一种冻土三维方向导热系数测定装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种冻土三维导热系数测定装置和方法，该装置由温控箱、两体式土样室、加压板组成；加压板通过加压杆与多功能材料实验机接触；两体式土样室由主室和直角形套壁组成；直角形套壁与主室通过套环和螺栓连接；实施方法：首先在主室内依次叠加1?7#土样、然后分别在5#、7#和2#土样与8#土样接触面上布置薄片式导热系数探头，最后叠加8#土样，并依次安设直角形套壁、螺栓、套环和加压板。通过温控箱控制冻土温度和冻融循环过程、通过多功能材料实验机调节冻土所受荷载范围，实现多因素及其耦合作用下冻土三维导热系数的准确测定，并进一步通过垂直加载方向上的导热系数和荷载间的关系推算冻土中水平方向上受到的静止土压力。
【专利说明】一种冻土三维方向导热系数测定装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种冻土三维方向导热系数测定装置和方法，尤其适用于高温冻土在 温度、荷载、环境（冻融循环）多因素耦合条件下三维导热系数以及冻土中静止土压力的测 定。
【背景技术】
[0002] 温度场是进行冻土基础变形和强度计算的基础和前提。而温度场的形成和演化则 与冻土导热系数密切相关。受工程荷载（荷载性质、荷载量值）、作用时间和环境改变（温 度变化、冻融循环）的影响，冻土中微观结构（颗粒-孔隙-冰晶）和冰-水动态平衡不断 发生改变，并直接影响冻土宏观导热系数测定。
[0003] 初始地应力是形成开挖"荷载"的根本原因。无论是未冻土还是冻结土，其静止土 压力的直接测定都存在很多问题，如变形控制与荷载测量，侧壁摩擦与主应力方向，土样尺 寸对静止土压力的影响等均未能得到有效解决。因此，通过间接方法获得土中静止土压力， 特别是获得强结构性的冻土和受冻融影响显著的融土压力具有重要的意义。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明充分考虑了多年冻土地区路基下卧冻土层的受力状态和环境条 件，提供一种冻土三维方向导热系数测定装置和方法，解决了现有冻土在温度、荷载和环境 条件共同作用下导热系数测定方法中存在的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种冻土三维导热系数测定装 置，由温控箱、两体式土样室、加压板和加压杆组成；两体式土样室置于温控箱内，在两体式 土样室的上口有套环，两体式土样室上部有加压板,加压板与加压杆接触，两体式土样室下 部的加压杆穿过温控箱直接与多功能材料实验机接触；两体式土样室由主室和直角形套壁 组成；直角形套壁与主室则通过套环和螺栓连接；
[0006] 主室和直角形套壁上部均留有凸榫，主室与直角形套壁连接处的角点均设有螺栓 孔；主室的外围长边长度是直角形套壁两条直角边长度的2倍；两体式土样室中各叠放上 下两层八块尺寸相同的立方体土样；薄膜式导热系数探头分别位于5# 土样、7# 土样、2# 土 样与8# 土样之间接触面上，薄膜式探头外接到导热系数测试仪上。
[0007] -种冻土三维导热系数测定方法，由以下6个步骤：
[0008] a、制作体积为主室内腔体积1/8的立方体土样，将立方体土样按照 1# - 2# - 3# - 4# - 5# - 6# - 7#的顺序叠放在主室中；
[0009] b、在5# 土样、7# 土样和2# 土样与8# 土样接触面分别布设薄片式导热系数探头， 然后安放8# 土样和直角形套壁；
[0010] c、用套环将直角形套壁与两体式土样室箍紧，用螺栓将直角形套壁与两体式土样 室上下进行固定；
[0011] d、在温控箱内部依次安设两体式土样室，加压板和加压杆，两体式土样室上部通 过加压板与加压杆接触，两体式土样室下部则直接通过加压杆与实验机接触；
[0012] e、通过实验机调整两体式土样室内部冻土所受荷载范围，通过温控箱调整两体式 土样室中冻土温度与冻融循环过程，便可获得多因素及其耦合作用下冻土三维导热系数；
[0013] f、记录导热系数和垂直方向荷载数值，建立荷载值和垂直加载方向导热系数间的 关系式，进一步联合两个水平方向导热系数探头获得的导热系数，推算冻土中静止土压力。
[0014] 本发明与现有技术相比具有以下显著特点和优势：
[0015] 1.利用本发明装置可以测定不同荷载、不同温度、不同冻融循环次数及其耦合条 件下冻土中导热系数，特别适用于冻土中三维导热系数及变化规律研究。根据研究需要可 以布置1个，2个或3个薄膜式导热系数探头，操作灵活。
[0016] 2.利用本发明装置可建立冻土中导热系数与垂直方向荷载间的关系式，进而联合 水平方向的导热系数测定值，推算冻土中静止土压力及各向异性。从而有效克服水平应力 直接测量中存在的问题。
[0017] 3.利用本发明装置可进行不同尺度下的冻土导热系数和静止土压力测定，进而建 立微观结构性定量化分布规律与宏观热力参数间的相互关系。
[0018] 4.本发明装置与现有材料实验机和温控箱联合，荷载和温度施加方式更加灵活多 样，所述的荷载为静载、动载、动静组合荷载；所述的温度为恒温、变温、循环温度。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明装置整体结构剖面图。
[0020] 图2为两体式土样室的立体图。
[0021] 图3为两体式土样室的平面图。
[0022] 图4为两体式土样室内正方体土样叠放顺序。
[0023] 图中：1、套环；2、直角套壁；3、加压板；4、两体式土样室；5、螺栓；6、温控箱；7、主 室；8、上加压杆；9、下加压杆；10、螺栓孔；11、组装后的冻土试样；12、凸榫；13、主室上连 接角点；14、直角形套壁上的角点；15、主室外围长边；16、直角形套壁直角边；17、土样；18、 薄膜式导热系数探头。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0025] -种冻土三维导热系数测定装置，由温控箱6、两体式土样室4,加压板3、上加压 杆8和下加压杆9组成；两体式土样室4置于温控箱6内，在两体式土样室4的上口有套环 1，两体式土样室4上部有加压板3,加压板3与上加压杆8接触，两体式土样室4下部的加 压杆9穿过温控箱6直接与多功能材料实验机接触；所述的两体式土样室4由主室7和直 角形套壁2组成，直角形套壁2与主室7通过套环1和螺栓5连接；主室7和直角形套壁2 上部均留有凸榫12,主室7与直角形套壁2连接处的角点均设有螺栓孔；主室外围长边15 长度是直角形套壁2两条直角边长度的2倍；两体式土样室4中各叠放上下两层八块尺寸 相同的立方体土样；薄膜式导热系数探头18分别位于5# 土样、7# 土样、2# 土样与8# 土样 之间接触面上，薄膜式探头外接到导热系数测试仪上。
[0026] 具体实施时，主室和直角形套壁可采用5?10mm厚的钢板制作，温控箱可按分 体式制冷机和风冷箱制作，加载过程可由MTS或⑶S实验机控制。实验土样的尺寸宜取 50mm?150mm，测试温度范围0?-2°C，精度0· 1°C。
[0027] 本发明使用时，按以下6个步骤操作：
[0028] a、制作体积为主室7内腔体积1/8的立方体土样17,将立方体土样17按照 1# - 2# - 3# - 4# - 5# - 6# - 7#的顺序叠放在主室7中，或者1#?4# 土样也可整体 制作。
[0029] b、在5# 土样、7# 土样、2# 土样与8# 土样接触面上分别布设薄片式导热系数探头 18,或者单独在接触面上布置1或2个探头，然后叠放8# 土样和直角形套壁2 ;
[0030] C、用套环1将直角形套壁2与两体式土样室4箍紧，用螺栓5将直角形套壁2与 两体式土样室4上下进行固定；
[0031] d、在温控箱6内部依次安设两体式土样室4,加压板3和上加压杆8和下加压杆 9,两体式土样室4上部通过加压板3与上加压杆8接触，两体式土样室4下部则直接通过 下加压杆9与实验机接触；
[0032] e、通过实验机调整两体式土样室4内部冻土所受荷载范围，通过温控箱6调整两 体式土样室4中冻土温度与冻融循环过程，便可获得多因素及其耦合作用下冻土三维导热 系数；
[0033] f、记录导热系数和垂直方向荷载数值，建立荷载值和垂直加载方向导热系数间的 关系式，进一步联合两个水平方向导热系数探头18获得的导热系数，推算冻土中静止土压 力。
【权利要求】
1. 一种冻土三维方向导热系数测定装置，其特征是：该测定装置，由温控箱、两体式土 样室由加压板和加压杆组成；两体式土样室置于温控箱内，在两体式土样室的上口有套环， 两体式土样室上部有加压板，加压板与加压杆接触，两体式土样室下部的加压杆穿过温控 箱直接与多功能材料实验机接触；两体式土样室由主室和直角形套壁组成；直角形套壁与 主室则通过套环和螺栓连接；主室和直角形套壁上部均留有凸榫，主室与直角形套壁连接 处的角点均设有螺栓孔；主室的外围长边长度是直角形套壁两条直角边长度的2倍；两体 式土样室中为各叠放上下两层八块尺寸相同的立方体土样；薄膜式导热系数探头分别位于 5# 土样、7# 土样、2# 土样与8# 土样之间接触面上，薄膜式探头外接到导热系数测试仪上。
2. 基于权利要求1所述的一种冻土三维导热系数的测试方法，其特征在于：包括以下 步骤： a、 制作体积为主室内腔体积1/8的立方体土样，将立方体土样按照 1# - 2# - 3# - 4# - 5# - 6# - 7#的顺序叠放在主室中； b、 分别在5# 土样、7# 土样、2# 土样与8# 土样的接触面上分别布设薄片式导热系数探 头（18)，然后安放8# 土样和直角形套壁； c、 用套环将直角形套壁与两体式土样室箍紧，用螺栓将直角形套壁与两体式土样室上 下进行固定； d、 在温控箱内部依次安设两体式土样室，加压板、上加压杆和下加压杆，两体式土样室 上部通过加压板与加压杆接触，两体式土样室下部则直接通过加压杆与实验机接触； e、 通过实验机调整两体式土样室内部冻土所受荷载范围，通过温控箱调整两体式土样 室中冻土温度与冻融循环过程，便可获得多因素及其耦合作用下冻土三维导热系数； f、 记录导热系数和垂直方向荷载数值，建立荷载值和垂直加载方向导热系数间的关系 式，进一步联合两个水平方向导热系数探头获得的导热系数，推算冻土中静止土压力。
【文档编号】G01N25/18GK104215655SQ201410469926
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】赵晓东, 周国庆, 姜雄, 汪平生, 张明 申请人:中国矿业大学