一种便携式盐渍土现场原位冻胀及溶陷检测装置的制作方法

本发明属于工程冻土学技术领域，涉及一种便携式盐渍土现场原位冻胀及溶陷检测装置。

背景技术：

许多基础设施在建设过程中遇到了盐渍土地层及路基，如青藏铁路、兰新铁路、哈密至罗布泊铁路及青海新疆等地大量修建的火电站、风电设施等，所以深入研究盐渍土的形成机理和变化规律，成为目前研究盐渍土的一个重要课题。

盐渍土是一种特殊地区性土，西北地区是我国盐渍土分布最广的地区，该地区早晚温差大及受季节性温差变化等特殊环境的影响，使得盐渍土中的盐分发生迁移、凝聚、冻融等现象，从而影响了盐渍土地基承载力，给建筑物造成巨大危害。盐渍土的工程性质不仅与含水率、含盐量及土体的密实度等因素有关，还将更多受环境综合因素的影响，所以对盐渍土进行自然环境下的冻融循环及溶陷试验研究，综合分析盐渍土的机理很有必要。当前学者对盐渍土的研究，主要方法是在土体中加入一定盐分后进行制样，研究加入盐分后土体的力学性质和把试样放入冰箱中进行冻融循环，模拟自然环境的温度变化，或是采用重塑盐渍土进行室内试验，试验完成后，研究试样的力学相关参数的变化规律，如cn103743771a、cn107132128a、cn106501489a、cn203148930u等，这些方法的主要的缺点是难以真正地研究盐渍土在自然环境下的真实状态，虽然cn108333329a提出了一种现场测定硫酸盐渍土盐胀性的试验装置，但其用途单一、构造简单、难以对天然原状盐渍土的物理性质进行全面而精确的测量。

因此需要设计一种装置，该装置能够深入研究天然盐渍土在自然环境条件下，盐渍土水分、盐分、温度等因素对冻胀与溶陷的影响规律，以及水、盐分的迁移规律，这将对盐渍土地区土样原位测试工作的推动和发展具有重要的现实意义与实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种便携式盐渍土现场原位冻胀及溶陷检测装置，该装置能够研究天然盐渍土在原位条件下，盐渍土水分、盐分及温度对冻胀与溶陷的影响规律，以及水、盐分的迁移规律。

为达到上述目的，本发明所述的便携式盐渍土现场原位冻胀及溶陷检测装置包括保护罩以及设置于保护罩内的双层试样桶、荷载传力柱、洒水板、供水系统、制热制冷系统、柱式复合传感器信号处理系统、激光测距仪显示屏、激光测距仪信号传输线及激光测距仪信号处理系统；

待测试验土样位于双层试样桶内，双层试样桶的顶部开口处设置有试样桶盖板，荷载传力柱的顶部设置有标准荷载定位杆，荷载传力柱的下端穿过试样桶盖板后放置于防滑垫板上，待测试验土样位于双层试样桶内，防滑垫板位于待测试验土样上，洒水板固定于试样桶盖板的内侧，且洒水板正对待测试验土样，双层试样桶的内壁上设置有环状水带，供水系统与洒水板的入水口及环状水带的入水口相连通，制热制冷系统与双层试样桶侧壁的内腔相连通；

待测试验土样的内部自上到下埋设有若干层柱式复合传感器，各层柱式复合传感器沿周向布置；各柱式复合传感器的输出端与柱式复合传感器信号处理系统相连接；

试样桶盖板的内侧设置有用于检测试样桶盖板与待测试验土样之间间距的激光测距仪，所述激光测距仪的输出信号通过激光测距仪信号传输线经激光测距仪信号处理系统处理后，在激光测距仪显示屏上进行显示。

所述双层试样桶包括上双层有机玻璃试样桶、下双层有机玻璃试样桶及试样桶对接箍圈螺栓，其中，上双层有机玻璃试样桶位于下双层有机玻璃试样桶上，且上双层有机玻璃试样桶与下双层有机玻璃试样桶之间设置有试样桶水平接缝绝热密封胶条，试样桶对接箍圈螺栓通过箍圈分别将上双层有机玻璃试样桶及下双层有机玻璃试样桶的半圆形双层有机玻璃试样桶腔体相连接，并且在接缝内设置有试样桶纵向接缝绝热密封胶条，上试样桶与下试样桶由上下试样桶连接螺栓连为整体。

加载装置包括荷载传力柱，其中，荷载传力柱的顶部正中心焊接有定位杆，标准荷载的中心孔套接于定位杆上，且标准荷载放置于荷载传力柱上。

柱式复合传感器通过柱式复合传感器信号传输线与柱式复合传感器信号处理系统相连接，柱式复合传感器信号处理系统粘接于双层试样桶的外壁上，柱式复合传感器信号处理系统连接有柱式复合传感器信号显示屏。

制冷制热系统包括第一制冷制热系统、第二制冷制热系统、介质输出管及介质输入管，其中，第一制冷制热系统及第二制冷制热系统的出口与介质输入管的入口相连通，介质输入管的出口通过第四阀门及第三阀门分别与上试样桶腔体入口及下试样桶腔体入口相连通；第一制冷制热系统及第二制冷制热系统的入口与介质输出管的出口相连通，介质输出管的入口通过第一阀门及第二阀门分别与上试样桶腔体出口及下试样桶腔体出口相连通。

试样桶盖板上开设有洒水系统供水软管通道，供水系统包括洒水系统供水箱及水带供水箱，洒水系统供水箱的出口通过洒水系统供水软管经第五阀门及第一压力表连接后穿过洒水系统供水软管通道与洒水系统接嘴相连通。

荷载传力柱的底部设置有防滑垫板，其中，防滑垫板位于待测试验土样上。

洒水板为环形结构，洒水板上均匀开设有若干出水孔。

保护罩的侧面设置有保护罩出入口。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的便携式盐渍土现场原位冻胀及溶陷检测装置在具体操作时，通过标准荷载及荷载传力柱对待测试验土样施加竖向附加荷载，将制冷制热系统与双层试样桶侧壁的内腔相连通，通过制冷制热系统向双层试样桶侧壁的内腔通入介质，以实现对待测试验土样的冻融循环模拟，同时通过激光测距仪测读盐胀量；另外，通过供水系统及洒水板对待测试验土样进行洒水，通过标准荷载及荷载传力柱对待测试样土样施加竖向附加荷载，同时通过柱式复合传感器检测待测试验土样的盐分、温度及水分，实现对试验土样在试验过程中应力场、化学场、温度场及渗流场的实时追踪，以实现更加真实的模拟原状盐渍土在自然降雨条件下的物理性质。待测试验土样侧壁固定有环状水带，通过调节环状水带内的水压，以模拟原状土的侧向压力；在测定降雨条件下的溶陷量时，通过调节第一压力表的水压，以模拟真实的自然降雨量，同时通过距离传感器检测土样的溶陷量；在溶陷性检测时，环状水带的设置亦可有效弥补试验土样制备时由于环刀切土操作不慎而产生的土样侧面掉块不全等的缺陷，此时，充水的薄壁水带可有效填充土样侧壁残缺部位，可实现原状土的完全侧限条件，以实现在不扰动原状盐渍土的情况下对试验土样的物理参数及工程性质的较精确测定，避免以往室内试验重塑土测定带来的较大误差，以期对盐渍土地区的工程研究及工程设计提供较准确的盐渍土地层物理参数。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中试样桶盖板37的俯视图；

图3为本发明中试样桶盖板37的a-a截面剖视图；

图4为本发明中洒水板55的结构示意图；

图5为本发明中双层试样桶侧壁的剖面结构示意图；

图6为本发明中加载装置的剖面结构示意图；

图7为切土环刀48的立体图；

图8为本发明中切土环刀48的b-b截面剖视图；

图9为本发明中柱式复合传感器51与柱式复合传感器信号传输线20的连接示意图；

图10为本发明环状水带36的展布示意图

图11为本发明中制热制冷系统的介质流通示意图；

图12为本发明中保护罩66的结构示意图。

其中，1为激光测距仪显示屏、2为激光测距仪信号处理系统、3为激光测距仪信号传输线、4为销子、5为上试样桶腔体出口、6为第一阀门、7为介质输出管、8为上下试样桶连接螺栓、9为管道介质流向指示标、10为第二阀门、11为下试样桶腔体出口、12为上双层有机玻璃试样桶、13为下双层有机玻璃试样桶、14为箍圈、15为试样桶水平接缝绝热密封胶条、16为箍圈螺栓、17为试样桶纵向接缝绝热密封胶条、18为柱式复合传感器信号显示屏、19为柱式复合传感器信号处理系统、20为柱式复合传感器信号传输线、21为线管、22为下试样桶腔体入口、23为第三阀门、24为上试样桶腔体入口、25为第四阀门、26为介质输入管、27为第五阀门、28为洒水系统供水箱、29为水带供水箱、30为第六阀门、31为水带供水软管、32为洒水系统供水软管、33为第一压力表、34为第二压力表、35为水带进水口、36为环状水带、37为试样桶盖板、38为水准器、39为激光测距仪、40为荷载传力柱、41为标准荷载、42为定位杆、43为洒水系统供水软管通道、44为洒水系统连接螺杆、45为双层有机玻璃试样桶内壁、46为双层有机玻璃试样桶腔体、47为双层有机玻璃试样桶外壁、48为切土环刀、49为水准管、50为环刀刃脚、51为柱式复合传感器、52为试验土样、53为洒水系统接嘴、54为洒水系统支架、55为洒水板、56为防滑垫板、57为洒水系统端轴、58为第一销孔、59为出水孔、60为第二销孔、61为第一制冷制热系统、62为第二制冷制热系统、63为挂环、64为挂钩、65为穿线孔、66为保护罩、67为保护罩出入口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1至图12，本发明所述的便携式盐渍土现场原位冻胀及溶陷检测装置包括保护罩66以及设置于保护罩66内的双层试样桶、荷载传力柱40、洒水板55、供水系统、制冷制热系统、激光测距仪显示屏1、柱式复合传感器信号处理系统19、激光测距仪信号传输线3及激光测距仪信号处理系统2；待测试验土样位于双层试样桶内，双层试样桶的顶部开口处设置有试样桶盖板37，荷载传力柱40的顶部设置有标准荷载定位杆42，荷载传力柱40的下端穿过试样桶盖板37后放置于防滑垫板56上，待测试验土样位于双层试样桶内，防滑垫板56位于待测试验土样上，洒水板55固定于试样桶盖板37的内侧，且洒水板55正对待测试验土样，双层试样桶的内壁上设置有环状水带36，供水系统与洒水板55的洒水系统接嘴53及环状水带36的水带进水口35相连通，制冷制热系统与双层试样桶侧壁的内腔相连通；待测试验土样内自上到下埋设有若干层柱式复合传感器51，各层柱式复合传感器51沿周向布置；各柱式复合传感器51的输出端与柱式复合传感器信号处理系统19通过柱式复合传感器信号传输线20相连接；试样桶盖板37的内侧设置有用于检测试样桶盖板37与待测试验土样52之间间距的激光测距仪39，所述激光测距仪39的输出信号通过激光测距仪信号传输线3与激光测距仪信号处理系统2后，在激光测距仪显示屏1上进行显示。

双层试样桶由双层有机玻璃试样桶内壁45、双层有机玻璃试样桶腔体46及双层有机玻璃试样桶外壁47构成，并在顶部侧面对称设有第二销孔60。

所述双层试样桶包括上双层有机玻璃试样桶12、下双层有机玻璃试样桶13及试样桶对接箍圈螺栓16，其中，上双层有机玻璃试样桶12位于下双层有机玻璃试样桶13上，且上双层有机玻璃试样桶12与下双层有机玻璃试样桶13之间设置有试样桶水平接缝绝热密封胶条15，试样桶对接箍圈螺栓16通过箍圈14分别将上双层有机玻璃试样桶12及下双层有机玻璃试样桶13的两个半圆形双层有机玻璃试样桶腔体对接，并在接缝内设置有试样桶纵向接缝绝热密封胶条17，上双层有机玻璃试样桶12与下双层有机玻璃试样桶13由上下试样桶连接螺栓8连为整体。

制冷制热系统包括第一制冷制热系统61、第二制冷制热系统62、介质输入管26及介质输出管7，其中，第一制冷制热系统61及第二制冷制热系统62的出口与介质输入管26的入口相连通，介质输入管26的出口通过第四阀门25及第三阀门23分别与上试样桶腔体入口24及下试样桶腔体入口22相连通；第一制冷制热系统61及第二制冷制热系统62的入口与介质输出管7的出口相连通，介质输出管7的入口通过第一阀门6及第二阀门10分别与上试样桶腔体出口5及下试样桶腔体出口11相连通。

具体的，上双层有机玻璃试样桶12的侧壁上设置有上试样桶腔体出口5及上试样桶腔体入口24，其中，上试样桶腔体出口5处设置有第一阀门6，上试样桶腔体入口24处设置有第四阀门25；下双层有机玻璃试样桶13的侧壁上设置有下试样桶腔体出口11及下试样桶腔体入口22，其中，下试样桶腔体入口22处设置有第三阀门23，下试样桶腔体出口11处设置有第二阀门10，其中，制冷制热系统分为第一制冷制热系统61及第二制冷制热系统62，其中，第一制冷制热系统61与上试样桶腔体出口5及上试样桶腔体入口24相连通，第二制冷制热系统62与下试样桶腔体出口11及下试样桶腔体入口22相连通。

加载装置包括荷载传力柱40，其中，荷载传力柱40的顶部正中心焊接有定位杆42，标准荷载41的中心孔套接于定位杆42上，且标准荷载41放置于荷载传力柱40上。

柱式复合传感器51通过柱式复合传感器信号传输线20与柱式复合传感器信号处理系统19相连接，柱式复合传感器信号处理系统19粘接于双层试样桶的外壁上，柱式复合传感器信号处理系统19连接有柱式复合传感器信号显示屏18。

试样桶盖板37上开设有洒水系统供水软管通道43，供水系统包括洒水系统供水箱28及水带供水箱29，洒水系统供水箱28的出口与洒水系统供水软管32的一端相连通，洒水系统供水软管32的另一端经第五阀门27及第一压力表33后穿过洒水系统供水软管通道43与洒水系统接嘴53相连通；水带供水箱29的出口与水带供水软管31的一端相连通，水带供水软管31的另一端经第六阀门30及第二压力表34与水带进水口35相连通，具体的，洒水板55为环形结构，洒水板55上均匀开设有若干出水孔59；销子4穿过第二销孔60及试样桶盖板37上的第一销孔58将试样桶盖板37与上双层有机玻璃试样桶12销接。

保护罩66的侧面设置有保护罩出入口67；本发明还包括用于显示介质流向的管道介质流向指示标9；试样桶盖板37上设置有水准器38；

洒水系统支架54的底部穿过洒水系统端轴57后顶部通过洒水系统连接螺杆44与试样桶盖板37连接。

本发明的具体操作过程为：

步骤1保护罩66的搭设

在待试验场地周围设定范围内定线，并用脚手架及彩条布或帆布搭设简易保护罩66，且在保护罩66的下风向侧面开设供试验工作人员出入的保护罩出入口67，并在保护罩66内布置好照明用设施。

步骤2环形工作坑开挖

在待试验场地选取试验点并放线标记，随后在距试样标记线300mm距离外挖环形工作坑，工作坑宽度不宜小于800mm，深度宜超出设定的试样高度500mm。

步骤3试验土样制备

将切土环刀48准确放置在标记好的试验土样轮廓线上，然后由2～3名工作人员在工作坑内等间距站立沿切土环刀48外壁均匀凿除多余的土，环刀刃脚50下切时应通过嵌入在环刀顶部沿环向的水准管49控制切土环刀48均衡下切土体，直至设定的高度，切土环刀48下切过程中应严格控制下切速度，不宜过快。

步骤4柱式复合传感器51的安装

在制备好的试样侧面，沿环向按设计的深度对称布置柱式复合传感器51，柱式复合传感器51安装时先顺试样径向在事先标定的设计点位处用手电钻打水平孔，孔径宜大于薄壁金属套管外径5～10mm，再向孔内插入薄壁金属套管，其内径宜大于柱式复合传感器51最大外径1～3mm，然后顺薄壁金属套管缓慢插入已连接柱式复合传感器信号传输线20的柱式复合传感器51，再缓慢拔出薄壁金属套管并用凿除的盐渍土配合振捣棒振捣填实钻孔与柱式复合传感器51的间隙，最后将各柱式复合传感器51的信号传输线穿入线管21内。

步骤5环状水带36的固定

在安装好柱式复合传感器51的待试验土样侧壁上固定环状水带36，固定环状水带36时，应先将待试验土样内埋设的柱式复合传感器信号传输线20穿过环状水带穿线孔65，再将环状水带两端的挂环63与挂钩64层层相扣，并调整环状水带36使得其不得出现褶皱或扭曲。

步骤6试样桶的安装

先在下双层有机玻璃试样桶13的两半圆形腔体接头处固定试样桶纵向接缝绝热密封胶条17，并在胶条表面涂抹粘合剂，然后将下双层有机玻璃试样桶13的两半圆形腔体沿试验土样环向对接，再用箍圈14沿下双层有机玻璃试样桶13的两半圆形腔体接缝纵向用箍圈螺栓16牢固固定，同样的，拼装上双层有机玻璃试样桶12，然后在上双层有机玻璃试样桶12及下双层有机玻璃试样桶13的接缝处固定试样桶水平接缝绝热密封胶条15，最后将上双层有机玻璃试样桶12及下双层有机玻璃试样桶13用上下试样桶连接螺栓8固定，待试样桶拼装完成后，即进行水密性试验，确保其密封性良好。

步骤7洒水系统的安装

先将洒水系统接嘴53与洒水系统供水软管32连接，再将洒水系统端轴57穿过洒水系统支架54，然后将洒水系统支架54与试样桶盖板37通过洒水系统连接螺杆44固定，并用手拨动洒水系统，观察洒水系统端轴57在洒水系统支架54上摆动的灵活性，确保其稳定后洒水板55可基本保持水平。

步骤8试样桶盖板37的安装

将试样桶盖板37水平套入上双层有机玻璃试样桶12内，并上下移动试样桶盖板37，使得第二销孔60与第一销孔58对中，再插入销子4将洒水系统固定于双层试样桶上，并调整试样桶盖板37两端的高低，使得水准器38的水泡居中，并采取简易措施固定试样桶盖板37垂直于销孔轴向的端部，使试样桶盖板37尽量保持水平。

步骤9激光测距仪39的安装

先在试样桶盖板37上的预留孔处嵌入激光测距仪39，再将激光测距仪39与激光测距仪信号处理系统2用激光测距仪信号传输线3连接。

步骤10加载装置的安装

先将荷载传力柱40置于防滑垫板56上，再将标准荷载41套接于定位杆42后放置于荷载传力柱40上，使得载荷系统总质量达到设计的试验初始荷载值。

步骤11环状水带36内充压缩空气(用于冻胀检测)

当该装置用于冻胀检测时，试验现场还应额外配备空气压缩设备，将水带进水口35与空气压缩设备的出气口连接，由于冻胀试验冻融循环过程中会出现较大的负温，若环状水带36充水则会引起环状水带36冻胀，从而损坏环状水带36并对试验土样产生侧向挤压，影响试验结果的准确性。

步骤12供水系统的连接(用于溶陷检测)

先将洒水系统供水软管32与洒水系统供水箱28连接，并在洒水系统供水箱28的端部安装第五阀门27及第一压力表33，再用水带供水软管31将水带进水口35与水带供水箱29连接，水带供水箱29的端部设置第六阀门30及第二压力表34。

步骤13制冷制热系统的连接

分别用介质输出管7和介质输入管26将第一制冷制热系统61及第二制冷制热系统62与上双层有机玻璃试样桶12及下双层有机玻璃试样桶13的腔体出入口连接；

柱式复合传感器51为经高度集成的集盐分、温度及水分测量于一体的高灵敏度复合传感器，且由柱式复合传感器信号传输线20经环状水带36的穿线孔65后穿入线管21从上下试样桶对接处引出，引出时在试样桶水平接缝绝热密封胶条15上开略大于线管21直径的孔将线管21引出，并用密封胶封闭线孔缝隙。

步骤14季节性冻融循环下的冻胀量的测定

根据气象资料调查的结果及设计方案拟定冻融循环的温度梯度、冻融循环次数及每个循环内冻胀与溶陷的持续时间，确定每一次冻融循环冻胀过程持续的时间t1，当冻胀过程结束后，分别调节第一制冷制热系统61及第二制冷制热系统62，并转换介质,使得介质温度达到试验地区当地温度的最高值，让温度回升以模拟来年土壤温度逐渐上升的自然现象，此解冻过程维持直至土样温度达到试验地区当地温度的最高值，持续时间为t2，即t1+t2为一个冻融循环周期。每半小时记录一次盐分、温度、水分及冻胀量的数值，根据监测的数据，分析经历多次冻融循环后盐渍土各影响因素及冻胀的变化规律，探究原状盐渍土的冻融循环机理。

按照试验方案设定的上部荷载级别，在同级竖向荷载作用下对试样进行多次冻融循环，环状水带36中充填压缩空气以填充双层有机玻璃试样桶内壁45与试验土样52之间的间隙，并对待测试验土样52提供一定的围压，压缩空气的湿度应进行预试验确定，以能够有效传递热量为准；冻胀过程中试样桶腔内介质为液氮，解冻过程中试样桶腔内的介质为热水，每次冻融循环过程中，试验开始计时后，0.5h内，每2min记录一次柱式复合传感器51及激光测距仪39的读数，0.5～1h内，每5min记录一次柱式复合传感器51及激光测距仪39的读数，同样的，1h～5h内，每20min记录一次读数，5h～试验结束，每60min记录一次，并及时运用计算机对数据进行分析处理，同时预判下一荷载梯度冻胀趋势，当观察盐渍土的盐胀累加性不再明显时，说明盐渍土在冻融循环过程中已达到平衡状态，即可停止试验，拆除试验装置及仪表，并对试验数据进行分析整理。

步骤15降雨条件下的溶陷量的测定

根据气象资料调查的结果拟定试验模拟的降雨量、降雨强度及持续时间等参数，并借助计算机数值仿真软件进行试验模拟，以验证拟定的相关降雨参数的可靠性，力求试验环境接近自然降雨条件；并设定好试验时的试样温度，由双层试样桶腔内的流体介质控制其为恒定值。

对试验土样进行盐渍土的溶陷性质研究，在研究降雨与溶陷性的关系时，通过安装在洒水系统供水软管32上的第一压力表33及第五阀门27来控制洒水板出水孔59的出水量；环状水带36中的水具备一定压力，以模拟试验土样受到的真实侧向压力，实现完全侧限的试验条件；设定降雨条件的试验过程中，同级荷载作用下，试验开始计时后，0.5h内，每2min记录一次柱式复合传感器51及激光测距仪39的读数，0.5h～1h内，每5min记录一次柱式复合传感器51及激光测距仪39的读数，同样的，1h～5h内，每20min记录一次读数，5h～试验结束，每60min记录一次，并根据规范要求可适当提前结束试验，并及时将数据汇总整理，研究降雨与土体高度变化量的关系，进而综合分析盐渍土的溶陷性质。