一種適用于天然鹽漬土的凍融循環檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種適用于天然鹽漬土的凍融循環檢測裝置，用于檢測在自然環境條件下鹽漬土的形成過程，檢測鹽漬土在多次凍融循環過程中凍脹與溶陷的變化規律。該裝置的試樣筒上部連接一個低溫恒溫箱，用于檢測自然狀態下的溫度變化，溫度的設置根據地區的氣溫決定；試樣筒底部也固定溫度控制頭，檢測在自然條件下土體之間的溫度設置為+5℃；在底部的溫度控制頭上，連接有補水器，用于檢測自然條件下地下水與鹽分的補給。采用本發明提供的天然鹽漬土凍融循環檢測裝置，能夠較好地反映鹽漬土的凍融循環機理，為鹽漬土地區的工程建設提供參考。
【專利說明】—種適用于天然鹽漬土的凍融循環檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及土木工程儀器【技術領域】，對天然鹽潰土在自然環境下的凍融現象進行模擬并進行全自動數字檢測，研究天然鹽潰土在多次凍融循環過程中的變化規律，為工程建設中鹽潰土的控制與治理提供依據。
【背景技術】
[0002]隨著國家西部大開發戰略的實施,加大對西部地區基礎設施的投資建設是必然的。許多基礎設施在建設過程中遇到了鹽潰土地層及路基，如青藏鐵路、蘭新鐵路、哈密至羅布泊鐵路等；所以深入研究鹽潰土的形成機理和變化規律，成為目前研究鹽潰土的一個首要問題。
[0003]西部地區是我國鹽潰土分布最多的地區，該地區的早晚溫差大及受季節的溫差變化等特殊環境，使鹽潰土中的鹽分發生遷移、凝聚、凍融等現象，給建筑物造成巨大危害，這些特殊環境對鹽潰土的作用相似于凍融循環作用。而且鹽潰土的工程性質不僅與含水率、含鹽量及土體的密實度等因素有關，還將更多受環境綜合因素的影響，所以對鹽潰土進行自然環境下的凍融循環模擬試驗研究，綜合分析鹽潰土的機理很有必要。
[0004]當前學者對鹽潰土的研究，主要方法是在土體中加入一定鹽分后進行制樣，研究加入鹽分后土體的力學性質和把試樣放入冰箱中進行凍融循環，模擬自然環境的溫度變化，試驗完成后，研究試樣的力學相關參數的變化規律，這種方法的主要的缺點是難以真正地研究鹽潰土在自然環境下的真實狀態。包衛星等在“典型天然鹽潰土多次凍融循環鹽脹試驗研究[J].巖土工程學報，2006，11:1991-1995.”中也對鹽潰土進行模擬實驗研究，后續一些學者也應用該裝置進行了鹽潰土相關性質的研究。雖然該裝置模擬了自然環境的溫度變化和水分的補給等條件，但是還有很多不妥之處如下:(I)補水器不能恒定地像試樣提供水分，以及準確地調節水位高度，難以真實地模擬自然環境中地下水的補給；(2)在試樣進行外部保溫時，保溫層不能進行嚴格的保溫，即使實施保溫措施后也不利于在外部觀察鹽潰土的變化情況；(3)測量鹽潰土的凍脹時，該裝置上部的制冷頭的重量實質上抑制了鹽潰土的部分凍脹量，同時也對鹽潰土的內部結構造成破壞，應用百分表測得的數據偏小，不能準確地模擬出鹽潰土的凍脹量；(4)在分析溫度、水分和鹽分等影響因素時，該裝置僅對溫度進行了監測，鹽分與水分僅在每次凍融循環后，取樣后進行測量。一方面操作比較繁瑣，另一方面取樣時，選擇取樣位置偶然誤差很大，難以實現對影響因素的同時監測；
[5]該裝置僅能對鹽潰土的凍脹進行測量，而溶陷也是鹽潰土的重要工程性質之一，但是該裝置無法解決。總之，雖然該裝置對鹽潰土進行了自然環境變化和水分對鹽潰土影響的模擬，但是對鹽潰土的自然環境的模擬還遠遠不足，研究結果與工程實際也有一定的差距，直接應用于工程建設偏于危險。
[0005]本發明為了深入研究天然鹽潰土在自然環境條件下，鹽潰土水分、鹽分、溫度等因素對凍脹與溶陷的影響規律，以及水、鹽分的遷移規律，設計了全自動數字天然鹽潰土凍融循環模擬試驗裝置，應用計算機對其進行全自動控制，對其進行室內多次凍融循環模擬試驗；研究鹽潰土在模擬自然條件下的多次凍融循環過程中，凍脹與溶陷以及各影響因素的變化規律，應用計算機對全過程進行數據采集，采集的科學數據具有重要的現實意義與實用價值。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于:提供的一種適用于天然鹽潰土的凍融循環檢測裝置，實現在室內條件下對天然鹽潰土進行多次凍融循環檢測，找到了各影響因素對凍脹與溶陷的影響規律，對工程設計提供科學數據。
[0007]本發明的目的是這樣實現的:一種適用于天然鹽潰土的凍融循環檢測裝置，由上部低溫恒溫箱1、調節水位控制板2、恒流箱3、連通管4、水分回流瓶5、流量瓶6、流量控制器7、固定螺絲8、溫度感應器連接線管9、上部溫度控制頭10、排氣孔螺絲11、流量連接管12、激光測距器13、灑水板14、水蒸氣回流槽15、水分傳感器連接線管16、鹽分傳感器連線管17、雙層真空有機玻璃保溫試樣筒18、溫度感應器19、水分傳感器20、鹽分傳感器21、補水器22、排水閥23、下部溫度控制頭24、下部低溫恒溫箱25、試驗臺26、計算機27、信息控制系統28構成；
[0008]固定在試驗臺26上的檢測裝置的上部分別設置上部溫度控制頭10、排氣孔螺絲
11、流量連接管12、激光測距器13;其中上部溫度控制頭10連接上部低溫恒溫箱1，激光測距器13連接信息控制系統28;在上部溫度控制頭10的內部設置灑水板14與水蒸氣回流槽15，水蒸氣回流槽15連接水分回流瓶5 ;在均布有密集漏水孔的灑水板14上設置流量連接管12，流量連接管12連接流量控制器7與流量瓶6，其中流量控制器7與信息控制系統28連接；
[0009]固定在試驗臺26上的檢測裝置中部的真空有機玻璃保溫試樣筒18為圓柱體，布設在上部的溫度控制頭10的螺絲8固接圓柱體；在圓柱體的土層內分層布設溫度感應器19、水分傳感器20、鹽分傳感器21，其中溫度感應器19、水分傳感器20與鹽分傳感器21的線路分別通過溫度感應器連接線管9、水分傳感器連接線管16、鹽分傳感器連線管17固定在內壁塑料管內與信息控制系統28連接；
[0010]固定在試驗臺26上的檢測裝置的下部設置環行凸凹槽補水器22與下部溫度控制頭24，其中下部溫度控制頭24連接著下部低溫恒溫箱25;設置在補水器22兩側的螺絲固接真空有機玻璃保溫試樣筒18，其中在補水器22內放置濾紙與透水石；補水器22的一端安裝著排水閥23，另一端安裝著連通管4，連通管4的支管上分接著變水頭恒流箱3，恒流箱內設置調節水位控制板2;
[0011]其中信息控制系統28與計算機27連接。
[0012]所述檢測裝置，檢測分步實施；
[0013]步驟I試樣檢測:采用輕型擊實試驗的方法，在每層25次擊實功的條件下，分層進行擊實制樣，測定研究土樣的最優含水率和最大干密度，按設計的要求加入所需的水量，試樣密封悶料24h備用；其中設定試樣擊實后的密度為Smax*0.95;
[0014]步驟2試樣制備方式:試樣筒內涂抹凡士林后裝入步驟I試樣；試樣分層裝入，每層層高控制為IOcm ;在每層土樣的中部的同一水平面上分別埋置溫度感應器、水分傳感器及鹽分傳感器，并將各傳感器與各自的導線連接；在擊實最后一層試樣后，用環刀刮平試樣，在試樣的上面放置濾紙和超薄透水石；
[0015]步驟3儀器連接:
[0016]I)將下部溫度控制頭與下部低溫恒溫箱連接，補水器與恒流箱連接；調整恒流箱中的恒定流的擋板的高度，使補給水剛好接觸試樣；
[0017]2)將固定在試樣筒上的上部的溫度控制頭，直接與上部低溫恒溫箱連接；
[0018]3)灑水板上設置的流量連接管連接流量控制器和流量瓶的管線；
[0019]4)水蒸氣回流槽與水分回流瓶的連接，實現水蒸氣遇冷后凝結形成液體的回收；
[0020]5)溫度感應器、水分傳感器、鹽分傳感器、激光測距器、流量控制器分別連接著信息控制系統，信號經處理后再與計算機連接，對多次凍融循環過程進行全程控制。
[0021]步驟4試驗條件設定:上端溫度控制頭的設定溫度為所研究的鹽潰土地區的最低溫度，下部溫度控制頭溫度設定為+5°C ;凍融循環周期為48h，每半小時記錄一次。
[0022]步驟5溶陷性的設定:在研究地表水與溶陷性的關系時，每30min加入一次水，每次加水量為400?600g ;在研究地下水位與溶陷性的關系時，通過調節恒流箱中的控制板，每30min調節一次控制板,每次調節水位的增長高度為4?8cm。
[0023]所述檢測裝置，在裝置上部溫度控制頭10的頂部設置的激光測距器13相鄰之間的夾角為120°。
[0024]所述檢測裝置，在試樣筒18的圓柱體內壁上固接塑料管，塑料管相鄰之間的夾角為 120。。
[0025]本發明研究機理與作用:研究天然鹽潰土在自然條件下受季節交替和溫度變化等因素的凍脹與溶陷的變化規律，除了需要在室外進行觀察研究，同時也需要對其進行室內模擬試驗，研究天然鹽潰土的變化規律。在設計裝置的上部與下部各連接一個固定的溫度控制頭，用于對其進行溫度控制，模擬自然條件下的溫度變化；在裝置下部連接的溫度控制頭中連接有補水器，用于模擬地下水和鹽分的遷移情況；在試樣筒的上部設置一個灑水板，使灑落在土體上的水分比較均勻；連接灑水板的為流量控制器與流量瓶，用于對水量進行控制，給出水量與溶陷性的關系；在保溫筒內部的土體里分層對稱布置著溫度感應器、水分傳感器、鹽分傳感器，用于檢測溫度、水分、鹽分等因素的變化規律；在頂部的溫度控制頭上安裝有三個激光測距器，用于監測在凍融循環過程中鹽潰土凍脹量與溶陷量的變化規律；溫度感應器、水分傳感器、鹽分傳感器、激光測距器均與信息控制系統和計算機連接，計算機對其進行定時控制監測；該裝置的模擬實驗直觀精準，易操作，獲得的數據真實可靠，彰顯技術進步。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]下面將結合附圖對本發明作進一步說明。
[0027]附圖1為本發明裝置的結構示意圖；【專利附圖】

【附圖說明】:
[0028]如圖所示:1-上部低溫恒溫箱、2-調節水位控制板、3-恒流箱、4-連通管、5-水分回流瓶、6-流量瓶、7-流量控制器、8-固定螺絲、9-溫度感應器連接線管、10-上部溫度控制頭、11-排氣孔螺絲、12-流量連接管、13-激光測距器、14-灑水板、15-水蒸氣回流槽、16-水分傳感器連接線管、17-鹽分傳感器連接線管、18-雙層真空有機玻璃試樣筒、19-溫度感應器、20-水分傳感器、21-鹽分傳感器、22-補水器、23-排水閥、24-下部溫度控制頭、25-下部低溫恒溫箱、26-試驗臺、27-計算機、28-信息控制系統。
[0029]附圖2為上部溫度控制頭安裝部件的俯視示結構意圖；
[0030]如圖所示:10_上部溫度控制頭、11-排氣孔螺絲、12-流量連接管、13-激光測距器。
[0031]附圖3為上部溫度控制頭內安裝灑水板部件的結構示意圖；
[0032]如圖所示:10_上部溫度控制頭、11-排氣孔螺絲、12-流量連接管、14-灑水板、15-水蒸氣回流槽。
[0033]附圖4為安裝的灑水板部件的俯視結構示意圖；
[0034]如圖所示:12_流量連接管、14-灑水板。
[0035]附圖5為安裝真空有機玻璃保溫試樣筒部件的俯視結構示意圖；
[0036]如圖所示:9_溫度感應器連接線管、16-水分傳感器連接線管、17-鹽分傳感器連接線管、18-雙層真空有機玻璃試樣筒、19-溫度感應器、20-水分傳感器、21-鹽分傳感器。
[0037]附圖6 (A-A)為水分傳感器與管線連接的剖面示意圖；
[0038]如圖所示:16_水分傳感器連接線管、20-水分傳感器。
[0039]附圖7為補水器部件的俯視結構示意圖；
[0040]如圖所示:22_補水器:23_排水閥。
[0041]附圖8為下部溫度控制頭內安裝補水器部件的結構示意圖；
[0042]如圖所示:22_補水器:23_排水閥、24-下部溫度控制頭。
【具體實施方式】
[0043]本發明結合實施例作進一步說明。
[0044]( I)試驗前檢測
[0045]按土工試驗規范SL237-1999擊實實驗的要求，采用輕型擊實試驗的方法，在每層25次擊實功的條件下，分三層進行擊實制樣測定試樣土體的最優含水率和最大干密度；設計裝入檢測裝置土樣的密度為Smax*0.95，對土樣按設計的要求利用噴水設備往土樣上均勻地噴灑所需加水量，均勻攪拌并密封悶料24h，再向試樣筒中加入土料進行制樣，同時對儀器及組件進行檢查，并空載運行是否正常進行判斷。
[0046](2)試樣制備
[0047]將養生好的土樣分六次裝入試樣筒，并進行制樣。在裝樣前，將試樣筒的內部涂抹一層凡士林，以減少土與內壁間的摩擦力，每次加入土體質量為IOkg,按設計的擊實功對土體進行擊實，擊實完成后每層土樣的控制高度為10cm，；在每次擊實中，在土體中部分別埋置溫度感應器、水分傳感器及鹽分傳感器，使其每層在同一水平面上，并位于每層土體的中部位置，把各傳感器與各自的導線連接，在最后一層土樣擊實后，用環刀刮平試樣，在試樣的上部放置濾紙和特制的超薄透水石，這樣一方面不影響水分的蒸發，另一方面也有利于激光測距器更加準確地測量土樣在凍融循環過程中高度的變化量，減少偶然性。
[0048](3)儀器連接
[0049]在補水器上放置濾紙與透水石，用螺絲把真空有機玻璃保溫試樣筒固定在補水器上，把下部溫度控制頭與下部低溫恒溫箱連接，補水器與恒流箱連接；調整恒流箱中的恒定流的擋板的高度變化水頭，觀察連通管中水位的高度，使補給水剛好接觸試樣，再把上部的溫度控制頭也固定在試樣筒上，直接把其與上部低溫恒溫箱連接；連接好灑水板與流量控制器和流量瓶的管線，能夠實現模擬地表水對鹽潰土溶陷性的模擬；水蒸氣回流槽與水分回流瓶的連接，實現水蒸氣遇冷后凝結形成液體的回收，最后把溫度感應器、水分傳感器、鹽分傳感器、激光測距器、流量控制器與信息控制系統進行連接，信號經過處理后再與計算機連接，用計算機對多次凍融循環過程進行全程控制，監測并記錄各影響因素的變化值。
[0050](4)試驗條件設定
[0051]試樣的上端溫度控制頭模擬的是外界環境溫度對土體的作用，一般依據當地的最低溫度確定；下部溫度控制頭是對土體內部之間的溫度模擬，實質上當外界溫度發生劇烈變化時，一定深度的土體之間溫度變化很小，根據試驗經驗，一般溫度控制為+5°C ;以實現氣溫降低時土壤溫度從上部向下部逐漸變化的現象，每一次凍融循環降溫過程持續24h;當降溫過程結束后，調節上部的恒溫箱，設定溫度為當地溫度的最高值，下部的恒溫箱依舊設置溫度為+5°C，讓溫度回升以模擬來年土壤溫度逐漸上升的自然現象，此過程也維持24h，即48h為一個凍融循環周期。用計算機設定每半小時記錄一次溫度、水分、鹽分及凍脹量的數值，根據監測的數據，分析經歷多次凍融循環后鹽潰土各影響因素及凍脹的變化規律，探究天然鹽潰土的凍融循環機理。
[0052](5)溶陷性的測定
[0053]在進行多次凍融循環后，觀察鹽潰土的鹽脹累加性不再明顯時，說明鹽潰土在凍融循環過程中已達到平衡狀態，對其進行鹽潰土的溶陷性質研究，在研究地表水與溶陷性的關系時,通過流量控制器控制水量,每30min加入一次水，每次加水量為500g,觀察每次加水后土體高度變化量與加水量之間的關系；在研究地下水位與溶陷性的關系時，通過調節恒流箱中的控制板，每30min調節一次控制板,每次調節水位的增長高度為5cm,觀察在地下水位升高后，土體的高度變化量，研究地下水位變化量與土體高度變化量的關系；通過研究地表水和地下水與土體高度變化之間的關系，綜合分析鹽潰土的溶陷性質。
[0054](6)應用范圍
[0055]I)對天然鹽潰土進行凍融循環模擬，分析在凍融循環過程中溫度、水分、鹽分及鹽凍脹與溶陷的變化規律。
[0056]2)對天然凍土進行凍融循環模擬，分析凍土在凍融循環過程中溫度、水分及凍脹量的變化規律。
[0057]3)對同一土樣進行多次凍融循環，分析該土體在凍脹與鹽脹之間的內在聯系。
[0058]4)對改良后的鹽潰土進行多次凍融循環，分析改良后的土樣在經歷多次凍融循環后的的改良效果，判別能否滿足工程建設的要求。
[0059]5)在天然鹽潰土的多次凍融循環過程中，為了方便利用電鏡掃描凍融循環過程中，各層的微觀結構變化；可在每次凍融循環結束后，直接取樣制備切片，用于觀察土體的內部結構。
【權利要求】
1.一種適用于天然鹽潰土的凍融循環檢測裝置，其特征在于:裝置由上部低溫恒溫箱(I)、調節水位控制板(2)、恒流箱(3)、連通管(4)、水分回流瓶(5)、流量瓶(6)、流量控制器(7)、固定螺絲(8)、溫度感應器連接線管(9)、上部溫度控制頭(10)、排氣孔螺絲(11)、流量連接管(12)、激光測距器(13)、灑水板(14)、水蒸氣回流槽(15)、水分傳感器連接線管(16)、鹽分傳感器連線管(17)、雙層真空有機玻璃保溫試樣筒(18)、溫度感應器(19)、水分傳感器(20)、鹽分傳感器(21)、補水器(22)、排水閥(23)、下部溫度控制頭(24)、下部低溫恒溫箱(25)、試驗臺(26)、計算機(27)、信息控制系統(28)構成；固定在試驗臺(26)上的檢測裝置的上部分別設置上部溫度控制頭(10)、排氣孔螺絲(II)、流量連接管(12)、激光測距器(13);其中上部溫度控制頭(10)連接上部低溫恒溫箱Cl),激光測距器(13)連接信息控制系統(28);在上部溫度控制頭(10)的內部設置灑水板(14)與水蒸氣回流槽(15)，水蒸氣回流槽(15)連接水分回流瓶(5);在均布有密集漏水孔的灑水板(14)上設置流量連接管(12)，流量連接管(12)連接流量控制器(7)與流量瓶(6)，其中流量控制器(7)與信息控制系統(28)連接；固定在試驗臺(26)上的檢測裝置中部的真空有機玻璃保溫試樣筒(18)為圓柱體，布設在上部的溫度控制頭(10)的螺絲(8)固接圓柱體；在圓柱體內分層布設溫度感應器(19)、水分傳感器(20)、鹽分傳感器(21)，其中溫度感應器(19)、水分傳感器(20)與鹽分傳感器(21)的線路分別通過溫度感應器連接線管(9)、水分傳感器連接線管(16)、鹽分傳感器連線管(17)固定在內壁塑料管內與信息控制系統(28)連接； 固定在試驗臺(26)上的檢測裝置的下部設置環行凸凹槽補水器(22)與下部溫度控制頭(24)，其中下部溫度控制頭(24)連接著下部低溫恒溫箱(25);設置在補水器(22)兩側的螺絲固接真空有機玻璃保溫 試樣筒(18)，其中在補水器(22)內放置濾紙與透水石；補水器(22)的一端安裝著排水閥(23)，另一端安裝著連通管(4)，連通管(4)的支管上分接著變水頭恒流箱(3 )，恒流箱內設置調節水位控制板(2 ); 其中信息控制系統(28)與計算機(27)連接。
2.根據權利要求1所述檢測裝置，其特征在于:檢測分步實施； 步驟I試樣檢測:采用輕型擊實試驗的方法，在每層25次擊實功的條件下，分層進行擊實制樣，測定研究土樣的最優含水率和最大干密度，按設計的要求加入所需的水量，試樣密封悶料24h備用；其中設定試樣擊實后的密度為Smax*0.95; 步驟2試樣制備方式:試樣筒內涂抹凡士林后裝入步驟I試樣；試樣分層裝入，每層層高控制為IOcm ;在每層土樣的中部的同一水平面上分別埋置溫度感應器、水分傳感器及鹽分傳感器，并將各傳感器與各自的導線連接；在擊實最后一層試樣后，用環刀刮平試樣，在試樣的上面放置濾紙和超薄透水石； 步驟3儀器連接: 1)將下部溫度控制頭與下部低溫恒溫箱連接，補水器與恒流箱連接；調整恒流箱中的恒定流的擋板的高度，使補給水剛好接觸試樣； 2)將固定在試樣筒上的上部的溫度控制頭，直接與上部低溫恒溫箱連接； 3)灑水板上設置的流量連接管連接流量控制器和流量瓶的管線； 4)水蒸氣回流槽與水分回流瓶的連接，實現水蒸氣遇冷后凝結形成液體的回收； 5)溫度感應器、水分傳感器、鹽分傳感器、激光測距器、流量控制器分別連接著信息控制系統，信號經處理后再與計算機連接，對多次凍融循環過程進行全程控制； 步驟4試驗條件設定:上端溫度控制頭的設定溫度為所研究的鹽潰土地區的最低溫度，下部溫度控制頭溫度設定為+5°C ;凍融循環周期為48h，每半小時記錄一次； 步驟5溶陷性的設定:在研究地表水與溶陷性的關系時，每30min加入一次水，每次加水量為400 600g ;在研究地下水位與溶陷性的關系時，通過調節恒流箱中的控制板，每30min調節一次控制板,每次調節水位的增長高度為4 8cm。
3.根據權利要求1所述檢測裝置，其特征在于:在裝置上部溫度控制頭(10)的頂部設置的激光測距器(13)相鄰之間的夾角為120°。
4.根據權利要求1所述檢測裝置，其特征在于:在試樣筒(18)的圓柱體內壁上固接塑料管，塑料管相鄰之間的夾角為120°。
【文檔編號】G01N25/00GK103743771SQ201310648394
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】張遠芳, 張凌凱, 劉亮, 慈軍, 王建祥, 陳亮亮, 喬箭, 馬鐵成, 張蘇 申請人:新疆農業大學