土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法专利目的

《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》提出了一种土体冻胀检测装置。通过这种土体冻胀检测装置能够准确的测量出土体冻胀量。

土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法技术方案

根据《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的第一方面，提出了一种土体冻胀检测装置，包括：管体，在管体上间隔设置有多个沿周向的环形弱化区，在管体的末部固定设置有用于固定到土体的非冻胀层的锚固件，设置在管体内的测杆，测杆的末部与锚固件固定相连，测杆的顶部为测量部，用于设置在土体的地表的位移测量器，通过检测其相对于测量部的竖向位移而得到土体的冻胀量，当土体冻胀时，多个弱化区将管体分成多个能独立运动的管段。

在使用《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的土体冻胀检测装置测量地层冻胀量时，由于弱化区的存在，处于冻胀层内的管段会在纵向冻胀力的作用下独立于其余的管段而运动，即处于冻胀层内的管段形成自由管段。由于自由管段与其余的管段是彼此独立的，因此自由管段竖向上运动不会导致其余管段相对于土体而运动，更不会导致管体整体相对于土体而竖向运动。锚固件的位置也因此不会发生变化，测杆的测量部的位置也就不会发生变化，即测量冻胀的基准点没有发生变化。此外，在土体冻结是朝向土体深处逐层冻结的，当土体上层发生冻胀时，下层仍保持未冻胀状态（即未冻胀层）。由于处于未冻胀层内的管段不会相对于土体而竖向运动，因此未冻胀层也就不会到处于其中的管段的携带而竖向运动。从而，冻胀层就不会受到未冻胀层的挤压，即冻胀层的隆起高度仅来源于冻胀层本身的冻胀。因此，移测量器的位移就能真实地反应该冻胀层的实际冻胀量。随着土体被朝向深处逐层冻结，未冻胀层会再次逐层冻胀。在弱化区的作用下，更深层的未冻胀层也不会对冻胀层产生挤压。也就是说，使用该发明的土体冻胀检测装置测量地层冻胀量时，不但测量土体冻胀的基准点不发生变化，而且每一冻胀层的冻胀量的测量值都是准确的，因此土体的整体冻胀量的测量值也是准确的。

在一个实施例中，环形弱化区的数量与管体的数值之比在8:1-15:1之间。在一个优选的实施例中，弱化区的数量与管体的长度的数值之比为10:1。在一个优选的实施例中，环形弱化区沿管体的长度均匀分布。在实际施工中，这种结构的管体能够测量出对于施工足够精确的土体冻胀量，而且管体的结构仍保持简单，从而方便了土体冻胀检测装置的制造和使用。

在一个实施例中，管体由多个套管通过多个直接头顺次连接而成，在直接头的内壁上设置有径向向里凸出的挡环，在直接头的两个端部和挡环之间形成连接部，套管与连接部依靠摩擦力连接在一起而实现弱化区。在土体发生冻胀时，在冻胀纵向力的作用下套管可沿轴向在直接头内运动，从而实现每一个套管都能够相对于其余的套管而独立运动。此外，这种连接方式使得管体整体不被破坏掉，土体冻胀检测装置也因此能重复使用，这降低了成本，避免了浪费。

在一个实施例中，管体由多个套管顺次连接而成，在一个套管的内壁上设置有环形槽，在所述环形槽的外侧壁上设置有沿轴向的缺口，在另一套管上设置有与缺口和环形槽匹配的凸起，凸起与连接部配合在一起而实现套管的弱化区。在一个优选的实施例中，环形槽的轴向尺寸大于凸起的轴向尺寸。这种结构不需要额外的连接部件，仅需要将套管彼此相连就能够实现弱化区，并且每一个套管都能够相对于其余的套管而独立运动。这简化了管体的结构，降低了管体的生产成本，土体冻胀检测装置也能重复使用，避免了浪费。

根据《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的第二方面，提出了一种使用根据上文所述的土体冻胀检测装置来检测土体冻胀量方法，包括以下步骤，

步骤一：在土体中设置检测孔，检测孔从地表延伸穿过土体的最大冻结深度，终止于土体的非冻胀层；

步骤二：在检测孔内设置管体和测杆，并且将管体和测杆通过锚固件固定于非冻胀层中，在检测孔的孔口处设置位移测量器；

步骤三：当土体发生冻胀时，检测位移测量器相对于测杆的测量部的竖向位移，而得到土体的冻胀量。

在一个实施例中，在步骤二中，还在管体和检测孔的孔壁之间的间隙中填充有用于防止渗水的填料。这种填料能够防止水进入到土体冻胀检测装置内，而将其破坏。在一个优选的实施例中，填料包括处于管体的非弱化区的水泥浇筑层和处于管体的弱化区的散沙层。这样，在发生冻胀时，水泥浇筑层能够对自由管段一起运动，而散沙层能够避免弱化区被固定住而不能使管体分成自由管段。

在该申请中，用语“竖向”是指朝向地面的方向。应理解地是，对于不同的地面，该竖向也可有所不同。

土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法改善效果

《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的优点在于：（1）通过在管体上设置弱化区，使得在测量土体的冻胀量时，处于冻胀层内的管体部分形成自由管段。自由管段会随着冻胀层一起运动，而不会导致锚固件的位置会发生变化，进而测杆的测量部的位置也就不会发生变化，即测量冻胀的基准点不发生变化。另外，所测得的每一冻胀层的冻胀量也是准确的。从而，使用《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的装置能够准确测出土体的冻胀量。（2）构成管体的每一个套管都能够相对于其余套管而独立运动。在使用测量土体的冻胀量时，由于处于冻胀层的套管的独立运动顺应了冻胀，从而管体整体不被破坏掉，土体冻胀检测装置也因此能重复使用，这降低了成本，避免了浪费。

中国幅员辽阔，东西经度和南北经度跨度很大，具有很大面积的冻土地区，其分类主要有三类：多年冻土、季节性冻土和临时性冻土。多年冻土主要分布在青藏高原、东北大兴安岭一带。季节性冻土较为广阔，秦岭淮河以北的华北、西北和东北地区多为季节性冻土区。临时性冻土主要出现在采用冻结法施工的工程中，例如地下铁道、越江隧道，煤矿凿井等。

季节性冻土地基对建筑物破坏的主要原因是冬季冻土所产生的冻胀作用和春季升温产生的融降作用，临时性冻土对周围建筑物地基的影响既有冻胀作用也有融沉作用。随着中国的经济发展，在广泛分布有季节性冻土的地区，工程建设日趋频繁，尤其是公路和铁路建设，这些将直接面临着季节性冻土区的冻胀问题。

因此，需要一种能准确测量土地冻胀量的装置。

图1是根据《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的土体冻胀检测装置的结构示意图；

图2是根据《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的土体冻胀检测装置在使用状态中的示意图；

图3到图6是形成管体的弱化区的不同方式；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》涉及土木工程领域，更具体来说涉及土体冻胀测量领域。

1.一种土体冻胀检测装置，包括：管体，在所述管体上间隔设置有多个沿周向的环形弱化区，在所述管体的末部固定设置有用于固定到所述土体的非冻胀层的锚固件，设置在所述管体内的测杆，所述测杆的末部与所述锚固件固定相连，所述测杆的顶部为测量部，用于设置在所述土体的地表的位移测量器，通过检测其相对于所述测量部的竖向位移而得到所述土体的冻胀量；其中，当土体冻胀时，所述多个弱化区将管体分成多个能独立运动的管段。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述弱化区的数量与所述管体的长度的数值之比在8:1-15:1之间。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述弱化区的数量与所述管体的长度的数值之比为10:1。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述弱化区沿所述管体的长度均匀分布。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，所述管体由多个套管通过多个直接头顺次连接而成，在所述直接头的内壁上设置有径向向里凸出的挡环，在所述直接头的两个端部和所述挡环之间形成连接部，所述套管与所述连接部依靠摩擦力连接在一起而实现所述弱化区。

6.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，所述管体由多个套管顺次连接而成，在一个套管的内壁上设置有环形槽，在所述环形槽的外侧壁上设置有沿轴向的缺口，在另一套管上设置有与所述缺口和环形槽匹配的凸起，其中，所述凸起与所述连接部配合在一起而实现套管的弱化区。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述环形槽的轴向尺寸大于所述凸起的轴向尺寸。

8.一种使用根据权利要求1到7中任一项所述的土体冻胀检测装置来检测土体冻胀量方法，包括以下步骤，

步骤一：在土体中设置检测孔，所述检测孔从地表延伸穿过所述土体的最大冻结深度，终止于所述土体的非冻胀层；

步骤二：在所述检测孔内设置管体和测杆，并且将所述管体和测杆通过锚固件固定于所述非冻胀层中，在所述检测孔的孔口处设置所述位移测量器；

步骤三：当所述土体发生冻胀时，检测所述位移测量器相对于所述测杆的测量部的竖向位移，而得到所述土体的冻胀量。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，还在所述管体和所述检测孔的孔壁之间的间隙中填充有用于防止渗水的填料。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述填料包括处于所述管体的非弱化区的水泥浇筑层和处于所述管体的弱化区的散沙层。

图1示意性地显示根据该发明的土体冻胀检测装置10（以下称之为装置10）。装置10包括管体11、设置在管体11内的测杆12和用于设置在地表的位移测量器13。管体11延伸穿过待测土体的最大冻结深度，即管体11的顶部延伸到地表，而末部延伸到处于最大冻结深度之下的非冻胀层。在管体11的末部固定设置有用于固定装置10的锚固件14，测杆12的末部也与锚固件14固定相连，由此锚固件14实现了将装置10固定，实际上锚固件14确定了测量基准。

测杆12的顶部为测量部。位移测量器13可与测量部相互作用，由此而检测位移测量器13相对于测量部的竖向位移，从而得到土体的冻胀量。在图1所示的实施例中，位移测量器13包括设置在地表面的受力盘131、装配在受力盘131第一面上的测量件132以及装配在受力盘131第二面上的引线133。在一个实施例中，测量件132为螺线圈，测杆12的测量部延伸到螺线圈内。当土体发生冻胀时，受力盘131和螺线圈132会运动远离测量部，由此在螺线圈132会产生感应电流。通过分析该感应电流就能够得知螺线圈132的移位量，从而间接测得了土体的冻胀量。这种测量方法是该领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。还应注意地是，位移测量器13还可以采用其他方式测量位移量，例如红外测距，这些测量方法是该领域的技术人员所熟知的。

为了能准确地测量土体的冻胀量，在管体11的上间隔设置了多个沿周向的环形弱化区15（如图1所示）。在土体发生冻胀时，多个弱化区15将管体11分成多个能独立运动的管段，即处于冻胀层内管段会独立于处于未冻胀层和非冻胀层中的管段而运动，从而处于冻胀层内的管段成为自由管段。如图2所示，土体16的冻胀层为21、未冻胀层为22、非冻胀层为23。应注意地是，冻胀层21和未冻胀层22均处于土体16的最大冻深范围L内。未冻胀层22仅是暂时未发生冻胀，随着土体16被朝向深处逐层冻结，其最终也会发生冻胀。非冻胀层为23则不会发生冻结。在冻胀层21内存在有自由管段24，在未冻胀层22内的管段25。和非冻胀层23内的管段不是自由管段。在自由管段24和管段25之间存在有一个弱化区15。

自由管段24会被侧向冻胀紧箍力F1夹紧并且随着纵向冻胀力F2与冻胀层21一起朝向地面竖向上运动。由于自由管段24与管段25是相互独立的，因此自由管段24的运动不会导致管段25相对于土体竖向向上运动，也就不会导致管体11整体相对于土体竖向向上运动。这样，锚固件14的位置就不会发生变化，测杆12的测量部的位置也就不会发生变化。换句话说，测量土体冻胀的基准点没有发生变化。另外，管段25不竖向向上运动，也就不会携带未冻胀层22的土体竖直向向上运动，由此未冻胀层22不会竖直向上地挤压冻胀层21，即冻胀层21的隆起高度不包括非冻胀层22对冻胀层21的挤压的效果（实际上不存在这种挤压）。这样，装置10测得的冻胀量就仅由于冻胀层21的冻胀而产生，从而真实地反应了冻胀层21的冻胀量。随着土体16被由地表朝向地层深处逐层冻结，管体11上的其他弱化区15会逐渐将管体11分成多个能独立运动的自由管段，更深层的未冻胀层也不会对冻胀层产生挤压。由此，在测量土体16的冻胀期间，不但测量基准点不发生变化，而且所测的每个冻胀层的冻胀量也是准确的，从而通过装置10测得的土体16的最终的冻胀量也是准确的。

所设置的弱化区15的数量越多，装置10测得的冻胀量越准确，但是管体11的结构也变得更加复杂，加工成本也越高。在一个优选的实施例中，弱化区的数量与管体的长度的数值之比在8:1-15:1之间，优选为10:1，并且弱化区15沿管体11的长度均匀分布。发明人发现，在实际施工中，这种结构的管体11能够测量出对于施工足够精确的土体冻胀量，而且管体11的结构仍保持简单，从而大大方便了装置10的制造和使用。

图3显示了形成弱化区15的第一种方式。管体11包括多个套管，这些套管通过多个直接头顺次相连。图3示意性地显示了两个套管31、32通过直接头33相连。下面以套管31与直接头33的连接为例进行描述，在直接头33的内壁上设置有径向向里凸出的挡环34。在挡环34的两端形成连接部38。套管31插入到连接部38中，并且通过摩擦力与直接头33连接在一起。当土体16发生冻胀时，套管31会在纵向冻胀力F2的作用下沿着连接部38运动，但不会从直接头33中移出，即套管31与直接头33的连接形成弱化区15，套管31就形成自由管段。可使用各种硬塑料来制造套管和直接头，硬塑料例如可为硬质聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯、三型聚丙烯、聚丁烯、工程塑料等，这些材料均是该领域的技术人员所熟知的，并且能主动做出适当的选择。

图4显示了形成弱化区15的第二种方式，图5是图4中的套管51的B向视图。在这种方式中，管体11包括多个直接顺次相连套管。图5示意性地显示了相连的两个套管51和52。在套管51的内壁上设置有环形槽54。在环形槽54的外侧壁56上设置有沿轴向的缺口53。例如，环形槽54可由以下方式形成：在套管51内部，在内壁上设置挡环57，在套管51的端部设置卡环56，挡环57和卡环56之间就形成环形槽54。在这种情况中，挡环57形成环形槽54的内侧壁，卡环56形成环形槽54的外侧壁，缺口53则形成在卡环56上。在管上52设置有凸起55。凸起55的尺寸与缺口53和环形槽54匹配，使得能将凸起55与环形槽54配合在一起而实现弱化区15。当土体16发生冻胀时，环形槽54和/或凸起55会被拉断而将弱化区15破坏掉，套管51就形成自由管段。套管的材质可为各种硬塑料，例如可为硬质聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯、三型聚丙烯、聚丁烯、工程塑料等，这些材料均是该领域的技术人员所熟知的，并且能主动做出适当的选择。在一个优选的实施例中，环形槽54的轴向尺寸构造为大于凸起55的轴向尺寸，如图6所示。这样，套管51本身就能相对于其余的套管而独立运动。在测量冻胀量时，套管51的独立运动会顺应冻胀，从而管体11整体不被破坏掉，装置10也因此能重复使用，这降低了测量成本，避免了浪费。应注意地是，在安装装置10期间，由于土体16的推挡、检测孔70的底端的阻挡作用以及其他作用，下层的套管的凸起已经被推到与挡环相接触，如图6所示，凸起55与挡环57相接触。这样在土体16冻胀时，上部的套管就能够自由运动，如图6所示，套管51的运动距离为运动空间58的轴向距离。

下面根据图2来说明，使用装置10来检测土体冻胀量的方法。

首先，在土体16中设置检测孔70。检测孔70从地表延伸穿过土体最大冻结深度，终止于土体的非冻胀层23。接着向检测孔70内设置管体11和测杆12，在检测孔70的孔口处设置位移测量器13。管体和测杆通过锚固件14固定于非冻胀层23中。当土体16发生冻胀时，检测位移测量器13相对于测杆12的测量部的竖向位移而得到土体16的冻胀量。

优选地，还在管体11和检测孔70的孔壁之间的间隙中填充填料71以用于渗水而破坏装置10。在一个优选的实施例中，填料71包括处于管体11的非弱化区的水泥浇筑层和处于管体11的弱化区15的散沙层。这种填料易于获得，并且价格低廉，从而能降低检测成本。当然，该领域的技术人员也可以使用其他类型的填料。

2020年7月14日，《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》获得第二十一届中国专利奖优秀奖。 2100433B

本书以大量实验资料为依据,系统论述了土体冻胀和盐胀的基本因素。

研究建、构筑物下利用人工冻结法施工土工工程时土体的冻胀融沉规律，研究冻胀量、冻胀力与土的物理参数、温度、荷载关系和三维情况下冻土融化规律。通过理论分析、模型试验和数值分析的研究，研制了半导体制冷系统的三维人工冻土冻融试验装置；完成了开敞与封闭系统下人工冻土的温度、位移、冻胀力开敞与封验；揭示了人工冻土中温度分布、冷锋面扩展和冻胀力变化规律；提出了冻胀与融沉、冻胀力与温度的量变变化规律，外载荷对冻融的影响关系。研究成果为我国城市和工农业建设，利用人工冻结加固地层法，在建、构筑物下施工土工工程提供理论依据；对在市政工程中建造地铁、加固土体和维护边坡开辟了新途径；具有重要的科学意义、应用前景和经济效益。 2100433B