1～2％)按照目标密度(比目标位置土质密度大0.1～0.3g/cm³)在两个相邻锚定板1之间填充密实，填充过程中注意保护测试杆组件，并在每个测试单元的冻胀力测试杆6上的测试传感器5的一侧放置温度修正探头11；土样填充完毕抽出临时固定插销10；在基坑等工程的临空面目标测试位置开挖与装配管8外径相同的孔洞，深度比所有测试单元总长度长10～50cm，将装配好的测试套件(测试装置+被测试回填土体13+辅助套件)放入挖好的孔洞中，并将外部缺少开口14的部分用土填实；将所有测试单元的数据采集导线连接到采集仪上，再静置5～48h开始测试。

非水平测试装配：非水平测试装配分为竖向及斜向，主要用于冻土地区沟渠、基础、路基、挡土墙等回填土的位移场测试中。回填过程中，在目标测试位置将一个测试单元固定在测试位置，同时按照目标密实度进行回填；回填到本测试单元上部锚定板1时，对外部保护筒7两端用薄膜包扎以防土颗粒掉落到外部保护筒7内而影响测试；然后回填过程中再依次往上布置相应的测试单元。在每个测试单元的冻胀力测试杆6上的测试传感器5的一侧放置温度修正探头11，根据标定的数值对测试数据进行修正。或者，采用与水平测试装配方向相同的方式后开挖置入测试装置。

测试杆全桥贴片与连接方式：冻胀力测试杆6在应变片粘贴区对称位置每侧分别沿轴向和环向(或横向)贴片，如图3所示，共有四片应变片，按照图4所示连接组成全桥测试电路并连接到静态应变采集仪相应的采集通道；桥路中的A点作为电源正端、B点为信号正端、C为电源负端、D为信号负端。

测试装置与采集仪的连接与采集：每一组测试装置(几个测试单元串联到一起共同工作成为一组)可以包括多个测试单元，每个测试单元均为全桥测试电路，将每个测试单元的数据导线通过锚定板1上的数据线预留孔9穿出后连接到采集仪的采集通道，并将此通道设置为全桥电路。测试装置布置到目标位置后，将所有数据连接到采集仪，测试前，先采集10～20组数据，待数据稳定后，将所用通道状态归零(通道平衡)，然后根据需要设置采集间隔(1s～1d)，同时开始采集数据(测试单元和温度探头的)。

冻胀力计算方法：通过采集仪采集各组(位移场)测试装置各单元的数据ε′ti(ti表示ti时刻采集的数值)，首先应该进行温度修正：

εti＝ε′ti+(T0-Tti)×Δε

其中，ε′ti为采集仪采集的应变值，εti为温度修正后真实值，T0为采集仪通道平衡时相应测点处的温度，Tti为某时刻的温度，Δε为环境每变化一度桥路应变变化量。

通过标定数据关系εti～Nti换算出对应时刻的轴力Nti，然后换算测试单元的冻胀力值σti＝Nti/Ai(其中Ai为对应测试单元锚定板1的面积)；数据处理完毕可以绘制位移场的时程关系曲线图，以便分析各土层位移场的变化规律。