段英豪 高銘鑫 董慶杰 劉 鎮(zhèn) 韓春鵬 王中志

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150036)

?

人工凍結(jié)土體水平凍脹模型的研制

段英豪 高銘鑫 董慶杰 劉 鎮(zhèn) 韓春鵬 王中志

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150036)

針對(duì)土體凍脹現(xiàn)象，研制出了一套人工凍結(jié)條件下土體水平凍脹模型，利用該裝置進(jìn)行季凍區(qū)粉質(zhì)粘土凍脹模擬，試驗(yàn)規(guī)律良好，可以有效地對(duì)實(shí)際工程環(huán)境中土體凍結(jié)的溫度場和水分遷移進(jìn)行模擬，為冬季土體凍脹問題的研究提供了參考。

水平凍脹模型，凍脹力，傳感器，制冷系統(tǒng)

0 引言

在我國北方，由于氣候因素的影響，土體凍脹現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而且持續(xù)時(shí)間長，是目前人工凍土理論研究和工程實(shí)踐中重要問題之一。隨著對(duì)土體凍脹研究的深入，人們對(duì)土體凍脹的認(rèn)識(shí)也日益完善。國內(nèi)外不少專家和學(xué)者已對(duì)土體的凍脹融沉試驗(yàn)裝置進(jìn)行過研制，取得了顯著的研究成果，王建平研制出了人工凍結(jié)土體凍脹融沉模型試驗(yàn)裝置，并利用該試驗(yàn)裝置對(duì)徐州地區(qū)常見的粘土進(jìn)行了凍結(jié)試驗(yàn),檢驗(yàn)了該試驗(yàn)裝置的可靠性和實(shí)用性[1]；黃英豪研制了一套在土工離心機(jī)中進(jìn)行管道凍脹模擬的試驗(yàn)設(shè)備，模擬北疆地區(qū)輸水渠道的凍脹，對(duì)寒冷地區(qū)輸水渠道凍脹問題的研究提供了有力工具[2]。本課題小組在已有的研究基礎(chǔ)上，為了解決現(xiàn)有的凍脹模型存在無法自動(dòng)補(bǔ)水、無法控制土體尺寸以及土塊密實(shí)度等問題，研制出了季凍區(qū)凍土的水平凍脹模型，真實(shí)反映季凍區(qū)粉質(zhì)黏土的凍融規(guī)律，可應(yīng)用于對(duì)季凍區(qū)凍土的水分遷移、凍脹量以及溫度場的研究，給予實(shí)際工程以科學(xué)性的理論指導(dǎo)。

1 模型裝置的研制

研制的人工凍結(jié)土體水平凍脹模型裝置如圖1所示，試驗(yàn)裝置真實(shí)結(jié)構(gòu)如圖2所示。按照功能的劃分，主要包括五大部分：支撐部分、土工試驗(yàn)部分、豎向補(bǔ)水部分、測量部分、制冷部分。

1.1 支撐部分

支撐部分是整個(gè)模型裝置的基礎(chǔ)，用以支撐模型裝置的上部結(jié)構(gòu)，足夠的剛度是保證模型裝置穩(wěn)定的前提，因此支撐部分所采用的材料為鋼化玻璃。支撐部分的結(jié)構(gòu)由底部碎石槽(圖1中7)組成，四塊玻璃擋板將整個(gè)碎石槽分成五個(gè)部分，每個(gè)部分可以存儲(chǔ)補(bǔ)水時(shí)所需的水量。并且整個(gè)支撐部分可與上部的土工試驗(yàn)部分恰好鑲嵌，保證了上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.2 土工試驗(yàn)部分

土工試驗(yàn)部分包括鋼化玻璃制成的土樣裝載裝置、土樣格擋裝置和滲水板(圖1中6)。土樣承載裝置是一個(gè)矩形玻璃箱，是實(shí)驗(yàn)土體放置以及土體壓縮成型的場所，可以模擬路基土層、基坑開挖等的實(shí)際情況。土樣格擋裝置由尺寸擋板(圖1中13)、擋板滑槽(圖1中14)和擋板固定螺栓(圖1中15)組成，可以滿足土樣在裝填過程中，通過移動(dòng)隔擋板控制土體的大小，滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)不同尺寸土體的要求。滲水板是一塊帶孔的鋼化玻璃板，可以使支撐部分碎石槽中存儲(chǔ)的水量向上滲出，完成補(bǔ)水。

1.3 豎向補(bǔ)水部分

豎向補(bǔ)水部分包括碎石槽、補(bǔ)水箱(圖1中18)、連接碎石槽與補(bǔ)水箱(圖1中18)的補(bǔ)水進(jìn)水管線、連接補(bǔ)水箱的補(bǔ)水箱進(jìn)水管線以及用以控制碎石槽水位的補(bǔ)水箱溢水管線。通過連接補(bǔ)水箱的補(bǔ)水箱進(jìn)水管線向補(bǔ)水箱注水，用控制碎石槽水位的補(bǔ)水箱溢水管線來控制補(bǔ)水水位。最后土工試驗(yàn)部分中的滲水板實(shí)現(xiàn)水分的向上補(bǔ)給，完成補(bǔ)水過程。其中補(bǔ)水箱采用材料為透明玻璃，便于對(duì)箱內(nèi)水位高度的觀察。

1.4 測量部分

測量部分包括溫度傳感器、濕度傳感器、壓力感測器、位移傳感器(圖1中5)以及相關(guān)導(dǎo)線，用于測量土體在試驗(yàn)過程中的溫度變化、水分遷移和凍脹情況，完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。

1.5 制冷部分

制冷部分包括位于土工試驗(yàn)部分頂部的制冷機(jī)以及圍于土工試驗(yàn)部分四周的苯板。土工試驗(yàn)部分四周的苯板輕質(zhì)且便于拆卸，還可以有效阻止裝置內(nèi)部與外界進(jìn)行熱量交換，加快裝置內(nèi)部降溫速度以及保持裝置內(nèi)部溫度，實(shí)現(xiàn)土體的快速凍結(jié)。制冷機(jī)可以將溫度的精度控制在0.1 ℃，提高降溫的精度。

2 使用方法

利用該人工凍結(jié)土體凍脹模型進(jìn)行凍脹實(shí)驗(yàn)，操作方法簡單。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的試件尺寸來調(diào)整尺寸擋板，確定好尺寸擋板位置之后將尺寸擋板固定，將試驗(yàn)土體逐漸加入到尺寸擋板與模型箱內(nèi)壁所圍成的土工試驗(yàn)空間之中；在逐層添加試驗(yàn)土體過程中往不同高度的預(yù)留孔放入熱敏電阻溫度傳感器、力學(xué)傳感器、濕度傳感器，將測量儀器輸出口接入到數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)；試驗(yàn)土體填裝，擊實(shí)之后達(dá)到要求的密實(shí)度將尺寸擋板取下，對(duì)試驗(yàn)土體側(cè)面進(jìn)行位移傳感器、力學(xué)傳感器的布置，以此來測量實(shí)驗(yàn)過程中土體水平凍脹量大小以及凍脹力的大??；在試驗(yàn)過程中通過碎石槽進(jìn)水孔對(duì)試驗(yàn)土體進(jìn)行補(bǔ)水，且可調(diào)控碎石槽內(nèi)水位高度，以此來確保碎石槽內(nèi)水位與滲水板滲水空隙相接觸；將制冷裝置放置于土體試驗(yàn)箱之上，調(diào)整位置確保制冷裝置與凍脹模型箱接觸嚴(yán)密，防止實(shí)驗(yàn)過程中模型箱與外界的熱量交換；接通制冷壓縮機(jī)與數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的電源，通過制冷壓縮機(jī)的溫控?cái)?shù)據(jù)顯示窗完成制冷溫度設(shè)定，制冷壓縮機(jī)在短時(shí)間預(yù)熱之后開始工作，熱敏電阻溫度傳感器、力學(xué)傳感器、濕度傳感器開始收集數(shù)據(jù)；并將所收集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，繪制圖像以及導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

1)研制了一套人工凍結(jié)情況下測量土體水平凍脹量的模型裝置，該裝置由支撐部分、土工試驗(yàn)部分、豎向補(bǔ)水部分、測量部分、制冷部分組成，實(shí)現(xiàn)了土體在人工凍結(jié)情況下的凍脹。

2)開發(fā)了可以靈活調(diào)整土體尺寸大小的土樣格擋裝置，該裝置既可以完成土體的壓縮成型，還可以實(shí)現(xiàn)土體尺寸的靈活調(diào)整，滿足不同實(shí)驗(yàn)對(duì)土體的要求。

3)該裝置中的豎向補(bǔ)水裝置，可以盡可能的模擬地下水的環(huán)境，再配合制冷系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)水分場，溫度場，應(yīng)力場的結(jié)合，使實(shí)驗(yàn)更具說服力。

[1] 王建平,王文順,史天生.人工凍結(jié)土體凍脹融沉的模型試驗(yàn)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999(4):3-6.

[2] 黃英豪,蔡正銀,張 晨,等.管道凍脹離心模型試驗(yàn)設(shè)備的研制[J].巖土工程學(xué)報(bào),2015(4):615-621.

The development of horizontal frost heave model of artificially frozen soil

Duan Yinghao Gao Mingxin Dong Qingjie Liu Zhen Han Chunpeng Wang Zhongzhi

(Northeast Forestry University, Harbin 150036, China)

According to the frost heave phenomenon, this paper developed a set of soil horizontal frost heave model under artificially frozen condition, using this device made clay heaving simulation in seasonal frozen area, the test law was good, could effectively simulate the temperature field and moisture migration of soil frozen in actual engineering environment, provided reference for the research on winter frost heave problems.

horizontal frost heave model, frost heaving force, sensor, refrigeration system

1009-6825(2017)16-0099-02

2017-03-03

段英豪(1996- )，男，在讀本科生； 高銘鑫(1995- )，男，在讀本科生； 董慶杰(1995- )，男，在讀本科生； 劉 鎮(zhèn)(1995- )，男，在讀本科生； 韓春鵬(1979- )，男，副教授； 王中志(1997- )，男，在讀本科生

TU752

A