一种便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置

1.本发明涉及建筑工程技术领域，具体而言，涉及一种便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置。


背景技术：

2.人工地层冻结法施工技术是通过低温冷媒在冻结系统中的循环，将所需冻结的土层中的热量进行热质交换，通过人工制冷，使土体中的热量逐渐带出、降温达至冻结温度，形成一种连续性好、强度高且具有封闭隔水性质的临时强度固体。无论是冻土区工程建设，或是地下工程使用人工冻结法处理围岩土体，针对不同的围岩土体类型及赋存环境，需要对土体的冻胀特性进行试验与分析，以预测和指导现场实际操作可能遇到的各种问题。
3.目前土体冻胀试验普遍为现场取样，送至实验室进行试验，但是在运送过程含水量等性质会发生变化。在实验室中，大部分试验方案基于使用冻融循环试验机进行试验，实质即将土样放置于制冷冰柜中，但对于样品的保护、约束没有统一的方式，无法实时监测土体冻胀的体积变化，且由于试验机中的构造及大小限制，一般无法加入相关检测设备。
4.因此，如何设计一种操作便捷测量精度高的土样检测装置成为需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，能够实时监测土体冻胀的体积变化。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现：一种便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，包括：取土组件，用于取样以及盛放土样，整体密封置于保温组件内部；调温组件，环绕在取土组件外部，用于调节土样温度，以对土样进行冻结或融化；传感器组件，设置在取土组件内部，用于监测土样温度；保温组件，套设在取土组件外部，内部盛装液体保温介质，用于隔离外界温度对土样的影响；测量组件，连通保温组件，通过吸纳或释放保温介质的方式获取土样体积的变化量。
7.根据本发明提供的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，优选地，取土组件底部密封，顶部封有乳胶膜套，以使取土组件整体浸没在保温介质中的情况下能够反应出内部土样的体积变化。
8.根据本发明提供的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，优选地，取土组件为底部带有环形刀刃的取土器。
9.根据本发明提供的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，优选地，调温组件为便携式冰箱，取土组件放置于便携式冰箱内部。
10.根据本发明提供的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，优选地，调温组件为换热导管，导管内部循环热介质或冷冻液，换热导管螺旋环绕在取土组件外部，以便于对取土组件进行加热或降温。
11.根据本发明提供的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，优选地，传感器组件具体包括温度传感器和压力传感器，温度传感器为插入型温度传感器或长条形温度传感器，置于土样内部或取土组件的内壁上。
12.根据本发明提供的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，优选地，温度传感器有多个，温度传感器对称布置在取土组件的内壁上或土样内部。
13.根据本发明提供的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，优选地，温度传感器至少两组，每一组为对称设置的两个温度传感器。
14.根据本发明提供的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，优选地，保温组件的主体为不锈钢容器，不锈钢容器的内径大于取土组件的外径，其内径接近取土组件与调温螺旋导管组合外径。
15.本发明取得的有益效果至少包括：可在取样现场进行试验，避免运输途中及实验室取样过程中损失土体含水量等特性造成冻融试验结果不准确的问题，以方便在取样现场即刻将试样进行冻融试验并测量实时变化的冻胀融缩体积。使用本发明可同时进行同一土样的冻融循环试验，同时测量冻结土体膨胀的体积，以及融化过程的土样体积变化，土体中的温度可实时监测。
附图说明
16.图1示出了根据本发明实施例的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置的整体结构示意图。
17.图2示出了根据本发明实施例的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置的取土组件结构示意图。
18.图3示出了根据本发明实施例的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置的取土组件密封后的结构示意图。
19.图4示出了根据本发明实施例的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置的取土组件剖面结构图。
20.图5示出了根据本发明又一个实施例的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置的结构示意图。
具体实施方式
21.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供了一种便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置，包括：取土组件1，用于取样以及盛放土样，整体密封置于保温组件2内部；调温组件3，环
绕在取土组件外部，用于调节土样温度，以对土样进行冻结或融化；传感器组件，设置在取土组件内部，用于监测土样温度；保温组件，套设在取土组件外部，内部盛装液体保温介质，用于隔离外界温度对土样的影响；测量组件4，连通保温组件，通过吸纳或释放保温介质的方式获取土样体积的变化量；其中，取土组件为取土器，其底部带有环形刀刃5。
24.根据上述实施例，优选地，取土组件主体6底部密封，顶部封有乳胶膜套7，以使取土组件整体浸没在保温介质中的情况下能够反应出内部土样的体积变化。
25.根据上述实施例，优选地，调温组件为便携式冰箱，取土组件放置于便携式冰箱内部。
26.根据上述实施例，优选地，调温组件为换热导管，导管内部循环热介质或冷冻液，换热导管螺旋环绕在取土组件外部，以便于对取土组件进行加热或降温。
27.根据上述实施例，优选地，传感器组件具体包括温度传感器9，温度传感器为插入型温度传感器或长条形温度传感器，置于土样内部或取土组件的内壁上。
28.根据上述实施例，优选地，多个温度传感器对称设置在取土组件的内壁上或土样。
29.根据上述实施例，优选地，保温组件的主体为不锈钢容器，不锈钢容器的内径大于取土组件的外径，其内径接近取土组件与调温螺旋导管组合外径。
30.如图3、图4和图5所示，根据本发明的又一个实施例，还公开了便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置的具体使用场景：将取土器(取土组件)垂直放置在钻机取出的土样上，利用重力向下压入土中，随后将外部多余土体去除，底部土体切除，即获得盛有土样的取土器。此操作避免二次拆装对土体的扰动，亦可直接将土样处理后装入取土器内，取土器可根据所需调整尺寸大小。取土器底部放置不透水石11，封闭土样，顶部设置乳胶膜套，用皮筋12加固，既可供土体体积自由涨缩，也可以隔绝防冻液与土样。
31.取土器内壁对称位置布置四处开口，可设置四个温度传感器用于插入型温度传感器(或直接在内壁布置长条形温度传感器)，传感器用于测量土体冻胀及热缩的实时温度变化。
32.取土器外部为调温系统，以螺旋状导管8的形式环绕在取土器外部。冻结时，导管内部循环冷冻液；融化时，导管内部循环热介质。可对同一土体试样进行冻融循环，并随时监测其冻胀力及冻结熔融温度。
33.取土器及调温系统均放置于一个略大于取土器的保温容器中，保温容器材质为高强度不锈钢材料，冻结不易变形。保温容器直径略大于调温系统螺旋导管与取土器组成的系统外径。保温容器内充满防冻液，保温容器侧面底部有进水口13，顶部靠边部分有一细导管14引出，连接液体体积测量瓶15，瓶上有容积刻度，精确至0.01g/cm3，瓶口与大气相连，通过观察瓶内体积变化量计算土体冻胀融缩的体积。细导管14旁边有一排气孔16，用于监测保温组件2中的液体是否充满。使用时，导管14充满液体，体积测量瓶15填充部分液体。
34.不锈钢保温容器外部包裹保温层，可有效防止温度受外界的影响。
35.若不使用制冷系统时，可将装置直接放置在便携式冰箱中直接进行冻结试验；或在在冻土地区可直接放置在室外进行冻胀熔融试验。
36.冻胀高度计算方法：土体冻胀时，土体膨胀体积从试样桶上部顶出，增加的体积将容器内防冻液挤出容器中，进入液体体积测量瓶；土体融缩时，土体积减小，液体流回去容器内。根据不同时间间隔进行测量瓶刻度读数，实时获得液体变化体积v，试样桶横截面面
积a，冻胀高度h＝v/a。
37.本发明提供的便携式土体冻融及冻胀融缩测量装置可利用其便携特性，在取样现场完成土样的冻结，也可顺序完成冻结、融化的冻融循环试验，在试验过程中测量土体积纵向变化以及土体温度的监测，提升了检测便利性和准确性。
38.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。