專利名稱：高壓土凍結(jié)溫度測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種室內(nèi)深部土物理性質(zhì)研究過程中，對深部土凍結(jié)溫度的測試裝置。利用此裝置，可實(shí)現(xiàn)對高壓力作用土體凍結(jié)溫度的測定及凍結(jié)過程中土體溫度變化過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
背景技術(shù)：
土的凍結(jié)溫度是土中孔隙水發(fā)生凍結(jié)的最高溫度或起始凍結(jié)溫度。凍結(jié)溫度的大小不僅受到土顆粒大小、礦物成份、含水量等眾多內(nèi)在因素的影響，還受到外界壓力的作用。所以說凍結(jié)溫度是反映土體在各種綜合因素作用下，當(dāng)溫度降低至零度以下時(shí)，是否有孔隙冰形成的綜合判定指標(biāo)，是區(qū)別凍土與未凍土的重要判據(jù)。在工程實(shí)際中，凍結(jié)溫度又是確定土的凍結(jié)深度和融化深度的重要參數(shù)。因此，如何測定凍結(jié)溫度的大小是認(rèn)識凍土物理性質(zhì)的前提，是利用凍土、改良凍土的基礎(chǔ)。目前對土凍結(jié)溫度的測定方法雖有好幾種，但由于測溫法費(fèi)用低廉、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)凍結(jié)溫度測試中得到廣泛應(yīng)用。所謂測溫法就是基于土中水發(fā)生相變時(shí)，將會(huì)釋放結(jié)晶潛熱，引起溫度突變這一原理，通過對土體降溫過程中溫度的監(jiān)測，捕捉溫度躍變后土中出現(xiàn)的最高、最穩(wěn)定的溫度，來獲得土的起始凍結(jié)溫度的方法。這一方法雖然在無壓土凍結(jié)溫度研究中應(yīng)用很廣，但對于有壓土，考慮到溫度傳感器測溫時(shí)壓力的適用范圍、土樣壓力的加荷方式及土樣筒在高壓力作用下如何密封等問題，還未做進(jìn)一步的嘗試。近年來，隨著人工凍結(jié)技術(shù)在深部地下空間開挖中的廣泛應(yīng)用，深部凍結(jié)壁的安全與穩(wěn)定成為影響凍結(jié)法施工成功與否的關(guān)鍵所在，而凍結(jié)壁的厚度問題是影響凍結(jié)壁穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。要確定凍結(jié)壁厚度，首先要確定凍結(jié)鋒面的位置，而凍結(jié)溫度就是確定凍結(jié)鋒面位置的重要指標(biāo)。所以目前基于人工凍結(jié)技術(shù)在深部地下空間開挖過程中的需要，對高壓力作用下土的凍結(jié)溫度的研究越來越迫切。崔廣心教授曾利用電阻式冰點(diǎn)儀對土的結(jié)冰溫度進(jìn)行研究，但由于冰點(diǎn)儀最大工作壓力不是太高，且受到細(xì)顆粒濕土(如粘土)結(jié)冰過程較長，電阻變化率較低，致使結(jié)冰點(diǎn)難以判定等局限性，沒有廣泛推廣。因此，不論在實(shí)驗(yàn)室研究還是工程實(shí)際中，亟需一套結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、承壓較高、準(zhǔn)確度較高的測量高壓土凍結(jié)溫度的測試裝置，來深入研究深部土的凍結(jié)過程。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述，本發(fā)明的目的在于提供一種高壓土凍結(jié)溫度測試裝置。該裝置能簡捷且準(zhǔn)確測定高壓力作用下土的凍結(jié)溫度。同時(shí)利用該裝置還可實(shí)現(xiàn)對土凍結(jié)及融化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為進(jìn)一步研究高壓力作用下土的凍結(jié)與融化過程提供必要的技術(shù)保證。本發(fā)明的目的是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)一種高壓土凍結(jié)溫度測試裝置，紫銅筒體、 降溫介質(zhì)、不銹鋼筒體、土體、溫度傳感器、上壓頭、下壓頭、隔熱層、出線孔、排水透氣孔、密封圈、透水石、控溫箱、試驗(yàn)機(jī)傳力桿、底座和數(shù)據(jù)采集儀?？販叵渑c外部冷浴相接，控溫箱內(nèi)，紫銅筒體插入不銹鋼筒體中構(gòu)成雙層筒體，紫銅筒體外圍與不銹鋼筒體內(nèi)側(cè)間盛放降溫介質(zhì)；紫銅筒體內(nèi)置有隔熱層、密封圈、溫度傳感器、上壓頭、土體和下壓頭，密封圈嵌入隔熱層和下壓頭內(nèi)，隔熱層位于上壓頭與土體間，上壓頭中間有一出線孔，插入土體中的溫度傳感器引線穿過出線孔與數(shù)據(jù)采集儀連接；紫銅筒體下部的下壓頭上置透水石和一濾紙，下壓頭下部有排水透氣孔，試驗(yàn)機(jī)傳力桿與紫銅筒體內(nèi)上壓頭接觸，下壓頭與底座接觸。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是1、本發(fā)明充分利用控溫箱的保溫效果，控溫箱與外部冷浴相接使控溫箱空氣溫度降低而改變降溫介質(zhì)的溫度，并利用紫銅較好的導(dǎo)熱性能為土體提供一個(gè)非常穩(wěn)定的低溫環(huán)境，有助于捕捉到孔隙水發(fā)生相變時(shí)，釋放的結(jié)晶潛熱引起溫度突變這一現(xiàn)象，從而獲得土的凍結(jié)溫度。2、紫銅筒體既是裝土體和承壓的容器，又由于其具有良好的導(dǎo)熱性，而成為降溫介質(zhì)與土體之間冷熱交換的媒體。紫銅筒體下壓頭上有排水透氣孔，即可排水又可排氣，從而保證土樣所受壓力較為穩(wěn)定。上壓頭下部設(shè)有一 2cm厚的尼龍隔熱層，此隔熱層材質(zhì)與下壓頭相同，可以阻止土體通過上下壓頭與外界進(jìn)行熱交換，從而保證土樣溫度均衡。3、利用現(xiàn)有的可控制力值大小的任何材料試驗(yàn)機(jī)，就可給土體加載，從而實(shí)現(xiàn)高壓力作用土體凍結(jié)溫度及其凍結(jié)過程中溫度變化的監(jiān)測，為深部人工凍結(jié)法施工時(shí)有壓土凍結(jié)溫度的確定提供資料。4、此裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、適用性廣，并不受加載方式的限制。


圖1為本發(fā)明的高壓土凍結(jié)溫度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的高壓土凍結(jié)溫度測量裝置測試結(jié)果圖。圖3無壓條件下新方法與傳統(tǒng)方法測量結(jié)果對比圖，新方法凍結(jié)溫度-0. 15°C， 傳統(tǒng)方法凍結(jié)溫度-0. 15°C。圖中1.紫銅筒體2.降溫介質(zhì)3.不銹鋼筒體4. 土體5.溫度傳感器6.上壓頭7.下壓頭8.隔熱層9.出線孔10.排水透氣孔11.密封圈12.透水石13.控溫箱14.試驗(yàn)機(jī)傳力桿15.底座16.數(shù)據(jù)采集儀
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖，通過實(shí)施例再對本發(fā)明技術(shù)方案再做進(jìn)一步的詳述如圖1所示，一種高壓土凍結(jié)溫度測試裝置，包括紫銅筒體1、降溫介質(zhì)2、不銹鋼筒體3、土體4、溫度傳感器5、上壓頭6、下壓頭7、隔熱層8、出線孔9、排水透氣孔10、密封圈11、透水石12、控溫箱13、試驗(yàn)機(jī)傳力桿14、底座15、數(shù)據(jù)采集儀16?？販叵?3與外部冷浴相接，通過外部冷浴的循環(huán)，使箱體溫度達(dá)到測試所需要的低溫環(huán)境并保持穩(wěn)定?？販叵銲3內(nèi)，紫銅筒體1插入不銹鋼筒體3中構(gòu)成雙層筒體，紫銅筒體1外圍與不銹鋼筒體3 內(nèi)側(cè)間注入酒精作為降溫介質(zhì)2。酒精的作用有二 第一是給紫銅筒體中的土體降溫；第二則是保證紫銅筒體中的土有一個(gè)較為恒定的低溫環(huán)境，有助于捕捉到土中孔隙水發(fā)生相變時(shí)，釋放的結(jié)晶潛熱引起溫度突變這一現(xiàn)象。紫銅筒體1內(nèi)置有隔熱層8、密封圈11、溫度傳感器5、上壓頭6、土體4和下壓頭7，隔熱層8位于上壓頭6與土體4之間，密封圈11嵌入隔熱層8和下壓頭7內(nèi)，確保上壓頭6與紫銅筒體1緊密接觸，在壓力較高時(shí)，既不會(huì)有試驗(yàn)土體4順著上壓頭6與紫銅筒體1之間的活動(dòng)空間擠出，又可使壓頭在紫銅筒體1中上下自由活動(dòng)。上壓頭6與紫銅筒體1緊密接觸，試驗(yàn)機(jī)傳力桿14與紫銅筒體1內(nèi)上壓頭 6接觸，下壓頭7與底座15接觸。試驗(yàn)機(jī)傳力桿14通過上壓頭6將壓力傳遞給土體4，為試樣土體4加載。上壓頭6中間有一出線孔9，插入土體4中的溫度傳感器5引線穿過出線孔9與數(shù)據(jù)采集儀16連接；溫度傳感器5時(shí)時(shí)感應(yīng)土體4溫度的變化，以獲得土體的凍結(jié)溫度；溫度傳感器5的引線從出線孔9引出后用環(huán)氧樹脂密封，防止試驗(yàn)土體4在高壓作用下順出線孔3擠出。紫銅筒體1下部的下壓頭7上部置透水石12和一濾紙。鋪設(shè)濾紙以防土顆粒堵塞小孔。下壓頭7下部有排水透氣孔10，在加載過程中排出土體4的水分和氣體。室內(nèi)試驗(yàn)對含水量為38%的粘土在較高壓力作用下進(jìn)行凍結(jié)過程測定。測定之前，先在箱溫5°C條件下對土體進(jìn)行加載固結(jié)(最終壓力分別為0. 08、2、6、10MPa)，待加載完成并穩(wěn)定30分鐘后，迅速降低箱溫至_20°C，并監(jiān)測土體溫度的變化過程(如圖2所示)。圖2表明，在研究的所有土樣中，孔隙水都經(jīng)歷了結(jié)晶前的土溫下降過程、土的凍結(jié)過程以及凍土的進(jìn)一步凍結(jié)和冷卻過程，與常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果相比，其凍結(jié)過程是一致的。通過對以上試驗(yàn)結(jié)果的分析，取孔隙水穩(wěn)定凍結(jié)的溫度為凍結(jié)溫度，獲得含水量為38%的粘土在 0. 08、2、6、IOMPa壓力條件下凍結(jié)溫度分別為-0. 44，-0. 51、-0. 93和-1. 23°C。為了進(jìn)一步證明此裝置的實(shí)用性，對相同的土樣在無壓力作用下用常規(guī)凍結(jié)溫度測試方法測試，并與本發(fā)明裝置的測試結(jié)果進(jìn)行比較(如圖3所示)，發(fā)現(xiàn)兩種方法所獲得土的凍結(jié)溫度都為-0. 15，說明本裝置既可測定無壓土的凍結(jié)溫度和融化溫度，又可測定有壓土的凍結(jié)溫度和融化溫度，并實(shí)現(xiàn)對土體整個(gè)降溫與升溫過程中土體溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測，且精度高于士0. 050C ；由此證明這種裝置在測試土體凍結(jié)溫度過程中是實(shí)用的。
權(quán)利要求
1. 一種高壓土凍結(jié)溫度測試裝置，包括紫銅筒體(1)、降溫介質(zhì)O)、不銹鋼筒體(3)、 土體G)、溫度傳感器(5)、上壓頭(6)、下壓頭(7)、隔熱層(8)、出線孔(9)、排水透氣孔 (10)、密封圈(11)、透水石(12)、控溫箱(13)、試驗(yàn)機(jī)傳力桿(14)、底座(15)、數(shù)據(jù)采集儀 (16)，其特征是控溫箱(13)與外部冷浴相接，控溫箱(13)內(nèi)，紫銅筒體⑴插入不銹鋼筒體⑶中構(gòu)成雙層筒體，紫銅筒體⑴外圍與不銹鋼筒體⑶內(nèi)側(cè)間盛放降溫介質(zhì)⑵；紫銅筒體(1)內(nèi)置有隔熱層(8)、密封圈(11)、溫度傳感器(5)、上壓頭(6)、土體(4)和下壓頭(7)，密封圈(11)嵌入隔熱層(8)和下壓頭(7)內(nèi)，隔熱層(8)位于上壓頭(6)與土體 ⑷間，上壓頭(6)中間有一出線孔(9)，插入土體(4)中的溫度傳感器(5)引線穿過出線孔(9)與數(shù)據(jù)采集儀(16)連接；紫銅筒體(1)下部的下壓頭(7)上置透水石(1 和一濾紙，下壓頭(7)下部有排水透氣孔(10)，試驗(yàn)機(jī)傳力桿(14)與紫銅筒體(1)內(nèi)上壓頭(6) 接觸，下壓頭(7)與底座(1 接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及高壓土凍結(jié)溫度測試裝置，其結(jié)構(gòu)特征是控溫箱與外部冷浴相接，控溫箱內(nèi)，紫銅筒體插入不銹鋼筒體中構(gòu)成雙層筒體，雙筒間盛放降溫介質(zhì)；紫銅筒體內(nèi)置有隔熱層、密封圈、溫度傳感器、上壓頭、土體和下壓頭，密封圈嵌入隔熱層內(nèi)，隔熱層位于上壓頭與土體間，上壓頭中間有一出線孔，插入土體的溫度傳感器引線穿過出線孔與數(shù)據(jù)采集儀連接；紫銅筒體下部的下壓頭上置一透水石和一濾紙，下壓頭下部有排水透氣孔，試驗(yàn)機(jī)傳力桿與紫銅筒體內(nèi)上壓頭接觸，下壓頭與底座接觸。本發(fā)明能簡捷且準(zhǔn)確測定高壓力作用下土的凍結(jié)溫度。同時(shí)利用該裝置還可實(shí)現(xiàn)對土凍結(jié)及融化過程的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為進(jìn)一步認(rèn)識高壓土的凍結(jié)特征，研究高壓力作用下土的凍結(jié)與融化過程提供可靠的技術(shù)保證。
文檔編號G01N33/24GK102338797SQ201110218580
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者關(guān)輝, 王大雁, 顧同欣, 馬巍 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所