[发明专利]一维土柱冻胀变形测定仪

说明书

技术领域

本发明具体涉及一维土柱冻胀变形测定仪，属于土工试验仪器技术领域。

背景技术

近年来，随着寒区工程(冻土区或季冻区所建工程，包括道路、油气管线等)的大量兴建，冻胀已成为我国寒区工程建设过程中所面临的最主要的工程灾害。我国冻土面积分布广泛，其中多年冻土约占国土面积的22.3％，高海拔多年冻土面积世界之最，而季节性冻土分布更广泛。陆上油气管道历经上述冻土区等地质复杂地段时，由于其输送的高温高压油气易使沿线的冻土发生冻胀和融沉灾害，寒区埋地管道易发生“露管”现象，严重时产生屈曲变形；寒区等级公路途径冻土区时，环境温度的变化易使道路发生不均匀变形和路基纵向裂缝、冻胀融沉和翻浆现象。上述寒区工程的病害特征有所不同，但病害形成的原因归结于(1)寒区工程沿线土体温度的变化，(2)土体内部水分的迁移与结冰膨胀及(3)土体的冻胀变形。土体在冻胀变形过程中，其内部温度随环境温度的变化而变化，土中水结冰膨胀、体积增大，因此，温度变化引起土体中含水量、孔隙水压力等发生变化，并引起土体的孔隙率、渗透特性等主要参数及水-温-力耦合特性的改变；温度变化易使土体内部产生温度梯度，而土中水因温度梯度发生迁移，土中部分水因温度梯度结冰膨胀，从而造成土体冻胀变形。

目前，在冻土的研究和勘察实践中，国外学者研究土体冻胀变形的方法有理论研究、有限元分析以及模型试验。其中，理论研究和有限元分析方法主要研究冻融循环作用下土体的未冻水含量、冻深、冰结晶与温度梯度之间的关系，建立适合某一土体的水-温-力耦合模型；模型试验方法研究土体在冻胀变形过程中位移场、水分场、孔压场与温度场之间的单一变化关系，详见文献＜Williams，P.J.(1964).Unfrozen water content of frozen soils and soil moisture suction.Géotechnique，14(3)，231-246.＞、文献＜Penner，E.(1967).Heaving pressure in soils during unidirectional freezing.Canadian Geotechnical Journal，4(4)，398-408.＞、文献＜Singh，A.K.，Chaudhary，D.R.(1995).Evaluation of heat and moisture transfer properties in a frozen-unfrozen water-soil system.International journal ofheat and mass transfer，38(12)，2297-2303.＞、文献＜Nishimura，S.，Gens，A.，Olivella，S.，Jardine，R.J.(2009).THM-coupled finite element analysis of frzen soil：formulation and application.Géotechnique，59(3)，159.＞、文献＜Ng，C.W.W.，Leung，A.K.(2011).Measurements of drying and wetting permeability functions using a new stress-controllable soil column.Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering，138(1)，58-68.＞、文献＜Zeinali，A.，Dagli，D.，T.(2016).Freezing-Thawing Laboratory Testing of Frost Susceptible Soils.In Nordic Geotechnical Meeting：Challanges in Nordic Geotechnics 25/05/2016-27/05/2016，267-276.＞和文献＜Caicedo，B.(2016).Physical modelling of freezing and thawing of unsaturated soils.Géotechnique，1-21.＞；国内主要采用《土工试验标准》和《冻土工程地质勘查规范》，其规定了研究冻土性能的几种主要试验，包括原位试验和室内试验，其中，几种室内试验分别由不同的仪器完成，不仅操作复杂，而且每次试验获得的试验数据有限。冻结仪是近年来得到应用的一种冻土性能试验设备，中国发明专利申请号：201510313671，公开了一种连续变温式多级梯度冻结仪，其仪器只能研究冻土的冻结过程的性能，不能同时获得更多的试验数据。为了研究土体在不同温度梯度作用下的冻胀变形规律，方便在相同温度变化条件下，同时观测土体内部温度梯度引起的温度场、位移场、水分和孔压场。因此需要一种测试一维土柱冻胀变形的试验装置，将圆柱形土样的四周及底部衬以隔热性能良好的透明保温膜，并置于双层透明有机玻璃中，从而保证只在土样顶部进行热交换的一种测试土样冻胀变形的测试装置。