CN113607919B - 一种冻胀融沉试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冻胀融沉试验装置，包括底板、挖掘机构、冻结管、土样固定及检测机构以及控制机构，土样固定及检测机构包括翻转板、第一液压缸以及冻胀融沉量检测结构，冻胀融沉量检测机构包括受力板、弹簧、推动杆以及压力传感器，将待试验的土样放置到翻转板之间，通过挖掘机构在土样上挖出冻结孔和联络通道，将冻结管***到冻结孔中后，使翻转板翻转到使冻胀融沉量检测机构朝向土样，然后通过向冻结管中通入低温盐水和高温盐水进行冻胀和融沉的试验，土样发生冻胀和融沉时会产生形变，使受力板受到外力或失去外力，从而推动干对压力传感器的推力发生改变，最终可以将冻胀和融沉过程中的受力变化显示出来，为后续实际施工过程提供理论指导。

Description

一种冻胀融沉试验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种冻胀融沉试验装置。

背景技术

随着人们生活水平以及科技的不断发展，我国公路网、铁路网已经四通八达，人们出行便利程度得到了大幅度的提高，为此，在当前的道路建设中，已经不局限于路面上道路的建设，越来越多的地铁、隧道被提出建设，对于隧道的建设，需要使用到盾构机进行挖掘，在挖掘前需要对隧道周围的土壤进行人工冻结，以防止盾构机在掘进时发生土体坍塌等问题。

在隧道施工前对土体进行人工冻结时所产生的膨胀压力为冻胀，在隧道施工完成后对土体进行解冻时，冰变成水的过程引起的土体下沉为融沉，冻胀和融沉是隧道施工过程中需要时刻关注的问题，不仅关乎到隧道建设时的安全问题，还会影响隧道完工后的质量，公开号为CN109374463A(以下简称D1)的一种水平冻结法冻胀融沉受力实验模拟装置中，通过设置的冻结管来对土样进行冻结，并在土体中设置了压力传感器来检测冻结和融沉过程中的压力变化，然而D1所的压力传感器仅是检测土体中的变化，而对于冻胀和融沉而言，其引发的影响主要是集中在土体的两侧以及顶部，D1无法获得全面的冻胀融沉数据，无法为实际施工过程提供理论指导。

发明内容

鉴以此，本发明提出一种冻胀融沉试验装置，可以检测土样在发生冻胀和融沉时对周围环境的影响，从而为实际施工过程提供理论指导。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种冻胀融沉试验装置，包括底板、挖掘机构、冻结管、土样固定及检测机构以及控制机构；所述土样固定及检测机构包括翻转板、第一液压缸以及冻胀融沉量检测结构，所述翻转板设置在底板上方，所述翻转板之间形成土样放置腔，所述第一液压缸带动翻转板在底板上方移动以调节土样放置腔的大小；所述冻胀融沉量检测机构设置在翻转板远离土样放置腔的侧面上，其包括受力板、弹簧、推动杆以及压力传感器，所述受力板阵列式设置在翻转板一侧，并与翻转板之间形成空腔，所述弹簧、推动杆以及压力传感器设置在空腔中，所述弹簧连接受力板侧壁与翻转板侧壁，所述推动杆设置在受力板侧壁上，所述压力传感器设置在翻转板侧壁上，并位于推动杆一侧；所述挖掘机构位于土样放置腔一侧，用于对土样放置腔内的土样进行挖掘得到联络通道和冻结孔，所述冻结管设置在冻结孔内；所述控制机构设置在底板一侧，其包括主控单元以及显示屏，所述主控单元分别与显示屏、挖掘机构、第一液压缸、压力传感器电连接。

优选的，所述挖掘机构包括移动板、通道挖掘钻头、滑动板、冻结孔挖掘钻头以及第二液压缸，所述移动板滑动设置在底板上表面，并位于土样放置腔一侧，所述通道挖掘钻头设置在移动板侧壁中部，所述滑动板对称设置在通道挖掘钻头两侧的移动板侧壁上，所述冻结孔挖掘钻头阵列式设置在滑动板上，所述第二液压缸设置在底板上表面，其输出轴与移动板远离土样放置腔的一侧连接，所述主控单元分别与通道挖掘钻头、冻结孔挖掘钻头以及第二液压缸电连接。

优选的，所述底板上设置有轨道，所述轨道由移动板向土样放置腔方向延伸，所述移动板底部设置有滑动轮，所述滑动轮设置在轨道内部。

优选的，所述移动板侧壁设置有滑槽，所述滑槽内设置有若干定位槽，所述滑动板侧面设置有弹性碰珠，所述弹性碰珠位于滑槽内，移动所述滑动板使弹性碰珠弹出到定位槽中。

优选的，所述土样固定及检测机构还包括升降板以及第三液压缸，所述升降板位于土样放置腔上方，所述第三液压缸输出轴与升降板顶面连接，所述冻胀融沉量检测机构设置在升降板底面，所述主控单元与第三液压缸电连接。

优选的，还包括隔水机构，所述隔水机构包括第一隔水板、第二隔水板以及第一电动推杆，所述第一隔水板设置在升降板底面中部，所述底板上表面设置有条形槽，所述第二隔水板设置在底板内部，并位于条形槽下方，所述第一电动推杆设置在底板内部，其输出轴与第二隔水板底面连接，所述主控单元与第一电动推杆电连接。

优选的，还包括龙门架，所述龙门架设置在底板上表面，并跨越在土样放置腔上方，所述第三液压缸设置在龙门架顶板的底面，所述土样固定及检测机构还包括旋转电机，所述龙门架侧壁设置有水平板，所述旋转电机滑动设置在水平板上，其输出轴与翻转板侧壁连接，所述第一液压缸设置在水平板上表面，用于驱动旋转电机带动翻转板移动，所述主控单元与旋转电机电连接。

优选的，所述土样固定及检测机构还包括承载板，所述承载板滑动设置在水平板上，所述旋转电机设置在承载板上表面，所述第一液压缸输出轴与承载板侧壁连接。

优选的，还包括限位板以及第二电动推杆，所述限位板滑动设置在底板上，所述土样放置腔位于限位板和挖掘机构之间，所述第二电动推杆设置在底板上，其输出轴与限位板远离土样放置腔的侧壁连接，所述主控单元与第二电动推杆电连接。

优选的，所述限位板上设置有用于与联络通道连通的通孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种冻胀融沉试验装置，将待试验的土样置于翻转板之间进行限位后，通过挖掘机构可以对土样进行挖掘，然后将冻结管放置到挖掘机构对土样挖掘的冻结孔中，并将翻转板翻转到冻胀融沉量检测机构与土样接触，然后通过向冻结管内输送低温或高温盐水可以实现对土样的冻结以及解冻，土样在冻结或解冻的过程中所发生的形变会使受力板被挤压或弹出，受力板带动推动杆与压力传感器接触，压力传感器检测的数据通过主控单元进行处理后在显示屏上进行显示，从而试验人员可以获知在发生冻胀和融沉时周围两侧不同位置所发生的冻胀量和融沉量，所获得的数据可以用于实际工程中进行指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种冻胀融沉试验装置的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为本发明的一种冻胀融沉试验装置的冻胀融沉量检测机构的结构示意图；

图4为本发明的一种冻胀融沉试验装置进行试验时的结构示意图；

图中，1为底板，2为冻结管，3为翻转板，4为第一液压缸，5为土样放置腔，6为受力板，7为弹簧，8为推动杆，9为压力传感器，10为空腔，11为联络通道，12为冻结孔，13为主控单元，14为显示屏，15为移动板，16为通道挖掘钻头，17为滑动板，18为冻结孔挖掘钻头，19为第二液压缸，20为轨道，21为滑动轮，22为滑槽，23为定位槽，24为弹性碰珠，25为升降板，26为第三液压缸，27为第一隔水板，28为第二隔水板，29为第一电动推杆，30为条形槽，31为龙门架，32为旋转电机，33为水平板，34为承载板，35为限位板，36为第二电动推杆，37为通孔。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1至图4，本发明提供的一种冻胀融沉试验装置，包括底板1、挖掘机构、冻结管2、土样固定及检测机构以及控制机构；所述土样固定及检测机构包括翻转板3、第一液压缸4以及冻胀融沉量检测结构，所述翻转板3设置在底板1上方，所述翻转板3之间形成土样放置腔5，所述第一液压缸4带动翻转板3在底板1上方移动以调节土样放置腔5的大小；所述冻胀融沉量检测机构设置在翻转板3远离土样放置腔5的侧面上，其包括受力板6、弹簧7、推动杆8以及压力传感器9，所述受力板6阵列式设置在翻转板3一侧，并与翻转板3之间形成空腔10，所述弹簧7、推动杆8以及压力传感器9设置在空腔10中，所述弹簧7连接受力板6侧壁与翻转板3侧壁，所述推动杆8设置在受力板6侧壁上，所述压力传感器9设置在翻转板3侧壁上，并位于推动杆8一侧；所述挖掘机构位于土样放置腔5一侧，用于对土样放置腔5内的土样进行挖掘得到联络通道11和冻结孔12，所述冻结管2设置在冻结孔12内；所述控制机构设置在底板1一侧，其包括主控单元13以及显示屏14，所述主控单元13分别与显示屏14、挖掘机构、第一液压缸4、压力传感器9电连接。

本发明的一种冻胀融沉试验装置，用于对土样的冻胀过程和融沉过程进行模拟试验，并获取产生的冻胀量以及融沉量，为后续实际施工提供理论指导，在进行试验时，采集待施工区域的土壤并制作成土样后，将土样置于土样放置腔5中，并通过设置在两侧的翻转板3对土样进行夹紧固定，然后通过设置的挖掘机构对土样进行挖掘，使土样内部挖掘出联络通道11以及若干个冻结孔12，将冻结管2***到冻结孔12中后完成试验前的准备，然后将翻转板3翻转180度，使冻胀融沉量检测机构位于土样的两侧，并与土样接触后，通过向冻结管2中通入低温盐水后，可以对土样进行冻结，冻结试验完成后，再向冻结管2中通入高温盐水，可以对土样内的冰晶体进行融化，在冻结和融化的过程中，所设置的冻胀融沉量检测机构可以对冻胀和融沉时产生的变形进行检测，并将检测的数据传输给主控单元13，主控单元13在显示屏14上显示冻胀量和融沉量，从而试验人员可以获知对应土样在冻结和融化时的变化，为后续实际施工提供理论指导。

对于冻胀融沉量检测机构而言，其主要通过压力的变化来体现土样的变形，在翻转板3的一侧设置了冻胀融沉量检测机构，在对土样进行挖孔时，翻转板3未设置冻胀融沉量检测机构的一侧靠近土样，并对土样进行限位，当土样挖孔完成后，通过第一液压缸4带动翻转板3转动后，使冻胀融沉量检测机构位于土样一侧，然后第一液压缸4带动翻转板3向土样方向移动，并使受力板6与土样接触，受力板6与土样接触后，会带动压缩弹簧7，并带动推动杆8与压力传感器9接触，此时压力传感器9会检测到相应的数值，而所设置的主控单元13此时将压力传感器9传输的数据进行清零后，可以开始进行试验，在向冻结管2内通入低温盐水时，土样内的水分会发生冻结，使土样发生形变，部分所设置的受力板6会受到推动，使压力传感器9检测到更大的压力，同时还会有部分土体会向内部收缩，此时对应的受力板6在弹簧7作用下向外弹出，压力传感器9所检测的压力减小，从而最终主控单元13可以将所有压力传感器9检测的数据显示在显示屏14上，试验人员可以以此查看土样周围各个位置处发生的冻胀状态。

在冻胀试验完成后，可以向冻结管2中输入高温盐水，高温会使土样内的冰晶体发生融化，冰晶在融化时土样会发生融沉变形，设置在两侧的受力板6同样会存在被挤压以及失去土样挤压两种情况，从而使压力传感器9检测的压力数据发生变化，主控单元13同样可以将融沉时的压力数据显示在显示屏14上，从而试验人员可以获知土样发生融沉时对周围的影响，最终试验人员可以综合土样冻胀和融沉时对周围环境的影响来判断土样在施工时以及施工后的变化情况，从而为实际施工提供理论指导。

优选的，所述挖掘机构包括移动板15、通道挖掘钻头16、滑动板17、冻结孔挖掘钻头18以及第二液压缸19，所述移动板15滑动设置在底板1上表面，并位于土样放置腔5一侧，所述通道挖掘钻头16设置在移动板15侧壁中部，所述滑动板17对称设置在通道挖掘钻头16两侧的移动板15侧壁上，所述冻结孔挖掘钻头18阵列式设置在滑动板17上，所述第二液压缸19设置在底板1上表面，其输出轴与移动板15远离土样放置腔5的一侧连接，所述主控单元13分别与通道挖掘钻头16、冻结孔挖掘钻头18以及第二液压缸19电连接。

在将土样放置到土样放置腔5后，通过所设置的挖掘机构可以对土样进行挖掘，在进行挖掘时，第二液压缸19可以对移动板15进行移动，并带动通道挖掘钻头16和冻结孔挖掘钻头18对土样进行挖掘，其中通道挖掘钻头16可以在土样中部挖掘出联络通道11，而冻结孔挖掘钻头18可以在土样中挖掘出冻结孔12，从而可以将冻结管2***到冻结孔12中，由于冻结孔12不需要贯穿整个土样，因此通道挖掘钻头16的长度要长于冻结孔挖掘钻头18。

另外的，本发明将冻结孔挖掘钻头18设置成可调节式的，通过滑动板17可以带动冻结孔挖掘钻头18进行移动，从而使挖掘出的冻结孔12的位置不同，对于土体的冻胀过程而言，在冻结过程中，土体中的水分以及孔隙水会向低温方向迁移，迁移量越大，土体的冻胀量也就越大，为此，本发明通过调节冻结孔12的位置，可以改变土体中水分的迁移，通过对比两侧的冻胀量数据可以判断出冻结孔12的最佳安装位置，以此为实际施工过程提供指导。

优选的，所述底板1上设置有轨道20，所述轨道20由移动板15向土样放置腔5方向延伸，所述移动板15底部设置有滑动轮21，所述滑动轮21设置在轨道20内部。

第二液压缸19在带动移动板15移动时，移动板15底部设置的滑动轮21会在轨道20内滑动。

优选的，所述移动板15侧壁设置有滑槽22，所述滑槽22内设置有若干定位槽23，所述滑动板17侧面设置有弹性碰珠24，所述弹性碰珠24位于滑槽22内，移动所述滑动板17使弹性碰珠24弹出到定位槽23中。

推动所述滑动板17移动，可以使弹性碰珠24弹出到不同的定位槽23处进行固定，从而实现滑动板17上的冻结孔挖掘钻头18位置的调节。

优选的，所述土样固定及检测机构还包括升降板25以及第三液压缸26，所述升降板25位于土样放置腔5上方，所述第三液压缸26输出轴与升降板25顶面连接，所述冻胀融沉量检测机构设置在升降板25底面，所述主控单元13与第三液压缸26电连接。

本发明通过在土样放置腔5顶部设置升降板25，并在升降板25底部设置了冻胀融沉量检测机构，以此来对土样顶部的变形进行检测，通过第三液压缸26带动升降板25的升降来实现冻胀融沉量检测机构的位置调节。

优选的，还包括隔水机构，所述隔水机构包括第一隔水板27、第二隔水板28以及第一电动推杆29，所述第一隔水板27设置在升降板25底面中部，所述底板1上表面设置有条形槽30，所述第二隔水板28设置在底板1内部，并位于条形槽30下方，所述第一电动推杆29设置在底板1内部，其输出轴与第二隔水板28底面连接，所述主控单元13与第一电动推杆29电连接。

由于在进行冻结时，水分会发生迁移，为防止在冻结时水分迁移到另一侧的冻结管2处，本发明设置了两个隔水板，升降板25在下降时，会带动第一隔水板27***到土样中，对土样的联络通道11顶部两侧进行隔绝，同时第一电动推杆29会带动第二隔水板28上升，对联络通道11下方的两侧进行隔绝，从而土样被分隔成两部分，以此进行对照试验来观察不同位置的冻结管2对冻结的影响。

优选的，还包括龙门架31，所述龙门架31设置在底板1上表面，并跨越在土样放置腔5上方，所述第三液压缸26设置在龙门架31顶板的底面，所述土样固定及检测机构还包括旋转电机32，所述龙门架31侧壁设置有水平板33，所述旋转电机32滑动设置在水平板33上，其输出轴与翻转板3侧壁连接，所述第一液压缸4设置在水平板33上表面，用于驱动旋转电机32带动翻转板3移动，所述主控单元13与旋转电机32电连接，所述土样固定及检测机构还包括承载板34，所述承载板34滑动设置在水平板33上，所述旋转电机32设置在承载板34上表面，所述第一液压缸4输出轴与承载板34侧壁连接。

所设置的龙门架31可以为第一液压缸4和第三液压缸26提供支撑，第一液压缸4可以推动承载板34带动旋转电机32在水平板33上移动，从而旋转电机32可以带动翻转板3移动，所设置的旋转电机32可以带动翻转板3翻转180度。

优选的，还包括限位板35以及第二电动推杆36，所述限位板35滑动设置在底板1上，所述土样放置腔5位于限位板35和挖掘机构之间，所述第二电动推杆36设置在底板1上，其输出轴与限位板35远离土样放置腔5的侧壁连接，所述主控单元13与第二电动推杆36电连接，所述限位板35上设置有用于与联络通道11连通的通孔37。

为方便土样的挖掘，本发明在土样放置腔5的后端还设置了限位板35和第二电动推杆36，第二电动推杆36将限位板35推到土样放置腔5后端，对土样进行限位，挖掘机构在进行挖掘时，通道挖掘钻头16可以在土样中挖掘出联络通道11，并且通道挖掘钻头16会从通孔37处钻出，防止限位板35对通道挖掘钻头16造成阻碍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，包括底板、挖掘机构、冻结管、土样固定及检测机构以及控制机构；所述土样固定及检测机构包括翻转板、第一液压缸以及冻胀融沉量检测结构，所述翻转板设置在底板上方，所述翻转板之间形成土样放置腔，所述第一液压缸带动翻转板在底板上方移动以调节土样放置腔的大小；所述冻胀融沉量检测机构设置在翻转板远离土样放置腔的侧面上，其包括受力板、弹簧、推动杆以及压力传感器，所述受力板阵列式设置在翻转板一侧，并与翻转板之间形成空腔，所述弹簧、推动杆以及压力传感器设置在空腔中，所述弹簧连接受力板侧壁与翻转板侧壁，所述推动杆设置在受力板侧壁上，所述压力传感器设置在翻转板侧壁上，并位于推动杆一侧；所述挖掘机构位于土样放置腔一侧，用于对土样放置腔内的土样进行挖掘得到联络通道和冻结孔，所述冻结管设置在冻结孔内；所述控制机构设置在底板一侧，其包括主控单元以及显示屏，所述主控单元分别与显示屏、挖掘机构、第一液压缸、压力传感器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，所述挖掘机构包括移动板、通道挖掘钻头、滑动板、冻结孔挖掘钻头以及第二液压缸，所述移动板滑动设置在底板上表面，并位于土样放置腔一侧，所述通道挖掘钻头设置在移动板侧壁中部，所述滑动板对称设置在通道挖掘钻头两侧的移动板侧壁上，所述冻结孔挖掘钻头阵列式设置在滑动板上，所述第二液压缸设置在底板上表面，其输出轴与移动板远离土样放置腔的一侧连接，所述主控单元分别与通道挖掘钻头、冻结孔挖掘钻头以及第二液压缸电连接。

3.根据权利要求2所述的一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，所述底板上设置有轨道，所述轨道由移动板向土样放置腔方向延伸，所述移动板底部设置有滑动轮，所述滑动轮设置在轨道内部。

4.根据权利要求2所述的一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，所述移动板侧壁设置有滑槽，所述滑槽内设置有若干定位槽，所述滑动板侧面设置有弹性碰珠，所述弹性碰珠位于滑槽内，移动所述滑动板使弹性碰珠弹出到定位槽中。

5.根据权利要求1所述的一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，所述土样固定及检测机构还包括升降板以及第三液压缸，所述升降板位于土样放置腔上方，所述第三液压缸输出轴与升降板顶面连接，所述冻胀融沉量检测机构设置在升降板底面，所述主控单元与第三液压缸电连接。

6.根据权利要求5所述的一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，还包括隔水机构，所述隔水机构包括第一隔水板、第二隔水板以及第一电动推杆，所述第一隔水板设置在升降板底面中部，所述底板上表面设置有条形槽，所述第二隔水板设置在底板内部，并位于条形槽下方，所述第一电动推杆设置在底板内部，其输出轴与第二隔水板底面连接，所述主控单元与第一电动推杆电连接。

7.根据权利要求5所述的一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，还包括龙门架，所述龙门架设置在底板上表面，并跨越在土样放置腔上方，所述第三液压缸设置在龙门架顶板的底面，所述土样固定及检测机构还包括旋转电机，所述龙门架侧壁设置有水平板，所述旋转电机滑动设置在水平板上，其输出轴与翻转板侧壁连接，所述第一液压缸设置在水平板上表面，用于驱动旋转电机带动翻转板移动，所述主控单元与旋转电机电连接。

8.根据权利要求7所述的一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，所述土样固定及检测机构还包括承载板，所述承载板滑动设置在水平板上，所述旋转电机设置在承载板上表面，所述第一液压缸输出轴与承载板侧壁连接。

9.根据权利要求1所述的一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，还包括限位板以及第二电动推杆，所述限位板滑动设置在底板上，所述土样放置腔位于限位板和挖掘机构之间，所述第二电动推杆设置在底板上，其输出轴与限位板远离土样放置腔的侧壁连接，所述主控单元与第二电动推杆电连接。

10.根据权利要求9所述的一种冻胀融沉试验装置，其特征在于，所述限位板上设置有用于与联络通道连通的通孔。

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