一种冻土与混凝土相互特性影响的测试设备及其测试方法技术

本发明专利技术公开了一种冻土与混凝土相互特性影响的测试设备及其测试方法，解决了现有技术无法探究混凝土与冻土特性之间的影响，无法找到不影响冻土稳定性的混凝土最佳工作温度的技术问题。测试设备包括嵌套设置的外壳体、内部壳体，外壳体与内部壳体之间为土体试样填充腔，土体试样内壁所围的空间为混凝土填充腔，土体试样填充腔内设置有制冷单元和测温单元。本技术方案中，在土体试样填充腔内填充土样，利用制冷单元进行冷冻，使填充的土样变为冻土，模拟隧道施工时的冻土环境；在混凝土填充腔中填充混凝土，通过测温单元检测冻土的温度变化，通过观察监测冻土的变化及混凝土的等强过程，进而通过重复试验，比较选择适合工程实际应用的混凝土温度。际应用的混凝土温度。际应用的混凝土温度。

【技术实现步骤摘要】
一种冻土与混凝土相互特性影响的测试设备及其测试方法


[0001]本专利技术涉及冻土与混凝土测试
，特别是指一种冻土与混凝土相互特性影响的测试设备及其测试方法。

技术介绍

[0002]冻土是一种温度低于0℃，并且含冰的各种岩石和土壤，对于施工工程而言，冻土属于不良地基性土，容易发生冻胀和融沉现象。使用盾构法进行隧道掘进，对开挖区间进行管片与隧洞间隙回填时，混凝土与冻土进行直接接触，一旦处理措施不当，就会对工程造成不良的影响。由于混凝土最好的等强温度在15
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20℃的范围内，在与冻土接触的过程中会发生热量的传递，导致隧道径向方向一定区域内冻土温度升高，造成冻土融沉，严重时会导致地面的沉降甚至坍塌，对隧道内的支护也存在一定程度的破坏。但如果混凝土的温度过低，会严重减缓其等强的过程，影响管片环缝的螺栓连接，进而影响隧道管片整体强度与防水效果，并会延长整个隧道施工的工期。
[0003]目前对于混凝土等强与冻土融沉影响的研究比较少，大多直接利用新的支护结构或方法，如授权公告号为CN202755980U的技术专利所提出的一种适用于高温多年冻土区的隧道支护结构，该结构自外向内设置有三层结构，分别为初期喷混凝土支护，一次模筑混凝土衬砌和二次模筑混凝土衬砌，取消了系统锚杆；初期喷混凝土支护与一次模筑混凝土衬砌之间设置环向排水管；一次模筑混凝土衬砌与二次模筑混凝土衬砌之间设置全封闭的隔热保温层；二次模筑混凝土衬砌内表面设置隔热保温层和保温板，其整个结构较为复杂，且直接忽略了混凝土温度对冻土特性的影响。/>[0004]经过跨领域检索，申请公布日为2022.08.23、申请公布号为CN 114935586 A的中国专利技术专利申请公开了一种冻土桩基水化热模拟试验装置及试验方法，试验装置包括用于模拟桩基的铝管和用于调节温度的温度控制器，铝管内设置有电热棒，铝管外表面设置有石英砂颗粒层和用于检测铝管表面温度的温度传感器，温度控制器的输出端连接有固态继电器，电热棒与固态继电器连接。
[0005]虽然上述专利技术申请的技术方案应用在冻土桩基水化热模拟试验中，能够模拟混凝土水化热放热温升过程及回冻过程，能够模拟不同桩基总放热量下，但是其技术方案和专利技术目的是探究温度对桩基承载力变化的影响，探明不同桩基放热量下最优承载力问题。但是，并不能用在隧道支护领域，无法探究混凝土与冻土特性之间的影响，找不到不影响冻土稳定性的混凝土最佳工作温度。
[0006]因此，设计一种设备和方法来测试混凝土与冻土特性之间的影响，找到在不影响冻土稳定性的前提下混凝土的最佳工作温度很有必要。

技术实现思路

[0007]针对上述
技术介绍
中的不足，本专利技术提出一种冻土与混凝土相互特性影响的测试设备及其测试方法，解决了现有技术无法探究混凝土与冻土特性之间的影响，无法找到不
影响冻土稳定性的混凝土最佳工作温度的技术问题。
[0008]本申请的技术方案为：一种冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，包括嵌套设置的外壳体、内部壳体，外壳体与内部壳体之间为土体试样填充腔，土体试样内壁所围的空间为混凝土填充腔，所述土体试样填充腔内设置有制冷单元和测温单元。本技术方案中，在土体试样填充腔内填充土样，利用制冷单元进行冷冻，使填充的土样变为冻土，模拟隧道施工时的冻土环境；然后在混凝土填充腔中填充混凝土，通过测温单元检测冻土的温度变化，通过观察监测冻土的变化及混凝土的等强过程，进而通过重复试验，比较选择适合工程实际应用的混凝土温度。
[0009]进一步地，所述内部壳体内嵌套有内壳体，土体试样与内壳体之间为混凝土填充腔。上述技术方案中的混凝土填充腔的截面为圆形，而本技术方案中的混凝土填充腔的截面为环形，能够进一步模拟隧道施工中隧道进行衬砌时的混凝土。
[0010]进一步地，所述内壳体为小圆筒，本技术方案中的混凝土填充腔的截面为圆环形。
[0011]进一步地，所述制冷单元包括设置在土体试样填充腔内的冷却管，冷却管与液氮冷却系统相连。本技术方案中通过液氮进行制冷，不仅制冷效率高，而且液氮能够快速循环，使土体试样填充腔内的土体能够快速冷冻，且各个位置的温度分布均匀、稳定。
[0012]进一步地，所述冷却管呈螺旋状沿内部壳体的长度方向设置，不仅能进一步提高冻土制作的效率，而且能够在进一步保证冻土温度分布的均匀和稳定，最大限度地模拟实际施工中的冻土。
[0013]进一步地，所述测温单元包括设置土体试样填充腔内的温度传感器，温度传感器检测到的温度通过采集仪进行收集，持续监测冻土的温度变化。
[0014]进一步地，所述外壳体为外圆筒，所述内部壳体为大圆筒，，外圆筒、大圆筒、小圆筒同轴设置且两端分别设置有左侧门和右侧门。
[0015]进一步地，所述外圆筒或/和大圆筒或/和小圆筒的两端分别设置有左侧门和右侧门可拆卸连接。
[0016]进一步地，所述温度传感器设置在传感器支架上，传感器支架沿外圆筒的轴线设置有若干环，每一环包括围绕外圆筒轴线等角度布置的若干个传感器支架，各个传感器支架均垂直连接在外圆筒的内壁上。
[0017]进一步地，每个传感器支架上至少设置有两个温度传感器，传感器支架上的各个温度传感器沿外圆筒的直径方向设置在传感器支架的长度方向上。
[0018]进一步地，所述外壳体可拆卸连接有透明的侧门，可以通过侧门直接观察冻土和混凝土的变化。
[0019]进一步地，所述侧门上设置有与混凝土填充腔对应的混凝土注入管。
[0020]进一步地，所述外壳体与内部壳体的直径差远大于内部壳体与内壳体的直径差。
[0021]进一步地，所述外壳体的外壁上连接有支座，当支座支撑在地面上时，所述外壳体相对地面横向放置。
[0022]一种冻土与混凝土相互特性影响的测试方法，包括上述任一项所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，所述测试方法包括为：先在土体试样填充腔内填充土体试样，然后在通过制冷单元对土体试样填充腔内
的土体试样进行冷冻，然后拆卸内部壳体，在混凝土填充腔内注入混凝土，通过测温单元测量土体试样填充腔内各点的温度，观察到土体的融沉现象和状态变化以及混凝土等强的过程，采用不同温度的混凝土进行重复性实验，记录下混凝土等强所用时间和此时土体试样填充腔各点的温度，通过比较选择适合工程实际应用的混凝土温度。
[0023]进一步地，首先将外壳体、内部壳体、内壳体与右侧门进行连接，将测试设备放倒至右侧门着地，将土体试样添加至外壳体、内部壳体之间，土体试样加满之后将左侧门与外壳体连接，然后将测试设备恢复至原位，再将液氮通过冷却管通入至测试设备内部，对土体试样填充腔内的土体进行冷冻，当土体达到冻土状态之后，拆除左侧门和内部壳体，将侧门与外壳体连接，然后将一定温度的混凝土通过混凝土注入管注入至内壳体与冻土之间，注满混凝土之后通过温度传感器测量冻土各点的温度，站在侧门的一侧直接观察土体的融沉现象、状态变化以及混凝土等强的过程，用不同温度的混凝土进行重复性实验，记录下混凝土等强所用时间和此时冻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：包括嵌套设置的外壳体、内部壳体，外壳体与内部壳体之间为土体试样填充腔，土体试样内壁所围的空间为混凝土填充腔，所述土体试样填充腔内设置有制冷单元和测温单元。2.根据权利要求1所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：所述内部壳体内嵌套有内壳体，土体试样与内壳体之间为混凝土填充腔。3.根据权利要求2所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：所述内壳体为小圆筒（6）。4.根据权利要求1
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3任一项所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：所述制冷单元包括设置在土体试样填充腔内的冷却管（2），冷却管（2）与液氮冷却系统相连。5.根据权利要求4所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：所述冷却管（2）呈螺旋状沿内部壳体的长度方向设置。6.根据权利要求1
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3、5任一项所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：所述测温单元包括设置土体试样填充腔内的温度传感器（4）。7.根据权利要求6所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：所述外壳体为外圆筒（1），所述内部壳体为大圆筒（5），外圆筒（1）、大圆筒（5）同轴设置且两端分别设置有左侧门（8）和右侧门（9）。8.根据权利要求7所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：所述外圆筒（1）或/和大圆筒（5）或/和小圆筒（6）的两端分别与左侧门（8）和右侧门（9）可拆卸连接。9.根据权利要求7或8所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：所述温度传感器（4）设置在传感器支架（3）上，传感器支架（3）沿外圆筒（1）的轴线设置有若干环，每一环包括围绕外圆筒（1）轴线等角度布置的若干个传感器支架（3），各个传感器支架（3）均垂直连接在外圆筒（1）的内壁上。10.根据权利要求9所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：每个传感器支架（3）上至少设置有两个温度传感器（4），传感器支架（3）上的各个温度传感器（4）沿外圆筒（1）的直径方向设置在传感器支架（3）的长度方向上。11.根据权利要求1
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3、5、7、8、10任一项所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征在于：所述外壳体可拆卸连接有透明的侧门（7）。12.根据权利要求11所述的冻土与混凝土相互特性影响的测试设备，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚廷民，阳斌，张九宇，徐姣姣，王远志，赵江波，周倩，徐德帆，付玉龙，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：