一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法，装置包括加温控制系统、温度测量系统和沉降测量系统，通过人工控制加温在试验区形成厚度相对稳定的冻土融化层，利用埋设的不同深度的温度传感器测量的土体温度，换算出冻土融化深度，同时沉降测量系统测出该融化层对应的下沉量，二者比值为冻土的融沉系数。温度控制器、交流接触器、温度传感器及电加热棒组成加温控制系统，自动控制电路的开闭以保证加热温度恒定；千分表、数据采集器、数据转换器和计算机组成沉降测量系统，用于测量冻土的沉降量。本发明专利技术可以精确地测量大粒径深埋冻土的的融沉量及融化深度，试验过程自动化程度高，受外界影响较小。

【技术实现步骤摘要】
一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法
本专利技术涉及地质工程与岩土工程
，尤其涉及一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法。
技术介绍
目前冻土的原位融沉试验主要依据《土工试验方法标准GB/T50123-1999》中规定的方法，通过电热或水加热形成融化圈，用百分表人工测量读取其融沉量，融化深度的测量依靠钢钎探测，且试验只是针对埋深较小的细粒土冻土，细粒冻土传热和沉降相对均匀，且人工采用钢钎探测融化深度的精度较差，手工操作控制加热不太方便。然而，在实际工程中针对深埋粗粒土冻土时，传热和沉降不均匀，上述方法无法实施，此时想通过原位融沉试验获取融沉系数十分困难。鉴于此，确有必要设计一种针对粗粒土冻土的原位融沉试验的装置。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置及其实施方法，采用更加自动化的加温方法和沉降测量方式，提供了一种冻土融化深度测量的新思路，提高了试验结果的准确性和可靠性。为实现上述目的，本专利技术采用了一种技术方案：一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，所述原位融沉试验装置包括加温控制系统、温度测量系统和沉降测量系统；所述加温控制系统包括：温度控制装置、加热箱、分别与所述温度控制装置电性连接的第一温度传感器和加热棒；所述加热棒位于加热箱内，用于对所述加热箱进行加热，被加热的加热箱通过热量传递对位于其底部的冻土进行加热，所述第一温度传感器用于测量所述加热箱的温度变化；所述温度测量系统包括：第二温度传感器和与所述第二温度传感器电性连接的温度采集仪；所述第二温度传感器设在冻土的内部，用于测量冻土内部的温度，所述温度采集仪用于采集所述第二温度传感器的测量温度；所述沉降测量系统：包括千分表、固定钢管、墙支脚、位移采集仪和计算机，所述千分表设于所述加热箱的上表面，并通过所述固定钢管和墙支脚固定于探井井壁；所述位移采集仪与千分表电性连接，用于测量冻土融化过程中的沉降量，并将其发送至所述计算机。进一步地，所述温度控制装置包括温度控制器、交流接触器，所述第一温度传感器、加热棒、温度控制器和交流接触器依次串联，形成加热电路，并由所述温度控制器和交流接触器控制加热电路的开闭。进一步地，所述加温控制系统还包括与所述温度控制装置电性连接的接地铜棒。进一步地，所述第二温度传感器至少有一个，且埋设于冻土的预设深度。进一步地，所述沉降测量系统还包括与所述计算机电性连接的数据转换器，以将所述千分表测得的物理位移转换为电信号后传输给所述计算机。进一步地，所述固定钢管通过直角连接片固定在探井井壁上。进一步地，所述沉降测量系统还包括和所述千分表可拆卸地连接的磁性基座，且所述磁性基座固定在所述固定钢管上。进一步地，所述原位融沉试验装置还包括：设于所述加热箱上部的承压装置，且所述承压装置包括支撑钢柱和位于所述支撑钢柱上部的承压钢板。进一步地，所述承压装置与加热箱通过连接钢板连接，所述加热箱内设有工字钢，在所述工字钢的上表面和所述连接钢板均设有螺孔，利用螺栓分别通过所述工字钢和连接钢板的螺孔将二者紧固为一个整体。为实现上述目的，本专利技术采用了另一种技术方案：一种利用上述所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置进行原位融沉试验的方法，包括如下步骤：步骤1：在选定区域开挖探井作为试验区域，在开挖好的探井底部打磨整平出一区域，在该区域正中心划出加温实验区域，并在加温实验区域分别钻若干个不同深度的传感器布置孔；将所述第二温度传感器在不同深度的传感器布置孔中按不同深度间距布置，并漏出探头，将所有第二温度传感器的线引出探井外并与所述温度采集仪接通；步骤2：在探井内预留的位置搭设脚手架，便于试验时人工加载，脚手架靠近探井井壁，预留出试验操作区域；步骤3：将所述加热箱放入加温实验区域，在所述加热箱的四角安装所述千分表、并通过所述固定钢管和墙支脚固定于探井井壁，并给所述千分表的表头压缩；安装所述第一温度传感器、电加热棒，接通所述加温控制装置、温度测量系统、沉降测量系统进行调试，调试完毕关闭所有仪器；步骤4：将连接好的所述支撑钢柱和承压钢板放入探井，对准所述工字钢和连接钢板上的螺孔，用螺栓将所述工字钢和连接钢板紧固为一个整体；步骤5：放下所述承压装置的同时接通所述沉降测量系统和温度测量系统，开始测量沉降；以所述加热箱、承压装置的自重作为第一级荷载，然后依次进行不同荷载的多级加载，设置多个沉降数据的采集时间并分别采集对应的沉降位移值；步骤6：最后一级荷载下沉降稳定后，断开所有仪器，等待探井底部的温度稳定后开始加温；打开所有仪器，设置所述加温控制装置的温度和所述温度采集仪的温度采集时间，沉降位移的采集时间同步骤5，并设置单级加热融化的温度稳定标准；根据温度稳定时所述第二温度传感器的深度所在位置计算冻层融化深度；并依次进行多级温度加温试验；步骤7：试验结束后断开所有测量系统的电源，撤出试验装置，并将加温实验区域融化深度内的冻土进行编录，记录粗粒土的含量和组成结构；根据各级加温下的冻土温度监测计算出来的融化深度和所述沉降测量系统得到的融化沉降值，计算出冻土的融沉系数，根据融化过程中温度及沉降的变化特征分析冻土的融沉特性。本专利技术的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本装置可以用于粗粒土甚至土石混合体冻土的原位融沉试验，对埋深较大的冻土也适用；(2)各部分自动化控制程度高，操作简单，得到了试验数据量大且更加准确，融化深度的测量、加热温度的控制方法都比传统试验简单；(3)整套系统所需的设备及材料较为常见，便于获取和加工。附图说明图1为本专利技术的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置的整体示意图；图2为本专利技术的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置的整体侧视图；图3为本专利技术的加热箱的俯视图；图4为本专利技术的加热及控制系统的电路连接示意图；图5为本专利技术的墙支脚的截面图。图中：1-加热箱，2-第一温度传感器，3-电加热棒，4-工字钢，5-连接钢板，6-加热箱内通孔，7-千分表，8-磁性基座，9-螺栓，10-直角连接片，11-固定钢管，12-支撑钢柱，13-承压钢板，14-计算机，15-数据转换器，16-加温控制装置，17-第二温度传感器，18-位移采集仪，19-温度采集仪，20-接地铜棒，21-通气孔，22-吊耳，23-螺孔，24-交流接触器，25-温度控制器，26-墙支脚，100-加温控制系统，200-温度测量系统，300-沉降测量系统，400-承压装置。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。如图1和2所示，本专利技术提供了一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，所述原位融沉试验装置包括加温控制系统100、温度测量系统200和沉降测量系统300，所述加温控制系统100用于控制加温在试验区形成厚度相对稳定的冻土融化层；所述温度测量系统200利用测量的温度间接计算出冻土的融化深度；所述沉降测量系统300用于测量融化层的下沉量。所述加温控制系统100包括加热箱1、第一温度传感器2、加热棒3、温度控制装置16，所述第一温度传感器2、加热棒3分别与所述温度控制装置16电性连接。所述温度控制装置16包括温度控制器25、交流接触器24(参见图4)，其中所述第一温度传感器2、加热棒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述原位融沉试验装置包括加温控制系统、温度测量系统和沉降测量系统；所述加温控制系统包括：温度控制装置、加热箱、分别与所述温度控制装置电性连接的第一温度传感器和加热棒；所述加热棒位于加热箱内，用于对所述加热箱进行加热，被加热的加热箱通过热量传递对位于其底部的冻土进行加热，所述第一温度传感器用于测量所述加热箱的温度变化；所述温度测量系统包括：第二温度传感器和与所述第二温度传感器电性连接的温度采集仪；所述第二温度传感器设在冻土的内部，用于测量冻土内部的温度，所述温度采集仪用于采集所述第二温度传感器的测量温度；所述沉降测量系统：包括千分表、固定钢管、墙支脚、位移采集仪和计算机，所述千分表设于所述加热箱的上表面，并通过所述固定钢管和墙支脚固定于探井井壁；所述位移采集仪与千分表电性连接，用于测量冻土融化过程中的沉降量，并将其发送至所述计算机。

【技术特征摘要】
1.一种用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述原位融沉试验装置包括加温控制系统、温度测量系统和沉降测量系统；所述加温控制系统包括：温度控制装置、加热箱、分别与所述温度控制装置电性连接的第一温度传感器和加热棒；所述加热棒位于加热箱内，用于对所述加热箱进行加热，被加热的加热箱通过热量传递对位于其底部的冻土进行加热，所述第一温度传感器用于测量所述加热箱的温度变化；所述温度测量系统包括：第二温度传感器和与所述第二温度传感器电性连接的温度采集仪；所述第二温度传感器设在冻土的内部，用于测量冻土内部的温度，所述温度采集仪用于采集所述第二温度传感器的测量温度；所述沉降测量系统：包括千分表、固定钢管、墙支脚、位移采集仪和计算机，所述千分表设于所述加热箱的上表面，并通过所述固定钢管和墙支脚固定于探井井壁；所述位移采集仪与千分表电性连接，用于测量冻土融化过程中的沉降量，并将其发送至所述计算机。2.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述温度控制装置包括温度控制器、交流接触器，所述第一温度传感器、加热棒、温度控制器和交流接触器依次串联，形成加热电路，并由所述温度控制器和交流接触器控制加热电路的开闭。3.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述加温控制系统还包括与所述温度控制装置电性连接的接地铜棒。4.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述第二温度传感器至少有一个，且埋设于冻土的预设深度。5.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述沉降测量系统还包括与所述计算机电性连接的数据转换器，以将所述千分表测得的物理位移转换为电信号后传输给所述计算机。6.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述固定钢管通过直角连接片固定在探井井壁上。7.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述沉降测量系统还包括和所述千分表可拆卸地连接的磁性基座，且所述磁性基座固定在所述固定钢管上。8.根据权利要求1所述的用于粗粒土冻土的原位融沉试验装置，其特征在于：所述原位融沉试验装置还包括：设于所述加热箱上部的承压装置，且所述承压装置包括支撑钢柱和位于所述支撑钢柱上部的承压钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓清禄，伍运霖，胡学军，安鹏举，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42