土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法

《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》涉及土木工程領域，更具體來說涉及土體凍脹測量領域。

中國幅員遼闊，東西經(jīng)度和南北經(jīng)度跨度很大，具有很大面積的凍土地區(qū)，其分類主要有三類：多年凍土、季節(jié)性凍土和臨時性凍土。多年凍土主要分布在青藏高原、東北大興安嶺一帶。季節(jié)性凍土較為廣闊，秦嶺淮河以北的華北、西北和東北地區(qū)多為季節(jié)性凍土區(qū)。臨時性凍土主要出現(xiàn)在采用凍結(jié)法施工的工程中，例如地下鐵道、越江隧道，煤礦鑿井等。

季節(jié)性凍土地基對建筑物破壞的主要原因是冬季凍土所產(chǎn)生的凍脹作用和春季升溫產(chǎn)生的融降作用，臨時性凍土對周圍建筑物地基的影響既有凍脹作用也有融沉作用。隨著中國的經(jīng)濟發(fā)展，在廣泛分布有季節(jié)性凍土的地區(qū)，工程建設日趨頻繁，尤其是公路和鐵路建設，這些將直接面臨著季節(jié)性凍土區(qū)的凍脹問題。

因此，需要一種能準確測量土地凍脹量的裝置。

圖1是根據(jù)《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的土體凍脹檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的土體凍脹檢測裝置在使用狀態(tài)中的示意圖；

圖3到圖6是形成管體的弱化區(qū)的不同方式；

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標記。附圖并未按照實際的比例。

2020年7月14日，《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》獲得第二十一屆中國專利獎優(yōu)秀獎。 2100433B

圖1示意性地顯示根據(jù)該發(fā)明的土體凍脹檢測裝置10（以下稱之為裝置10）。裝置10包括管體11、設置在管體11內(nèi)的測桿12和用于設置在地表的位移測量器13。管體11延伸穿過待測土體的最大凍結(jié)深度，即管體11的頂部延伸到地表，而末部延伸到處于最大凍結(jié)深度之下的非凍脹層。在管體11的末部固定設置有用于固定裝置10的錨固件14，測桿12的末部也與錨固件14固定相連，由此錨固件14實現(xiàn)了將裝置10固定，實際上錨固件14確定了測量基準。

測桿12的頂部為測量部。位移測量器13可與測量部相互作用，由此而檢測位移測量器13相對于測量部的豎向位移，從而得到土體的凍脹量。在圖1所示的實施例中，位移測量器13包括設置在地表面的受力盤131、裝配在受力盤131第一面上的測量件132以及裝配在受力盤131第二面上的引線133。在一個實施例中，測量件132為螺線圈，測桿12的測量部延伸到螺線圈內(nèi)。當土體發(fā)生凍脹時，受力盤131和螺線圈132會運動遠離測量部，由此在螺線圈132會產(chǎn)生感應電流。通過分析該感應電流就能夠得知螺線圈132的移位量，從而間接測得了土體的凍脹量。這種測量方法是該領域的技術(shù)人員所熟知的，這里不再贅述。還應注意地是，位移測量器13還可以采用其他方式測量位移量，例如紅外測距，這些測量方法是該領域的技術(shù)人員所熟知的。

為了能準確地測量土體的凍脹量，在管體11的上間隔設置了多個沿周向的環(huán)形弱化區(qū)15（如圖1所示）。在土體發(fā)生凍脹時，多個弱化區(qū)15將管體11分成多個能獨立運動的管段，即處于凍脹層內(nèi)管段會獨立于處于未凍脹層和非凍脹層中的管段而運動，從而處于凍脹層內(nèi)的管段成為自由管段。如圖2所示，土體16的凍脹層為21、未凍脹層為22、非凍脹層為23。應注意地是，凍脹層21和未凍脹層22均處于土體16的最大凍深范圍L內(nèi)。未凍脹層22僅是暫時未發(fā)生凍脹，隨著土體16被朝向深處逐層凍結(jié)，其最終也會發(fā)生凍脹。非凍脹層為23則不會發(fā)生凍結(jié)。在凍脹層21內(nèi)存在有自由管段24，在未凍脹層22內(nèi)的管段25。和非凍脹層23內(nèi)的管段不是自由管段。在自由管段24和管段25之間存在有一個弱化區(qū)15。

自由管段24會被側(cè)向凍脹緊箍力F1夾緊并且隨著縱向凍脹力F2與凍脹層21一起朝向地面豎向上運動。由于自由管段24與管段25是相互獨立的，因此自由管段24的運動不會導致管段25相對于土體豎向向上運動，也就不會導致管體11整體相對于土體豎向向上運動。這樣，錨固件14的位置就不會發(fā)生變化，測桿12的測量部的位置也就不會發(fā)生變化。換句話說，測量土體凍脹的基準點沒有發(fā)生變化。另外，管段25不豎向向上運動，也就不會攜帶未凍脹層22的土體豎直向向上運動，由此未凍脹層22不會豎直向上地擠壓凍脹層21，即凍脹層21的隆起高度不包括非凍脹層22對凍脹層21的擠壓的效果（實際上不存在這種擠壓）。這樣，裝置10測得的凍脹量就僅由于凍脹層21的凍脹而產(chǎn)生，從而真實地反應了凍脹層21的凍脹量。隨著土體16被由地表朝向地層深處逐層凍結(jié)，管體11上的其他弱化區(qū)15會逐漸將管體11分成多個能獨立運動的自由管段，更深層的未凍脹層也不會對凍脹層產(chǎn)生擠壓。由此，在測量土體16的凍脹期間，不但測量基準點不發(fā)生變化，而且所測的每個凍脹層的凍脹量也是準確的，從而通過裝置10測得的土體16的最終的凍脹量也是準確的。

所設置的弱化區(qū)15的數(shù)量越多，裝置10測得的凍脹量越準確，但是管體11的結(jié)構(gòu)也變得更加復雜，加工成本也越高。在一個優(yōu)選的實施例中，弱化區(qū)的數(shù)量與管體的長度的數(shù)值之比在8:1-15:1之間，優(yōu)選為10:1，并且弱化區(qū)15沿管體11的長度均勻分布。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在實際施工中，這種結(jié)構(gòu)的管體11能夠測量出對于施工足夠精確的土體凍脹量，而且管體11的結(jié)構(gòu)仍保持簡單，從而大大方便了裝置10的制造和使用。

圖3顯示了形成弱化區(qū)15的第一種方式。管體11包括多個套管，這些套管通過多個直接頭順次相連。圖3示意性地顯示了兩個套管31、32通過直接頭33相連。下面以套管31與直接頭33的連接為例進行描述，在直接頭33的內(nèi)壁上設置有徑向向里凸出的擋環(huán)34。在擋環(huán)34的兩端形成連接部38。套管31插入到連接部38中，并且通過摩擦力與直接頭33連接在一起。當土體16發(fā)生凍脹時，套管31會在縱向凍脹力F2的作用下沿著連接部38運動，但不會從直接頭33中移出，即套管31與直接頭33的連接形成弱化區(qū)15，套管31就形成自由管段?？墒褂酶鞣N硬塑料來制造套管和直接頭，硬塑料例如可為硬質(zhì)聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯、三型聚丙烯、聚丁烯、工程塑料等，這些材料均是該領域的技術(shù)人員所熟知的，并且能主動做出適當?shù)倪x擇。

圖4顯示了形成弱化區(qū)15的第二種方式，圖5是圖4中的套管51的B向視圖。在這種方式中，管體11包括多個直接順次相連套管。圖5示意性地顯示了相連的兩個套管51和52。在套管51的內(nèi)壁上設置有環(huán)形槽54。在環(huán)形槽54的外側(cè)壁56上設置有沿軸向的缺口53。例如，環(huán)形槽54可由以下方式形成：在套管51內(nèi)部，在內(nèi)壁上設置擋環(huán)57，在套管51的端部設置卡環(huán)56，擋環(huán)57和卡環(huán)56之間就形成環(huán)形槽54。在這種情況中，擋環(huán)57形成環(huán)形槽54的內(nèi)側(cè)壁，卡環(huán)56形成環(huán)形槽54的外側(cè)壁，缺口53則形成在卡環(huán)56上。在管上52設置有凸起55。凸起55的尺寸與缺口53和環(huán)形槽54匹配，使得能將凸起55與環(huán)形槽54配合在一起而實現(xiàn)弱化區(qū)15。當土體16發(fā)生凍脹時，環(huán)形槽54和/或凸起55會被拉斷而將弱化區(qū)15破壞掉，套管51就形成自由管段。套管的材質(zhì)可為各種硬塑料，例如可為硬質(zhì)聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯、三型聚丙烯、聚丁烯、工程塑料等，這些材料均是該領域的技術(shù)人員所熟知的，并且能主動做出適當?shù)倪x擇。在一個優(yōu)選的實施例中，環(huán)形槽54的軸向尺寸構(gòu)造為大于凸起55的軸向尺寸，如圖6所示。這樣，套管51本身就能相對于其余的套管而獨立運動。在測量凍脹量時，套管51的獨立運動會順應凍脹，從而管體11整體不被破壞掉，裝置10也因此能重復使用，這降低了測量成本，避免了浪費。應注意地是，在安裝裝置10期間，由于土體16的推擋、檢測孔70的底端的阻擋作用以及其他作用，下層的套管的凸起已經(jīng)被推到與擋環(huán)相接觸，如圖6所示，凸起55與擋環(huán)57相接觸。這樣在土體16凍脹時，上部的套管就能夠自由運動，如圖6所示，套管51的運動距離為運動空間58的軸向距離。

下面根據(jù)圖2來說明，使用裝置10來檢測土體凍脹量的方法。

首先，在土體16中設置檢測孔70。檢測孔70從地表延伸穿過土體最大凍結(jié)深度，終止于土體的非凍脹層23。接著向檢測孔70內(nèi)設置管體11和測桿12，在檢測孔70的孔口處設置位移測量器13。管體和測桿通過錨固件14固定于非凍脹層23中。當土體16發(fā)生凍脹時，檢測位移測量器13相對于測桿12的測量部的豎向位移而得到土體16的凍脹量。

優(yōu)選地，還在管體11和檢測孔70的孔壁之間的間隙中填充填料71以用于滲水而破壞裝置10。在一個優(yōu)選的實施例中，填料71包括處于管體11的非弱化區(qū)的水泥澆筑層和處于管體11的弱化區(qū)15的散沙層。這種填料易于獲得，并且價格低廉，從而能降低檢測成本。當然，該領域的技術(shù)人員也可以使用其他類型的填料。

土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法專利目的

《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》提出了一種土體凍脹檢測裝置。通過這種土體凍脹檢測裝置能夠準確的測量出土體凍脹量。

土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法技術(shù)方案

根據(jù)《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的第一方面，提出了一種土體凍脹檢測裝置，包括：管體，在管體上間隔設置有多個沿周向的環(huán)形弱化區(qū)，在管體的末部固定設置有用于固定到土體的非凍脹層的錨固件，設置在管體內(nèi)的測桿，測桿的末部與錨固件固定相連，測桿的頂部為測量部，用于設置在土體的地表的位移測量器，通過檢測其相對于測量部的豎向位移而得到土體的凍脹量，當土體凍脹時，多個弱化區(qū)將管體分成多個能獨立運動的管段。

在使用《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的土體凍脹檢測裝置測量地層凍脹量時，由于弱化區(qū)的存在，處于凍脹層內(nèi)的管段會在縱向凍脹力的作用下獨立于其余的管段而運動，即處于凍脹層內(nèi)的管段形成自由管段。由于自由管段與其余的管段是彼此獨立的，因此自由管段豎向上運動不會導致其余管段相對于土體而運動，更不會導致管體整體相對于土體而豎向運動。錨固件的位置也因此不會發(fā)生變化，測桿的測量部的位置也就不會發(fā)生變化，即測量凍脹的基準點沒有發(fā)生變化。此外，在土體凍結(jié)是朝向土體深處逐層凍結(jié)的，當土體上層發(fā)生凍脹時，下層仍保持未凍脹狀態(tài)（即未凍脹層）。由于處于未凍脹層內(nèi)的管段不會相對于土體而豎向運動，因此未凍脹層也就不會到處于其中的管段的攜帶而豎向運動。從而，凍脹層就不會受到未凍脹層的擠壓，即凍脹層的隆起高度僅來源于凍脹層本身的凍脹。因此，移測量器的位移就能真實地反應該凍脹層的實際凍脹量。隨著土體被朝向深處逐層凍結(jié)，未凍脹層會再次逐層凍脹。在弱化區(qū)的作用下，更深層的未凍脹層也不會對凍脹層產(chǎn)生擠壓。也就是說，使用該發(fā)明的土體凍脹檢測裝置測量地層凍脹量時，不但測量土體凍脹的基準點不發(fā)生變化，而且每一凍脹層的凍脹量的測量值都是準確的，因此土體的整體凍脹量的測量值也是準確的。

在一個實施例中，環(huán)形弱化區(qū)的數(shù)量與管體的數(shù)值之比在8:1-15:1之間。在一個優(yōu)選的實施例中，弱化區(qū)的數(shù)量與管體的長度的數(shù)值之比為10:1。在一個優(yōu)選的實施例中，環(huán)形弱化區(qū)沿管體的長度均勻分布。在實際施工中，這種結(jié)構(gòu)的管體能夠測量出對于施工足夠精確的土體凍脹量，而且管體的結(jié)構(gòu)仍保持簡單，從而方便了土體凍脹檢測裝置的制造和使用。

在一個實施例中，管體由多個套管通過多個直接頭順次連接而成，在直接頭的內(nèi)壁上設置有徑向向里凸出的擋環(huán)，在直接頭的兩個端部和擋環(huán)之間形成連接部，套管與連接部依靠摩擦力連接在一起而實現(xiàn)弱化區(qū)。在土體發(fā)生凍脹時，在凍脹縱向力的作用下套管可沿軸向在直接頭內(nèi)運動，從而實現(xiàn)每一個套管都能夠相對于其余的套管而獨立運動。此外，這種連接方式使得管體整體不被破壞掉，土體凍脹檢測裝置也因此能重復使用，這降低了成本，避免了浪費。

在一個實施例中，管體由多個套管順次連接而成，在一個套管的內(nèi)壁上設置有環(huán)形槽，在所述環(huán)形槽的外側(cè)壁上設置有沿軸向的缺口，在另一套管上設置有與缺口和環(huán)形槽匹配的凸起，凸起與連接部配合在一起而實現(xiàn)套管的弱化區(qū)。在一個優(yōu)選的實施例中，環(huán)形槽的軸向尺寸大于凸起的軸向尺寸。這種結(jié)構(gòu)不需要額外的連接部件，僅需要將套管彼此相連就能夠?qū)崿F(xiàn)弱化區(qū)，并且每一個套管都能夠相對于其余的套管而獨立運動。這簡化了管體的結(jié)構(gòu)，降低了管體的生產(chǎn)成本，土體凍脹檢測裝置也能重復使用，避免了浪費。

根據(jù)《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的第二方面，提出了一種使用根據(jù)上文所述的土體凍脹檢測裝置來檢測土體凍脹量方法，包括以下步驟，

步驟一：在土體中設置檢測孔，檢測孔從地表延伸穿過土體的最大凍結(jié)深度，終止于土體的非凍脹層；

步驟二：在檢測孔內(nèi)設置管體和測桿，并且將管體和測桿通過錨固件固定于非凍脹層中，在檢測孔的孔口處設置位移測量器；

步驟三：當土體發(fā)生凍脹時，檢測位移測量器相對于測桿的測量部的豎向位移，而得到土體的凍脹量。

在一個實施例中，在步驟二中，還在管體和檢測孔的孔壁之間的間隙中填充有用于防止?jié)B水的填料。這種填料能夠防止水進入到土體凍脹檢測裝置內(nèi)，而將其破壞。在一個優(yōu)選的實施例中，填料包括處于管體的非弱化區(qū)的水泥澆筑層和處于管體的弱化區(qū)的散沙層。這樣，在發(fā)生凍脹時，水泥澆筑層能夠?qū)ψ杂晒芏我黄疬\動，而散沙層能夠避免弱化區(qū)被固定住而不能使管體分成自由管段。

在該申請中，用語“豎向”是指朝向地面的方向。應理解地是，對于不同的地面，該豎向也可有所不同。

土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法改善效果

《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的優(yōu)點在于：（1）通過在管體上設置弱化區(qū)，使得在測量土體的凍脹量時，處于凍脹層內(nèi)的管體部分形成自由管段。自由管段會隨著凍脹層一起運動，而不會導致錨固件的位置會發(fā)生變化，進而測桿的測量部的位置也就不會發(fā)生變化，即測量凍脹的基準點不發(fā)生變化。另外，所測得的每一凍脹層的凍脹量也是準確的。從而，使用《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的裝置能夠準確測出土體的凍脹量。（2）構(gòu)成管體的每一個套管都能夠相對于其余套管而獨立運動。在使用測量土體的凍脹量時，由于處于凍脹層的套管的獨立運動順應了凍脹，從而管體整體不被破壞掉，土體凍脹檢測裝置也因此能重復使用，這降低了成本，避免了浪費。

1.一種土體凍脹檢測裝置，包括：管體，在所述管體上間隔設置有多個沿周向的環(huán)形弱化區(qū)，在所述管體的末部固定設置有用于固定到所述土體的非凍脹層的錨固件，設置在所述管體內(nèi)的測桿，所述測桿的末部與所述錨固件固定相連，所述測桿的頂部為測量部，用于設置在所述土體的地表的位移測量器，通過檢測其相對于所述測量部的豎向位移而得到所述土體的凍脹量；其中，當土體凍脹時，所述多個弱化區(qū)將管體分成多個能獨立運動的管段。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述弱化區(qū)的數(shù)量與所述管體的長度的數(shù)值之比在8:1-15:1之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述弱化區(qū)的數(shù)量與所述管體的長度的數(shù)值之比為10:1。

4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述弱化區(qū)沿所述管體的長度均勻分布。

5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的裝置，其特征在于，所述管體由多個套管通過多個直接頭順次連接而成，在所述直接頭的內(nèi)壁上設置有徑向向里凸出的擋環(huán)，在所述直接頭的兩個端部和所述擋環(huán)之間形成連接部，所述套管與所述連接部依靠摩擦力連接在一起而實現(xiàn)所述弱化區(qū)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的裝置，其特征在于，所述管體由多個套管順次連接而成，在一個套管的內(nèi)壁上設置有環(huán)形槽，在所述環(huán)形槽的外側(cè)壁上設置有沿軸向的缺口，在另一套管上設置有與所述缺口和環(huán)形槽匹配的凸起，其中，所述凸起與所述連接部配合在一起而實現(xiàn)套管的弱化區(qū)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述環(huán)形槽的軸向尺寸大于所述凸起的軸向尺寸。

8.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項所述的土體凍脹檢測裝置來檢測土體凍脹量方法，包括以下步驟，

步驟一：在土體中設置檢測孔，所述檢測孔從地表延伸穿過所述土體的最大凍結(jié)深度，終止于所述土體的非凍脹層；

步驟二：在所述檢測孔內(nèi)設置管體和測桿，并且將所述管體和測桿通過錨固件固定于所述非凍脹層中，在所述檢測孔的孔口處設置所述位移測量器；

步驟三：當所述土體發(fā)生凍脹時，檢測所述位移測量器相對于所述測桿的測量部的豎向位移，而得到所述土體的凍脹量。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步驟二中，還在所述管體和所述檢測孔的孔壁之間的間隙中填充有用于防止?jié)B水的填料。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述填料包括處于所述管體的非弱化區(qū)的水泥澆筑層和處于所述管體的弱化區(qū)的散沙層。

本書以大量實驗資料為依據(jù),系統(tǒng)論述了土體凍脹和鹽脹的基本因素。

研究建、構(gòu)筑物下利用人工凍結(jié)法施工土工工程時土體的凍脹融沉規(guī)律，研究凍脹量、凍脹力與土的物理參數(shù)、溫度、荷載關系和三維情況下凍土融化規(guī)律。通過理論分析、模型試驗和數(shù)值分析的研究，研制了半導體制冷系統(tǒng)的三維人工凍土凍融試驗裝置；完成了開敞與封閉系統(tǒng)下人工凍土的溫度、位移、凍脹力開敞與封驗；揭示了人工凍土中溫度分布、冷鋒面擴展和凍脹力變化規(guī)律；提出了凍脹與融沉、凍脹力與溫度的量變變化規(guī)律，外載荷對凍融的影響關系。研究成果為我國城市和工農(nóng)業(yè)建設，利用人工凍結(jié)加固地層法，在建、構(gòu)筑物下施工土工工程提供理論依據(jù)；對在市政工程中建造地鐵、加固土體和維護邊坡開辟了新途徑；具有重要的科學意義、應用前景和經(jīng)濟效益。 2100433B