CN109870477B - 一种非接触式检测土的冻胀单体及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式检测土的冻胀单体及其检测方法。在寒区工程建设中，由于施工现场地质条件复杂，冻土冻胀变形监测难度大，难以同时获得一个区域内不同深度的冻胀数据。检测单体中套管设置在上锚盘和下锚盘之间，支撑杆设在套管内且其下端固接在下锚盘上，支撑杆的上端设有基准盘，基准盘上方设有位移传感器；检测方法是根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处对应安装检测单体，获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况。本发明用于垂直或水平方向上冻土冻胀量的监测。

Description

一种非接触式检测土的冻胀单体及其检测方法

技术领域

本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种非接触式检测土的冻胀单体及其检测方法。

背景技术

随着国家经济建设的发展，寒冷地区投入了大量的土木工程建设，冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，中国季节冻土占中国领土面积一半以上。在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉，它们给路桥和建筑物造成很大的危害，如出现裂缝、沉陷、结构断裂等现象。土体的冻结过程是温度场、水分场及应力场相互作用的复杂的热力学、物理化学和力学的多场耦合问题，当前的研究热点更多地关注冻胀模型的建立和数值模拟。再者，冻结法技术即用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土压力，隔绝地下水，现在已广泛应用于地铁、深基坑、矿井建设等工程中。采用冻结法施工时，须研究地层冻结时的膨胀和解冻时的下沉变形，以隧道土体为例，包括地表沉降监测；隧道的沉降位移监测；隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测；地面建筑物沉降监测等。因此，无论在实验室研究冻土冻胀与融沉的发展过程还是施工现场准确获得水平或垂直方向上的冻土冻胀变形的特征值，都需要可靠的检测装置和方法。

实验室测量土样冻胀位移的手段多采用千分表、弹簧抽杆位移传感器、应变规等,由于这些手段必须与试样接触,无意中给了试样一个约束力,从而降低了测量准确度。专利(201410068723.5一种激光传感器测量冻土冻胀位移的装置)提出了利用激光位移传感器在不接触土样的情况下精确测量冻土的冻胀位移,操作简单,可靠,大大的提高了试验的测试效率和精度，但该方法目前仅能适用于实验室土样，不能用于施工现场。同样专利“CN108572189A一种考虑温度梯度下土体涨缩特性的静动力综合试验***”、“CN108519405A一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备”、“CN108445192A一种多功能冻胀、融沉试验装置”、“CN108333323A一种土体冻胀率测量装置和测量方法”、“CN207557254U一种可控温土体冻胀试验装置”等等都是将传感器置于土体外部监测整个土体的冻胀变形，适用于实验室模拟现场环境条件的试验装置或试验***。

然而，现场土体冻胀变形由于各地冻结深度、地质条件的不同,其冻胀率值相差很大,因此需要获得工程建设区域冻胀变形的实际值。获得土体冻胀的一个重要手段是现场观测季节性冻胀层的冻胀量,如埋置数个冻胀钉,固定冻胀钉间距,用水准仪定期观测冻胀钉的高程。通过各冻胀钉高程的变化量反映各点的冻胀量。如果冻胀量变化微小，通过监测冻胀钉高程变化很难满足精度要求；发明专利“CN104929098A现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置”提出在冻土层中开挖孔洞，埋置下锚盘，用等径接头连接测杆位移计与上锚盘，季节冻土层冻胀变形带动上、下锚盘移动，通过测杆位移计观测季节冻土层的冻胀量。由于上下锚盘均埋置在土体内，当冻土冻胀变形不大时，测杆位移计与上、下锚盘的连接本身就对测试区域的土体产生一定的约束，影响测量精度；为了防止土体冻胀变形后上锚盘上抬，上锚盘与塑料管、填充的低温润滑脂形成真空腔体,产生负压吸附上锚盘，在上锚盘安装通气管,使通气管伸到土层外面，通气孔一方面与外部连通干扰了土体温度，另一方面限制了该装置的水平设置。专利“CN103966993A土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法”，在冻胀层开挖检测孔，将管体和测杆通过锚固件固定于未冻胀层中，检测孔的孔口处设置位移测量器，管体上间隔设置有多个环形弱化区，当土体冻胀时，弱化区将管体分成多个能独立运动的管段，保证土体冻胀测量的基准点不发生变化。该测量装置的弊端是在检测孔的孔口设置在地表处，位移测量器需设置在地表，不能快速获得地下某一区域的冻胀变形，管体和检测孔孔壁之间的间隙填充填料，为非弱化区填充水泥浇筑层，而弱化区填充散沙层。两种填料的分别回填就可能导致了观测区域土体特性发生改变，直接影响测量结果；因此，土体冻融循环过程中冻胀变形以及冻结法施工过程中水平或垂直方向上的变形的监测对冻土地区基础设施建设具有重要意义，需要现场土体冻胀变形准确、可靠且快速的获取手段。总之，由于施工现场地质条件复杂以及实验室局部土体冻胀与融沉过程的研究需要，冻土的冻胀变形监测难度大、准确度差，导致了冻土地区基础设施建设质量受到严重影响，至今未得到很好解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式检测土的冻胀单体及其检测方法，以解决由于施工现场地质条件复杂以及实验室局部土体冻胀与融沉过程研究的需要，冻土的冻胀变形监测难度大、准确度差而导致冻土地区基础设施建设质量控制难以保证的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种非接触式检测土的冻胀单体，它包括下锚盘、套管、上锚盘、位移传感器、基准盘和支撑杆，所述上锚盘、套管和下锚盘从上至下依次同轴设置，上锚盘套装在套管外，套管的下端贴靠在下锚盘上，套管为硬质管体，位移传感器和支撑杆均设置在套管内，支撑杆的下端固定连接在下锚盘上，基准盘设置在支撑杆的上端，位移传感器的探头朝向基准盘设置，在套管外上锚盘和下锚盘的相对面之间形成冻土检测区域。

作为优选方案：套管的上端设置有密封盖。

作为优选方案：下锚盘上设置有配合套管的限位套，套管的下端套装在限位套外。

作为优选方案：位移传感器为非接触式的电涡流位移传感器或激光位移传感器。

利用具体实施方式一中非接触式检测土的冻胀单体实现的检测方法，根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处埋设冻胀单体，通过冻胀单体获取不同时段该测点所在冻胀层的冻胀量数据，依次类推，获取各个测点反馈的冻胀量数据，汇总各个测点的冻胀量数据得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

作为优选方案：冻胀单体的检测过程包括以下两个步骤：

步骤一：查阅地质资料，在一个测点处，根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞，根据检测深度冻胀单体的填埋深度，人工夯平孔洞底部后，将冻胀单体安装在孔洞中，测量并记录冻胀单体中下锚盘和上锚盘之间的初始距离为L₀，调整冻胀单体中位移传感器的初始位置，使位移传感器处于满量程状态，即处于最小量程状态，再回填原土，分层捣实；

步骤二：在冻胀单体中，将位移传感器与记录仪表连接，将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录、保存，套管在冻土层冻胀变形带动下向上移动，位移传感器监测到的其与基准盘之间距离的变化量ΔL₀，ΔL₀即是该冻胀单体所在冻土层的冻胀变形，该冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL₀/L₀。

作为优选方案：所述冻胀单体的安装过程如下：

首先，将带有支撑杆的下锚盘安装在孔洞中，将基准盘固定连接在支撑杆的上端，在下锚盘上放入套管使其罩住基准盘和支撑杆，将位移传感器安装在支撑架上，位移传感器的探头朝向基准盘设置，将位移传感器的量程调节至最小量程；用密封盖密封套管的顶部，在套管的外侧分层回填原土，分层捣实；最后在套管上加入上锚盘，旋紧上螺帽将上锚盘固定限位在套管上。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明中的冻胀单体结构简单，适用范围灵活，无需地表外设结构辅助支撑，填埋深度和填埋方向灵活不受限，用于测量短距离的土体冻胀量，获取冻土冻胀量简单直接且准确。监测难度低，对现场土体造成的扰动小，能够在短时间内快速得到准确的监测数据。

2、本发明中的方法的操作步骤简单且方便，步骤合理且操作后获取数据有效可靠。

3、本发明不但能够用于局部区域的单独测点的检测，还能够通过改变套管长度获得不同深度或水平方向土体的变形分析，从而对实验室及现场土体的冻胀与融沉作出全面评价。

4、本发明的检测目标为上锚盘和下锚盘之间的冻土，二者之间的距离变化能够反映出二者之间土体的冻胀程度，通过位移传感器和基准盘之间的距离变化实时、间接且准确的记录，检测结果可靠。

5、本发明中当位移传感器选定为非接触式的电涡流位移传感器时，工程场地局部区域不冻胀、弱冻胀土填筑，有时冻胀量微乎其微,利用电涡流位移传感器监测冻胀变形，其量程选择范围大，对微小的位移变化测量精度高，不但能够避免测杆位移计对上、下锚盘的约束作用，还能够实现自动采集和记录，方便、快捷获得长期监测数据。

6、本发明结构简单、制作成本低，操作步骤简单，难度低，省时省力。

附图说明

图1是冻胀单体的主视结构剖面示意图；

图2是冻胀单体在竖直状态下进行冻土检测工作的主视结构剖面示意图；

图3是冻胀单体在水平状态下进行冻土检测工作的主视结构剖面示意图；

图4是冻胀单体的下锚盘上设置有限位套时的主视结构示意图。

图中，1-下锚盘；2-套管；3-上锚盘；4-位移传感器；5-基准盘；6-支撑杆；7-支撑架；8-密封盖；9-上螺帽；10-下螺帽；11-限位套；12-孔洞；14-冻胀层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式包括下锚盘1、套管2、上锚盘3、位移传感器4、基准盘5和支撑杆6，上锚盘3和下锚盘1从上至下依次设置，套管2设置在上锚盘3和下锚盘1之间，支撑杆6竖直设置在套管2内且其下端固定连接在下锚盘1上，支撑杆6的上端设置有基准盘5，基准盘5的正上方设置有位移传感器4。基准盘5为金属制成的盘体。

具体实施方式二：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，冻胀单体中套管2为硬质管体，套管2套装在支撑杆6上，上锚盘3套装在套管2外，套管2的下端贴靠在下锚盘1上，位移传感器4设置在套管2内，位移传感器4的探头朝向基准盘5设置。下锚盘1、套管2、上锚盘3、位移传感器4、基准盘5和支撑杆6均同轴设置。

进一步的，位移传感器4通过支撑架7固定安装在套管2的内壁上。支撑架7也可替换为杆体。

进一步的，套管2的上端设置有密封盖8。密封盖8由高分子材料制成如塑料等，起到密封的作用。

进一步的，套管2外套装有上螺帽9和下螺帽10，上螺帽9和下螺帽10之间夹持有上锚盘3。上螺帽9和下螺帽10均为带有内螺纹的硬质套体。

进一步的，下锚盘1上固定安装有限位套11，限位套11与下锚盘1同轴设置，套管2的下端套装在限位套11外。限位套11的外径与套管2的内径相配合设置。限位套11用于辅助定位套管2的位置，防止套管2的位置发生偏移。限位套11在下锚盘1上的安装方式为一体成型、焊接或其他能够稳定连接的方式。

进一步的，套管2为金属圆管，所选用的材料为轻质铝合金材料，根据各地区冻土的性质，套管2的长度、直径进行调整，套管2长度的取值范围为30cm～50cm，套管2直径的取值范围为8cm～18cm。

进一步的，套管2的上部有螺纹连接着上锚盘3，上锚盘3、下锚盘1均为金属圆盘，直径的取值范围为16～30cm。套管2的外径是根据位移传感器4的量程与基准盘5尺寸之间配合要求决定的，所选用的材料为轻质高强的铝合金材料。

进一步的，下锚盘1与支撑杆6之间螺纹连接，支撑杆6为一细长的圆柱体，直径为4cm，所选用的材料为轻质高强的高分子材料。

进一步的，支撑杆6的上端粘接有基准盘5，基准盘5直径的取值范围为5～15cm。

本实施方式中的冻胀单体的工作原理如下：

当土体发生冻胀变形时，上锚盘3和下锚盘1就会发生相对位移，上锚盘3就会带动套管2以及支撑架7上的位移传感器4同步上移，固定在下锚盘1的支撑杆6上的基准盘5相对于位移传感器4的竖向相对位移即为土体的冻胀量。

具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，位移传感器4为非接触式的电涡流位移传感器或激光位移传感器。位移传感器4为现有产品，其使用过程与现有产品的使用过程相同。

具体实施方式四：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式包括以下内容：

根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处对应安装一个冻胀单体，通过冻胀单体获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

测点分布的确定过程是根据地质勘查报告将测试区域进行划分，划分原则是根据冻胀敏感和冻胀非敏感的性质进行划分，冻胀敏感和冻胀非敏感的划分依据来源于地质勘查报告的数据，确定土体为冻胀敏感和冻胀非敏感的过程为现有技术，将测试区域划分后分别统计冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区的个数，在每个冻胀敏感冻土区内确定测点个数和每个冻胀非敏感冻土区内确定测点个数，确定过程如下：

当冻胀敏感冻土区的个数为n个时，一个冻胀敏感冻土区的面积A₁，该冻胀敏感冻土区的地表面上划分多个第一小格，每个第一小格的面积为S₁，每个第一小格内的中心位置即为一个测点的位置，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数N₁＝A₁/S₁，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为N₂、N₃…N_n；

S₁的取值范围是根据冻胀敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距G₁计算得出，为了计算方便，第一小格的形状为正方形；每个第一小格中两条对角线的交点即为一个测点位置，每两个相邻测点之间的间距G₁是指两个上锚盘3的圆心之间的距离，间距G₁的取值范围是根据上锚盘3的外径以及相邻两个上锚盘3之间互不干扰的最小距离要求确定的，上锚盘3的外径是根据基准盘5和套管2的尺寸配合决定的，从而确定G₁的取值范围为50～100cm，每两个相邻测点之间的间距G₁的确定后，由于测点位置为所在第一小格的中心位置，即可得出测点所在第一小格的面积，本步骤中S₁的取值范围为0.25～1m²，再进行实际划格操作，通过划格的方式能够确保测点最终的确定位置更加准确。

当冻胀非敏感冻土区的个数为m个时，一个冻胀非敏感冻土区的面积B₁，该冻胀非敏感冻土区的地表面上划分多个第二小格，每个第二小格的面积为S₂，每个第二小格内的中心位置即为一个测点的位置，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数M₁＝B₁/S₂，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为M₂、M₃…M_m；

S₂的取值范围是根据冻胀非敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距G₂计算得出，为了计算方便，第二小格的形状为正方形；每个第二小格中两条对角线的交点即为一个测点位置，每两个相邻测点之间的间距G₂是指两个上锚盘3的圆心之间的距离，间距G₂的取值范围是根据上锚盘3的外径以及相邻的两个上锚盘3之间互不干扰的最小距离要求确定的，上锚盘3的外径是根据基准盘5和套管2的尺寸配合决定的，从而确定G₂的取值范围为200～400cm，每两个相邻测点之间的间距G₂的确定后，由于测点位置为所在第二小格的中心位置，即可得出测点所在第二小格的面积，本步骤中S₂的取值范围为4～16m²，再进行实际划格操作，通过划格的方式能够确保测点最终的确定位置更加准确。

N₁、N₂、N₃…N_n以及M₁、M₂、M₃…M_m的总和即为测试区域中总测点数，再准备对应数目的冻胀单体即可。

冻胀敏感冻土区为测试区域中测点集中区域，根据冻胀敏感冻土区内测点分布位置情况安装冻胀单体，确保每个测点处安装有一个冻胀单体，通过冻胀单体获取不同时段该区域内各个测点所在冻胀层14的冻胀量数据，根据各个冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形的情况。同理于冻胀非敏感冻土区的安装过程。

本发明结合地质勘察情况结合样机进行多次试验，在冻胀敏感冻土区平面内横向及纵向间距50～100cm布置测点为最佳设置范围，按照每平方米1～4个测点设置而冻胀非敏感区平面内横向及纵向间距200～400cm布置测点，按照每16平方米1～4个测点设置，此外，地质条件复杂、有特殊要求工程场地按照不等间距设置测点数目。

土的冻胀性常根据冻胀率0～1％、1～3.5％、3.5～6％、6～10％和10％以上区间分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀。冻胀、强冻胀和特强冻胀属于冻胀敏感冻土，而不冻胀、弱冻胀属于冻胀非敏感冻土。其他未提及的内容与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式四的进一步限定，冻土的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀，原位冻胀是由土骨架的弹性变形和水-冰相变增量变形组成，分凝冻胀取决于温度场的变化和未冻水迁移量，冻胀敏感型冻土区、冻胀非敏感型冻土区以及监测区域都决定传感器量程的选择和测点布置数目，重要基础设施工程、路基、路面下面的土体含水量丰富、局域差异大均需要增加监测点个数，如河流沿岸的季节性冻土区，由于土体的含水率普遍偏高，平面内每横向、纵向间隔50～100cm布置一个测点，按照每平方米1～4个测点设置远离河流，地质条件相对稳定的区域每间隔200～400cm布置一个测点，按照每16平方米1～4个测点设置地质条件复杂、有特殊要求工程场地按照不等间距设置测点数目。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式四或五的进一步限定，冻胀单体的检测过程包括以下两个步骤：

根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，根据每个测点的检测深度要求选择安装冻胀单体，通过冻胀单体获取不同时段该测点所在冻胀层的冻胀量数据，依次类推，获取各个测点反馈的冻胀量数据，汇总各个测点的冻胀量数据得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

一个冻胀单体检测过程包括以下两个步骤：

步骤一：查阅地质资料，在一个测点处，根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞12，人工夯平孔洞12底部后，将冻胀单体安装在孔洞12中，测量并记录冻胀单体中下锚盘1和上锚盘3之间的初始距离为L₀，调整冻胀单体中位移传感器4的初始位置，使位移传感器4处于满量程状态，即处于最小量程状态，再回填原土，分层捣实；

步骤二：在该冻胀单体中，将位移传感器4与记录仪表连接，将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录、保存，套管2在冻土层冻胀变形带动下向上移动，位移传感器4监测到的其与基准盘5之间距离的变化量ΔL₀，ΔL₀即是该冻胀单体所在冻土层的冻胀变形，该冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL₀/L₀。

多个冻胀单体进行检测的具体过程包括以下两个步骤：

步骤一：查阅地质资料，在一个测点处，根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞12，根据孔洞12的深度选择N个冻胀单体，人工夯平孔洞12底部后，将冻胀单体逐一安装在孔洞12中，测量并记录每个冻胀单体中下锚盘1和上锚盘3之间的初始距离分别为L₀、L₁、L₂…L_N，以及多个冻胀单体中最顶部的上锚盘1和最低部的下锚盘3的距离L_总，调整每个冻胀单体中位移传感器4的初始位置，使位移传感器4处于满量程状态，即处于最小量程状态，再回填原土，分层捣实；

步骤二：在一个冻胀单体中，将位移传感器4与记录仪表连接，将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录、保存，套管2在冻土层冻胀变形带动下向上移动，位移传感器4监测到的其与基准盘5之间距离的变化量ΔL₀，ΔL₀即是该冻胀单体所在冻土层的冻胀变形，该冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL₀/L₀，依次类推，获取其他冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL₁/L₁…ΔL_N/L_N，多个冻胀单体所在测点的冻胀率为(ΔL₀+ΔL₂+…ΔL_N)/L_总。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，冻胀单体的安装过程如下：

首先，将带有支撑杆6的下锚盘1安装在孔洞12中，支撑杆6的上端固定连接有基准盘5，在下锚盘1上放入套管2使其罩住基准盘5和支撑杆6，将位移传感器4安装在支撑架7上，将位移传感器4的量程调节至最小量程；用密封盖8密封并保护套管2的顶部，在套管2的外侧分层回填原土，分层捣实；最后在套管2上加入上锚盘3，旋紧上螺帽9将上锚盘3固定限位在套管2上。

支撑架7上加工有连接孔，连接孔的孔壁上加工有内螺纹，其与位移传感器4的外螺纹之间螺纹连接，有利于位移传感器4的稳定定位。

最后将测试区域内各个测点通过冻胀单体记录的冻胀层14的冻胀量汇总，将各测点平面位置与其冻胀变形量绘制三维图像以及随时间的变化趋势，当测试区域中的一个局部区域冻胀变形过大时，说明该局部区域土体含水率偏高，后续可采取相应的技术措施降低冻胀的影响，通过冻胀量最大值、最小值及平均值的分析可全面评价出测定区域内冻胀层14的冻胀情况。

进一步的，上述步骤中孔洞12的开设直径为15～35cm，直径的最佳取值为25cm，该直径具有通用性。

具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式三、四、五、六或七的进一步限定，本发明的监测周期长且监测数据准确全面，监测周期为整个冬季，具体时间为第一年的平均气温接近0℃的秋末起始至第二年的平均气温回升至0℃以上的春初。

具体实施方式九：在测试区域中划格进行测点确定的过程中，每个第一小格或每个第二小格内的中心位置即为测点位置；第一小格或第二小格的形状为正方形；每个第一小格中两条对角线的交点即为一个测点位置，同理，每个第二小格中两条对角线的交点即为一个测点位置；

在每个测点处设置下锚盘1即可，下锚盘1的圆点与该测点所在的第一小格或第二小格的中心位置相重合。

本发明能够根据测试区域的大小确定测点个数，根据需要检测的深度的大小选取冻胀单体中套管2的长度。

当测试区域内一个测点所需检测深度不足50cm时，选取一个冻胀单体进行检测即可，当测试区域内一个测点所需检测深度大于50cm时，将多个冻胀单体从上至下同时使用进行分层式检测即可。冻胀单体单独使用和多个冻胀单体同时使用能够在同一测试区域内同时使用，使检测方式具有多样灵活性，检测结果更加准确。其他未提及的内容与具体实施方式六、七或八相同。

本发明中的冻胀单体的硬度均匀，整体结构抗压性能稳定，适用于单独使用，尤其适合短距离的横向或纵向冻土检测，提高检测精度。

结合本发明中冻胀单体的有益效果说明以下实施例：

实施例一：

本实施例的测试区域为东北H市X地区路肩，获得地质勘查报告获知测试区域土壤未冻层的深度为2100mm，根据测试区域的尺寸、该区域不同位置水分和冻胀深度的不同，划分测试区域内冻胀敏感冻土区的个数n以及冻胀非敏感冻土区的个数为m，在每个冻胀敏感冻土区和每个冻胀非敏感冻土区内设置多个测点，每个测点处对应填埋一个冻胀单体。

利用该冻胀单体进行检测时的具体操作过程如下：

步骤一：查阅地质资料，获得测试区域中冻胀单体需要填埋的深度，开挖孔洞12，人工夯平孔洞12底部后，将冻胀单体安装在孔洞12中，将带有支撑杆6的下锚盘1安装在孔洞12中，支撑杆6的上端固定连接有基准盘5，在下锚盘1上放入套管2使其罩住基准盘5和支撑杆6，将位移传感器4安装在支撑架7上，将位移传感器4的量程调节至最大量程或最小量程；用密封盖8密封并保护套管2的顶部，在套管2上加入上锚盘3，旋紧上螺帽9将上锚盘3固定限位在套管2上，测量并记录最低层的冻胀单体中下锚盘1和上锚盘3之间的初始距离L₀为400mm，调整位移传感器4的初始位置使其处于满量程状态，即处于最小量程状态，再回填原土，分层捣实；

步骤二：将位移传感器4与记录仪表连接，记录一次测试时间为12月4日上午8时，最底处的冻胀单体的位移传感器4监测到的该位移传感器4与基准盘5之间距离的变化量ΔL为0.5mm，即下锚盘1和上锚盘3之间距离的变化量ΔL为0.5mm，该冻胀单体对应的冻土层的冻胀量即为ΔL，从而得出，该测点土体的冻胀率为ΔL/L₀＝0.5/400＝0.125％；随着土体的冻胀上移，上锚盘3与下锚盘1之间的距离不断增大，使位移传感器4与基准盘5之间的距离逐渐增大，在次年1月30日上午8时，在同一测点处在测得基准盘5与位移传感器4之间的距离变化量ΔL为1.5mm，从而得出，该测点对应土体的冻胀率为ΔL/L₀＝1.5/400＝为0.375％；

最后将通过计算得出的0.125％和0.375％进行对比，二者之间差距较大，表明该冻胀单体所在的冻土层的环境温度对该测点对应的土体冻胀变形影响显著，以此类推，对其他测点进行测试，还可根据需要获取其他冻土层的冻胀信息，或获取多个冻胀单体检测的数据，将各测点平面位置与其冻胀变形量汇总绘制三维图像，并标注随时间的变化趋势，以定量评价测试区域冻胀变形的程度，给出指导意见。上述过程中绘制三维图像的过程为现有技术。当测试区域中的一个局部区域冻胀变形过大时，说明该局部区域土体含水率偏高，后续可采取相应的技术措施降低冻胀的影响，通过冻胀量最大值、最小值、平均值及随时间的变化规律的分析可全面评价出测定区域内冻胀层14的冻胀情况。

Claims (6)

1.一种非接触式检测土的冻胀单体，其特征在于：它包括下锚盘、套管、上锚盘、位移传感器、基准盘和支撑杆，所述上锚盘、套管和下锚盘从上至下依次同轴设置，上锚盘套装在套管外，套管的下端贴靠在下锚盘上，套管为硬质管体，位移传感器和支撑杆均设置在套管内，支撑杆的下端固定连接在下锚盘上，基准盘设置在支撑杆的上端，位移传感器的探头朝向基准盘设置，在套管外上锚盘和下锚盘的相对面之间形成冻土检测区域；位移传感器为非接触式的电涡流位移传感器或激光位移传感器。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式检测土的冻胀单体，其特征在于：套管的上端设置有密封盖。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式检测土的冻胀单体，其特征在于：下锚盘上设置有配合套管的限位套，套管的下端套装在限位套外。

4.一种利用权利要求1所述的一种非接触式检测土的冻胀单体实现的检测方法，其特征在于：根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处埋设冻胀单体，通过冻胀单体获取不同时段该测点所在冻胀层的冻胀量数据，依次类推，获取各个测点反馈的冻胀量数据，汇总各个测点的冻胀量数据得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：冻胀单体的检测过程包括以下两个步骤：

步骤一：查阅地质资料，在一个测点处，根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞，根据检测深度冻胀单体的填埋深度，人工夯平孔洞底部后，将冻胀单体安装在孔洞中，测量并记录冻胀单体中下锚盘和上锚盘之间的初始距离为L₀，调整冻胀单体中位移传感器的初始位置，使位移传感器处于最小量程状态，再回填原土，分层捣实；

步骤二：在冻胀单体中，将位移传感器与记录仪表连接，将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录、保存，套管在冻土层冻胀变形带动下向上移动，位移传感器监测到的位移传感器与基准盘之间距离的变化量ΔL₀，ΔL₀即是该冻胀单体所在冻土层的冻胀变形，该冻胀单体所在冻土层的冻胀率为ΔL₀/L₀。

6.根据权利要求4或5所述的检测方法，其特征在于：所述冻胀单体的安装过程如下：首先，将带有支撑杆的下锚盘安装在孔洞中，将基准盘固定连接在支撑杆的上端，在下锚盘上放入套管使其罩住基准盘和支撑杆，将位移传感器安装在支撑架上，位移传感器的探头朝向基准盘设置，将位移传感器的量程调节至最小量程；用密封盖密封套管的顶部，在套管的外侧分层回填原土，分层捣实；最后在套管上加入上锚盘，旋紧上螺帽将上锚盘固定限位在套管上。

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